干热岩勘查开发场地选址指标体系建立研究

为使干热岩工程开发场地选址评价有据可依,依据系统性、科学性、延续性、可比性、可操作性以及可量化性原则,建立场地选址评价指标体系。共包含4个指标层20个指标 。

安全性指标

地质安全性指标层主要包括地震基本烈度、地震动峰值加速度和与居民点的距离3个指标。

1地震基本烈度

该指标表示地震对地表及工程建筑物影响的强弱程度(或视为地震影响和破坏的程度)。地震活动会影响区域稳定性,对工程建筑物等有一定影响,总体来说地震基本烈度越小的区域越适宜干热岩的勘查开发。将地震基本度评价指标划分为3级:<6度,好;6度~8度,中;>8度,差。

干热岩勘查开发场地选址评价指标体系注:g为重力加速度。

2地震动峰值加速度

根据《中国地震动参数区划图》 (GB18306—2015)对地震动峰值加速度复核,指标分为3级:<0.05 g,好;0.05~0.2 g,中;>0.2 g,差。

3与居民点的距离

干热岩开发场地选址尚无与居民点距离相关的限制性规范。由于国内外干热岩开发尚未形成商业化场地,干热岩开发的潜在风险国内外研究案例极少,诸多未知风险仍然存在。本文采取“就高不就低”和“以人为本”的原则,综合参考《危险废物填埋污染控制标准(GB 18598—2001)》选址规定的“距离居民点不应小于800 m”和《核电厂环境辐射防护规定(GB 6249—2011》规定的“非居住区限制范围应为2.5 km”2个标准,制定该指标并将指标分为3级:>2.5 km,好;0.8~2.5 km,中;<0.8 km,差。

资源性指标

资源性指标层主要包括干热岩体埋深、干热岩体压裂段温度、地温梯度、热储岩性、分布面积、可开采资源量和可发电量7个指标。

1干热岩体埋深

为方便量化,干热岩体埋深以150℃等温线埋深为依据,主要影响钻探成本。美国圣地亚哥国家实验室开发的Wellcost Lite模型在评估EGS井的成本时,将深度范围在1.5~10 km的井分为3类:浅井(1.5~3 km)、中等深度井(4~5 km)和深井(6~10 km) 。目前,干热岩以中浅深度为宜。因此,将干热岩体埋深指标划分为3级:<3 km,好;3~4 km,中;>4 km,差。

2干热岩体压裂段温度

压裂段温度决定了干热岩开发利用方式和成本。MIT在其关于EGS的权威展望报告中提出:EGS的经济成储温度定为150℃,最佳开采温度为200℃左右,这也成为目前国际公认的标准。尽管随着干热岩开发技术,尤其是压裂技术的进步和成本的下降,广义的干热岩可能将不受限于温度,本次仍以现状经济效益考量,将目标干热岩体压裂段温度指标分为3级:>200℃,好;150~200℃,中;<150℃,差。

3地温梯度

地温梯度是划分干热岩资源品级的重要指标。《地球科学大辞典》给出的干热岩地温梯度区间值,将干热岩资源的品级划分为高级80℃/km、中级50℃/km和低级30℃/km。美国采用“易于开发的高地温梯度区”地温梯度大于45℃/km。综合上述标准,将该指标分为3级:>80℃/km,好;45~80℃/km,中;<45℃/km,差。

4热储岩性

热储岩性对人工压裂具有重要影响,干热岩的热能赋存于各种变质岩或结晶岩类岩体内,较常见的有花岗岩、花岗闪长岩和黑云母片麻岩等,主要是各种变质岩或结晶岩类岩体。芬顿山EGS项目干热岩地热系统建于前寒武纪岩体中,岩性为均质黑云母花岗闪长岩;日本Ogachi EGS项目区,上部200 m为古近纪—新近纪凝灰岩,下部为花岗岩和花岗闪长岩;英国Rosemanowes EGS项目区为早二叠世花岗岩岩基;法国Soultz EGS项目上部为古近纪—新近纪沉积砂岩,下部为古生代花岗岩;澳大利亚Cooper盆地上覆地层厚度为3 668 m,上部为中元古代变质沉积岩,下部为年代较新的花岗岩;青海共和恰卜恰地区为印支晚期花岗岩。尽管干热岩也可以赋存于沉积岩或层状变质岩地层中,但考虑到压裂造缝对均质性的要求,目前多认为不适宜进行EGS人工储层建造。因此,干热岩热储岩性评价指标3级划分方案为:均质各向同性良好的中酸性花岗岩类,好;均质各向同性较好的花岗岩和变质岩类,中;均质各向同性一般的花岗岩和变质岩类,差。

5分布面积

干热岩分布面积是评价干热岩场地是否适合工程开发的直观指标之一。一般来说,装机容量200 MWe左右时,其所需的干热岩体平面面积为150~200 km能源部分时设定岩体的平均温度只下降10℃,则从温度为200℃、体积为1 km3的立方岩体中可开采的热能为2.5×1013k J,而其四周则含有4×1014k J的热能。干热岩可开采量不应低于该岩体本身可开采的资源量,以能够采出大于周边岩体的资源量为最佳。实际计算中,应尽可能通过数值模拟的方法计算。该指标分为3级:>40×1013k J,好;2.5×1013~40×1013k J,中;<2.5×1013k J,差。

