Progress in Hot Dry Rock Exploration and a Discussion on Development Technology in the Gonghe Basin of Qinghai
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摘要:
我国干热岩勘查及开发利用仍处于起步阶段，亟待解决勘查程度底、热源机制不清、高温钻井成本高、换热效率低和压裂时有诱发地震风险等问题。在分析国内外干热岩勘查开发历程和青海共和盆地干热岩地质特征与勘查现状的基础上，探讨和研究了干热岩找矿标志建立、井内测温及地温梯度计算相关注意事项和共和盆地放射性生热对干热岩热源的贡献，初步分析对比了增强型地热系统与单井换热的各自特点及难点，分析了压裂井网技术存在的问题及压裂与诱发地震的关系，并对开发试验示范基地建设提出了相应的建议。研究结果为共和盆地干热岩勘查开发提供了理论依据。
Abstract:Due to the fact that exploration, development and utilization of hot dry rock for geothermal energy in China are still in their initial stage, it is necessary to overcome problems such as low levels of exploration, unclear heat source mechanism, the high cost of high-temperature drilling, the low efficiency of heat transfer technology and risks of induced earthquakes, etc. On the basis of analyzing the exploration and development history of hot dry rock at home and abroad, the geological features and current exploration situation of hot dry rock in the Gonghe Basin, this paper discusses and studies establishes the prospecting indicators of dry hot rock. This paper takes into consideration well temperature measurement and geothermal gradient calculation, and the contribution of radioactive heat generation to the dry hot rock heat source in the Gonghe Basin. It then preliminarily analyzes and compares the features and difficulties of enhanced geothermal system (EGS) and single well heat transfer. It also analyzes the problems in fracturing well pattern technology and the relationship between fracturing and induced earthquake, and puts forward some suggestions for the construction of development test demonstration base. The result has provided a theoretical basis for exploration and development of hot dry rock in the Gonghe Basin.
