亢方超，唐春安，李迎春?，李天嬌，門金龍

1) 廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，茂名 525000 2) 大連理工大學(xué)深地工程研究中心，大連 116000

加快降低碳排放步伐，持續(xù)推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整[1-2]，大力發(fā)展非碳基能源，是達(dá)成“雙碳”目標(biāo)的首要任務(wù). 地?zé)崮芤蚱鋬?chǔ)量豐富、分布廣泛，且滿足基本負(fù)荷的電力需求，具有廣闊的開發(fā)前景和發(fā)展?jié)摿?，有望填補(bǔ)化石燃料逐步退出的短缺[1,3]，成為能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的最終方向[4-6]. 地?zé)豳Y源研究和開發(fā)熱度逐漸上升[7-8]，截至2020年末，開發(fā)和利用地?zé)崮艿膰?guó)家和地區(qū)已達(dá)到88個(gè)，地?zé)崮艿闹苯永昧亢屠塾?jì)發(fā)熱裝機(jī)量增加到了1020887 TJ?a-1和107727 MW[9].

我國(guó)地?zé)豳Y源豐富，開發(fā)潛力巨大[1]. 水熱型地?zé)豳Y源基數(shù)為280 EJ，相當(dāng)于95億噸標(biāo)準(zhǔn)煤；深部地?zé)豳Y源基數(shù)為2.09×107EJ，相當(dāng)于856萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤[10-11]，約為淺層地?zé)豳Y源近10萬倍. 按照深部地?zé)豳Y源開采率的下限（2%）進(jìn)行計(jì)算[12]，深部地?zé)豳Y源可開采量為17.1萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于2021年能源消耗總量52.4億噸的3267倍. 因此，研究與開發(fā)深部地?zé)豳Y源，是解決我國(guó)能源結(jié)構(gòu)問題，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有效途徑[10,12].

水熱型地?zé)豳Y源是人類利用最早、使用最廣泛的地?zé)豳Y源[8]，具有巨大的開發(fā)優(yōu)勢(shì)；但是其總儲(chǔ)量有限且可再生速度非常緩慢，具有明顯的規(guī)?；款i[7]. 巖熱型地?zé)豳Y源（主要指深部干熱巖地?zé)豳Y源）的研究與開發(fā)起步較晚且進(jìn)展緩慢，但具備明顯的儲(chǔ)量?jī)?yōu)勢(shì)，其開發(fā)潛力是水熱型地?zé)豳Y源的100~1000倍[13]. 增強(qiáng)（型）地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced geothermal system, 縮寫為EGS）是為了利用工程技術(shù)手段開采干熱巖地?zé)豳Y源或強(qiáng)化開采低滲性熱儲(chǔ)地?zé)崮芏ㄔ斓娜斯さ責(zé)嵯到y(tǒng)，其原理是在高溫低滲的干熱巖體中，采用以水力措施為主的人工技術(shù)對(duì)熱儲(chǔ)巖體進(jìn)行改造，增強(qiáng)其滲透性和流體流量，然后驅(qū)動(dòng)低溫工質(zhì)流經(jīng)改造形成的裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行熱能的提取和利用[14-15]. 自美國(guó)啟動(dòng)首個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目以來，EGS已經(jīng)歷了近50年的發(fā)展，不同國(guó)家和地區(qū)開展了大量的科研和試驗(yàn)工程，取得了豐富的研究成果和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，但卻始終未能實(shí)現(xiàn)深部干熱巖地?zé)崮艿拇笠?guī)模商業(yè)化開發(fā)[16].因此，回顧EGS發(fā)展歷程，探討制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素和面臨的挑戰(zhàn)，闡明未來探索的方向和發(fā)展機(jī)遇，可以有效服務(wù)于我國(guó)示范項(xiàng)目的建設(shè)和深部干熱巖地?zé)崮艿拇笠?guī)模開發(fā)[6].

1 統(tǒng)計(jì)方法

1.1 增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)

增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)由美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究人員于1971年首次提出的，其目的是為了開采干熱巖型地?zé)豳Y源[17]. 隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的推廣，其外延逐漸增加，不同機(jī)構(gòu)對(duì)其內(nèi)涵的定義和解釋也出現(xiàn)了偏差，這種差異化不利于增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，也不利于政府對(duì)其制定針對(duì)性的扶持和補(bǔ)貼政策[16]. 為了便于統(tǒng)計(jì)和分析，本文采用了國(guó)家能源局《地?zé)崮苄g(shù)語》(NB/T 10097—2018) 中關(guān)于干熱巖和增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)的定義，即，干熱巖是不含或僅含少量流體，溫度高于180 ℃，其熱能在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下可以利用的巖體；增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)是為利用工程技術(shù)手段開采干熱巖地?zé)崮芑驈?qiáng)化開采低孔滲性熱儲(chǔ)地?zé)崮芏ㄔ斓娜斯さ責(zé)嵯到y(tǒng).

