水熱型地熱資源開發(fā)利用歷史悠久、技術成熟、經(jīng)濟效益好，但分布不均，資源潛力有限，存在規(guī)?；_發(fā)瓶頸(Fridleifssoneta1．，2016；Lundeta1．．2016)。干熱巖（深層地熱資源的主要賦存形式）分布范圍廣，資源儲量更大，開發(fā)潛力是傳統(tǒng)水熱型地熱資源的100倍以上，是重要的戰(zhàn)略資源（汪集旸等，2012；王貴玲等，2017）。

20世紀70年代以來，美國等多個國家開展了增強型（工程型）地熱系統(tǒng)(EGS)實驗，取得了豐碩的成果（陸川等，2015；許天福等，2016）。美國新墨西哥州芬頓山(FentonHill)實施了全球首個EGS項目，首次嘗試從低滲透性干熱巖體內提取地熱資源；德國蘭道(Landau)是世界上首個商業(yè)性EGS發(fā)電項目；法國舒爾茨(Soultz)是目前仍在商業(yè)化運營的EGS項目(Schellschmidteta1．，2010)。Massa-chusettsInstituteofTecnology(2006)系統(tǒng)討論了美國EGS開發(fā)前景，引起了國際社會的廣泛關注。

我國干熱巖研究起步相對較晚，21世紀初才開展系統(tǒng)的理論研究和調查評價工作。2018年在青海共和盆地探獲236℃（孔深3705m）干熱巖資源，是國內首次鉆獲的埋藏最淺、溫度最高的干熱巖體，實現(xiàn)了我國干熱巖勘查的重大突破（張森琦等，2018；張盛生等，2019）。隨后在海南澄邁、河北唐山、江蘇興化等地發(fā)現(xiàn)干熱巖資源，大大推動了干熱巖勘查開發(fā)進程（齊曉飛等，2020；曹銳等，2022）。

系統(tǒng)總結國內外增強型地熱系統(tǒng)在碳酸鹽巖深層干熱巖地熱資源中的開發(fā)利用進展及典型示范工程經(jīng)驗，為我國EGS推廣應用提供參考。

1.研究背景

由于干熱巖體內幾乎不含流體，內部蘊含的熱能無法直接利用，需利用工程技術手段對儲熱巖體進行改造，建立具有復雜裂隙網(wǎng)絡系統(tǒng)的人工熱儲層，以實現(xiàn)穩(wěn)定的流體循環(huán)換熱過程，這種系統(tǒng)被稱迄今為止，全球已有EGS項目超過60個，熱儲巖性以花崗巖、變質巖類為主，其次為砂巖和碳酸鹽巖(Breedeetal.,2013;Pollacketal.,2020)。早期項目多位于地溫梯度較高的火山或深部巖漿活動強烈區(qū)，熱儲巖性以花崗巖類為主。例如，美國新墨西哥州芬頓山項目的儲層巖性為花崗閃長巖，法國舒爾茨的熱儲巖性為花崗巖，我國青海共和的熱儲巖性為花崗閃長巖。隨著EGS技術的發(fā)展，溫度相對偏低而工程改造難度相對較小的沉積巖類熱儲層受到了重視（龐忠和等，2020;亢方超等，2022）。

增強型地熱系統(tǒng)成敗的關鍵很大程度取決于壓裂造儲的難易程度及儲層改造效果?；◢弾r類等硬質巖石具有硬度大、結構致密、滲透率低、天然裂隙不發(fā)育等特點，存在鉆探成本高、儲層改造有效手段少、復雜裂縫系統(tǒng)形成難度大、壓裂改造過程中易誘發(fā)地震等問題，導致儲層建造難度和改造成本居高不下，嚴重限制了EGS的經(jīng)濟可行性。