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地热资源按其成因和产出条件划分，可分为浅层地温能型（埋深≤200 m）、水热型（埋深200～3 000 m）和干热岩型（埋深>3 000 m）等几种。其中，干热岩资源（hot dry rock，HDR）开发前景最为广阔，据保守估计，地壳中可利用的干热岩资源量大约是地球上所有石油、天然气和煤炭资源量的30倍[1]。同时，人类活动对化石能源的大量使用，加剧了全球气候变暖和极端气候灾害的发生，节能减排和开发清洁、可再生能源已是各国政府亟待优先解决的问题。因此，尽快突破干热岩勘查及开发利用技术，对优化能源结构、发展低碳经济、构建现代能源体系和保障经济社会可持续发展具有战略意义。青海省地热资源丰富，可开采地热资源总量折合标准煤达798×104 t/a。近年来，青海省干热岩勘查取得重大突破，先后在共和盆地恰卜恰地区和扎仓沟地区钻获干热岩，温度最高达214 ℃，具有很高的开发利用潜力，但国内干热岩资源从勘查到正式开发利用，仍面临许多技术难题。
笔者从共和盆地地质背景入手，分析阐述目前共和盆地干热岩勘查开发利用现状，并结合国内外最新研究成果，从勘查技术及开发利用等方面进行了探讨，提出了技术发展建议，以期为共和盆地干热岩勘查及开发利用示范基地建设提供技术参考和借鉴。
1. 国内外干热岩勘探开发概况
通常，广义的干热岩是指埋藏于地球深部、温度较高、不含水分的高温热岩体，岩体的成分及性质变化较大。受现阶段钻探技术及地热资源开发利用深度的制约，狭义干热岩资源可定义为埋藏于距地表3～10 km深处、温度180～650 ℃、内部基本不含或含较少流体和具有开发价值的异常高温岩体[2]。目前，开发干热岩资源的主要手段是增强型地热系统（enhanced geothermal system，EGS），即通过水力压裂等方式将地下深部低渗透性干热岩体改造成具有较高渗透性的人工地热储层，长期经济有效地将地下深处热能采出并加以利用的人工地热系统[3]。
1973年，美国阿拉莫斯（Los Alamos）国家实验室率先在新墨西哥州的芬顿山进行了干热岩勘查开发研究，并建立了最早的EGS研究示范场地[4]。40多年来，英国、法国、日本、德国和澳大利亚等国家相继开展了干热岩资源的勘查开发，共建立了近40个EGS工程，并进行了基底岩性、热储盖层、地温梯度和热流值等方面的研究，取得了一系列的研究成果[5-10]（见表1）。但在实际开发过程中，受现阶段工程技术、深部钻探工艺、诱发地震和场地模型建立等多方面因素的限制，干热岩的开发利用仍存在大量技术方面的风险，真正投入商业开发并发电成功的试验场很少。
表 1 全球干热岩发电站主要地质特征[10]Table 1. Main geological features of hot dry rock power stations in the world[10]国家 位置 开始年份 基底组成 盖层 热流密度/(mW·m–2) 地温梯度/(℃·km–1) 形成时代/Ma 美国 芬顿山 1973 花岗岩、片麻岩 火山岩、沉积岩 92～247 45～65 1 620～1 440 英国 康沃尔 1977 花岗岩 黏土沉积物 120 35 293 法国 苏尔茨 1985 二长花岗岩 沉积岩 82～176 28 331 德国 法尔肯贝格 1975 云母、二长花岗岩 沉积岩 82～85 29 310～320 日本 肘折 1984 花岗岩、闪长岩 火成岩 184 50 97 瑞士 巴塞尔 1996 花岗岩、片麻岩 沉积岩 75 312 瑞典 法尔巴卡 1984 黑云母、二长花岗岩 显生宙盖层沉积物 30～65 920 澳大利亚 库珀 2003 二云母、花岗岩 沉积物 92 30 298～323 我国干热岩研究工作起步较晚，目前处于前期理论探索、实验室模拟和钻井普查阶段[11-12]。2006年前后，在福建、云南、河北、江苏等地进行了干热岩前景区资源量的初步评估工作；“十二五”期间，开展了国内地热资源调查评价工作，重点选择国内高热流密度区进行了干热岩资源勘查工作[12-13]。2014年，在青海省共和县盆地首次钻获181 ℃的干热岩，实现了我国干热岩勘查零的突破；2017年，在共和县恰卜恰镇井深3 705.00 m处钻获236 ℃的干热岩，在青海省贵德县扎仓沟井深4 721.60 m处钻遇214 ℃的干热岩体。目前，重点在青海共和盆地、河北唐山等地进行干热岩勘查，并通过试验和数值模拟进行成井工艺、场地建设、高温测井和深井换热等方面的研究，取得了一系列突破性成果[14-15]。但国内干热岩面临着勘查程度底、热源机制不清、高温钻井成本高、换热效率低和压裂诱发地震风险等方面的问题，干热岩资源从勘查到正式开发投入利用，还需要攻克很多技术难题。
