許天福 汪 禹 封官宏

吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室

1 超臨界地?zé)豳Y源研究概況

地?zé)崮苁翘N藏在地球內(nèi)部的熱能，按照埋藏深度大致可以分為淺層水熱型、中深層水熱型、干熱型及深部超臨界型。據(jù)估算，世界范圍內(nèi)5 000 m 以淺深度地?zé)豳Y源量約為15.5×1025J，相當(dāng)于4 948×1012t標準煤[1]。中國是地?zé)豳Y源大國，資源潛力占比接近全球的8%。

水的臨界點為（374 ℃、22.1 MPa），當(dāng)溫度和壓力均達到臨界點之上時，水以超臨界態(tài)存在（圖1）。超臨界水（流體）具有較低的密度、動力黏度，以及較高的比焓及壓縮系數(shù)（圖2），這些性質(zhì)決定了超臨界地?zé)崃黧w作為載熱工質(zhì)進行地?zé)崮荛_發(fā)具有極大的潛力。Cladouhos 等[2]的數(shù)值模擬計算結(jié)果表明，在60 kg/s 的質(zhì)量流速下，400℃熱儲溫度提熱效率達50 MW，是200 ℃?zhèn)鹘y(tǒng)熱儲的10 倍左右。由此可見，超臨界地?zé)豳Y源具有極大的潛力，有可能作為國家重要的戰(zhàn)略資源和清潔能源加以開發(fā)利用。

圖1 水的相態(tài)與溫度和壓力的關(guān)系圖

超臨界地?zé)豳Y源的開發(fā)目前在世界范圍內(nèi)仍處于初步探索階段，全球目前僅有20 余口地?zé)峋@遇超臨界條件[3-4]，包括冰島的Krafla、Reykjanes，美國的Newberry、SaltonSea，意大利的Larderello，日本的Kakkonda，以及墨西哥的LosHumeros。其中冰島和意大利由于具有良好的條件，在鉆探及場地實驗方面進展較快，但目前尚未實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)。

我國目前尚未開展超臨界地?zé)豳Y源的開發(fā)工作。西藏羊八井地?zé)崽锸俏覈壳耙阎獰醿囟茸罡叩牡責(zé)崽颷5]，具有開采超臨界地?zé)崮艿臐摿?。羊八井深部含? 個高溫?zé)醿樱渲械谝粚訜醿由疃冉橛?00 ～1 300 m，溫度介于250 ～278 ℃；第二層深度在1 800 m 左右，溫度超過300 ℃，最高達329.8 ℃。由此可見，羊八井區(qū)域地?zé)豳Y源條件十分優(yōu)越，在1 800 m 以下深度有望達到超臨界條件。其良好的地?zé)豳Y源推測與巖漿活動有關(guān)，根據(jù)已有鉆孔及念青唐古拉山體南緣發(fā)現(xiàn)的距今10 ～70 Ma 花崗巖侵入體，表明巖漿活動較為活躍。根據(jù)人工地震所獲得的資料，在羊八井地?zé)崽锷畈? km 處發(fā)現(xiàn)了一套電阻率為5 Ω·m 的低阻層，推測為正在冷卻的巖漿房，深部22 km 處存在著一套低速層，有可能為地下巖漿熔融體。

實際上，在超臨界鉆探工程中以目前技術(shù)很難應(yīng)對鉆井時的惡劣條件，比如高溫高壓條件以及地殼深部可能存在的高腐蝕性酸性流體。此外，對于超臨界條件下的化學(xué)反應(yīng)及力學(xué)特性研究目前僅限于室內(nèi)試驗，而在實際場地中往往更為復(fù)雜，而且現(xiàn)有的軟件無法很好地處理高溫高壓條件的數(shù)值模擬，熱力學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)庫也滿足不了要求，無法為數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)，程序校正的實驗進行得也相對較少。因此，超臨界地?zé)崮艿拈_發(fā)是困擾地質(zhì)工程界的一大難題。筆者在回顧國際上存在的超臨界場地的鉆探及測試過程的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)鉆進、完井技術(shù)經(jīng)驗和教訓(xùn)以及數(shù)值模擬的發(fā)展歷程，提出超臨界地?zé)衢_發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)、潛在的解決方法和未來前景，以期為超臨界地?zé)崮艿难芯亢臀磥黹_發(fā)提供一些思路。

圖2 不同溫壓條件下水的物理性質(zhì)圖

2 超臨界地?zé)峁こ膛c場地

超臨界地?zé)豳Y源在全球的分布情況如表1 所示。

2.1 冰島IDDP 系列工程

目前在超臨界地?zé)衢_發(fā)研究方面最具有代表性的就是冰島深部鉆探系列工程（Iceland dEep Drilling Project, IDDP）。冰島地域上存在100 多座火山，早在21 世紀初便開展“冰島深部鉆探工程”，試圖在地下3.5 ～5.0 km 處尋找450 ～600 ℃的適宜場地以實現(xiàn)超臨界地?zé)崮芙?jīng)濟性開發(fā)[6]。該工程規(guī)劃Krafla、Reykjanes 和Hengill 共3 個場地，目前除Hengill 外均已完成鉆探工程。Krafla 地?zé)崽锏腎DDP-1 井于2009 年首先開展，在2 104 m 處鉆遇巖漿，由于劇烈的侵蝕性而停鉆，最終完井為2 072 m[7]。經(jīng)過測試，出口壓力為14 MPa，溫度為452 ℃，由于井口壓力較低，生產(chǎn)流體為蒸汽相而非超臨界態(tài)，流量介于10 ～12 kg/s。其中含有大量酸性氣體（HCl、HF、H2S等），HCl約為100 mg/kg，在蒸汽凝結(jié)時形成鹽酸，井筒及大量地面設(shè)備均受到腐蝕。另外約62 mg/kg的SiO2溶解在蒸汽中，在井口隨著壓力降低而大量沉淀[8]。經(jīng)過2 年的生產(chǎn)測試后，在對地面設(shè)備修復(fù)時，由于套管坍塌，IDDP-1 井最終廢棄。