碳酸鹽巖具有化學性質活潑、硬度相對較小、天然裂縫發(fā)育等特征，可以綜合利用水力刺激、化學刺激、熱刺激等多種手段提高儲層改造效果。同時，大型沉積盆地內的碳酸鹽巖不僅是優(yōu)質熱儲層，也是油氣資源勘探開發(fā)的重要目標層，石油部門開展了大量的基礎地質、地震勘探、鉆井和儲層改造試驗等工作，積累了豐富的地質資料和勘查經(jīng)驗（何治亮等，2021;袁文奎等，2021），大幅降低了深部地熱資源勘查開發(fā)的風險和技術難度。而且，沉積盆地

區(qū)域地勢平坦，交通便利，經(jīng)濟社會發(fā)達，為地熱資源勘查開發(fā)提供了便利的基礎設施條件和應用市場。隨著雙工質ORC發(fā)電技術的普及，可用于發(fā)電的地熱資源的溫度范圍正在擴大，目前可從>100℃的地熱水中獲得電力資源，進一步提高碳酸鹽巖熱儲層的開發(fā)利用價值。此外，碳酸鹽巖分布區(qū)水熱型地熱資源豐富，其開發(fā)利用成果不僅為深層地熱資源的勘查提供了深部地熱地質信息，也為“干、濕（水）”地熱資源協(xié)同利用創(chuàng)造了條件，提升了地熱資源的綜合利用價值。因此，碳酸鹽巖型EGS逐漸成為深部熱能開發(fā)的重要方向(vanderHoorneta1．，2012；龐忠和等，2020;Arndteta1．，2021)。

國際上，碳酸鹽巖EGS項目勘查開發(fā)活躍區(qū)位于歐洲中部，已有商業(yè)化運營成功案例，取得了良好的經(jīng)濟社會效益。近年來，我國在河北獻縣和雄縣開展了深部碳酸鹽巖熱儲強化增產(chǎn)改造實驗，在江蘇興化地區(qū)開展了碳酸鹽巖型干熱巖熱儲層的大規(guī)模酸化壓裂試驗，均取得了良好的改造效果，為后期規(guī)模化、商業(yè)化開發(fā)利用奠定了基礎。

系統(tǒng)總結國內外具有代表性的碳酸鹽巖EGS項目進展情況及主要成果，并分析存在的問題。

2.國外進展

國際上，碳酸鹽巖型EGS項目主要位于歐洲中部阿爾卑斯造山帶北麓的Molasse盆地內，該盆地是一個典型的不對稱前陸盆地，東西長約700km，南北寬約130km，自西向東依次跨越法國、瑞士、德國和奧地利等國（Wolfgrammeta1．，2015；Mrazeta1．，2018）。

Molasse盆地形成于始新世晚期，根據(jù)巖性、古地理和構造發(fā)育程度可將盆地內地層分為2個構造層，即由三疊一白堊紀海相碳酸鹽巖組成的基底構造層及基底之上的陸源碎屑沉積巖構造層。該盆地是歐洲水熱型地熱能潛力最高的地區(qū)之一，對盆地巖溶碳酸鹽巖型地熱資源調查評價始于20世紀70年代(Homutheta1．，2014)，20世紀90年代開始規(guī)?；虡I(yè)開發(fā)利用，主要利用白堊系Malm組上部含水層。從區(qū)域上看，Malm組巖性以灰?guī)r、白云巖為主，厚度>500m，埋深自北向南不斷增加，地層溫度不斷升高，巖溶裂隙及滲透性不斷降低。隨著歐洲對地熱資源需求的增加，埋藏更深、溫度更高的地熱資源逐漸成為勘探開發(fā)的熱點(Hofmanneta1．，2014)。然而，隨著埋深的增加，地層滲透率大幅降低，經(jīng)濟可用的流量減少，需對儲層進行酸化改造來提高產(chǎn)能，以滿足開發(fā)利用需求。

2.1奧地利阿爾特海姆(Altheim)項目

Altheim項目位于Molasse盆地西部，距德國邊境15km，面積22km2，人口約5000人。

地熱系統(tǒng)由2口地熱井組成。鉆孔Thermalla孔深約2300m，自噴流量64.8m3/h，酸化改造后自噴流量增至165.6m3/h，孔口溫度增至104℃，產(chǎn)熱能力達22MWth，成為當時歐洲中部非火山區(qū)產(chǎn)量最高的鉆孔(Pernecker，1999)。1994年完成第二口井，井深3100m，垂直深度2200m，生產(chǎn)率360m3/h，井口溫度93℃，現(xiàn)作為回灌井接收65℃的尾水(Lundeta1．，2007)。

