美國干熱巖地熱資源勘查開發現狀、戰略與啟示

楊建鋒，王 堯，馬 騰，張翠光

（中國地質調查局發展研究中心，北京100037）

干熱巖蘊藏著巨大的熱能，是美國長期關注和探索開發的新能源之一。作為世界首個提出干熱巖地熱資源開發設想的國家，美國自20世紀70年代開始不斷推進干熱巖勘查與開發研究[1]。近年來，美國在干熱巖資源開發利用的增強型地熱系統（EGS）示范研究方面取得了很大成功，大大推進了EGS技術進步，干熱巖地熱資源商業開發前景進一步明朗。美國的探索實踐表明：雖然干熱巖開發利用的EGS工程具有很大的風險和不確定性，但是其商業化的技術障礙是可以克服和解決的。

1 美國干熱巖地熱資源勘查開發現狀

受20世紀70年代石油危機的驅動和激勵，美國啟動了干熱巖地熱資源開發利用的探索[2]。盡管經歷了很多艱難曲折，美國推進干熱巖地熱資源商業開發的前景越來越光明。

1.1 聯邦政府干熱巖勘查開發投入情況

美國干熱巖勘查開發主要由聯邦政府能源部（DOE）主導推動。1976～2016年，DOE對干熱巖（2000年之后為EGS）的研發投入累計為4.32億美元，期間經歷了2次上升期（圖1）。第一次為石油危機發生之后的1976～1987年，年均投入880萬美元，占地熱研發總投入的比例由10.0%上升到38.6%；第二次為2007～2016年，目前仍在持續中，研發投入從200萬美元大幅增至4500萬美元，占地熱研發總投入的比例由40.0%上升到63.4%。干熱巖研發投入在能源（包括化石能源、核能、可再生能源等）研發投入中的比例亦呈上升趨勢，從2006年的0.07%上升到2016年的0.41%。20世紀90年代至21世紀初，聯邦政府對干熱巖勘查開發投入持續低迷，反映了其首個EGS工程于1993年被迫終止之后政府對干熱巖開發前景的悲觀看法。近年來聯邦政府干熱巖勘查開發投入變化趨勢表明：隨著EGS工程示范研究的推進，政府對干熱巖資源開發利用的前景越來越有信心。

圖1 1976～2016年美國聯邦政府EGS工程研發投入

1.2 干熱巖資源潛力評估

潛力評估與選區是干熱巖資源開發的重要基礎工作。1970年美國頒布了《地熱蒸汽法案》，賦予了美國地質調查局（USGS）地熱資源潛力評估的職責[3,4]。在能源部的支持與資助下，USGS先后于1975年、1978年、1982年和2008年完成了全國性地熱資源潛力評估與選區。基于以往的地熱調查成果資料，特別是70年代石油公司完成的數千眼鉆井數據，USGS于1975年完成了首次全國性地熱資源潛力評估，對全國50個州10km深度以內大于15℃的地熱資源進行了定量評價，其中包括溫度小于650℃的干熱巖地熱資源[5]。1978年根據新的鉆井數據對地熱資源潛力評價結果進行了更新[6]。根據低溫地熱資源開發的需要，USGS于1982年完成了小于90℃淺層低溫地熱資源的潛力評價[7]。

根據近20年來深部地熱電力開發需要，USGS對地熱資源潛力評估方法進行了改進，形成了中高溫地熱資源潛力估算方法：根據地熱發電要求將地熱溫度底限確定為90℃；地熱深度在6km以內；采用地熱溫標測量儲層溫度等[8]。采用改進方法，USGS于2008年完成了全國中高溫地熱資源潛力評估。根據評估結果，在現有技術條件下，美國干熱巖地熱資源EGS電能潛力為517800 MWe，相當于美國現有發電裝機容量的一半，比傳統水熱型地熱資源潛力大一個數量級[9]。

1.3 早期干熱巖勘查開發探索

采用人工壓裂方法從地球深部高溫巖石中獲取熱能的設想，最早可追溯至20世紀60年代末。當時有科學家提出了采用核武器進行巖石壓裂的方案，但是未被采納。1974年美國Los Alamos國家實驗室研究提出了一種從干熱巖中獲取熱能的方法并獲得專利，采用水力壓裂技術在干熱巖中建造形成儲層，通過注水井和生產井將儲層聯通起來開采地熱資源。該方法是當前干熱巖地熱資源開發利用的增強型地熱系統（EGS）工程的技術雛形[10]。