1.2 數(shù)據(jù)來源與統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

（1）項(xiàng)目選擇. 統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目包括所有為開采干熱巖或低孔滲性熱儲(chǔ)而建立的增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)，但不包括單純?yōu)樵黾铀疅嵝偷責(zé)岙a(chǎn)能而建立的熱儲(chǔ)改造工程.

（2）項(xiàng)目完成度. 統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目具備完整的地?zé)嵯到y(tǒng)（注入井、生產(chǎn)井、熱儲(chǔ)改造、井間流體聯(lián)通等）或者計(jì)劃建立完整的地?zé)嵯到y(tǒng)且至少完成一口鉆井；僅為開展勘探或者試驗(yàn)的單井項(xiàng)目，以及計(jì)劃未來實(shí)施的項(xiàng)目不在本文統(tǒng)計(jì)之列.

（3）數(shù)據(jù)來源. 統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)來源以期刊論文、會(huì)議論文和專業(yè)書籍為準(zhǔn). 當(dāng)三者存在沖突時(shí)，以期刊論文數(shù)據(jù)為準(zhǔn).

2 發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

2.1 發(fā)展歷程

1973年，為驗(yàn)證干熱巖資源開發(fā)的可行性[15]，美國(guó)政府在新墨西哥州Fenton Hill啟動(dòng)了世界范圍內(nèi)首個(gè)EGS項(xiàng)目[18]. 該項(xiàng)目最大鉆井深度為4391 m，最高儲(chǔ)層溫度為327 ℃，熱儲(chǔ)規(guī)模達(dá)到10 MW. 雖然后期因流體損失嚴(yán)重而關(guān)閉，但其論證了采用EGS提取干熱巖型地?zé)崮艿目尚行?，開啟了深部地?zé)崮荛_采的先河[19]. 截至2020年末，世界范圍內(nèi)共開展或者正在開展的EGS項(xiàng)目共計(jì)41個(gè)，主要分布于美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、澳大利亞和中國(guó)等14個(gè)國(guó)家和地區(qū).

EGS的發(fā)展整體分為兩個(gè)階段，如圖1所示.2000年以前是EGS的研究和開發(fā)階段，共開展了15個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，主要目的是評(píng)估EGS的可行性及關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā). 這期間，美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)和日本等國(guó)家在不同區(qū)域、不同熱儲(chǔ)條件下開展了大量的試驗(yàn)和技術(shù)攻關(guān)，為后續(xù)EGS的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[16]. 該階段開展EGS試驗(yàn)的國(guó)家中，多數(shù)以資金或人員的形式參與了Fenton Hill項(xiàng)目，掌握了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的技術(shù)和豐富的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，為他們?cè)诟髯缘膰?guó)家啟動(dòng)EGS試驗(yàn)提供了必要的技術(shù)支持. 2000年以后，鑒于能源危機(jī)和尋求新能源的熱潮，EGS取得了蓬勃的發(fā)展，逐漸進(jìn)入示范和準(zhǔn)商業(yè)化階段. 相關(guān)技術(shù)日趨成熟，項(xiàng)目數(shù)量取得了飛速的增長(zhǎng). 2001年至2005年新增項(xiàng)目為6個(gè)，2005年至2010年則增至13個(gè)，幾乎與第一階段（近30年）的項(xiàng)目總和持平. 項(xiàng)目的增多原因一方面是研究和開發(fā)階段取得成功經(jīng)驗(yàn)的國(guó)家加大了投資力度，相繼啟動(dòng)了許多新的項(xiàng)目，如美國(guó)，2000年以后新增了8個(gè)EGS項(xiàng)目；另一方面是一些干熱巖資源豐富的新興國(guó)家，如中國(guó)[20]、韓國(guó)[21]等，相繼啟動(dòng)了首個(gè)EGS試驗(yàn)項(xiàng)目.

圖1 增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)項(xiàng)目發(fā)展趨勢(shì)Fig.1 Development of the time and area distribution of EGS projects in the world

2.2 鉆井深度與儲(chǔ)層溫度

鉆孔深度和儲(chǔ)層溫度與EGS項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)成本和熱能產(chǎn)出密切相關(guān). 圖2統(tǒng)計(jì)了41個(gè)EGS項(xiàng)目的鉆孔深度與儲(chǔ)層溫度分布情況. 如圖所示，研究和開發(fā)階段EGS項(xiàng)目的鉆井深度和儲(chǔ)層溫度整體較低，隨著時(shí)間的推移，后續(xù)EGS的鉆井深度和儲(chǔ)層溫度均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì). 研究和開發(fā)階段項(xiàng)目深度和儲(chǔ)層溫度低是因?yàn)樵贔enton Hill項(xiàng)目之后，許多國(guó)家開展了淺部EGS試驗(yàn)項(xiàng)目，例如：