2015 年12 月，IDDP-2 井 在Reykjanes 地 熱 田原有鉆孔（RN-15）的基礎(chǔ)上加深[9]。2017 年1 月，IDDP-2 井完成鉆井，井深4 659 m。在3 000 m 以下鉆遇幾個高滲帶，分別位于3 400 m、4 375 m 和4 550 m，在3 648 ～4 658 m 取得巖心，這也是世界首次在超臨界條件下獲取的巖心。巖心來自一個片狀巖脈復(fù)合體，普遍遭受流體的侵蝕。在孔隙內(nèi)發(fā)現(xiàn)Cl、Fe、K 等鹽分，巖心表面發(fā)現(xiàn)赤鐵礦及石英沉淀等包裹體，這些對超臨界地?zé)豳Y源和海底熱液系統(tǒng)化學(xué)條件的研究具有巨大的科學(xué)價值，對提高成礦過程的認識具有重要意義[10-11]。該井鉆完井后，以40 kg/s 的注入速率進行注入能力測試，6 天后，井底溫度恢復(fù)至427 ℃，壓力34 MPa（380 ℃條件下校準的K-10測井儀）。根據(jù)冰島科學(xué)顧問組（Science Application Group of Advisors, SAGA）2018 年3 月18 日 的 報告，井底溫度目前穩(wěn)定在535 ℃。根據(jù)2019 年8 月SAGA（System for Automated Geoscientific Analyses）的最新報告，大型的流動測試計劃在2020 年展開，但網(wǎng)站數(shù)據(jù)在2019 年8 月之后并未更新。

2.2 意大利DESCRAMBLE 工程

意大利中部Tuscany 地區(qū)的Larderello 地?zé)崽锸鞘澜缟祥_發(fā)最早的地?zé)崽铮嘟褚延邪倌隁v史，目前仍具有極大的開發(fā)價值。歐盟在此設(shè)立了“歐洲大陸深層超臨界環(huán)境鉆探工程”（Drilling in Deep Super-Critical AMBient of continentaL Europe，DESCRAMBLE）[12]。項 目2015 年5 月 開 始，至2018 年4 月完成。主要目的是嘗試在大陸地殼極高溫度條件下進行鉆探，探測地?zé)豳Y源新型鉆探技術(shù)，同時增強對深部超臨界條件下物理、化學(xué)條件的認識。

幾十年來大量的地震勘探數(shù)據(jù)證明該區(qū)存在一個重要的深部高地震阻抗層，稱為K 層（K-horizon），埋深約3 000 m，在整個Tuscany 南部均可識別。高地震阻抗可能由巖漿或變質(zhì)流體形成。1979 年的San Pompeo 2 鉆井在接近K 層時，意外遇到高壓流體，誘發(fā)井噴，大量石英角礫巖噴出，這是Tuscany 地區(qū)花崗巖侵入體頂部存在高溫巖漿熱液系統(tǒng)的典型特征。

此次鉆探所選的Venele-2 井是一口干井，先前已鉆到2 200 m 深、350 ℃，此次加深至2 850 m，根據(jù)現(xiàn)有測溫曲線，可判斷在井深約2 750 m 處，地溫梯度有一個明顯升高，筆者推斷可能是鉆遇K 層。利用其現(xiàn)有測井工具確定了井深2 815 m 地層溫度約為504 ℃[12]。根據(jù)測溫曲線以及相應(yīng)的靜水壓力判斷，在井深2 300 m 以下流體以氣相形式存在。在2 800 m 處，壓力約為21.5 MPa，接近超臨界條件。

2.3 其他超臨界地?zé)峁こ?/h3>

2.3.1 美國

美國有多個深部超臨界鉆探研究工程，例如Newberry 的深部鉆探工程（Newberry Deep Drilling Project）。其目標是鉆進美國俄勒岡州中部Newberry火山帶的脆性塑性過渡區(qū)（Brittle-Ductile Transition,BDT）。項目的主要研究重點是考慮到自然災(zāi)害和地?zé)豳Y源的利用，研究地殼內(nèi)的熱量傳遞。Newberry火山帶是美國西部最大的地?zé)醿又?，在地? 000 m 左右溫度為320 ℃[13]。2017 年9 月，在俄勒岡州立大學(xué)舉行的國際大陸鉆井項目（International Continental Drilling Program）研討會上進行相關(guān)討論，確定借助Newberry 地?zé)崽镆汛嬖诘腘WG 46-16 井繼續(xù)鉆進1 000 ～1 300 m 以達到井底500 ℃的目標，其中NWG 46-16 于2008 年成井，完井深度3 500 m，井底溫度340 ～374 ℃[14]，接近超臨界狀態(tài)。

Geysers 地?zé)崽锛捌渲苓叺臄?shù)口井均測得了較高

溫度。1981 年的Wilson-1 井在地下3 672 m 溫度達到325 ℃，由于深部流體的侵入，預(yù)測更深部可達400 ℃[15]。在井底鉆遇高壓區(qū)，并且觀測到深部蒸汽涌入。隨后由于井壁垮塌導(dǎo)致井最終被廢棄。2010 年，Geyser 地?zé)崽镂鞅钡腜rati-32 井加深至3 352 m 時，溫度高達400 ℃，導(dǎo)致鉆進困難，最終井深3 396 m[16]。

表1 超臨界地?zé)峋疁囟?、壓力和滲透率表

Salton Sea 地?zé)崽锏腎ID-14 地?zé)峋? 073 m時，溫度高達390 ℃[17]，雖然超過了純水的臨界溫度，但由于鹽度高達20%～30%，根據(jù)Driesner 和Heinrich[18]計算，此時咸水對應(yīng)的臨界溫度應(yīng)高達550 ℃，因此并未達到超臨界狀態(tài)。并且由于在深部遇到高壓區(qū)，最終廢棄。

