超臨界二氧化碳在地熱開發中的應用研究進展

劉松澤，魏建光,2，馬媛媛，劉雪梅

(1.東北石油大學 石油工程學院,黑龍江 大慶 163318;2.東北石油大學 陸相頁巖油氣成藏及高效開發教育部重點實驗室,黑龍江 大慶 163318;3.大慶油田有限責任公司第一采油廠,黑龍江 大慶 163318)

干熱巖(Hot Dry Rock,HDR)通常是指埋藏于地下深部3～10 km，溫度在150～650 ℃之間，內部不含流體或僅含少量流體的異常高溫巖體。干熱巖以其清潔可再生、分布廣泛、儲量豐富、穩定性強等優點，被公認為21世紀最具潛力的新興能源。具有綠色環保、清潔可再生、分布廣、儲量大、穩定性強等優點。我國干熱巖地熱資源儲量約占全球資源量的1/6，初步估計在3～10 km深度范圍內的干熱巖總熱量為2.5×1025J，折算標準煤可達8.56×1014億t，開發利用前景巨大，可以用于發電、供暖、強化采油等多個領域[1]。我國大陸干熱巖儲量統計見表1。

表1 我國大陸干熱巖儲量統計表[2]Table 1 Statistical data of hot dry rock reserves in China

國土資源系統已對國內多地展開了干熱巖地熱資源調查，圈定了包括東南沿海地區、環渤海地區、藏南黔西地區、大同盆地、松遼平原等多處干熱巖開發靶區，根據《全國干熱巖勘查與開發示范實施方案》，計劃于2030年實現干熱巖的商業化開采。

干熱巖中地熱資源豐富，由于干熱巖巖體致密、低孔隙度、低滲透率的特性，難以用傳統方法開采，增強型地熱系統(Enhanced Geothermal System,EGS)是開發干熱巖的重要手段。2000年，Brown提出了CO2-EGS的概念，即使用CO2代替水作為工質流體開采干熱巖地熱資源。從化學特征、儲層滲流特征和流體循環特征等多方面考慮，作為工質流體CO2均具有明顯的優勢，CO2-EGS不但能夠高效利用溫室氣體CO2，節約水資源，還能夠進行CO2地質封存(CCUS)，實現了二氧化碳增強型地熱系統(CO2-EGS)與二氧化碳地質封存(CCUS)一體化技術。

1 干熱巖地熱資源

1.1 干熱巖的優點

干熱巖的開發利用對緩解化石燃料危機、減少環境污染具有重要作用,干熱巖發電具有零排放的優勢，可有效緩解其它發電手段造成的溫室效應，減少酸雨對環境造成的不利影響，其發電利用率位居可再生能源榜首，平均利用率高達73%，約為太陽能光伏發電的5倍，風力發電的3倍，發電投入成本低，僅為風力發電的1/2，太陽能發電的1/10，且因其資源埋藏在地下深部，不受環境、天氣狀況的影響，故使用干熱巖發電還具有連續穩定的優點[3]。同時，干熱巖在供暖和油田開采方面的應用，能夠大力的減少化石燃料的使用，降低二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、粉塵等的排放。干熱巖的開發利用對緩解化石能源危機、減少環境污染具有重要作用。

1.2 干熱巖的開發

由于工質流體無法直接注入巖體進行提熱，因此需要通過人工壓裂等儲層刺激手段，將高溫巖體改造為滲透性能較好的儲層，建造增強型地熱系統進行開采[4-5]。該系統通常由注入井、生產井及壓裂儲層構成，低溫工質流體由注入井注入，通過裂縫通道與高溫干熱巖巖體進行熱能交換，吸收相當數量的熱能并通過生產井返回地面，從而達到采熱的目的。干熱巖EGS系統示意圖見圖1。

圖1 干熱巖EGS系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of hot dry rock enhanced gelthermal system