圖2 增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)鉆井深度與儲(chǔ)層溫度分布. (a)項(xiàng)目分布明細(xì)；(b)隨項(xiàng)目時(shí)間的發(fā)展趨勢(shì)Fig.2 Depth and reservoir temperature variations of EGS projects: (a) single EGS; (b) variating with the operation time

德國(guó)的Falkenberg項(xiàng)目[22-23]、日本的Ogachi項(xiàng)目[24]、法國(guó)的Le Mayet項(xiàng)目[16]等，這些項(xiàng)目鉆井深度多數(shù)位于1500 m以淺，儲(chǔ)層溫度多低于100 ℃. 試驗(yàn)結(jié)果否定了淺層開發(fā)干熱巖地?zé)崮艿目赡苄?，同時(shí)隨著鉆井和儲(chǔ)層改造技術(shù)的發(fā)展與完善，后續(xù)EGS項(xiàng)目更傾向于增加鉆井深度以獲得合適的儲(chǔ)層溫度. 現(xiàn)階段鉆井深度最大的芬蘭Otaniemi項(xiàng)目[25]，其注入井深度達(dá)到了6100 m；熱儲(chǔ)溫度最高的是冰島的Reykjanes項(xiàng)目[26-27]，井底溫度高達(dá)452 ℃.

圖3統(tǒng)計(jì)了41個(gè)項(xiàng)目的鉆井深度和儲(chǔ)層溫度分布特征. 如圖所示，項(xiàng)目深度主要分布于2~5 km，占項(xiàng)目總數(shù)的70.8%，其中：深度位于4~5 km的項(xiàng)目最多，占項(xiàng)目總數(shù)的26.8%；低于2 km和超過5 km的項(xiàng)目分別占項(xiàng)目總數(shù)的24.4%和7.3%. 鉆井深度低于1 km的項(xiàng)目主要是前期淺部EGS試驗(yàn)項(xiàng)目，如德國(guó)Falkenberg項(xiàng)目(500 m)[23]. 項(xiàng)目的儲(chǔ)層溫度主要分布于100~300 ℃，其項(xiàng)目數(shù)量占總數(shù)的75.7%，其中，溫度處于100~200 ℃的項(xiàng)目最多，達(dá)到總數(shù)的50%；低于100 ℃的項(xiàng)目有5個(gè)，多數(shù)為淺部EGS試驗(yàn)項(xiàng)目，如英國(guó)Rosemanowes項(xiàng)目(79~100 ℃)[28], 德國(guó)Neustadt-Glewe項(xiàng)目(99 ℃)[29]；高于300 ℃的項(xiàng)目有6個(gè)，占總數(shù)的14.6%，該類項(xiàng)目多依托于淺層的水熱型地?zé)崮茼?xiàng)目或者位于火山發(fā)育地區(qū)，地溫梯度較大，例如，美國(guó)Northwest Geysers項(xiàng)目（淺層水熱，400 ℃）和Newberry項(xiàng)目（火山發(fā)育，331 ℃）[30]，冰島Reykjanes項(xiàng)目（淺層水熱，452 ℃）[27].

圖3 增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)鉆井深度與儲(chǔ)層溫度分布Fig.3 Depth and reservoir temperature distribution of EGS projects around the world

熱儲(chǔ)巖體的溫度會(huì)隨著儲(chǔ)層深度的增加而升高，但是對(duì)于不同項(xiàng)目，儲(chǔ)層溫度和鉆井深度沒有直接的相關(guān)關(guān)系. 例如，德國(guó)Mauerstetten項(xiàng)目[31]的鉆井深度為4050 m，其儲(chǔ)層溫度僅有130 ℃，而日本Ogachi項(xiàng)目[24]的鉆井深度僅有1100 m，其儲(chǔ)層溫度已達(dá)到228 ℃. 造成這種差異性是因?yàn)閮?chǔ)層溫度不僅取決于埋藏深度，還取決于其所在位置的大地?zé)崃髦怠⒌販靥荻鹊葏?shù). 此外，儲(chǔ)層改造與熱儲(chǔ)巖性、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和天然裂隙發(fā)育特征密切相關(guān)，熱儲(chǔ)熱補(bǔ)充能力與居里面埋深、火山巖漿活動(dòng)等因素相關(guān)[32]，因此，僅以儲(chǔ)層溫度和鉆井深度評(píng)價(jià)一個(gè)EGS項(xiàng)目的開發(fā)潛能是不合理的，需要建立科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)體系.