夏威夷Puna 地?zé)崽锏腒S-2 井在1982 年成井，井深2 440 m，成井過程中遇到鉆井液流失、固井困難以及井筒堵塞無法測溫等問題[19]，推測井底溫壓已達到超臨界條件。2005 年完成的KS-13 井在2 488 m 鉆遇巖漿[20]，由于巖漿的強烈腐蝕性，最終完井2 124 m，根據(jù)井底附近經(jīng)復(fù)原的玻璃質(zhì)英安巖成礦分析其溫度高達1 050 ℃；1981 年，臨近Puulena 火山口的Lanipuna-1 井鉆進至2 557 m 也達到超臨界條件，其導(dǎo)熱方式自1 830 m 以下均為熱傳導(dǎo)，井底溫度為363 ℃（已達測溫儀器上限）[21]。

2.3.2 日本

日本的超脆性巖項目（Japan Beyond-Brittle Project）通過科學(xué)手段對脆塑性轉(zhuǎn)換帶（BDT）進行深入了解，對該層位的地?zé)嵯到y(tǒng)進行可行性的研究[22-23]，目標靶區(qū)為本州島北部的Tohoku。通過地球物理方法測定該區(qū)域地震波速度及電導(dǎo)率異常，表明該地區(qū)淺部巖漿廣泛分布。對該區(qū)及日本其他地區(qū)相似的地層隆起的研究，均發(fā)現(xiàn)因深部巖漿侵入后冷卻造成的天然裂縫，證明在地下3 ～5 km 存在400 ～500 ℃的超臨界條件。

2.3.3 新西蘭

新西蘭開展的“Hotter and Deeper”項目研究Taupo 火山帶深部（5 ～7 km）地?zé)豳Y源潛力，估計其深部溫度將超過400 ℃，發(fā)電潛力大于10 GW[24]。研究團隊正在對Taupo 火山帶進行綜合性的區(qū)域地球物理調(diào)查，以確定淺部水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)與更深部巖漿熱源之間的聯(lián)系。Newman 等[25]利用3D 大地電磁探測該地區(qū)，認為超臨界熱源為系統(tǒng)下部的巖漿侵入體。Bertrand 等[26-27]對該地區(qū)進行了一次地震調(diào)查，綜合成像以更清晰地了解3 ～8 km 地殼形態(tài)結(jié)構(gòu)，進而識別潛在的深部鉆探目標區(qū)。

2.3.4 墨西哥

GEMex 是墨西哥基于歐洲Horizon 2020 計劃下啟動的第一個聯(lián)合地?zé)嵫芯宽椖?，?016 年開始。目的是評價墨西哥兩處非常規(guī)地?zé)釄龅氐馁Y源量。其中一處是位于Los Humeros 的超臨界地?zé)豳Y源。該項目目前仍處于初步勘探階段，根據(jù)目前至少7 口深鉆（超過2 100 m）估計，底部穩(wěn)定溫度將高于380℃[7,28]。其中2 口鉆井（H-26、H-12）鉆遇近代巖漿侵入。大部分井的溫度—壓力曲線位于水的相變線附近，深部熱儲層大部分滲透率極低。該項目將采用最新的技術(shù)與方法進行儲層描述、數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗，第二階段將進行鉆進工程，但目前尚未有鉆進的相關(guān)報道。

2.3.5 肯尼亞

肯尼亞Menengai 地?zé)崽锏腗W-04、MW-06 井分別在2 080 m、2 172 m 鉆遇火成玻璃碎屑，表明地?zé)崽锵路酱嬖谇秩霟嵩础獛r漿[29]，鉆進過程中巖漿將鉆桿頂起導(dǎo)致鉆具荷載下降，最終卡鉆并導(dǎo)致循環(huán)液堵塞現(xiàn)象。成井一個月后MW-04 井進行了生產(chǎn)實驗，結(jié)果表明1 600 ～1 800 m 為主要含水層，1 400 m 存在較小儲層。實驗結(jié)束11 d 后在2 050 m處測得溫度390 ℃、壓力14 MPa[30]。目前Menengai地?zé)崽锏拈_發(fā)由于鉆井問題被推遲，卡鉆問題占總鉆井時長的12%，并且鉆具的不耐高溫問題也是阻礙Menengai 地?zé)崽镩_發(fā)的一大難點[31]。

2.3.6 希臘

1982 年，希臘Nisyros 島Nisyros-1 井成井深度1 816 m，井底溫度達到400 ℃。Nisyros-1 井含有2套儲層，較深處儲層含鹽量較高（溶解度為100 g/kg）。經(jīng)首次生產(chǎn)測試，120 ～1 240 m 處套管遭嚴重破壞，并且井筒中出現(xiàn)沉淀堵塞。隨后進行搶修重鉆，但在1 258 m 處再次出現(xiàn)套管坍塌彎曲事故[32]。其事故原因主要是經(jīng)開采及壓井操作，井筒受冷熱流體刺激受損。

3 關(guān)鍵科學(xué)問題及研究現(xiàn)狀

3.1 超臨界地?zé)豳Y源的形成和分布

超臨界地?zé)豳Y源的形成往往與淺成巖漿的侵入存在密切聯(lián)系，主要分布在火山區(qū)域。受侵入體的熱量傳遞，周圍巖體的力學(xué)性質(zhì)由脆性變形向塑性變形變化，形成脆性—塑性轉(zhuǎn)換帶，熱量繼續(xù)向上傳遞，形成超臨界的水熱—巖漿系統(tǒng)。

Scott 等[45]通過模擬，考慮侵入體和上覆地層之間的水熱運移。將超臨界地?zé)嵯到y(tǒng)的形成主要概括為3 個階段：初期階段，受侵入體加熱后，流體受熱膨脹壓力不斷升高，驅(qū)使其向上流動，向上的高溫流體在壓力降低到一定程度后會發(fā)生相變，出現(xiàn)氣液分離；中期階段，在流體密度差異的驅(qū)動力下，底部高溫低密度的蒸汽向上運移同時頂部低溫高密度的流體向下流動[46]；衰退階段，侵入體溫度降低，整個系統(tǒng)趨于平衡穩(wěn)定。