該地熱系統(tǒng)主要用于區(qū)域供暖和發(fā)電。約一半地熱水直接用于供暖，供熱功率超過10MW，滿足當?shù)?0%居民的取暖需求；其余的地熱水用于2.5MWe的雙工質循環(huán)發(fā)電，最高輸出功率為1.027MWe，地熱發(fā)電后的尾水為學校、游泳池供熱。通過熱-電聯(lián)用進一步擴大應用規(guī)模，降低使用成本(Pemecker，1999)。

2.2德國安達赫治(Unterhaching)項目

Unterhaching熱電聯(lián)產(chǎn)場位于Molasse盆地中部，慕尼黑附近，是德國首個地熱發(fā)電項目。該地區(qū)是近年來德國地熱發(fā)電供暖應用發(fā)展最快的地區(qū)。

慕尼黑地區(qū)Malm組厚約600m，埋深2500~4000m，其上部適合開發(fā)利用的地層厚約350~400m。開采系統(tǒng)由1口生產(chǎn)井(GTla)和1口回灌井(GT2)組成。其中，GTla井垂直深度3350m，井底溫度123.5℃，產(chǎn)能測試未達預期，酸化壓裂后產(chǎn)能提高了37倍；GT2井位于GTla井以東約3.5km，垂直深度3590m，井底溫度133.7℃，經(jīng)15%鹽酸酸化處理后產(chǎn)量顯著提高。2個井組間熱水循環(huán)時生產(chǎn)率達540rri3/h，溫度為122℃(Wolfgrammeta1.,2007;OrtizRojasetal.,2017).

地熱水被平行分為2支：一支用于Kalina循環(huán)發(fā)電機組，提供3.35MW。電力；另一支用于區(qū)域供熱，提供約40MWth的熱電功率，滿足當?shù)?/3的家庭地熱供暖需求。項目運作中優(yōu)先考慮冬季供暖，富余產(chǎn)量用于地熱發(fā)電(Knapeketa1．，2007)。該項目全年完全經(jīng)濟地運行，是德國最大的提取深層地熱能熱量并發(fā)電的項目。

2.3德國毛爾施泰滕(Mauerstetten)項目

Mauerstetten項目位于Molasse盆地中部，該區(qū)Malm地層埋深3430—3630m，預測溫度為110~150℃，因可用于發(fā)電而受到重視(Tamaskovicseta1．，2014)。

項目施工了GT1井，傾角50°，井深4523m(垂深4085m)，在3763m鉆遇晚侏羅世Malm灰?guī)r，鉆遇厚度486m。測井資料顯示發(fā)育3條斷層。在垂深3675m處獲得的非穩(wěn)態(tài)溫度為130℃，估計流量<36m3/h。在GT1井內施工了1口分支井GTla，傾角57°，井深4458m（垂深3764m），鉆遇碳酸鹽巖地層，厚143m，在儲層內與GT1井相距513m(Tamaskovicseta1．，2014；Mrazeta1．，2018)，流量<10.8m3/h。由于鉆遇的碳酸鹽巖地層的孔隙率較低，而斷層活動等造成的裂隙被方解石充填，降低了地層的孔隙率和滲透性，從而顯著降低了儲層的質量。

Mauerstetten項目以工業(yè)應用為目的，但由于流速低，整體績效下降，目前僅作為一研究性項目繼續(xù)推進，開展地質構造、生物地層與地質力學實驗相結合的研究，旨在深化對儲層的認識，以制定提高產(chǎn)能的戰(zhàn)略(Jentscheta1．，2013；Moecketa1．，2013)。