2.3 儲(chǔ)層巖性與熱儲(chǔ)改造

圖4統(tǒng)計(jì)了41個(gè)EGS項(xiàng)目的熱儲(chǔ)巖性與熱儲(chǔ)改造方式分布情況. 如圖所示，EGS的儲(chǔ)層巖性主要以花崗巖為主，在統(tǒng)計(jì)的41個(gè)項(xiàng)目中，花崗巖類熱儲(chǔ)項(xiàng)目占總數(shù)的53.6%，其次是砂巖和碳酸鹽巖熱儲(chǔ)項(xiàng)目，分別占到總數(shù)的17.1%和14.6%.EGS的熱儲(chǔ)改造方式以水力激發(fā)為主，在統(tǒng)計(jì)的41個(gè)項(xiàng)目中，有38個(gè)項(xiàng)目采用了水力激發(fā)措施，占總數(shù)的92.7%；采用化學(xué)激發(fā)和溫度激發(fā)的項(xiàng)目為12項(xiàng)和8項(xiàng)，分別占項(xiàng)目總數(shù)的29.3%和19.5%；而且，為了提升熱儲(chǔ)改造效果，有18個(gè)項(xiàng)目同時(shí)采用了2種及以上的改造措施.

圖4 增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)熱儲(chǔ)巖性與熱儲(chǔ)改造方式分布情況Fig.4 Reservoir lithology and stimulation of EGS projects around the world

熱儲(chǔ)巖性與EGS的發(fā)展歷程表現(xiàn)出一定的相關(guān)性. 如圖5所示，研究與開發(fā)階段的EGS項(xiàng)目的巖性主要以花崗巖類為主，隨著時(shí)間的推移，花崗巖類熱儲(chǔ)的比例逐漸降低. 這是因?yàn)榛◢弾r類巖體結(jié)構(gòu)致密，滲透性極低，在鉆井和壓裂過程中容易誘發(fā)地震，導(dǎo)致項(xiàng)目造儲(chǔ)難度和運(yùn)營(yíng)成本居高不下，為了降低改造難度和運(yùn)營(yíng)成本，后續(xù)的項(xiàng)目逐漸轉(zhuǎn)向了其他處于高溫背景下且易于改造的巖石[32]，導(dǎo)致砂巖和碳酸鹽巖熱儲(chǔ)逐漸增多. 值得注意的是，碳酸鹽巖因?yàn)榫哂泻芎玫幕瘜W(xué)活性，可以采用酸性溶液進(jìn)行溶蝕以獲得優(yōu)質(zhì)的改造效果，逐漸成為目前深部地?zé)崮荛_發(fā)的優(yōu)選儲(chǔ)層[32]. 因此，花崗巖類熱儲(chǔ)的占比從1970—1980年的100%，下降到1980—1990年的66%，再到1990—2000

圖5 熱儲(chǔ)巖性與熱儲(chǔ)改造方式發(fā)展趨勢(shì)Fig.5 Variations of reservoir lithology and stimulation of EGS projects

年的50%，2000年以后已經(jīng)降低到40%左右；相反，碳酸鹽巖熱儲(chǔ)在EGS項(xiàng)目中占比逐漸增高，到2010年以后已經(jīng)達(dá)到了33%. 需要說明的是，2010年后，花崗巖熱儲(chǔ)比例有所回升(56%)，一方面是全球開啟了新一輪的EGS試驗(yàn)，比如中國(guó)和韓國(guó)的首個(gè)EGS項(xiàng)目的熱儲(chǔ)巖性均為花崗巖；另一方面是典型EGS示范項(xiàng)目的開展，比如美國(guó)“前沿瞭望臺(tái)研究計(jì)劃”[33]，選擇的巖性也是花崗巖.

熱儲(chǔ)改造方式與儲(chǔ)層巖性和儲(chǔ)層溫度也表現(xiàn)出一定的相關(guān)性. 花崗巖中的天然孔隙通道較少，化學(xué)激發(fā)和溫度激發(fā)的改造效果較差[32]，而水力激發(fā)的主要作用是誘發(fā)儲(chǔ)層內(nèi)天然裂隙的滑移和剪脹，增加儲(chǔ)層的滲透性，因此多數(shù)花崗巖儲(chǔ)層僅采用水力激發(fā)措施. 在統(tǒng)計(jì)的19個(gè)花崗巖項(xiàng)目中，有16個(gè)項(xiàng)目?jī)H采用單一的水力激發(fā)措施. 碳酸鹽巖容易與酸性溶液產(chǎn)生反應(yīng)使礦物組分發(fā)生溶解，擴(kuò)大巖石中的孔隙空間[32]，因此，碳酸鹽巖儲(chǔ)層改造通常采用水力激發(fā)和化學(xué)激發(fā)相結(jié)合方式進(jìn)行，本文統(tǒng)計(jì)的6個(gè)碳酸鹽巖熱儲(chǔ)項(xiàng)目均采用了化學(xué)激發(fā)的方式. 此外，熱儲(chǔ)巖體溫度越高，與壓裂工質(zhì)的溫差越大，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力就越大，越容易誘發(fā)巖體的損傷[34-35]，改善熱儲(chǔ)的改造效果，因此，熱儲(chǔ)巖體溫度較高的項(xiàng)目，例如美國(guó)Northwest Geysers和Newberry項(xiàng)目、冰島Reykjanes項(xiàng)目等，通常采用溫度激發(fā)的方式，盡可能地降低壓裂工質(zhì)的溫度對(duì)熱儲(chǔ)巖體進(jìn)行的冷沖擊，以期最大化提高熱儲(chǔ)滲透率和流體流量[36].