Fournier[47]建立的模型更為復(fù)雜，除侵入體和上覆地層的水熱運移外，考慮了化學(xué)和力學(xué)的作用。認為侵入體冷卻結(jié)晶后，高鹽鹵水和氣體析出，以水平透鏡體聚集在塑性巖石中。在上部地層和下部高溫?zé)嵋褐g存在一個自封閉的區(qū)域，而巖漿多期次的侵入可能會破壞自封閉區(qū)域，使得下部鹵水和氣體從高溫高壓的塑性區(qū)域向上涌入脆性區(qū)域，形成熱液巖脈。自封閉帶反復(fù)破裂又閉合，直到侵入體壓力和溫度與上覆靜水壓力及溫度基本平衡為止。

Scott 等[45,48]研究發(fā)現(xiàn)，超臨界地?zé)豳Y源的形成與分布受較多因素的影響，如侵入體溫度、埋深和形狀、巖體巖性和滲透率等。隨著侵入體溫度的升高，超臨界資源分布區(qū)域增大，資源量增加。而侵入體的橫向面積越大，超臨界資源分布區(qū)域同樣增大，而且中期對流階段時間更長。另外，巖性對巖體BDT 溫度影響較大，例如硅質(zhì)巖石的BDT 轉(zhuǎn)換溫度為360℃，非玻璃質(zhì)玄武巖可達800 ℃，這對于系統(tǒng)的衰退階段持續(xù)時間具有一定影響。

巖體滲透率決定了傳熱的主要方式，影響著超臨界資源的區(qū)域分布，在滲透率較高的系統(tǒng)中，主要靠對流傳熱；而在滲透率較低的系統(tǒng)中，主要傳熱方式是熱傳導(dǎo)，相對而言傳熱較慢，上部超臨界資源區(qū)域較小。對于低滲透率巖體，可以考慮利用儲層壓裂造縫技術(shù)進行超臨界資源的開發(fā)。

3.2 超臨界水熱流動規(guī)律

過往的研究更多聚焦于水熱系統(tǒng)的形成與巖漿侵入之間的關(guān)系，而對于形成或開采過程中熱流體流動的相關(guān)研究較少。超臨界地?zé)嵩陂_采過程中，伴隨著溫度和壓力降低，必然存在著一個復(fù)雜的相態(tài)變化過程。對于傳統(tǒng)的兩相流動，一般采用多相流達西定律，利用相對滲透率和毛細管壓力模型，刻畫兩相流動。但傳統(tǒng)的相對滲透率模型，一般面向包氣帶土壤（水/空氣兩相）或油藏（水/油或油/氣兩相）領(lǐng)域開發(fā)。例如Van Genuchten 模型、Corey 模型以及三相的Stone 和Parker 模型。上述模型，在介質(zhì)參數(shù)給定的情況下，為相態(tài)飽和度的一元函數(shù)，忽略了溫度、壓力、鹽度等因素可能導(dǎo)致流體特征的變化，存在較大誤差及數(shù)值不連續(xù)問題，可能并不適用于超臨界水熱流動系統(tǒng)。

在此以相對滲透率為例進行分析。達西定律的基本假設(shè)是忽略孔隙度，認為整個斷面過水。對于多相流動，流體無法占有整個斷面，而只能占據(jù)一定的比例，近似于相態(tài)飽和度（體積分數(shù)）。但實際上，除過水?dāng)嗝娴臏p小外，兩種相態(tài)之間仍存在一個相互阻滯作用，也就是所謂的相對滲透率。

當(dāng)溫度壓力沿相飽和線向臨界點移動時，兩相物理性質(zhì)逐漸接近，在超臨界點處，兩相合二為一。因此，隨著溫度升高，表面張力降低，兩相阻滯作用削弱，相對滲透率應(yīng)趨近于相態(tài)飽和度。與此同時毛細管壓力應(yīng)逐漸趨近于0。

在多相流動的數(shù)值模擬方面，對于傳統(tǒng)的兩相流動，質(zhì)量通量一般按照相態(tài)分別計算。而對于超臨界與亞臨界之間的相態(tài)流動還并未有較為成熟的算法。前人多為延續(xù)傳統(tǒng)的兩相流動的計算方法，將兩相飽和線延長至超臨界條件下，而將飽和線兩端依舊按照液相和氣相進行處理，但筆者通過研究發(fā)現(xiàn)。由于延長的飽和線兩側(cè)流體的物理性質(zhì)是連續(xù)的，因而在計算過程中，可能出現(xiàn)在相變線兩側(cè)反復(fù)，導(dǎo)致計算的不穩(wěn)定，難以收斂。由于超臨界與亞臨界之間的物理性質(zhì)連續(xù)，筆者提出了將超臨界作為“可轉(zhuǎn)換的”第三相方法，即當(dāng)處于超臨界的計算網(wǎng)格與處于亞臨界的網(wǎng)格相鄰時，超臨界轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的亞臨界條件進行通量的計算。這樣可以更好地保證計算的穩(wěn)定，而且更具物理意義。

另外在注入和生產(chǎn)過程中，流體在井筒中的流動也極為復(fù)雜而重要。井口至井底溫度及壓力變化較大，必然存在流體的相態(tài)變化、Joule-Thompson 效應(yīng)、機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化以及與圍巖的熱交換等。流體流動應(yīng)遵循多相流動量守恒方程，難以求解。井筒內(nèi)可簡化為一維流動，需要兩相流體共同建立一套動量方程。由于氣體密度低，受浮力作用，流速更快。氣液兩相的速度差稱為漂移速度，其受控于流體的流型，可近似看作流體相態(tài)飽和度的函數(shù)。