增強型地熱系統多使用水作為壓裂液和工質流體進行熱能提取，但在干熱巖開采過程中，水會與地層中的巖石礦物發生物理化學反應，改變儲層滲透率，破壞儲層穩定性，降低工質流體的純度，同時，溶解在水中的礦物成分還會造成井筒、地面設備、各種管線結垢，影響設備的使用壽命。另一方面，工質流體回收率低也是H2O-EGS面臨的挑戰之一，美國Fenton Hill 干熱巖試驗區進行的實驗發現，注入水的回收率僅為7%～12%，水資源浪費嚴重，H2O-EGS需要消耗大量的水資源，在水資源匱乏區域無法使用H2O-EGS進行干熱巖地熱開采[6]。2000年，D W Brown 提出了使用CO2-EGS的理念，使用CO2代替水作為工質流體開采干熱巖地熱資源。CO2-EGS能夠高效利用溫室氣體CO2，節約水資源的同時，間接實現了CO2地質封存(CCUS)，即整體實現了二氧化碳增強型地熱系統CO2-EGS與二氧化碳地質封存CCUS一體化技術。

2 CO2在增強型地熱系統中的應用

當環境溫度高于31.1 ℃，壓力高于7.38 MPa時CO2處于超臨界狀態，此時其密度與液態CO2相近，擴散系數介于液體和氣態之間，粘度與氣態相近，表面張力接近于零，兼具氣液兩相的特性。由于超臨界CO2與水的物性差異，使CO2-EGS和H2O-EGS在滲流場和溫度場變化上存在差異，具有不同的滲流規律和采熱效率。作為增強型地熱系統工質流體，超臨界CO2的多項性質均優于水，能夠提高采熱效率，增加經濟效益，對干熱巖開發具有重要意義。

2.1 儲層改造中的應用

使用人工壓裂手段將低孔隙度、低滲透率的干熱巖改造為滲透性能較好的儲層，是建造增強型地熱系統的關鍵，合理的壓裂液選擇是影響壓裂效果的關鍵因素。目前，已有一些國家，例如美國、澳大利亞等使用超臨界CO2進行地熱資源的開采。超臨界CO2作為壓裂液與常規壓裂液滑溜水、泡沫等相比，具有以下優點[7-8]：

(1)CO2制備投入成本不高，來源范圍廣，沒有腐蝕性，穩定性好，安全性強。水會溶解巖石礦物，與巖石礦物發生化學反應堵塞裂縫通道，然而CO2為非極性溶劑，不與巖石礦物發生反應，不存在礦物溶解或沉淀等問題。

(2)超臨界CO2具有粘度低、表面張力小、摩阻系數低、擴散能力強、滲透能力強的特點，相較于其它壓裂液更容易滲透到微小的裂縫和孔隙中，增大了儲層的滲流面積，促進了微裂隙網格的大量生成。

(3)超臨界CO2具有脫水性，能夠處理巖石中或裂隙中殘余的少部分水，避免了水與巖石礦物發生物理化學反應，保持了巖石的干燥性，同時較好的保護了干熱巖地熱儲層，減少了其它物質造成的儲層傷害。

(4)超臨界CO2壓裂后能夠快速徹底地進行返排處理，具有生產效率高，系統傷害小的優點，節約儲層改造的時間，縮短工程周期。

2.2 循環采熱中的應用

增強型地熱系統中工質流體的選擇是影響系統采熱效率的關鍵因素。與傳統的水作為工質流體的增強型地熱系統相比，超臨界CO2作為工質流體的增強型地熱系統略勝一籌。近年來，國內外學者對CO2-EGS和H2O-EGS進行了大量有益的探索，認為CO2-EGS具有以下優勢[9-11]。

(1)CO2的壓縮性和膨脹性均優于水，對溫度、壓力的敏感性更強。當CO2作為工質流體循環采熱時，其在生產井井口的生產壓力高于在注入井井口的注入壓力，生產壓力高于注入壓力為超臨界CO2在地面系統中的運移提供了驅動力，減少了地面系統循環過程的能量消耗，在不需要額外泵功的條件下就能保證工質流體的循環使用。