2. 共和盆地干热岩地质特征及勘查现状
共和盆地位于西秦岭造山带西端，面积约2×104 km2，东西长210 km，南北宽约90 km，海拔3 000 m左右[16]。共和盆地地处多个造山带（西秦岭、东昆仑、祁连）和块体（柴达木和欧龙布鲁克）交接转换的重要结点地区[17]，经历了早古生代—晚古生代的裂谷坳陷与中生代以来的陆内构造演化2个阶段[18]。张超等人[19]根据前人资料将共和盆地划分为塘格木坳陷、贵南坳陷、贵德坳陷、祁家隆起和黄河隆起等5个次级构造单元（见图1），主要研究区恰卜恰镇位于塘格木坳陷与黄河隆起的过渡斜坡带处，基底埋深呈东浅西深。根据物探解译及钻井结果，盆地东部基底埋深600～1 400 m，西部埋深超过4 000 m。
盆地基底上覆地层主要为早中三叠统隆务河组（T1-2l）、中三叠统古浪堤组（T2g）、早中侏罗统阳曲组（J1-2yq）、古近系—新近系西宁组（EN1x）、中新统咸水河组（N1x）、上新统临夏组（N2l）和早中更新统共和组（Q1-2g）等[20]。地表主要出露地层为第四系黏土、亚砂土与新近系粉砂岩、细砂岩、中砂岩及含砾中粗砂岩等[21]。共和盆地地处宗务隆—泽库岩浆岩带的青海湖南山—泽库亚带内[22]，主要发育走滑深熔型花岗岩，该岩浆岩带以发育中晚三叠世俯冲—碰撞—造山后中酸性岩浆岩组合为特征，岩体多呈长条状、椭圆状展布，侵入时代主要为中晚三叠世，岩性主要为闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩和正长花岗岩等，其中当家寺岩体与恰卜恰隐伏干热岩体关系密切。
共和盆地的地热地质调查工作始于20世纪60年代，最初是调查研究地表出露的温泉特征。近年来，随着国家能源结构调整和干热岩的兴起，在共和盆地及周边利用水文地质调查、物探、化探、地震和钻探等手段，初步分析了区域内地下热水分布范围、形成条件、地热机制和控热因素等。该区域干热岩勘查工作始于2011年，在共和县恰卜恰镇实施了地下热水资源勘查项目，部署了DR1井、DR2井和DR3井等3口地热井，基本查明了恰卜恰南部地区的地层和水文地质条件，测算地温梯度为5.42～5.81 ℃/100m，约是全球平均地温梯度的2倍。2014年，DR3井在井深2 927.00 m首次钻获181 ℃的干热岩，拉开了共和盆地干热岩勘查开发的序幕。
目前，共和恰卜恰地区共完成7口干热岩勘探井，完钻井深1 453.00～3 705.00 m，井底温度86.9～236.0 ℃，花岗岩基底埋深940.00～1 480.00 m（见表2）。DR3井、DR4井、GR1井和GR2井等4口井均钻获温度高于180 ℃的干热岩，再次印证了共和盆地底部存在干热岩且分布较广（见图2）。
表 2 共和恰卜恰地区主要地热井统计结果Table 2. Statistics of major geothermal wells in Gonghe Qiabuqia Area井号 基底埋深/m 井深/m 井底温度/℃ 180 ℃干热岩深度/m DR1 1 354 1 453 87.6 DR2 1 441 1 852 98.6 DR3 1 340 2 927 180.3 2 927 DR4 1 402 3 102 182.3 3 102 DR5 1 490 1 501 86.7 GR1 1 350 3 705 236.0 3 200 GR2 940 3 003 182.0 3 000 ![]()