在原子能委員會（AEC）資助下，Los Alamos國家實驗室在新墨西哥州的Fenton Hill試驗建設了一個干熱巖（HDR）系統。該系統于1977年成功實現干熱巖熱流循環，1980年開展了持續9個月的熱流循環運行試驗，包括運行一個簡易的60kW普通發電機。Fenton Hill干熱巖系統第一階段試驗取得了巨大成功。美國能源部與德國、日本聯合資助開展了第二階段試驗研究，但是始終未能實現商業性發電的預期目標。由于井孔故障、設備設計缺陷和資金不足，試驗研究被迫于1995年終止[11]。通過分析，實驗室認為最大的教訓是不能想當然地推定應力場的分布。

Fenton Hill干熱巖系統關閉后，美國干熱巖勘查開發進入徘徊期，聯邦政府投入不斷減少。但是同時，美國也通過參與、跟蹤、分析其他國家的干熱巖勘查開發工作，包括英國的Rosemanowes（1977～1991）、日本的 Hijiori（1981～1986）和 Ogachi（1989～2001）、瑞士的Basel（2005～2006）等干熱巖或EGS系統，積累干熱巖資源勘查開發的經驗與教訓[12]。通過對這些早期的干熱巖勘查開發研究的分析，獲得了一些重要認識：干熱巖自然斷裂分布與應力場分布調查填圖至關重要；低壓激發、水力剪切、高壓水力壓裂對儲層建造與水力連通性的影響關系到干熱巖資源的開采；扭張性地質環境比壓性地質環境更易于儲層建造等[13]。

1.4 增強型地熱系統（EGS）示范研發

經過一段時間徘徊后，能源部地熱技術辦公室（GTO）在對全球已終止的、在建的和運行的干熱巖勘查開發工程進行系統分析的基礎上，在2000年明確了干熱巖勘查開發研究的主攻方向：推進增強型地熱系統（EGS）技術示范研發。據公開發表文獻統計[14～16]，1974年以來全球投入建設的EGS工程數量總體上不斷增加，到2013年累計達到39個，其中在建與運行的有30個，終止或廢棄的有9個（圖2）；正在建設尚未發電的EGS工程有16個，正在運行并投入發電的EGS工程有14個。EGS工程數量的增長從一個側面表明了美國所確定的干熱巖勘查開發主攻方向是全球大勢所趨。

圖2 1974以來全球在建與正在運行的EGS工程數量

2013年以來，美國的EGS技術研發工作包括130個研發項目和5個EGS示范工程，研發人員由企業、大學和國家實驗室的科學家與工程師組成[17]。5個EGS示范工程由能源部與企業共同資助，其中能源部投資占工程投入的47%～70%。根據承擔研發任務的機構來看，企業承擔了36%的研發任務，國家實驗室承擔了47%的研發任務，大學承擔了17%的研發任務。根據研發內容來看，儲層建造技術占總研發活動的44%，運行發電技術占39%，勘查技術占17%。

通過近幾年的努力，EGS示范研發取得了令人鼓舞的進展[18,19]。2012年，Geysers EGS示范工程熱流開采與運行發電試驗取得成功，所獲得的生產汽流能夠實現5MW的電力發電，目前正在設計適應汽流的新型發電設備。2013年，Desert Peak EGS示范工程完成了持續8個月的多階段儲層激發，儲層滲透率顯著增加，流量與注水量均達到了商業水平。EGS示范研發取得了一些新的認識：儲層建造主要依賴于與主應力方向一致的自然裂隙的剪切性張開，在儲層激發設計時需要測量與考慮目標地層的自然裂隙產狀與應力分布；不同構造環境中啟動巖石剪切的注水壓力和注水量數據為新技術測試提供了基礎依據；誘發地震監測數據可以作為追蹤儲層建造過程的重要工具，對于儲層激發具有重要作用。

2015年，GTO啟動了地熱能前沿觀測研究計劃（FORGE）。通過實施FORGE計劃，建設一個地下實驗室，推進EGS前沿研究，研發建設大規模、經濟可持續和商業化的EGS所需要的技術。

2 美國干熱巖地熱資源勘查開發研究戰略

通過分析，GTO認為推進EGS工程研發的關鍵包括三個方面：一是準確描述儲層應力、化學組成、熱流路徑變化；二是獲得商業化運行發電所需的生產熱流（50～100kg/s）；三是可以持續運行數年或更長。基于EGS研發現狀與面臨的主要問題，GTO于2013年研究提出了干熱巖地熱資源EGS研發戰略[20]；2019年初，發布了美國“地熱能前沿瞭望臺研究計劃”（FORGE）技術路線圖。