7可发电量

利用干热岩发电是干热岩开发利用的主要目标。从现有EGS工程发电潜力或装机容量看, 1984年美国芬顿山建成了世界上第一座高温岩体地热发电站,装机容量为10 MWe;法国Soltz在首次示范生产(发电量1.5 MWe)基础上开展发电量为20~30 MWe的规模化电力生产;2013年澳大利亚在Cooper盆地Hobanero场地新建的EGS示范性工程装机容量为1 MWe,具备扩展到25 MWe的发电潜力;2010年,韩国启动的EGS开发计划,计划在2015—2018年间建成一个1 MWe级的干热岩发电站,到2020年扩展到20 MWe。而考虑到我国尚无干热岩发电工程,建立一座1 MWe级装机容量的干热岩示范电站应是近期的主要目标,发电潜力应不低于10 MWe。因此,将可发电量指标划分为3级:>50 MWe,好;10~50 MWe,中;<10 MWe,差。

技术性指标

技术性指标层主要包括钻井深度、地应力状况、储层压裂门限值、天然裂隙发育情况、可压裂体积和场地资源使用寿命6个指标。

1钻井深度

钻井深度以干热岩最佳开采温度200℃等温线深度为量化依据。钻井深度一方面影响钻探经济性,另一方面影响钻探施工难易程度。目前国内外干热岩开采深度主要集中在3~5 km,澳大利亚Cooper盆地4.25 km,法国Soultz场地3~4.75 km,温度均大于200℃。因此,将钻井深度指标划分为3级:<3 km,好;3~5 km,中;>5 km,差。

2地应力状况

人工储层建造是干热岩体开发最关键的步骤,且直接关系到EGS工程的成本和经济性,多年来国际上多采用巨型水力压裂法建造人工储层。在原生裂隙极不发育、相对均质和各向同性的高温花岗岩体中,水力压裂产生的裂缝严格受地应力场的控制,裂缝的扩展方向一般都垂直于最小主应力方向。因此,准确掌握干热岩体的天然应力状态是建造人工储层的重要环节。根据地应力条件是否清楚,将地应力状况指标划分3级:清楚,好;基本清楚,中;不清楚,差。

3储层压裂门限值

该指标也称为岩层起裂压力,是评价热储岩性是否易于人工压裂的指标,主要由开发场地的应力状态决定。尽管还没有足够的资料来确定EGS地热开发的最佳应力状态,但从已有示范工程来看,储层压裂门限值为在十几或几十个MPa。如美国Fenton Hill场地压力值为19 MPa;法国Soltz GPK2和GPK3这2个钻孔的压力值分别为15.5 MPa和16 MPa;德国Landan压力值为13 MPa;澳大利亚Cooper盆地Habanero-1压力值为58 MPa;瑞士Basel-1压力值为29.6 MPa;德国GrooseSchoenebeck压力值为58.6 MPa。研究表明,花岗岩的起裂压力为20.4 MPa。一般情况下,干热岩储层压裂应优先使其原生裂隙张开,次之再考虑压裂岩石本身制造新的裂隙系统。综合上述信息,将储层压裂门限值指标划分为3个等级:<15 MPa,好;15~30 MPa,中;>30 MPa,差。

4天然裂隙发育情况

天然裂隙类型主要用来预测压裂后裂隙系统发展情况,可通过岩心、测井或露头分析获得。干热岩体天然裂隙发育情况直接关乎压裂的难易程度,但干热岩体不应发育较大断层,较大的断层易形成储层短路,造成人工造储失败。因此,将天然裂隙发育情况指标划分为3级:发育但无较大断层,好;较发育,中;不发育或发育较大断层,差。

5可压裂体积

可压裂的干热岩岩体体积即人工激发储层体积,是计算干热岩可利用资源量的直接依据。国际上普遍认为理想经济的EGS工程,激发储层体积应达到0.1 km3,有效热交换面积应达到100万m2。目前而言,国际上很多EGS工程储层激发体积已远远超过0.1 km3的目标,但热储有效换热面积距商业化的要求还有一定的差距,主要原因在于激发过程中对裂隙系统的控制还不够理想。美国芬顿山的经验表明,采用水力加压法可以在足够大的岩石体积中(>1 km3)创建开放的裂隙网络,以维持长期热能提取。现有EGS工程人工储层压裂体积多在1~2 km3之间,因此,将可压裂干热岩体积指标划分为3级:>2 km3,好;1~2 km3,中;<1 km3,差。

6场地资源使用寿命

该指标为场地资源、装机容量和设备选型的综合考量指标。世界上几个老地热项目已经运行超过30 a,而且大多数对未来地热项目的规划都假设每个电厂至少会运行30 a。赵阳升等按照MIT高温岩体地热开发模型,预测羊八井热田、云南腾冲高温岩体和海南琼北高温岩体地热电站有效使用寿命均在100 a以上。因此,将场地资源使用寿命指标划分为3个等级:>100 a,好;30~100 a,中;<30 a,差。

经济性指标

经济性指标层主要包括土地利用现状、场地施工条件、水源保障程度和发电并网条件4个指标。

1土地利用现状

一方面干热岩勘探开发工程施工要占用一定面积的土地,需考虑土地准入问题;另一方面工程施工易产生噪声或微地震等不利影响,不能建设在人口密集区。因此,需对土地利用状况进行评价,将此指标分为3个等级:未利用土地,好;牧草地、林地、耕地和园地,中;居民点、工矿用地、交通用地和宗教用地,差。

2场地施工条件

场地施工条件主要考虑场地是否具备大型施工车辆通行条件和大型机械施工条件。将此指标分为3个等级:施工车辆可通行、易施工,好;需修路方可通行、施工场地需投入少量资金平整,中;不易通行、不具备施工条件或投资额巨大,差。

3水源保障程度

水源保障程度是评价场地施工能否满足干热岩开发利用过程中钻探、压裂和开发水源条件的指标。将此指标分为3个等级:具备,好;可协调解决,基本具备,中;不具备,差。

4发电并网条件

干热岩开发利用的主要方式是发电,发电能否并网是干热岩场地选址的基本条件。将此指标分为3个等级:具备,好;可协调解决,基本具备,中;不具备,差。