筆者通過研究發(fā)現(xiàn)，對于超臨界地?zé)豳Y源的開采，在生產(chǎn)井中一般會存在兩相共存段，但不會太長。另外，由于溫壓條件較高，兩相的物理性質(zhì)差異很小，可近似忽略兩相之間的漂移速度。通過與冰島Reykjanes 地?zé)崽锎罅裤@孔的注采試驗數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)油氣行業(yè)的漂移流模型，在忽略漂移速度的條件下，擬合效果更好。

3.3 超臨界地?zé)崴c巖石的化學(xué)反應(yīng)

目前關(guān)于超臨界條件下的水巖化學(xué)反應(yīng)的研究較少。在超臨界條件下，化學(xué)反應(yīng)更為劇烈，比如巖石孔隙滲透性的變化、礦物溶解沉淀以及流體流動和熱傳遞之間的相互作用仍很難量化分析。

以往研究多數(shù)聚焦于超高溫條件下的石英溶解沉淀。SiO2的溶解度隨溫度升高而上升，在350 ～450 ℃區(qū)間達到最大值，再之后，將隨溫度升高而急劇下降。Scott 等[49]通過數(shù)值模擬分析得出超臨界系統(tǒng)上部巖層的孔滲變化規(guī)律。在初期階段，溫度逐漸升高至350 ℃，硅發(fā)生溶解隨之孔滲增加。隨著溫度的繼續(xù)升高，石英沉淀導(dǎo)致滲透率降低。經(jīng)計算基巖原生孔隙度大于0.05 時，石英的溶解沉淀對滲透率的變化影響不大，但在原生孔隙度小于0.025 的基巖中，滲透率降低一個數(shù)量級以上。在超臨界地?zé)嵯到y(tǒng)衰退階段，隨著侵入體的溫度降低，石英沉積帶也將下移。而根據(jù)Watanabe 等[50]的研究，在超臨界地?zé)衢_發(fā)過程中，當(dāng)保持孔隙水的濃度與石英溶解度滿足一定關(guān)系時，滲透率可以保持穩(wěn)定甚至增強。

超臨界流體水化學(xué)成分的研究可以揭示其形成過程中的水文地球化學(xué)作用。許多學(xué)者認為超臨界流體由巖漿侵入加熱原位亞臨界流體形成[51]。He?manska 等[52-54]通過分析流體的地球化學(xué)特征判斷超臨界地?zé)崃黧w的起源。通過室內(nèi)實驗，發(fā)現(xiàn)流體自亞臨界等壓加熱至超臨界后，流體中的揮發(fā)性元素（B、C、S、F 等）濃度與初始亞臨界流體相似，而非揮發(fā)性元素（Si、Na、K、Ca、Mg、Al 等）的濃度明顯降低。推測是由于在形成超臨界的過程中，產(chǎn)生大量的礦物沉淀（主要為SiO2及硅鋁酸鹽等），冰島IDDP-1 工程場地的流體特征與上述實驗相符，并且驗證了超臨界流體的生成是受到侵入體的加熱而形成。

在隨后的研究中He?manská[55]通過實驗和模擬手段開展超臨界流體形成過程中生成次生礦物的研究以便對儲層進行深入了解，探究流體的pH 值、相變溫度和流體組分對次生礦物的影響。在低NaCl 含量的地?zé)嵯到y(tǒng)中，在超臨界流體形成時發(fā)生礦物蝕變生成Fe-Mg-Al 硅酸鹽（黏土或亞氯酸鹽）、Na-K 長石、硅灰石、石英和少量的鹽。當(dāng)流體相變溫度高于250℃時，礦物沉淀量比沸騰溫度低于200 ℃的地?zé)嵯到y(tǒng)高20 倍。而當(dāng)流體中NaCl 濃度較高時，生成的次生礦物是沸騰溫度低于200 ℃的地?zé)嵯到y(tǒng)的60 倍。

對于超臨界地球化學(xué)過程的模擬方面，目前常用的地球化學(xué)模擬軟件的溫度上限一般均為300 ℃，例如PHREEQC[56]、TOUGHREACT[57]等。無法考慮超臨界條件的需要。至于高溫條件下的熱力學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)庫，Reed 和Palandri[58]利用HKF 模型計算了大量離子和礦物在高溫條件下的平衡常數(shù)、Debye-Huckle模型參數(shù)等。其溫度上限為600 ℃，溶液密度高于350 kg/m3。另外，Cleverly 等[59]同樣利用了HKF 模型，擴展了GWB 系列程序的模擬溫度上限。

3.4 超臨界條件下巖石的力學(xué)特征

高溫的巖漿侵入使巖體由脆性向塑性轉(zhuǎn)化。Hayba 等學(xué)者[51,60-61]均提出塑性巖體在應(yīng)力作用下會導(dǎo)致滲透率顯著降低。因此一般認為，在基底為玄武巖的情況下，超臨界資源可能會更易開采，因為玄武巖的BDT 溫度（約800 ℃）較花崗巖的（約360 ℃）更高[15,51,62-63]，因此孔滲條件可能更好。由于花崗巖更為普遍，目前多數(shù)力學(xué)性質(zhì)分析仍基于花崗巖展開。

但實際上，塑性條件下，花崗巖體的滲透率可能并不像預(yù)想那樣大幅降低。Watanabe 等[63]在350 ～500 ℃、100 MPa 有效圍壓條件進行花崗巖破裂過程的滲透率變化研究。經(jīng)實驗觀測高溫高壓條件下花崗巖的原生裂隙表面發(fā)生塑性變形，但并不會引起滲透率值的大幅度變化。