3 商業(yè)化與面臨的挑戰(zhàn)

3.1 理想熱儲(chǔ)與商業(yè)化

深部地?zé)豳Y源具有巨大的儲(chǔ)量和良好的開發(fā)前景，雖然儲(chǔ)層滲透率低、開發(fā)難度大[5]，但通過EGS改造構(gòu)建商業(yè)化熱儲(chǔ)（各項(xiàng)指標(biāo)詳見表1）[3]，可以提供持續(xù)25年以上不間斷的3~10 MW的發(fā)電能力[16,37]，因此被認(rèn)為具有填補(bǔ)化石能源空缺的潛能. 然而遺憾的是，經(jīng)歷了近50年的發(fā)展，世界上仍未能構(gòu)建一個(gè)理想的商業(yè)化熱儲(chǔ)；即便成功運(yùn)行的EGS項(xiàng)目也僅能通過高成本維持兆瓦級(jí)的發(fā)電量. 截至2021年末，世界范圍內(nèi)EGS項(xiàng)目的累計(jì)發(fā)電裝機(jī)量（包含計(jì)劃裝機(jī)量）僅為37.41 MW，分布于7個(gè)國(guó)家的16個(gè)項(xiàng)目（表2），其中最成功的是法國(guó)的Soultz項(xiàng)目. 該項(xiàng)目啟動(dòng)于1987年，共有4口地?zé)峋▋勺?、一回、一監(jiān)測(cè)），鉆井最大深度為5093 m，最高溫度為200 ℃，在經(jīng)過兩次水力激發(fā)和化學(xué)激發(fā)后，成功實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定發(fā)電，是EGS發(fā)電項(xiàng)目的里程碑. 目前總裝機(jī)量為1.5 MW，可以實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷發(fā)電，并已于2013年實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)[16].然而，巨大開發(fā)潛力和兆瓦級(jí)發(fā)電裝機(jī)量的鮮明對(duì)比，表明EGS距離大規(guī)模商業(yè)化仍有很長(zhǎng)的路要走[16].

表1 商業(yè)化EGS熱儲(chǔ)參數(shù)取值區(qū)間[3]Table 1 Critical value of thermal reservoir parameters in a commercial EGS[3]

表2 EGS項(xiàng)目發(fā)電裝機(jī)容量一覽表Table 2 Total installed power generation capacity of EGS projects

3.2 面臨的挑戰(zhàn)

制約EGS商業(yè)化發(fā)展的原因主要有以下幾個(gè)方面：首先是政策扶持和資金投入不足. 雖然許多國(guó)家提倡開發(fā)和利用深部地?zé)崮茉矗商娲那鍧嵞茉矗ㄈ缢疅嵝偷責(zé)崮?、風(fēng)能、太陽能等）儲(chǔ)量充足，政府對(duì)于EGS項(xiàng)目的關(guān)注度并不高，相關(guān)的政策扶持相對(duì)較少；而且EGS項(xiàng)目前期投資較大，資金風(fēng)險(xiǎn)高且回收率低，政府資金和民間投資均相對(duì)較少[38]. 其次是開發(fā)難度較大，技術(shù)要求高. EGS項(xiàng)目的成功案例非常稀少，未能形成“可復(fù)制”的開發(fā)模式，新增EGS項(xiàng)目能夠借鑒的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)相對(duì)有限，仍需要進(jìn)行大量的自主創(chuàng)新[16].

