干熱巖勘查開(kāi)發(fā)場(chǎng)地選址指標體系建立研究

為使干熱巖工程開(kāi)發(fā)場(chǎng)地選址評價(jià)有據可依,依據系統性、科學(xué)性、延續性、可比性、可操作性以及可量化性原則,建立場(chǎng)地選址評價(jià)指標體系。共包含4個(gè)指標層20個(gè)指標 。

安全性指標

地質(zhì)安全性指標層主要包括地震基本烈度、地震動(dòng)峰值加速度和與居民點(diǎn)的距離3個(gè)指標。

1地震基本烈度

該指標表示地震對地表及工程建筑物影響的強弱程度(或視為地震影響和破壞的程度)。地震活動(dòng)會(huì )影響區域穩定性,對工程建筑物等有一定影響,總體來(lái)說(shuō)地震基本烈度越小的區域越適宜干熱巖的勘查開(kāi)發(fā)。將地震基本度評價(jià)指標劃分為3級:<6度,好;6度~8度,中;>8度,差。

干熱巖勘查開(kāi)發(fā)場(chǎng)地選址評價(jià)指標體系注:g為重力加速度。

2地震動(dòng)峰值加速度

根據《中國地震動(dòng)參數區劃圖》 (GB18306—2015)對地震動(dòng)峰值加速度復核,指標分為3級:<0.05 g,好;0.05~0.2 g,中;>0.2 g,差。

3與居民點(diǎn)的距離

干熱巖開(kāi)發(fā)場(chǎng)地選址尚無(wú)與居民點(diǎn)距離相關(guān)的限制性規范。由于國內外干熱巖開(kāi)發(fā)尚未形成商業(yè)化場(chǎng)地,干熱巖開(kāi)發(fā)的潛在風(fēng)險國內外研究案例極少,諸多未知風(fēng)險仍然存在。本文采取“就高不就低”和“以人為本”的原則,綜合參考《危險廢物填埋污染控制標準(GB 18598—2001)》選址規定的“距離居民點(diǎn)不應小于800 m”和《核電廠(chǎng)環(huán)境輻射防護規定(GB 6249—2011》規定的“非居住區限制范圍應為2.5 km”2個(gè)標準,制定該指標并將指標分為3級:>2.5 km,好;0.8~2.5 km,中;<0.8 km,差。

資源性指標

資源性指標層主要包括干熱巖體埋深、干熱巖體壓裂段溫度、地溫梯度、熱儲巖性、分布面積、可開(kāi)采資源量和可發(fā)電量7個(gè)指標。

1干熱巖體埋深

為方便量化,干熱巖體埋深以150℃等溫線(xiàn)埋深為依據,主要影響鉆探成本。美國圣地亞哥國家實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的Wellcost Lite模型在評估EGS井的成本時(shí),將深度范圍在1.5~10 km的井分為3類(lèi):淺井(1.5~3 km)、中等深度井(4~5 km)和深井(6~10 km) 。目前,干熱巖以中淺深度為宜。因此,將干熱巖體埋深指標劃分為3級:<3 km,好;3~4 km,中;>4 km,差。

2干熱巖體壓裂段溫度

壓裂段溫度決定了干熱巖開(kāi)發(fā)利用方式和成本。MIT在其關(guān)于EGS的權威展望報告中提出:EGS的經(jīng)濟成儲溫度定為150℃,最佳開(kāi)采溫度為200℃左右,這也成為目前國際公認的標準。盡管隨著(zhù)干熱巖開(kāi)發(fā)技術(shù),尤其是壓裂技術(shù)的進(jìn)步和成本的下降,廣義的干熱巖可能將不受限于溫度,本次仍以現狀經(jīng)濟效益考量,將目標干熱巖體壓裂段溫度指標分為3級:>200℃,好;150~200℃,中;<150℃,差。

3地溫梯度

地溫梯度是劃分干熱巖資源品級的重要指標?！?a href="http://m.keyinmall.com/t/地球科學(xué).html" >地球科學(xué)大辭典》給出的干熱巖地溫梯度區間值,將干熱巖資源的品級劃分為高級80℃/km、中級50℃/km和低級30℃/km。美國采用“易于開(kāi)發(fā)的高地溫梯度區”地溫梯度大于45℃/km。綜合上述標準,將該指標分為3級:>80℃/km,好;45~80℃/km,中;<45℃/km,差。