图 2 共和恰卜恰地区干热岩勘探井分布Figure 2. Statistics of major geothermal wells in GongheQiabuqia Area物探解释及钻井结果表明，共和盆地恰卜恰地区花岗岩基底埋深基本呈东部浅西部深的趋势，南北向变化不大；干热岩埋藏深度基本稳定，温度达180 ℃的干热岩埋深基本在3 000.00～3 200.00 m。根据井内采样分析，干热岩岩性以花岗岩、黑云母二长花岗岩为主；花岗岩侵入年龄224～248 Ma，为印支期早、中三叠世，侵入时间大致可分为早、晚两期。
2018年，我国开展了共和盆地干热岩勘查与试验性开发科技攻关研究，计划前期在共和盆地钻3口完钻井深大于4 000.00 m的干热岩井并进行压裂试验，以评价该盆地干热岩可采资源量，总结干热岩赋存分布理论，建立我国首个干热岩开发示范工程。2019年9月10日，GH–01井钻至井深4 002.87 m时，钻遇中晚三叠世浅灰色花岗闪长岩，初步测得井底温度为212.3 ℃。目前，正在进行GH–01井高温高压压裂方案编制及后续研究工作。
3. 干热岩勘查技术探讨与思考
干热岩作为国内新兴的地质找矿方向，仍处于探索研究阶段，干热岩的勘查技术手段、资金预算和资源量评价都没有可以参照执行的标准和规范，研究干热岩的分布规律、形成机理、热源机制和理论依据时缺少大量数据的支持。因此，本文根据以往资料及现阶段勘查存在的问题，从以下几方面进行了思考和总结。
3.1 干热岩找矿标志的建立
李德威等人[23]曾提出“干热岩应当在大陆动力学和地球系统动力学理论指导下科学开展综合勘查”，并对我国未来干热岩的勘查给出了系统的建议。张森琦等人[24]从大地构造背景、盖层条件等方面对美国米尔福德干热岩EGS试验场勘探成果和共和盆地干热岩勘查情况进行了对比和讨论。国内除共和盆地外，还在松辽盆地、福建漳州、西藏南部和云南腾冲等地划定了多个干热岩勘查远景靶区，并根据地质背景及勘查成果分析了发展方向[25]。
目前，国内多是根据前期地表及浅层地热的异常或大地热流密度的异常寻找干热岩（包括共和盆地干热岩的发现），划定靶区后进行深部勘查。本文参考金属矿床的勘查理论和方法，以共和盆地资料为基础，综合国内外已有干热岩的资料，建立一套干热岩的找矿标志理论体系，从大地构造背景、热源机制、干热岩特征（岩性、时代、矿物、同位素和放射性等）、热储性质、地下气体类型和埋藏深度等方面建立找矿标志，利用地震波、电磁、重力和钻探等综合手段优选靶区，并制定了国内勘查方法、技术规范及评价体系，编写了技术指南，为我国其他远景区干热岩勘查工作提供了依据。
3.2 井内测温及地温梯度计算方法
前人将钻井测温数据分为系统稳态测温、静井温度、准稳态测温及瞬态测温等4类[26]，这些数据最主要的差异是评价地温与井温是否达到了热平衡，也决定着实测温度是否能代表地层的真实温度。以往项目的测温数据大多未说明钻井的测温环境，因此实测温度的代表性不强。干扰井内测温的因素非常多，仪器、人员、天气、地层完整性和构造等都可能影响测温结果，因此，在采集干热岩井测温数据时要考虑多方面的因素，力求数据准确和具有代表性。
前人曾根据已有测温结果，计算了几口已钻井的地温梯度，并根据梯度与深度的曲线变化情况探讨了热源机制[27]。地温梯度不仅可用来研究干热岩的热源机制，还可用来反推干热岩的埋藏深度、计算大地热流密度和估算资源量等，因此研究地温梯度异常重要。计算地温梯度时，地层的岩性、完整性和构造裂隙等因素均会影响地温梯度的变化，因此必须说明地温梯度的计算范围、计算方法和特殊地质条件等。
3.3 放射性生热对干热岩热源的贡献
前人根据地震波资料和测温与深度曲率变化情况，认为共和盆地恰卜恰地区的干热岩热源机制主要是热传导型，热源与深部异常高温体有关[28]，并判断花岗岩的放射性生热对热源贡献很小[27]；但限于样品采集较少或采取花岗岩的位置不具代表性等因素，计算的放射性生热率差异较大，无法准确判断花岗岩放射性生热对热源的贡献率。