2.1 EGS研發戰略目標與主要任務

EGS研發的長期目標是實現EGS工程低成本商業發電運營。近期目標是推動EGS技術不斷進步和成熟，具體指標如下：

（1）到2020年實現EGS示范工程5MW發電運行。

（2）單位發電成本從2011年的0.24美元/kW·h降低到2030年的0.06美元/kW·h。

為了提高研發成功率，示范工程采取先易后難的策略。首先選擇現有水熱型地熱田開展EGS工程研發，充分利用地熱田已有的設施和勘查資料，降低EGS工程成本和風險，有效增強儲層滲透率，實現多年持續發電。然后，再選擇水熱型地熱田鄰近、未開展過水熱型地熱開發的區域（綠地）開展EGS工程研發。目前，GTO建設的5個示范工程有2個位于水熱型地熱田內，2個鄰近水熱型地熱田，1個位于綠地內，分別是Desert Peak EGS和Brads Hot Spring EGS、The Geysers EGS和Raft River EGS、Newberry EGS（表1）。

EGS研發主要任務包括：查明目標層自然裂隙與流動路徑；在目標層建造新裂隙和流動路徑；監測流動路徑變化；層位分割；管理與維持儲層裂隙與流動路徑；研發鉆井技術；建模與模擬；研發測量與分析工具等。

表1 美國EGS示范工程概況

2.2 技術研發路線圖

根據EGS工程建設階段，EGS技術研發可劃分為三個方面：勘查、儲層建造、運行發電。基于近年來的技術研發進展，同時考慮到相關領域的先進技術發展狀況，特別是石油開發技術、頁巖氣開發技術以及地球物理、地球化學調查技術，GTO提出了勘查、儲層建造和運行發電三個方面的技術研發路線圖。

2.2.1 勘查技術研發

干熱巖勘查是EGS工程建設的基礎性工作，其目的是全面查明干熱巖地質條件，為后續的儲層建造與運行發電奠定基礎，降低EGS建設的風險。干熱巖勘查技術可進一步細分為幾類技術：干熱巖自然裂隙與流動路徑調查；鉆探；建模；測量與分析工具。其中鉆探、建模、測量與分析工具等三類技術方法涉及EGS工程建設的各個階段。

到2030年，干熱巖勘查技術研發路線圖是：從采用地球物理技術推斷地質條件，到簡單地質與地球物理建模與實地觀測相結合、針對場地優化地質建模工作流程，最后到針對各種情況形成通用地質建模工作流程（圖3）。圖3中還列出了鉆井技術、建模技術、測量工具技術研發路線。可以看出，由于石油、天然氣、頁巖氣等礦產資源與干熱巖在埋藏與勘查開發上具有很多相近的特征，現有的干熱巖勘查更多地引入了油氣勘查技術[21]。改進與升級油氣勘查技術，以適應干熱巖高溫高壓的地質環境，是干熱巖勘查技術研發的重要起點。

圖3 勘查技術研發路線圖（據Ziagos等）

2.2.2 儲層建造技術研發

從干熱巖中開采熱能，需要采用人工方法在目標地層中激發形成具有足夠裂隙且相互聯通的儲熱層，通過熱交換將熱能提取到地面以供發電。截至目前，儲層建造是EGS工程建設中難度最大的部分。雖然經歷了40余年的探索，儲層建造技術仍然還不成熟[22]。儲層建造技術包括生成新裂隙與流動路徑、流動路徑監測、分層分隔以及鉆探、建模、測量工具等技術。

圖4 儲層建造技術研發路線圖（據Ziagos等）

到2030年，儲層建造技術研發路線圖是：從傳統油氣高壓破碎技術、可控分階段水力剪切與壓裂技術、依據綜合監測數據實施鉆孔與生成裂隙，到實時優化生產率技術（圖4）。對于生成新裂隙與流動路徑，在改進油氣開發的水力壓裂技術基礎上，研發多區熱力/水力壓裂與剪切、控制流量與壓力壓裂、優化單位體積裂隙表面積等技術。對于流動路徑監測，從旋轉測井與失蹤試驗技術，到研發短路區與微地震MEQ變化監測、MEQ與地球物理耦合確定主流動路徑、采用智能流體探測和定位主流動路徑、實時追蹤流動路徑等技術。

2.2.3 運行發電技術研發

運行發電目的是從儲層中通過熱交換把熱能提取上來，利用熱能進行發電，然后把降溫后的流體再注入儲層，實現發電機組持續運行，所發電能源源不斷地供應社會。目前已建成的EGS工程多數經歷了持續數月不等的熱能開采循環試驗，但是均未能實現商業化運營。麻省理工學院（MIT）研究認為儲層可能在運行6年之后需要在未干擾干熱巖中重新鉆井與激發，還需要一些研究利用經濟模型估算儲層的運行時間[23,24]。由于截至目前運行發電積累的數據和經驗有限，EGS運行發電技術仍存著很大的不確定性。