2.4瑞士圣加侖(St．Gallen)項目

St.Gallen項目位于Molasse盆地西部，瑞士圣加侖市(St.Gallen)附近，與德國、奧地利接壤，是歐洲地熱資源開發(fā)的重點區(qū)域之一。

據(jù)三維地震勘探資料顯示，該地區(qū)Malm組灰?guī)r地層埋深約4000m，厚度約800m，推測溫度為150~170℃。受圣加倫斷層影響，推測可能存在構造裂隙含水層。在目標區(qū)施工了1口GT-1鉆井，垂深4252m（井深4450m），井底溫度150℃。其中，0—3809m（垂深，下同）為新生界沉積地層，巖性以碎屑沉積巖為主；3809~4207m為侏羅系Malm組地層，巖性以灰色一深灰色微晶灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、層狀灰?guī)r、海綠石泥灰?guī)r為主；4207—4252m為侏羅系Dogger組，巖性為淺灰色砂巖、灰色泥巖夾少量泥灰?guī)r(Naefeta1．，2014)。

通過小規(guī)模水力壓裂、酸洗等工藝，對儲層裂隙進一步清洗，獲得連續(xù)水流流量約21.6m3/h，峰值達43.2m3/h，但遠小于180m3/h的預期值(Brunnereta1．，2014)，最終因熱水產(chǎn)量不足、地震誘發(fā)風險增加以及出現(xiàn)異常氣流等原因而中止。

3.國內進展

我國碳酸鹽巖型熱儲層分布總面積約占陸地面積的1/3，平面上分布廣，垂向上厚度大，熱流值高，是我國水熱型地熱資源的主要分布區(qū)和開發(fā)利用的主場區(qū)（王貴玲等，2020；馬峰等，2022），在天津、河北等地均實現(xiàn)了水熱型地熱資源的規(guī)?；⑸虡I(yè)化利用，雄縣利用地熱集中供暖建成了國內首座“無煙城”。然而，水熱型地熱資源受構造環(huán)境控制明顯，分布不均且范圍有限，主要分布在導水斷裂帶附近和厚大碳酸鹽巖儲層頂部巖溶裂隙發(fā)育段，其開發(fā)利用潛力有限。如何利用工程技術手段，提高深部碳酸鹽巖熱儲的滲透性，建立增強型地熱系統(tǒng)，開發(fā)資源儲量更大、溫度更高的深層干熱巖地熱資源，是擴展地熱資源找礦第二空間、提高地熱資源整體利用價值的關鍵。

酸化壓裂是碳酸鹽巖型油氣層穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的重要技術，已經(jīng)開展了大量的研究與生產(chǎn)實踐（楊菁等，2022），取得了顯著的增產(chǎn)效果，是油氣開發(fā)領域一種常規(guī)的儲層改造手段，已逐漸被引入地熱資源開發(fā)領域（柯柏林等，2007）。20世紀初，酸化壓裂技術首次應用到天津地熱開發(fā)中，隨后在山東、北京、浙江、山西等地逐漸推廣并獲得成功（馬忠平等，2007；王連成等，2010；呂殿臣，2013；徐云鵬，2015；姬永紅，2017；楊淼等，2018；李文等，2019；劉慶等，2020；朱咸濤，2021）。

上述酸化增產(chǎn)改造試驗主要針對水熱型地熱井，通過治理地熱井近井帶儲層內泥漿污染以提高原有裂隙的連通性，增加導流能力。但酸化實驗規(guī)模較小，酸液縱向擴展深度淺，熱儲層溫度低，不屬于嚴格意義上的EGS，可為深部碳酸鹽巖熱儲層改造提供借鑒。近年來，天津、河北、江蘇等地先后施工多口深度達4000m左右的地熱井，探獲厚大、低滲透性碳酸鹽巖熱儲層，為我國碳酸鹽巖型EGS的建立提供了可能。在國家重點研發(fā)計劃及省級財政資金支持下，相關單位積極開展了理論研究和場地試驗，積累了寶貴的經(jīng)驗。