对共和盆地恰卜恰地区钻井采集的50块花岗岩样品进行了放射性测试分析，结果表明：铀含量为1.97～25.30 μg/g，平均10.59 μg/g；钍含量为7.82～38.4 μg/g，平均22.75 μg/g；钾含量为1.29%～6.30%，平均3.45%，均高于中国大陆地壳印支期花岗岩铀、钍和钾含量背景值（铀含量2.11 μg/g，钍含量10.12 μg/g，钾含量2.22%）。根据L. Rybach公式[29]，计算出该地区放射性生热率为1.06～8.94 μW/m3，平均4.12 μW/m3，与管彦武等人[30]推测的青藏高原地壳上部放射性生热率较一致，且显著高于世界范围内花岗岩平均放射性生热率2.50 μW/m3[31]，也高于秦岭地区花岗岩和全球中—新生代花岗岩放射性平均生热率[32]，但略低于南岭及东南沿海地区花岗岩放射性平均生热率[33-34]。岩性、盖层、埋藏深度和成岩年龄等都会影响岩石放射性生热[35]，因此仅凭放射性生热率不足以判断区域干热岩全部的热源机制。研究表明，共和盆地恰卜恰地区的花岗岩放射性生热为区域干热岩热源的组成部分，具体热源机制分配及贡献大小仍有待今后进行研究验证。
4. 干热岩开发技术探讨
4.1 开发方式优选
目前，国外开发利用干热岩资源的主要手段是增强型地热系统EGS，其核心是通过压裂技术建造高渗透性人工热储。有关EGS技术的文献很多，国外也有利用EGS成功实现发电的案例[36-37]，但利用EGS压裂开发干热岩存在成本高、影响大和持续时间短等风险。“取热不取水”是地热能开发利用最理想的方式，近年来，单井换热技术的兴起为开发干热岩资源提供了新的技术思路。
单井换热技术最早由L. Rybach等人[38]提出，其核心是流体在深井中通过同轴套管进行单井内部循环，基于热传导的方式，利用水循环与地层换热，实现“取热不取水”（见图3）。目前，单井换热技术已经在浅层地源热泵中得到广泛应用，但在中深层地热能源开发中还处于初期试验阶段[39]。孔彦龙等人[40]根据深井换热理论，采用数值模拟方法模拟了换热效率，并提出了提高换热效率的建议。将单井换热技术应用于干热岩开发，需在换热材料、成井方式、布井方法、提高换热效率和降低成本等诸多方面进行创新，国内许多学者正在进行相关的试验和研究。
另外，在未来干热岩开发基地的建设中，应注重干热岩、水热型地热、风能和太阳能的综合开发利用，美国也有在水热田场建立EGS的先例和经验[25]。共和盆地恰卜恰及周边地区不仅有大量潜在的干热岩资源，浅层–中深层水热型地热、风电、光伏和光热等技术也已基本成熟，并已在发电、供暖、洗浴和种养殖等方面进行了应用，取得了很好的应用成果[41]。因此，今后可以综合利用区域其他清洁能源，配套改进单井换热或压裂技术，大幅提高干热岩的开发温度和换热效率，从而提高干热岩资源的利用率，扩大可采资源总量。
4.2 压裂井网确定需注意的问题
自干热岩理论提出至今，世界主要国家对EGS压裂进行了不同程度的试验，并总结了主要示范场的建设开发经验及教训[42]。其中，井网方式的选择及井网位置的确定是决定试验成败的关键。共和盆地干热岩示范场的建设过程中，需要特别注意及研究以下几个方面的问题：
1）天然的断裂结构决定了人工压裂的形态及方向，因此，通过物探等手段探明地层内重要隐伏断裂结构的位置及产状至关重要。共和盆地有大量的物探、地震波及钻井资料，压裂试验前要明确试验场区域及周边的构造特征。
2）地应力决定着储层内天然裂隙的形态，利用天然裂隙的形态反演人工裂隙的形态，裂隙形态决定井网方式及井网位置。因此，共和盆地GH–01勘探井完成后，应先在已有井内进行大量的井内观测及井内试验工作，再确定压裂井网。
3）推进地下水动力–热传递–力学–化学（THMC）多场耦合数值模拟软件开发及应用[43]，通过岩石学、水动力学、地球化学等多数据场的模拟，对压裂参数进行先模拟后试验。
4）微地震监测技术是监测储层内裂隙分布的重要手段，以往成功的压裂场均应用微地震监测裂缝形成事件，对压裂施工进行全程监测[44]。
5）示踪剂及流体循环示踪技术是检测裂隙特征和连通情况的有效方法，应根据地层岩性、构造特征合理使用示踪剂，分析判断井网参数是否合理可行[45]。
6）采用监测及试验等方式合理判断注采井的间距，并留出适当的距离空间进行冷水换热。井距过短，容易产生短路，导致换热失败；井距过大，则影响采出的水量及采出水的温度[46]。
7）跟踪国内外压裂的最新技术进展，如CO2等高压气体爆破致裂方法[47]，对比分析其裂隙特征，考虑将其与水力压裂配合或用其替代水力压裂。
4.3 压裂与诱发地震
