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加强小规模场地实验研究,促进增强型地热系统(EGS)科学技术研发

美国能源部EGS合作实验室项目进展

来源:地调局地学文献中心 作者:张炜 姜重昕 发布时间:2018-04-13

作为保障美国未来能源安全的潜在可再生能源之一,增强型或工程型地热系统(EGS)提供了巨大的资源潜力。美国地质调查局估计美国西部的EGS资源总量可能超过500 GWe,远远超过传统水热型地热系统的资源基础。Augustine(2016)给出的EGS资源估算量是美国地质调查局估算结果的10倍以上,因为考虑了整个国家和采用了更高的资源采收率。尽管这些资源评估表明EGS拥有巨大的资源基础和资源潜力,能为美国未来的清洁能源发展做出贡献,但是在采收和利用这类资源方面仍然面临诸多技术挑战,包括①缺乏对不同岩石类型和不同应力条件下有效压裂技术的全面认识;②现有技术无法成像/监测渗透率的增加和变化;③缺乏在高温条件下针对多段压裂的有效层位封隔技术;④缺乏控制快速流动路径和早期热突破的封隔层位技术;⑤缺乏基于科学的长期EGS储层维护和管理技术。用于发电的EGS资源的大规模商业部署将需要克服这些技术障碍。

基于对上述技术挑战的深入分析,美国能源部地热技术办公室制定了推动EGS资源部署的技术路线图。该路线图促成了专门针对EGS的研发计划的编制,其中包括EGS现场示范项目以及地热能前沿观测研究计划(FORGE),FORGE计划目前处于第二阶段的选址过程,将建立一个大规模的现场实验室,专注于开发、测试和验证用于改进EGS储层特征刻画、钻探、建造和维护的技术。虽然FORGE计划将建立截至目前仪器设备最全面的EGS研究场地,但目标地层的深度(大于1.5 km)和温度(175~225oC)条件所导致的高钻探成本必然会限制对过程的观测。

为了促进FORGE计划的成功实施,建立实验室规模的压裂和岩石力学研究与未来FORGE场地的大规模现场实验研究之间的桥梁,美国能源部地热技术办公室于2016年启动了为期3年的EGS合作实验室项目,该项目将利用易于接近的地下设施,以提高对岩体压裂响应的认识以及提供中等规模(10 m尺度)的实验平台来验证热-水-力-化学(THMC)模拟方法以及新型监测工具。EGS合作实验室项目是一项由多家实验室和大学合作开展的研究工作,聚集了一批在地下过程模拟、监测和实验领域具有丰富知识和经验的科学家和工程师,重点关注中等规模的EGS储层建造过程以及结晶岩场地的相关模型验证。

EGS合作实验室项目的主要工作目标包括:

(1)将利用精心设计的压裂和流体流动实验采集有关裂缝渗透率增加机制的数据;

(2)将在高密度的钻孔阵列中采用多种方法监测与原位应力和激发过程呈函数关系的裂缝特征和相关微地震活动变化;

(3)将针对不同的天然裂缝密度、方向和应力条件,建立可以开发、测试、改进和验证不同激发技术、地球物理监测技术以及层位封隔技术等的实验平台;

(4)将开发、测试、改进和验证可以用于模拟结晶岩中各种应力、压力和温度条件下的裂缝产生和延伸以及准确刻画各种复杂裂缝和注入井/生产井几何形状的模拟预测程序。

项目团队通过对多个场地的评估,最终选择了位于美国南达科他州的Sanford地下研究设施作为EGS合作实验室项目的实验场地。2017年,项目团队在Sanford地下研究设施的地下4850英尺开始了现场实验。在全面规划和三维模拟的基础上,以最优的空间方向完成了8个60 m长的钻孔(6个监测孔、1个注入孔和1个生产孔),来制造裂缝以及获取高分辨率监测数据。计划于2017年冬季至2018年春季开展压裂和流体流动实验。