3.1國家重點研發(fā)計劃

國家重點研發(fā)計劃項目“雄安新區(qū)深層地熱資源探測評價技術示范”（2018-2021年）和“深部碳酸鹽巖熱儲層強化增產(chǎn)與利用綜合評價技術”（2019-2022年）以京津冀地區(qū)廣泛分布的深部碳酸鹽巖熱儲層為研究對象，聚焦熱儲形成與演化規(guī)律，綜合探測方法、經(jīng)濟高效鉆完井工藝以及熱儲增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)關鍵技術，開展聯(lián)合攻關，為深層碳酸鹽巖熱儲層的規(guī)模化開發(fā)提供理論支撐和技術保障。

3.2河北獻縣

為探索適合河北獻縣深部巖溶熱儲勘查開發(fā)的關鍵技術，促進地熱清潔供暖產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在獻縣隆起區(qū)施工了GRY1井，孔深4025.82m，井口水溫103℃，鉆遇地層為0—1326.60m新生界沉積地層、1326.60～3023.07m薊縣系霧迷山組、3023.07~3767.46m薊縣系楊莊組、3767.46~4025.82m薊縣系高于莊組，其中薊縣系為一套以白云巖為主的地層。2017年，在小型壓裂試驗、物性測試分析、壓裂數(shù)值模擬的基礎上，針對3700~4000m白云巖段開展主壓裂試驗，共注入壓裂液283m3，模擬計算裂縫長度64.3m、高度131.3m。壓裂前后單位涌水量由0.835911(s·m)升至1.7108U(s·m)，壓裂改造效果較為明顯（秦祥熙，2021）。

利用井場相鄰的1口地熱井開展了地熱發(fā)電與供暖兩級梯級利用實驗，發(fā)電裝機容量為280kW/h，發(fā)電后的尾水為附近居民供暖（秦祥熙等，2019；秦祥熙，2021）。該項目處于試驗性運行階段，旨在獲取系統(tǒng)運行參數(shù)，為規(guī)?；_發(fā)提供依據(jù)。

3.3河北雄安

雄安新區(qū)是我國中東部地熱資源條件最好的地區(qū)之一，目前開發(fā)利用的層位為霧迷山組白云巖頂部約200m的強巖溶發(fā)育帶。多個地熱井揭露熱儲厚度>2000m，其中榮成地熱田D22井深3517m，揭露碳酸鹽巖地層厚度達2537m，為雄安新區(qū)揭露碳酸鹽巖地層最厚的地熱井。馬峰等(2022)針對D22井3024～3174m低滲透性碳酸鹽巖熱儲層開展了水力噴射酸化壓裂改造試驗，結果顯示，涌水量由改造前的4.72m3/h增至改造后的44.10m3/h，提高了8.3倍；儲層滲透系數(shù)由4.4×10-3m/d升至146.3×l0-3m/d。試驗證明可通過熱儲改造提高深部巨厚碳酸鹽巖熱儲的開發(fā)潛能。

此外，2021年江蘇興化成功探獲干熱巖資源，目前正在開展開發(fā)利用井組建設和壓裂改造試驗，攻關人工造儲、井組連通等方面的關鍵技術。

4.存在的問題

經(jīng)過近50年的發(fā)展，增強型地熱系統(tǒng)技術取得了長足的進步，美國、日本、法國、德國、澳大利亞和中國等先后完成了試驗性發(fā)電，個別項目實現(xiàn)了商業(yè)化運營。但目前仍處于起步階段，尚面臨下列諸多問題。

4.1人工儲層建造難度大

人工儲層建造是EGS成功的關鍵。相對于傳統(tǒng)油氣行業(yè)，EGS儲層的建造需在儲層內建構一定規(guī)模的具有復雜裂隙網(wǎng)絡系統(tǒng)的人工熱儲，既要保證一定的連通性，產(chǎn)生滿足工業(yè)生產(chǎn)需求的循環(huán)流量，又要避免因裂隙短路而造成過早熱突破。歐洲碳酸鹽巖EGS是在充分利用儲層內已有斷裂及巖溶裂隙基礎上建立的，儲層建造難度相對較低，初步實現(xiàn)了商業(yè)化應用，但該技術難以推廣應用于天然裂隙不發(fā)育的厚大熱儲層中。我國在河北、江蘇等地低滲透性碳酸鹽巖中開展儲層改造試驗，獲得了預期效果，但仍待實際應用驗證。