圖5 運行發電技術研發路線圖（據Ziagos等）

到2030年，運行發電技術研發路線圖是：從過去的簡單開采與注入策略，到依據實地監測數據開采與注入、依據監測數據和模型模擬開采與注入、實時監測與模型模擬指導運行等（圖5）。運行發電技術包括裂隙與流動路徑管理、流動路徑監測、分層分隔以及鉆探、建模、測量工具等技術。

3 對我國的啟示與建議

隨著干熱巖地熱資源開發利用前景的逐步明朗，越來越多的國家加入了EGS工程研發的行列。除了美國之外，英國、德國、法國、瑞典、日本、澳大利亞、瑞士、薩爾瓦多、韓國等先后啟動了EGS技術研發與工程建設，部分EGS進入了試驗性運行發電階段，越來越多的公司進入了該領域，EGS大規模商業運營前景可期[25～27]。2010年和2015年世界地熱大會對EGS開發應用前景進行了預測，到2050年EGS發電裝機容量將達到70GW，包括水熱型地熱資源在內發電總裝機容量將達到140GW，屆時地熱發電占全球電力生產總量的比例將上升到8.3%[28,29]。長期來看，一旦干熱巖資源商業開發獲得突破，有可能改變未來全球的能源供給與消費格局。2018年初，中國地質調查局提出將干熱巖資源勘查開發作為戰略性科技問題進行攻堅，有利于大大縮短我國與世界先進水平的差距。基于美國經驗，對我國開展干熱巖資源勘查開發科技攻堅提出如下建議：

3.1 系統總結與充分借鑒國外EGS研發經驗，結合我國實際形成干熱巖資源勘查開發研究頂層設計

與傳統水熱型地熱資源比較，干熱巖地熱資源具有埋藏深、開采難度大、直接利用困難等特點。經過40余年的研究和探索，干熱巖地熱資源勘查開發目前仍面臨著諸多的技術瓶頸。美國作為干熱巖勘查開發的早期開創者，在首個干熱巖系統被迫終止之后研發活動進入低潮，EGS工程研發一度滯后于法國、德國等國家。在系統總結干熱巖勘查開發技術進展、特別是其他國家已建與在建EGS工程成功經驗與失敗教訓之后，美國重新調整了干熱巖地熱資源勘查開發的主攻方向，確定了EGS工程研發戰略與路線圖，從而在近年的研發中取得了令人鼓舞的進展。我國作為干熱巖勘查開發的后來者，應系統總結和充分借鑒國外EGS研發經驗，既可以避免其他國家走過的一些彎路，又可以縮短干熱巖勘查開發技術研發的時間。同時，應充分考慮我國干熱巖資源稟賦、石油天然氣勘查技術優勢、頁巖氣勘查開發技術積累等實際情況，研究提出我國干熱巖地熱資源的勘查開發和利用戰略目標和總體方案。

3.2 加強國際合作與人才引進，加快縮短我國干熱巖勘查開發與國外的技術差距

盡管近年來我國在干熱巖勘查開發方面取得了明顯進展[30,31]，但是在干熱巖勘查、EGS關鍵技術等方面與國外相比還存在很大差距[32]。美國、德國、法國等在干熱巖勘查開發方面有著長期的技術積累，人才、技術、管理、經濟方面優勢明顯。為了使我國干熱巖勘查開發迎頭趕上國外先進水平，一方面需要“走出去”，考察、學習國外進展與做法，另一方面需要“請進來”，利用國外的智慧解決我國在干熱巖勘查開發中遇到的問題，通過國際合作，使我國進入國際干熱巖勘查開發的大家庭，最終在促進干熱巖資源開發利用領域貢獻中國智慧。實踐表明，從國外引進相關人才，是縮短國內外技術差距的有效途徑，在干熱巖方面亦是如此。有關部門可以物色在國外實驗室、大學或公司長期從事干熱巖勘查開發研究的華人學者，早日引進國內，增強研究實力。

3.3 開展跨學科跨部門力量整合，推進地調機構、大學、科研院所、公司聯合攻關

干熱巖勘查開發涉及領域廣泛，既涉及地質、地球物理、地球化學、地熱、鉆探等領域，又涉及設備制造、熱力發電、經濟分析、工程管理等領域。美國在EGS研發力量組織方面，組成了由國家實驗室、大學、企業的科學家和工程師組成的研究團隊，在推進EGS技術研發的同時有利于為EGS商業化運營積累經驗。我國具有集中力量辦大事的制度優勢，應借鑒美國的成功做法，效仿海域天然氣水合物試采的模式，組織相關地調機構、大學、科研院所和公司聯合攻關，在趕上、并行國外先進水平之后，早日實現干熱巖地熱勘查開發技術在國際上的超越和引領。