2017年11月15日，韩国浦项市发生里氏5.5级地震，震源深度9 km，对于很少地震的韩国来说，这是一个多世纪以来第二大地震，仅次于2016年9月的庆州5.8级地震。民众普遍认为这次地震是由几公里外的浦项地热井引起的，随后韩国政府关停了浦项地热发电项目。2018年，相关研究认为此次地震是由地热井的人工压裂引起的[48]。韩国浦项地热发电站实际就是一个干热岩EGS压裂场，通过水力压裂将冷水注入4 300 m多的深井中，以换取地热进行发电。值得注意的是，该发电站距离地震震中距离较远，却还是引起了大震级的地震。
近年来，压裂是否诱发地震一直是干热岩领域最为争议的话题，前人曾根据统计学、构造学和地震学等对二者是否存在因果关系进行了分析，观点不一[49]。可以肯定的是，干热岩压裂过程中必定会对周围环境造成一定的扰动，但多数EGS研发国家默认干热岩试验压裂过程中引发的微地震是可以承受的；国外也有EGS工程因考虑诱发地震因素只进行了试验，没有投产发电[50]。今后共和盆地干热岩进入开发利用阶段时，需要均衡评估收益与风险：一方面，共和盆地海拔较高，人口密度小，经济较落后，干热岩资源丰富，利用前景广阔；另一方面，黄河上游龙羊峡水库距GH–01井约20 km，需要详细评估观测后续水力压裂若诱发地震是否会对水库坝体产生影响。
5. 结论与建议
1）共和盆地干热岩勘查开发虽然取得了突破性进展，但我国干热岩勘查及开发仍面临着大量理论和技术难题。
2）进行干热岩勘查开发时，建议建立干热岩找矿标志、热源来源要兼顾放射性生热、综合考虑取热方案和合理选择压裂井网，特别注意压裂可能会引起地震。
3）建议配合干热岩勘查工作进展开展干热岩勘探开发技术研究，力争在共和盆地建成合理、可用和高效的干热岩勘探开发示范基地，开创我国干热岩勘查开发的新局面。
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图 2 共和恰卜恰地区干热岩勘探井分布
Figure 2. Statistics of major geothermal wells in GongheQiabuqia Area
表 1 全球干热岩发电站主要地质特征[10]
Table 1 Main geological features of hot dry rock power stations in the world[10]
国家 位置 开始年份 基底组成 盖层 热流密度/(mW·m–2) 地温梯度/(℃·km–1) 形成时代/Ma 美国 芬顿山 1973 花岗岩、片麻岩 火山岩、沉积岩 92～247 45～65 1 620～1 440 英国 康沃尔 1977 花岗岩 黏土沉积物 120 35 293 法国 苏尔茨 1985 二长花岗岩 沉积岩 82～176 28 331 德国 法尔肯贝格 1975 云母、二长花岗岩 沉积岩 82～85 29 310～320 日本 肘折 1984 花岗岩、闪长岩 火成岩 184 50 97 瑞士 巴塞尔 1996 花岗岩、片麻岩 沉积岩 75 312 瑞典 法尔巴卡 1984 黑云母、二长花岗岩 显生宙盖层沉积物 30～65 920 澳大利亚 库珀 2003 二云母、花岗岩 沉积物 92 30 298～323 
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表 2 共和恰卜恰地区主要地热井统计结果
Table 2 Statistics of major geothermal wells in Gonghe Qiabuqia Area
井号 基底埋深/m 井深/m 井底温度/℃ 180 ℃干热岩深度/m DR1 1 354 1 453 87.6 DR2 1 441 1 852 98.6 DR3 1 340 2 927 180.3 2 927 DR4 1 402 3 102 182.3 3 102 DR5 1 490 1 501 86.7 GR1 1 350 3 705 236.0 3 200 GR2 940 3 003 182.0 3 000
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