另外，由于熔融體的侵入往往伴隨著強烈的地質(zhì)作用，塑性巖體在一定的拉伸作用下也會出現(xiàn)脆性斷裂的現(xiàn)象，在南極洲地表出露的BDT 下方地殼中發(fā)現(xiàn)了侵入體驅(qū)動的張性斷裂[64]。此外，一些針對地殼的滲透率與埋深關(guān)系的研究表明在BDT 附近并沒有發(fā)生明顯滲透率降低現(xiàn)象[65]。并且，2011 年，日本Tohoku-Oki 地震誘發(fā)侵入體附近的塑性巖體滲透率短暫升高[66]。因此潛在的超臨界可開發(fā)資源可能比想象中更為豐富[63]。

對于超臨界系統(tǒng)中基巖滲透率較低的問題，可以利用傳統(tǒng)地?zé)崽锏娜斯に毫训姆椒ㄌ岣邘r體滲透率，但目前對于超臨界地?zé)豳Y源的水力壓裂可能性、機理以及在塑性巖體中的增滲效果尚不明確。Watanabe 等[67]開展了高溫壓室內(nèi)水力壓裂模擬實驗，在低溫條件下，巖體的破裂壓力較大超過圍壓，并且裂隙走向呈直線分布，產(chǎn)生的主裂縫滲透率較大，未產(chǎn)生裂縫的基質(zhì)位置滲透率基本沒有變化。隨著溫度的升高，巖體內(nèi)會產(chǎn)生更多致密小尺度裂隙構(gòu)成的裂隙網(wǎng)絡(luò)[68]，其分布呈高度復(fù)雜且遍布巖體，而由于裂隙網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生整個巖石樣品的滲透率也顯著提高。在高溫條件下產(chǎn)生復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)的主要原因在于壓裂液體的注入會導(dǎo)致注入位置附近溫度的降低。一方面由于溫度的降低會導(dǎo)致巖石基質(zhì)的收縮，一些原生細觀裂隙張開，增大了注入點附近的孔隙度；另一方面不均勻的溫度降低會產(chǎn)生的熱應(yīng)力場導(dǎo)致巖石整體強度的下降，產(chǎn)生次生裂隙，其會進一步連通原生裂隙。此外，較高的溫度會降低水的黏度，從而增加水在裂隙中的傳播距離，進一步增大裂縫的延伸長度和裂隙網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度[50]。

4 關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)

4.1 超臨界條件的鉆完井技術(shù)

超臨界地?zé)崃黧w的賦存巖體大多為堅硬的火山巖且呈高度破碎地層，導(dǎo)致鉆井過程中易引起鉆井液流失、井眼軌跡曲度增加、鉆具磨損及鉆井效率低等問題。此外，世界上已有的超臨界鉆井工程大多鉆遇高溫腐蝕性的酸性流體，易對套管材料、井壁以及地面設(shè)備造成破壞，進而誘發(fā)鉆井故障，甚至最終棄井。由此可知，超臨界地?zé)豳Y源開發(fā)很大程度上依賴于鉆完井技術(shù)，因此需要對高溫鉆井和完井技術(shù)進行研發(fā)和提升。

目前，常規(guī)的鉆井工具可耐180 ℃高溫，特定的鉆探系統(tǒng)可在225 ℃條件下運行[69]，但很難滿足超臨界和高腐蝕性條件下的鉆探。世界上許多機構(gòu)都在研發(fā)新型金屬密封鉆頭、混合鉆頭等。與此同時，德國、奧地利等國也在進行無磨損、無接觸的鉆探技術(shù)可行性研究，包括火力、噴射、等離子通道、激光、電子脈沖等鉆井技術(shù)。

對于超臨界地?zé)峋坠艿氖褂酶鼉A向于耐酸性腐蝕和承受循環(huán)荷載的材料[70-71]。最近，大多數(shù)研究人員提出了使用金屬鍍層的套管，可以很大程度上降低成本，并且提高套管的質(zhì)量。Geo-Coat 國際項目正在進行地?zé)崽锘A(chǔ)設(shè)施部件以及套管等鍍層方面的研究，主要新型鍍層材料有高熵合金、金屬陶瓷等。套管連接與套管材料要承受高溫引起的應(yīng)力作用，目前GeoWell 和DEEPEGS 項目正在進行高焓地?zé)崽锾坠苓B接的研究[71]，使套管柱在井中軸向運動，解決了系統(tǒng)運行時高低溫交互情況下套管連接處的損壞難題。

固井及泥漿澆筑的方法也是目前面臨的難題之一。在鉆井液的流失和高地溫梯度的條件下，反循環(huán)連續(xù)固井法可以降低極端條件的影響[10]。泥漿形成的水泥環(huán)長時間暴露在極端條件下，強度下降。余夫等[72]通過建立地層—水泥環(huán)—套管的力學(xué)模型進行數(shù)值模擬研究，認為固井應(yīng)選擇高強度、低彈性模量、小泊松比的水泥漿體，這可以提高井筒完整性。目前國際地?zé)嶂行恼谶M行結(jié)合井筒聲學(xué)測量和地層—水泥環(huán)—套管耦合系統(tǒng)中水泥環(huán)應(yīng)力分析模型的研究，以降低水泥環(huán)的損傷問題[4]。

鉆井過程中鉆井液起到保持井壁穩(wěn)定性、降低井中設(shè)備溫度以及清理巖屑的作用。意大利DESCRAMBLE 工程的主要目的在于探索高溫極端條件下的鉆進能力，該工程Venelle-2 井的鉆探成果表明，選取以鈦鐵礦和海泡石作為懸浮劑的水基鉆井液可以盡量消除高溫影響及鉆井液流失等問題[12]。目前對于鉆井液的研究較少，尤其在鉆井液的環(huán)保及可降解問題上難度較大。

4.2 超臨界條件的測井技術(shù)