第三是以水力激發(fā)為主的熱儲(chǔ)改造技術(shù)過度依賴儲(chǔ)層的原位地質(zhì)環(huán)境[39]. 熱儲(chǔ)之間地質(zhì)環(huán)境的差異性造成熱儲(chǔ)的改造質(zhì)量低于預(yù)期要求[18]，導(dǎo)致試驗(yàn)工程出現(xiàn)熱儲(chǔ)規(guī)模小、換熱網(wǎng)絡(luò)不足、工質(zhì)流失嚴(yán)重、誘發(fā)地震等問題[16,40]，影響EGS的發(fā)展速度，嚴(yán)重時(shí)甚至造成項(xiàng)目的暫?；蚪K止. 表3詳細(xì)統(tǒng)計(jì)了已經(jīng)終止或暫停的20個(gè)項(xiàng)目，其原因大致可以分為熱儲(chǔ)質(zhì)量問題、誘發(fā)地震、鉆井事故、資金政策匱乏等，其中，熱儲(chǔ)質(zhì)量問題最多，占項(xiàng)目總數(shù)的35%，其次是誘發(fā)地震，占總數(shù)的20%，鉆井壓裂事故、資金政策匱乏和其他原因各占總數(shù)的15%.

表3 已終止的EGS項(xiàng)目概況一覽表Table 3 Overview of the closed EGS projects

EGS項(xiàng)目的熱儲(chǔ)質(zhì)量與熱儲(chǔ)規(guī)模、有效換熱面積、裂隙網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、流體流量與出口溫度等參數(shù)密切相關(guān). 熱儲(chǔ)質(zhì)量的好壞直接決定了其熱能提取能力與規(guī)模. 受到熱儲(chǔ)原位地質(zhì)條件和熱儲(chǔ)改造技術(shù)的限制，EGS的熱儲(chǔ)規(guī)模普遍較小[15]，難以滿足工質(zhì)持續(xù)換熱的需求. 美國(guó)Fenton Hill項(xiàng)目雖然在壓裂時(shí)取得了非常好的效果，但其熱儲(chǔ)體積僅為0.035 km3，遠(yuǎn)未達(dá)到商業(yè)化開發(fā)所需的最低熱儲(chǔ)體積（0.2 km3）；雖然后期進(jìn)行了3次補(bǔ)充壓裂，但均未取得良好的增容效果[15]. 熱儲(chǔ)質(zhì)量差還會(huì)造成工質(zhì)流失嚴(yán)重、流體流量小、熱突破時(shí)間早、出口溫度低等問題，因?yàn)榇祟悊栴}被終止的項(xiàng)目占關(guān)閉項(xiàng)目總數(shù)的35%. 例如，英國(guó)Rosemanowes項(xiàng)目[28]和日本Ogachi項(xiàng)目[24]運(yùn)行后期的工質(zhì)損失量已達(dá)到70%以上[16]；日本Hijiori項(xiàng)目[41]過早出現(xiàn)熱突破，出口溫度從163 ℃驟降到100 ℃以下.

EGS鉆井和壓裂活動(dòng)形成的應(yīng)力擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致熱儲(chǔ)巖體的損傷、破壞和失穩(wěn)，并伴隨相應(yīng)能量的微震事件. 雖然大部分的微震事件因能量較小而無法被感知，但仍有極少數(shù)的高震級(jí)事件對(duì)地面建設(shè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至導(dǎo)致了EGS項(xiàng)目暫?；蛑兄梗?，瑞士Basel項(xiàng)目[42]（Mw3.4）、德國(guó)Landau項(xiàng)目[16]（Mw2.7）和韓國(guó)Pohang項(xiàng)目（Mw5.4）[43]. 在有震級(jí)記錄的17個(gè)EGS項(xiàng)目中（表4），有13個(gè)項(xiàng)目的最大震級(jí)超過了2.0級(jí)，更有6個(gè)項(xiàng)目超過了3.0級(jí). 震級(jí)最大的韓國(guó)Pohang項(xiàng)目，因在實(shí)施水力壓裂時(shí)導(dǎo)致熱儲(chǔ)邊界的未知斷層發(fā)生了大規(guī)模滑移誘發(fā)了5.4級(jí)地震[44]，被韓國(guó)政府叫停[43].

表4 EGS項(xiàng)目微震或地震活動(dòng)明細(xì)表Table 4 Details of microseismic or earthquake activity in EGS projects`

鉆井活動(dòng)中嚴(yán)重的井壁坍塌、鉆桿折斷事故也會(huì)導(dǎo)致EGS項(xiàng)目的終止. 比如，美國(guó)的Southeast Geysers項(xiàng)目因鉆井井壁的坍塌而終止[16]，德國(guó)的Bad Urach因鉆井過程中鉆桿折斷造成設(shè)備的損壞而暫停[45].

此外，現(xiàn)有EGS項(xiàng)目存在明顯的規(guī)?；款i.在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，成功運(yùn)行的EGS項(xiàng)目的發(fā)電量?jī)H能達(dá)到兆瓦級(jí)（法國(guó)Soultz項(xiàng)目為1.5 MW）[39]，等同于村鎮(zhèn)級(jí)別的日常用電量. 如果為地級(jí)市級(jí)別提供動(dòng)輒百億千瓦時(shí)的用電量，則需要數(shù)千、甚至過萬的鉆井量，施工規(guī)模和開發(fā)成本與其他可再生能源相比顯然是無法接受的.