4熱儲巖性

熱儲巖性對人工壓裂具有重要影響,干熱巖的熱能賦存于各種變質(zhì)巖或結晶巖類(lèi)巖體內,較常見(jiàn)的有花崗巖、花崗閃長(cháng)巖和黑云母片麻巖等,主要是各種變質(zhì)巖或結晶巖類(lèi)巖體。芬頓山EGS項目干熱巖地熱系統建于前寒武紀巖體中,巖性為均質(zhì)黑云母花崗閃長(cháng)巖;日本Ogachi EGS項目區,上部200 m為古近紀—新近紀凝灰巖,下部為花崗巖和花崗閃長(cháng)巖;英國Rosemanowes EGS項目區為早二疊世花崗巖巖基;法國Soultz EGS項目上部為古近紀—新近紀沉積砂巖,下部為古生代花崗巖;澳大利亞Cooper盆地上覆地層厚度為3 668 m,上部為中元古代變質(zhì)沉積巖,下部為年代較新的花崗巖;青海共和恰卜恰地區為印支晚期花崗巖。盡管干熱巖也可以賦存于沉積巖或層狀變質(zhì)巖地層中,但考慮到壓裂造縫對均質(zhì)性的要求,目前多認為不適宜進(jìn)行EGS人工儲層建造。因此,干熱巖熱儲巖性評價(jià)指標3級劃分方案為:均質(zhì)各向同性良好的中酸性花崗巖類(lèi),好;均質(zhì)各向同性較好的花崗巖和變質(zhì)巖類(lèi),中;均質(zhì)各向同性一般的花崗巖和變質(zhì)巖類(lèi),差。

5分布面積

干熱巖分布面積是評價(jià)干熱巖場(chǎng)地是否適合工程開(kāi)發(fā)的直觀(guān)指標之一。一般來(lái)說(shuō),裝機容量200 MWe左右時(shí),其所需的干熱巖體平面面積為150~200 km能源部分時(shí)設定巖體的平均溫度只下降10℃,則從溫度為200℃、體積為1 km3的立方巖體中可開(kāi)采的熱能為2.5×1013k J,而其四周則含有4×1014k J的熱能。干熱巖可開(kāi)采量不應低于該巖體本身可開(kāi)采的資源量,以能夠采出大于周邊巖體的資源量為最佳。實(shí)際計算中,應盡可能通過(guò)數值模擬的方法計算。該指標分為3級:>40×1013k J,好;2.5×1013~40×1013k J,中;<2.5×1013k J,差。

7可發(fā)電量

利用干熱巖發(fā)電是干熱巖開(kāi)發(fā)利用的主要目標。從現有EGS工程發(fā)電潛力或裝機容量看, 1984年美國芬頓山建成了世界上第一座高溫巖體地熱發(fā)電站,裝機容量為10 MWe;法國Soltz在首次示范生產(chǎn)(發(fā)電量1.5 MWe)基礎上開(kāi)展發(fā)電量為20~30 MWe的規?；娏ιa(chǎn);2013年澳大利亞在Cooper盆地Hobanero場(chǎng)地新建的EGS示范性工程裝機容量為1 MWe,具備擴展到25 MWe的發(fā)電潛力;2010年,韓國啟動(dòng)的EGS開(kāi)發(fā)計劃,計劃在2015—2018年間建成一個(gè)1 MWe級的干熱巖發(fā)電站,到2020年擴展到20 MWe。而考慮到我國尚無(wú)干熱巖發(fā)電工程,建立一座1 MWe級裝機容量的干熱巖示范電站應是近期的主要目標,發(fā)電潛力應不低于10 MWe。因此,將可發(fā)電量指標劃分為3級:>50 MWe,好;10~50 MWe,中;<10 MWe,差。

技術(shù)性指標

技術(shù)性指標層主要包括鉆井深度、地應力狀況、儲層壓裂門(mén)限值、天然裂隙發(fā)育情況、可壓裂體積和場(chǎng)地資源使用壽命6個(gè)指標。

1鉆井深度

鉆井深度以干熱巖最佳開(kāi)采溫度200℃等溫線(xiàn)深度為量化依據。鉆井深度一方面影響鉆探經(jīng)濟性,另一方面影響鉆探施工難易程度。目前國內外干熱巖開(kāi)采深度主要集中在3~5 km,澳大利亞Cooper盆地4.25 km,法國Soultz場(chǎng)地3~4.75 km,溫度均大于200℃。因此,將鉆井深度指標劃分為3級:<3 km,好;3~5 km,中;>5 km,差。

2地應力狀況

人工儲層建造是干熱巖體開(kāi)發(fā)最關(guān)鍵的步驟,且直接關(guān)系到EGS工程的成本和經(jīng)濟性,多年來(lái)國際上多采用巨型水力壓裂法建造人工儲層。在原生裂隙極不發(fā)育、相對均質(zhì)和各向同性的高溫花崗巖體中,水力壓裂產(chǎn)生的裂縫嚴格受地應力場(chǎng)的控制,裂縫的擴展方向一般都垂直于最小主應力方向。因此,準確掌握干熱巖體的天然應力狀態(tài)是建造人工儲層的重要環(huán)節。根據地應力條件是否清楚,將地應力狀況指標劃分3級:清楚,好;基本清楚,中;不清楚,差。