溫度和壓力是從地?zé)峋蝎@取的重要參數(shù)。然而，目前并未開發(fā)出在超高溫條件下正常工作的可靠的測溫系統(tǒng)，因此世界上許多項目正在研發(fā)極端條件下的測井工具。HITI（High-Temperature Instruments for Supercritical Geothermal Reservoir Characterization and Exploitation）項目研發(fā)出適用于超臨界條件下溫度測量的儀器[73]。意大利DESCRAMBLE 工程鉆探過程中也隨之開展了測井工具的研發(fā)工作，并研制出可以在450 ℃高溫下工作超過6 h的溫壓測井工具，其金屬密封元件最高可承受650 ℃的高溫，測量精度為5 ℃、0.05 MPa[12]。

此外，對于超臨界地?zé)豳Y源的探索其測溫方法因井而異，可以通過直接（電纜測井）與間接（流體包裹體、熔融物及估算巖漿溫度）的方法進行溫度測量。某些情況下，溫度的測量是在鉆井液循環(huán)過程中完成，或流體生產(chǎn)過程中進行井口測溫，其弊端是無法進行壓力的測量。未來很長一段時間可能難以實現(xiàn)超臨界熱儲的實時測溫監(jiān)控，因此也可借鑒以往的測溫方法，利用不同的測量技術(shù)進行數(shù)據(jù)評估，提供溫度壓力等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.3 超臨界多相流模擬程序

超臨界流體的數(shù)值模擬工具方面，由于水在超臨界附近物理性質(zhì)的劇烈變化，常規(guī)模擬器無法滿足模擬需要，目前已有多個研究團隊嘗試了超臨界地?zé)崃黧w模擬程序的開發(fā)工作。其中包括HOTH2O[74]、HYDROTHERM[51]以及基于TOUGH 系列程序開發(fā)的一系列模型[75]，例如AUTOUGH[76]、iTOUGHEOS1sc[77]等。 其 中，HOTH2O 和HYDROTHERM作為STAR 模擬器的擴展，采用壓力和流體內(nèi)能作為模擬過程中的基本變量，雖然可以滿足超臨界條件的模擬需求，但在網(wǎng)格剖分上不夠靈活，僅接受徑向或矩形網(wǎng)格剖分。Croucher 等[76]更新了TOUGH2中采用的熱力學(xué)方程，從IFC-67 更新為IAPWSIF97，可以計算超臨界條件下水的物理性質(zhì)，隨后，研究團隊將模塊繼續(xù)完善，將狀態(tài)方程擴展到超臨界水—空氣兩相[78]，并添加到AUTOUGH2[79]。隨后，Magnusdottir 等[77]將Croucher 和O'Sullivan 的方法應(yīng)用至iTOUGH2，開發(fā)了一個新的狀態(tài)方程模塊（EOS1sc），并優(yōu)化程序提高計算效率。

目前關(guān)于超臨界地?zé)豳Y源的力學(xué)響應(yīng)模擬主要圍繞水熱以及巖體形變進行研究，但對于T-H-M-C（溫度場—水力場—力學(xué)場—化學(xué)場）的四場耦合模擬目前還未進行，不能準確地刻畫出流體運移過程中具體的孔滲條件在應(yīng)力及化學(xué)反應(yīng)中的詳細變化。雖然Driesner 等[80]基于C++語言開發(fā)了一個新的數(shù)值模擬平臺Complex System Modeling Platform（CSMP++），可以模擬流體流動和傳熱等地質(zhì)過程以及巖土力學(xué)和地球化學(xué)過程。涵蓋超臨界地?zé)嵝纬珊烷_采多個過程，但目前具體功能尚未有詳細報道。

目前還未見成熟的超臨界溫度場—水力場—化學(xué)場（T-H-C）耦合模擬器。Reed 等[58]一定程度上擴展了高溫條件下的熱力學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)庫，但尚不完全。適用于超臨界流體運移過程中力學(xué)過程的模擬同樣程序較少，資源開采過程中的塑性巖體的力學(xué)響應(yīng)機制需要借助數(shù)值模擬的方法進行深入了解。以及對于地?zé)嵯到y(tǒng)中最為重要的孔滲條件在化學(xué)和力學(xué)影響下的變化機制，同樣借助T-H-M-C 耦合模擬進一步研究。

另外，井筒內(nèi)部的溫度和壓力變化較大，水熱流動和相態(tài)變化過程較為復(fù)雜。冰島大學(xué)開發(fā)了FloWell 軟件，程序基于MATLAB 和動量方程，考慮了水氣兩相漂移[81]，但無法考慮流體在儲層介質(zhì)中的流動。LedaFlow 是一款主要應(yīng)用于石油和天然氣領(lǐng)域管道流多相模擬軟件，同樣只能模擬井筒，該軟件可以細致刻畫井筒的各個部分。Morin 等[82]采用LedaFlow 模擬了意大利DESCRAMBLE 工程Venelle-2井的開井和關(guān)井過程。Battistelli 等[83]基于TOUGH2程序，擴展了EOS2 狀態(tài)方程模塊的溫壓范圍，使之適用于超臨界條件，并與T2Well[84]相耦合，可以考慮超臨界條件下CO2與水在井筒內(nèi)的多相流動[85]。

5 未來研究方向和前景展望

目前傳統(tǒng)地?zé)豳Y源的開發(fā)已相對成熟，超臨界地?zé)嶙鳛橐环N新興的地?zé)崮茉?，開發(fā)潛力大，正處于起步階段，面臨較多挑戰(zhàn)，并且相關(guān)研究并未形成完善的體系。在鉆探、完井、測試、儲層建造以及生產(chǎn)等過程中，均面臨一系列問題和挑戰(zhàn)。未來研究和發(fā)展方向包括如下。