(2)超臨界CO2的粘度低，滲流能力強。雖然CO2的比熱容低于水，單位質量工質流體攜帶的熱能少，但當注采壓差相同時，CO2的滲流能力更強，其質量流量可達水的1～6倍，總熱提取率達到水的1.6倍左右，熱提取能力強。

(3)工質流體的流失是干熱巖開采過程中不可避免的問題。H2O-EGS開采中工質流體的流失會造成水資源的浪費，消耗大量的水資源，在一些水資源稀少的地區無法使用H2O-EGS進行干熱巖地熱開采，而CO2-EGS開采中工質流體的流失實現了CO2地質封存，間接的將CO2埋藏于地下深部，開采干熱巖的同時創造了額外的環境效益和經濟效益。

(4)CO2為非極性溶劑，不與巖石礦物發生反應。在H2O-EGS中，水會與地層中的巖石礦物發生物理化學反應，改變儲層滲透率，破壞儲層穩定性，降低工質流體的純度，同時，溶解在水中的礦物成分還會造成井筒、地面設備、各種管線結垢，影響設備的使用壽命，而在CO2-EGS中，超臨界CO2為非極性溶劑，巖石礦物既不溶于超臨界CO2，也不會與其發生化學反應，保證CO2的純度，減少了循環利用的后處理工序并減少了對井筒、地面設備、各種管線等的損害。增強型地熱系統中CO2和H2O作為工質流體的對比見表2。

表2 增強型地熱系統中CO2和H2O作為工質流體的對比Table 2 Comparison of CO2 and water as working fluid in enhanced geothermal system

自CO2-EGS提出以來，許多學者使用數值模擬方法對CO2-EGS的采熱性能進行了探究。Luo等[12]對雙井CO2-EGS進行了數值模擬研究，分析了CO2注入速率、注入井和生產井的射孔位置、工質流體、井筒與儲層之間的導熱系數等因素對系統采熱的影響。Shi等[13]以多分支水平井為研究對象，建立了三維CO2-EGS熱流耦合數學模型，模擬了CO2-EGS開采30年的采熱效果，結果表明生產壓力越低、多分支井數越多、分支井長度越長，CO2-EGS的熱提取效果越好。Guo等[14]建立了三維CO2-EGS熱流固耦合數學模型，再一次證實了CO2是地熱資源開發的優良工質流體，生產流量相同的條件下，CO2的熱提取速度更快。Wang[15]建立了含有離散裂縫網絡的CO2-EGS熱流固耦合數值模型，研究了注入壓力對系統采熱效率的影響，結果表明注入壓力越高，系統的發電效率越高，同時越有助于進行二氧化碳地質封存。Biagi[16]利用GA-TOUGH2數值模擬軟件，以生產溫度為評價指標，對恒定質量和恒定壓力兩種情況下，CO2-EGS系統中工質流體注入速度進行優化，確保了系統在生命周期內熱能提取的有效進行。

3 結束語

干熱巖深層地熱資源綠色環保、清潔可再生、分布廣、儲量大、穩定性強，其開采對緩解化石能源危機、減少環境污染具有重要作用。增強型地熱系統的建立為干熱巖的開發提供了重要的手段。使用CO2代替水作為工質流體開采干熱巖地熱資源，消耗溫室氣體CO2的同時節約了水資源；由于工質流體在熱儲層中的流失，間接實現了CO2的地質封存；超臨界CO2的性質穩定，不溶解地層中的礦物，也不與地層中的礦物發生反應，保證了工質流體的回收純度，降低了工質流體的后處理工序；CO2-EGS的采熱性能并不比H2O-EGS的采熱性能差，甚至優于傳統的H2O-EGS。二氧化碳增強型地熱系統(CO2-EGS)與CO2地質封存(CCUS)一體化技術具有較強的可行性，實現該技術進行干熱巖商業化開采指日可待。