綜上所述，EGS仍處于研究和開發(fā)階段，距離大規(guī)模商業(yè)化仍有很長(zhǎng)的路要走，需要持續(xù)在熱儲(chǔ)改造、地震控制、發(fā)電規(guī)模等方面加大科研和投資力度，取得關(guān)鍵技術(shù)的突破，才能實(shí)現(xiàn)深部地?zé)崮艿囊?guī)模化開采.

4 未來方向與發(fā)展機(jī)遇

4.1 超臨界項(xiàng)目：DEEPEGS項(xiàng)目

DEEPEGS（Deployment of deep enhanced geothermal systems for sustainable energy business，縮 寫 為DEEPEGS）是歐盟多個(gè)國(guó)家2016年聯(lián)合啟動(dòng)的深部地?zé)崮茼?xiàng)目，其目的是研究不同地質(zhì)條件下超深儲(chǔ)層（目標(biāo)深度為5 km）熱儲(chǔ)改造技術(shù)并建立示范工程，提升歐洲全區(qū)的深部地?zé)崮茉簇暙I(xiàn)度. 項(xiàng)目總投資4400萬歐元，計(jì)劃進(jìn)行3個(gè)深部地?zé)犴?xiàng)目的試驗(yàn)和研究，目前正在開展的冰島Reykjanes項(xiàng)目[27,46]，最大鉆探深度為4659 m，儲(chǔ)層溫度為452 ℃，是目前儲(chǔ)層溫度最高的EGS項(xiàng)目，可以實(shí)現(xiàn)超臨界機(jī)組發(fā)電，預(yù)計(jì)發(fā)電裝機(jī)量為30 MW.該項(xiàng)目或可為相似條件下的地?zé)犴?xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)，大幅提升EGS單井發(fā)電規(guī)模.

4.2 典型干熱巖EGS示范項(xiàng)目：FORGE計(jì)劃

FORGE計(jì)劃[47]（Frontier observatory for research in geothermal energy，縮寫為FORGE）是美國(guó)能源部2015年開始實(shí)施的典型EGS示范工程，旨在開展干熱巖儲(chǔ)層表征、儲(chǔ)層建造、儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)等前沿尖端技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，以形成一套“可復(fù)制”的典型干熱巖開發(fā)體系. 該項(xiàng)目總投資2億美元，目前已完成第一階段的地質(zhì)勘探和第二階段的場(chǎng)地優(yōu)選，選定猶他大學(xué)能源與地質(zhì)研究院的Milford項(xiàng)目進(jìn)入第三階段的研究[48]. 該階段計(jì)劃投資1.3億美元，以資助完成鉆井、壓裂、井間流體連通等工程及相關(guān)的科研和試驗(yàn)工作. Milford項(xiàng)目鉆探深度2133.6~3854 m，地溫梯度為50~65 ℃·km-1，儲(chǔ)層溫度175~230 ℃；該項(xiàng)目為典型的花崗巖熱儲(chǔ)，屬于發(fā)育于高溫水熱型地?zé)崽锱詡?cè)的干熱巖熱能聚集系統(tǒng)，具有一定的“可復(fù)制性”，因此，項(xiàng)目或能形成行之有效的典型干熱巖地?zé)崮荛_發(fā)模式，為世界典型干熱巖地?zé)崮艿拈_發(fā)提供“可復(fù)制”的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而推進(jìn)深部地?zé)豳Y源的大規(guī)模商業(yè)化.

4.3 新型EGS：基于開挖的增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS-E）

儲(chǔ)層物理力學(xué)特征和地質(zhì)環(huán)境的差異性是造成不同熱儲(chǔ)改造差異化的主要原因，因此需要突破熱儲(chǔ)改造技術(shù)對(duì)熱儲(chǔ)地質(zhì)條件的依賴性，形成“可復(fù)制”的熱儲(chǔ)改造技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)干熱巖地?zé)崮艿纳虡I(yè)化開發(fā). 采礦技術(shù)經(jīng)歷了百余年的發(fā)展，具有完善的裝備體系、成熟的施工經(jīng)驗(yàn)和豐富的人才儲(chǔ)備，可以突破地質(zhì)條件的限制，在絕大多數(shù)地質(zhì)環(huán)境中構(gòu)建“可復(fù)制”的采礦系統(tǒng)，完成目標(biāo)礦物的開采. 基于此提出的開挖型增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced geothermal system based on excavation，簡(jiǎn)稱EGS-E）[40,49-50]采用開挖、爆破和崩落等采礦技術(shù)取代了水力激發(fā)技術(shù)進(jìn)行熱儲(chǔ)改造，采用開挖豎井鋪設(shè)換熱管道的方式取代地?zé)徙@井技術(shù)進(jìn)行熱能提取，或可以有效克服傳統(tǒng)增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)對(duì)熱儲(chǔ)地質(zhì)條件和裂隙發(fā)育特征的依賴性，為深部地?zé)崮茉撮_發(fā)提供一種“可復(fù)制”的解決方案[40].