3儲層壓裂門(mén)限值

該指標也稱(chēng)為巖層起裂壓力,是評價(jià)熱儲巖性是否易于人工壓裂的指標,主要由開(kāi)發(fā)場(chǎng)地的應力狀態(tài)決定。盡管還沒(méi)有足夠的資料來(lái)確定EGS地熱開(kāi)發(fā)的最佳應力狀態(tài),但從已有示范工程來(lái)看,儲層壓裂門(mén)限值為在十幾或幾十個(gè)MPa。如美國Fenton Hill場(chǎng)地壓力值為19 MPa;法國Soltz GPK2和GPK3這2個(gè)鉆孔的壓力值分別為15.5 MPa和16 MPa;德國Landan壓力值為13 MPa;澳大利亞Cooper盆地Habanero-1壓力值為58 MPa;瑞士Basel-1壓力值為29.6 MPa;德國GrooseSchoenebeck壓力值為58.6 MPa。研究表明,花崗巖的起裂壓力為20.4 MPa。一般情況下,干熱巖儲層壓裂應優(yōu)先使其原生裂隙張開(kāi),次之再考慮壓裂巖石本身制造新的裂隙系統。綜合上述信息,將儲層壓裂門(mén)限值指標劃分為3個(gè)等級:<15 MPa,好;15~30 MPa,中;>30 MPa,差。

4天然裂隙發(fā)育情況

天然裂隙類(lèi)型主要用來(lái)預測壓裂后裂隙系統發(fā)展情況,可通過(guò)巖心、測井或露頭分析獲得。干熱巖體天然裂隙發(fā)育情況直接關(guān)乎壓裂的難易程度,但干熱巖體不應發(fā)育較大斷層,較大的斷層易形成儲層短路,造成人工造儲失敗。因此,將天然裂隙發(fā)育情況指標劃分為3級:發(fā)育但無(wú)較大斷層,好;較發(fā)育,中;不發(fā)育或發(fā)育較大斷層,差。

5可壓裂體積

可壓裂的干熱巖巖體體積即人工激發(fā)儲層體積,是計算干熱巖可利用資源量的直接依據。國際上普遍認為理想經(jīng)濟的EGS工程,激發(fā)儲層體積應達到0.1 km3,有效熱交換面積應達到100萬(wàn)m2。目前而言,國際上很多EGS工程儲層激發(fā)體積已遠遠超過(guò)0.1 km3的目標,但熱儲有效換熱面積距商業(yè)化的要求還有一定的差距,主要原因在于激發(fā)過(guò)程中對裂隙系統的控制還不夠理想。美國芬頓山的經(jīng)驗表明,采用水力加壓法可以在足夠大的巖石體積中(>1 km3)創(chuàng )建開(kāi)放的裂隙網(wǎng)絡(luò ),以維持長(cháng)期熱能提取?，F有EGS工程人工儲層壓裂體積多在1~2 km3之間,因此,將可壓裂干熱巖體積指標劃分為3級:>2 km3,好;1~2 km3,中;<1 km3,差。

6場(chǎng)地資源使用壽命

該指標為場(chǎng)地資源、裝機容量和設備選型的綜合考量指標。世界上幾個(gè)老地熱項目已經(jīng)運行超過(guò)30 a,而且大多數對未來(lái)地熱項目的規劃都假設每個(gè)電廠(chǎng)至少會(huì )運行30 a。趙陽(yáng)升等按照MIT高溫巖體地熱開(kāi)發(fā)模型,預測羊八井熱田、云南騰沖高溫巖體和海南瓊北高溫巖體地熱電站有效使用壽命均在100 a以上。因此,將場(chǎng)地資源使用壽命指標劃分為3個(gè)等級:>100 a,好;30~100 a,中;<30 a,差。

經(jīng)濟性指標

經(jīng)濟性指標層主要包括土地利用現狀、場(chǎng)地施工條件、水源保障程度和發(fā)電并網(wǎng)條件4個(gè)指標。

1土地利用現狀

一方面干熱巖勘探開(kāi)發(fā)工程施工要占用一定面積的土地,需考慮土地準入問(wèn)題;另一方面工程施工易產(chǎn)生噪聲或微地震等不利影響,不能建設在人口密集區。因此,需對土地利用狀況進(jìn)行評價(jià),將此指標分為3個(gè)等級:未利用土地,好;牧草地、林地、耕地和園地,中;居民點(diǎn)、工礦用地、交通用地和宗教用地,差。

2場(chǎng)地施工條件

場(chǎng)地施工條件主要考慮場(chǎng)地是否具備大型施工車(chē)輛通行條件和大型機械施工條件。將此指標分為3個(gè)等級:施工車(chē)輛可通行、易施工,好;需修路方可通行、施工場(chǎng)地需投入少量資金平整,中;不易通行、不具備施工條件或投資額巨大,差。

3水源保障程度

水源保障程度是評價(jià)場(chǎng)地施工能否滿(mǎn)足干熱巖開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中鉆探、壓裂和開(kāi)發(fā)水源條件的指標。將此指標分為3個(gè)等級:具備,好;可協(xié)調解決,基本具備,中;不具備,差。

4發(fā)電并網(wǎng)條件

干熱巖開(kāi)發(fā)利用的主要方式是發(fā)電,發(fā)電能否并網(wǎng)是干熱巖場(chǎng)地選址的基本條件。將此指標分為3個(gè)等級:具備,好;可協(xié)調解決,基本具備,中;不具備,差。