5.1 室內(nèi)試驗

室內(nèi)實驗有助于理解物理過程的機理。在關(guān)鍵科學(xué)問題的研究中，對于亞臨界—超臨界之間的多相流動規(guī)律。溫度、壓力等條件對相對滲透率和毛細管壓力模型的影響，均需要通過實驗分析。而對于超臨界條件下的水文地球化學(xué)作用，特別是在酸性氣體參與下的作用以及超臨界流體的形成過程均需要通過實驗加以確定。關(guān)于超臨界條件下的力學(xué)過程，需要通過實驗判斷高溫塑性條件下基巖的力學(xué)特性。以及高溫條件下水力壓裂過程中的裂隙延展。在超臨界條件下，無論是化學(xué)或是力學(xué)過程均變得更加難以預(yù)測，實驗過程中也需要注意多場耦合作用。室內(nèi)實驗是后續(xù)程序開發(fā)和場地研究的基礎(chǔ)，為程序開發(fā)提供數(shù)據(jù)，為場地示范提供指導(dǎo)。

5.2 理論研究與程序開發(fā)

正如上所述，目前沒有一款成熟的可用于超臨界地?zé)嵝纬蛇^程和開發(fā)的模擬程序。對于超臨界地?zé)衢_發(fā)的復(fù)雜過程，需要同時考慮溫度場—水力場—力學(xué)場—化學(xué)場（T-H-M-C）的多場耦合。需考慮儲層和井筒兩種介質(zhì)，需要精確描述流體的相態(tài)變化，程序開發(fā)難度較大。目前相關(guān)程序所能考慮的流體基本為水單組分，少數(shù)可以考慮空氣或CO2。而以IDDP-2 工程為例，深部熱儲為海水補給，水中溶質(zhì)對水狀態(tài)方程的影響極大，例如海水的臨界點為29.8 MPa、407 ℃。目前尚未有可以考慮鹽組分及其他多元體系的模擬程序。因此，仍需進行水、鹽、酸性氣體等多組分的超臨界狀態(tài)方程的理論研究，并開發(fā)相應(yīng)的狀態(tài)方程模塊。

5.3 場地示范工程

場地示范項目是不可或缺的一環(huán)，室內(nèi)試驗只能進行微觀尺度的研究，無法類推場地尺度的一些性質(zhì)。場地測井?dāng)?shù)據(jù)和分析測試結(jié)果，可以為超臨界資源開發(fā)的理論和模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為今后基礎(chǔ)地球科學(xué)研究和開發(fā)利用提供實驗基地。與示范工程相關(guān)的研究包括以下幾個方面。

5.3.1 資源評估和勘探方法

地球物理勘探方法和高溫地?zé)釡貥恕５厍蛭锢矸椒ㄔ诔R界資源勘探和開發(fā)各個環(huán)節(jié)中具有重要作用?？梢詫犹卣鞲珳拭枋霾⒔Y(jié)合高溫地?zé)釡貥诉M行資源量的評估。

5.3.2 高溫鉆井與測井技術(shù)

高溫鉆井、測井技術(shù)是超臨界地?zé)豳Y源開發(fā)的先決條件和定量化研究的基礎(chǔ)。最近歐洲開展的超臨界地?zé)豳Y源調(diào)查大大提高了對高溫鉆井技術(shù)、鉆井液、固井作業(yè)、井口和套管材料以及測井技術(shù)的認識，超出了目前地?zé)嵝袠I(yè)的標準。但目前仍然處于起步階段，許多困難無法克服。無接觸的鉆探技術(shù)是未來的發(fā)展主要方向，不但減少設(shè)備損傷而且可以更高地提升鉆進速度；雖然在意大利Venelle-2 井選取的鉆井液的效果較好，但并沒有考慮可能對環(huán)境的影響；并且對于固井過程中水泥材料的選用應(yīng)依據(jù)地層—水泥環(huán)—套管耦合模擬進行，降低長時間暴露在極端條件下產(chǎn)生抗應(yīng)力降低及滲透率升高的影響；目前并未研制出可以抵抗高溫高壓和極酸性條件下測井工具，對于溫度壓力的測量往往根據(jù)多種方法進行估算并不準確。

5.3.3 儲層建造技術(shù)

對于滲透率較低的高溫巖體而言，需要借助儲層改造技術(shù)激發(fā)巖體的滲透性，實現(xiàn)井孔之間的儲層連通?？山柚蔁釒r人工儲層建造方法，例如水力壓裂、熱開裂和化學(xué)刺激等方法。但對于是否適宜高溫高壓超臨界條件，有待進一步開展研究。

5.3.4 地表系統(tǒng)

超臨界地?zé)嵯到y(tǒng)的生產(chǎn)流體大概率為氣水兩相，并混有大量酸性流體。這對地表系統(tǒng)提出很高要求，需要進行酸性氣體的去除，對氣水兩相進行分離。另外，對于現(xiàn)有的換熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)可能需要進一步改進。

5.4 前景展望

縱觀地?zé)崮芾玫陌l(fā)展歷程，熱儲層由淺入深，溫度由低到高。從淺層低溫地?zé)崮艿街猩顚铀疅豳Y源，再到干熱巖。超臨界地?zé)嶙鳛樾屡d能源，可以預(yù)見，隨著科技進步，在不久的將來超臨界地?zé)豳Y源可以實現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)，為我國節(jié)能減排和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整做出巨大貢獻。

目前世界范圍內(nèi)適用于超臨界的鉆完井技術(shù)等“硬件”發(fā)展相對迅速；而機理研究以及模擬應(yīng)用等“軟件”仍需要進一步加強。另外，諸多超臨界開發(fā)工程表明，超臨界地?zé)豳Y源的開發(fā)投資周期長、風(fēng)險大，因此需要加強國際合作，共同努力，分享數(shù)據(jù)及實驗經(jīng)驗。目前國際上只有冰島進行了部分場地試驗。意大利、美國和日本的場地試驗仍在后續(xù)規(guī)劃中，距離超臨界地?zé)岚l(fā)電示范工程仍有相當(dāng)一段距離。更多的場地示范工程，可以為今后超臨界地?zé)崮荛_發(fā)利用提供實驗基地，驗證和改善關(guān)鍵技術(shù)，探究開發(fā)過程中可能面臨的一系列問題，有助于未來降低超臨界地?zé)崮荛_發(fā)過程中的建設(shè)和運行成本，最終實現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)。