4.2儲層改造監(jiān)測評價技術不成熟

微地震監(jiān)測技術被認為是評價儲層建造效果最有效的方法，原理是利用儲層破裂時產(chǎn)生的微震來評估刺激改造位置及體積。由于壓裂引起的微震震級小、能量弱，信號識別與定位難度大，評價儲層滲透性和改造范圍的可靠性有待進一步提高。實踐發(fā)現(xiàn)，微震活動不能準確反映滲透性改變情況，微震云的范圍也遠超有效改造范圍(Riffaultetal.,2018).

4.3資本投入高、風險大

EGS的建立需要至少2—3口鉆井，以建立循環(huán)換熱過程實現(xiàn)熱電轉換。該類鉆井面臨鉆探深度大、高溫、高壓以及巖石硬度大等嚴苛環(huán)境，成井后還需滿足后期壓裂改造和開發(fā)利用需求，鉆井成本高。建造一定規(guī)模的人工熱儲層也是開發(fā)利用的必需環(huán)節(jié)，儲層建造的工藝復雜、不確定性強且耗費巨大，導致EGS總投資高，而深部地質條件的復雜性增加了投資的風險，制約了勘查資金尤其是勘查初期資本的投入。

4.4存在一定的誘發(fā)地震風險

EGS儲層刺激改造作業(yè)引起的微地震事件深度大且能量較小，一般為無感事件，不會對地表環(huán)境造成影響(Moskaeta1．，2021)。事實上，適度的微地震活動有利于地熱儲層的建造，并且有助于對儲層改造效果的準確評價。但由于地質條件的復雜性和不確定性，短時間內大量高壓流體的注入會對原位應力場產(chǎn)生一定的擾動，引起物理環(huán)境的變化，存在誘發(fā)地震的風險(Kimeta1．，2018)。雖然通過加強深部地質條件監(jiān)測評價，制定誘發(fā)地震“紅綠燈系統(tǒng)”可以降低誘發(fā)地震風險(Schultzeta1．，2020)，但仍不能完全避免類似事件的發(fā)生。

5.結論及展望

(1)地熱能是一種安全穩(wěn)定、綠色高效的可再生能源，是低碳化能源結構的重要組成部分，其中深層干熱巖地熱能最具開發(fā)潛力。增強型地熱系統(tǒng)是開發(fā)利用深層干熱巖地熱能的有效技術手段。相對于花崗巖類硬質巖石，碳酸鹽巖熱儲層具有質脆、化學性質活潑、天然裂隙發(fā)育等優(yōu)勢，更易于建立增強型地熱系統(tǒng)，應是今后重點發(fā)展的方向。

(2)利用增強型地熱系統(tǒng)開發(fā)碳酸鹽巖熱儲地熱資源，對我國生態(tài)文明建設、能源安全的維護以及“雙碳”戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)具有重大意義。我國碳酸鹽巖型地熱資源豐富、分布廣泛，不僅是水熱型地熱資源開發(fā)利用的主場地，也是EGS應用的潛力區(qū)。近年來，我國碳酸鹽巖型深部干熱巖地熱能勘查開發(fā)取得了重大進展，在資源調查評價、儲層改造和發(fā)電試驗等方面積累了大量經(jīng)驗，國家及省級開發(fā)利用示范工程建設穩(wěn)步推進。今后應進一步加強基礎理論研究、關鍵技術攻關和示范工程建設，為規(guī)模化推廣EGS奠定基礎。

(3)碳酸鹽巖型增強型地熱系統(tǒng)在全世界范圍內尚處于發(fā)展的初期階段，依然面臨人工建立復雜裂縫網(wǎng)絡系統(tǒng)難、儲層精細刻畫難度大、深部地熱條件不確定性強、存在誘發(fā)地震風險等制約因素，仍需共同努力探索。

摘自《地質學刊》2023年第2期