4.4 深部資源共采：深部地?zé)崤c礦產(chǎn)資源協(xié)同開采

深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共采，是向地球深部進(jìn)軍，實(shí)現(xiàn)深部采礦可持續(xù)發(fā)展的重要舉措[51-53]. 基于開挖型增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)所構(gòu)建的深部礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源協(xié)同開采體系，為解決深部礦產(chǎn)資源開采的高溫問題和深部地?zé)豳Y源的高成本問題提供了一種解決方案[54]. 礦熱協(xié)同開采體系以圍巖溫度為標(biāo)尺，將地質(zhì)資源類型分為低溫資源（50 ℃以下）、中溫資源（50~100 ℃）和高溫資源（100 ℃以上），針對(duì)性地提出了低溫礦產(chǎn)開采模式，中溫“礦熱共采”模式和高溫地?zé)衢_采模式. 低溫資源采用傳統(tǒng)的采礦方法，以礦產(chǎn)資源開采為主，同時(shí)構(gòu)建中深部中高溫資源開采所需的基礎(chǔ)工程；中溫資源采用先采熱后采礦的熱礦共采模式，在利用中溫型地?zé)豳Y源的同時(shí)，增加可采礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量；高溫資源則基于開挖型增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS-E），采用獨(dú)特的熱儲(chǔ)致裂和熱能交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)深部地?zé)豳Y源的大規(guī)模開采. 深部地?zé)崤c礦產(chǎn)資源協(xié)同開采模式將傳統(tǒng)采礦技術(shù)與增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)相結(jié)合，以低溫區(qū)域礦產(chǎn)資源開采緩解深部地?zé)豳Y源開發(fā)的巨額投資壓力，以中高溫地?zé)豳Y源的開采彌補(bǔ)礦產(chǎn)資源開采因溫度升高引起的成本激增，既能消除中高溫區(qū)域的熱害影響，提高礦產(chǎn)資源的安全儲(chǔ)量，保證礦產(chǎn)資源安全開采，又能實(shí)現(xiàn)中溫區(qū)域地?zé)豳Y源的利用以及高溫區(qū)域地?zé)豳Y源的大規(guī)模開采，為深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源安全高效開發(fā)提供一種經(jīng)濟(jì)可行的方案[51].

5 結(jié)論及建議

隨著鉆井技術(shù)和儲(chǔ)層改造技術(shù)的發(fā)展，EGS取得了蓬勃的發(fā)展，截至2021年末，世界累計(jì)EGS項(xiàng)目已達(dá)到41個(gè)，累計(jì)發(fā)電裝機(jī)量已達(dá)到37.41 MW.然而，EGS仍處于研究與發(fā)展階段，距離深部干熱巖地?zé)崮艿拇笠?guī)模商業(yè)化仍有很長(zhǎng)的路要走. 儲(chǔ)層地質(zhì)條件的差異性和復(fù)雜性以及現(xiàn)有改造技術(shù)對(duì)儲(chǔ)層原位地質(zhì)環(huán)境的依賴性，致使EGS發(fā)展過程中無法形成“可復(fù)制”的造儲(chǔ)技術(shù)，由此導(dǎo)致的熱儲(chǔ)質(zhì)量差、誘發(fā)地震等問題是制約其發(fā)展的根本原因.

建立健全深部地?zé)豳Y源數(shù)據(jù)庫(kù)，形成精確的儲(chǔ)層地質(zhì)條件量化體系，探尋地質(zhì)條件與儲(chǔ)層改造、裂隙演化、熱能提取等的相關(guān)關(guān)系，研發(fā)“可復(fù)制”的熱儲(chǔ)改造技術(shù)，是深部地?zé)崮荛_發(fā)的當(dāng)務(wù)之急；加大政府政策和資金扶持力度，引領(lǐng)典型EGS項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和示范工程建設(shè)，同時(shí)多措并舉，積極推進(jìn)開挖型增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)和礦熱協(xié)同共采等模式的研究和開發(fā)，形成“可復(fù)制”深部地?zé)崮荛_采體系，是早日實(shí)現(xiàn)深部地?zé)豳Y源大規(guī)模商業(yè)化，解決深部資源開采與能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵出路.