首先，通過(guò)注入井將高壓水注入地下2000～6000m的巖層，使其滲入人工壓裂造出的巖層裂縫并吸收地?zé)崮芰?；然后，通過(guò)采熱井將巖石裂隙中的高溫水、汽提取到地面；取出的高溫水、汽通過(guò)熱交換及地面循環(huán)裝置用于發(fā)電，冷卻后的水再次通過(guò)高壓泵注入地下熱交換系統(tǒng)循環(huán)使用。EGS發(fā)電不僅可以大幅降低溫室效應(yīng)和酸雨對(duì)環(huán)境的影響，且不受季節(jié)、氣候制約，發(fā)電成本低，技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。

圖1 EGS開發(fā)利用模式圖（王文等，2020）

工程實(shí)踐表明，EGS開發(fā)過(guò)程中采用水作為載熱工質(zhì)會(huì)存在諸多負(fù)面問(wèn)題，具體表現(xiàn)在：注入地下的水漏失率通常為10％～70％，因而循環(huán)注入過(guò)程中消耗大量水資源；當(dāng)熱源溫度高于水的臨界溫度時(shí)，由于水巖熱化學(xué)作用會(huì)產(chǎn)生礦物溶解與沉淀，易造成注入井與生產(chǎn)井之間產(chǎn)生短路或形成堵塞，進(jìn)而影響載熱工質(zhì)的吸熱過(guò)程。鑒于此，多位學(xué)者開展了采用超臨界CO2（Ts＞31.10℃，Ps＞7.38 MPa）作為載熱工質(zhì)的理論研究與工程試驗(yàn)，主要原因在于：①超臨界CO2具有粘度小、密度大的特殊物理特性，使其在熱儲(chǔ)層中具有流動(dòng)性好、傳熱效率高、可壓縮小等典型優(yōu)勢(shì)，適用于EGS開發(fā)過(guò)程中的熱力循環(huán)；②超臨界CO2向周圍巖石孔隙中的緩慢滲漏，會(huì)引起礦物質(zhì)的溶解沉淀及地層水蒸發(fā)鹽析，降低圍巖孔隙度與滲透率，減緩超臨界CO2的滲漏速率；③通過(guò)滲漏流向圍巖中的超臨界CO2能夠迅速地與殘余水反應(yīng)并以碳酸鹽的形式沉淀下來(lái)，從而形成永久性的CO2地質(zhì)封存；④超臨界CO2循環(huán)無(wú)相變，發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性更好。

在此背景下，本文介紹了國(guó)內(nèi)外“CO2地質(zhì)封存與增強(qiáng)型地?zé)岚l(fā)電一體化”（CO2-EGS）理論與技術(shù)研究進(jìn)展，并展望了此技術(shù)在山西省的研究及應(yīng)用前景。

2 CO2-EGS理論與技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 CO2-EGS相關(guān)理論

若以超臨界CO2代替水作為工質(zhì)流體，則可將CO2地質(zhì)封存與EGS開發(fā)相結(jié)合，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO2減排的社會(huì)效益和CO2高效資源化利用的經(jīng)濟(jì)效益（謝和平等，2014）。美國(guó)學(xué)者Brown（2000）首次提出了以CO2替代水作為循環(huán)取熱工質(zhì)的CO2-EGS模式（圖2）。隨后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量CO2-EGS的理論研究與實(shí)驗(yàn)探索，認(rèn)為CO2的壓縮膨脹特征、低粘度、高滲流能力、低流體損失和非極性特征使其采熱效率、單位能耗、儲(chǔ)層損傷等都優(yōu)于以水為介質(zhì)的EGS開發(fā)（Pruess，2006；Yanagisawa et al.，2008；Zhang et al.，2013；Wang et al.，2018）。

圖2 以超臨界CO2為循環(huán)取熱工質(zhì)的CO2-EGS模式

EGS開發(fā)井深度大、施工成本高，熱儲(chǔ)層壓裂技術(shù)復(fù)雜，循環(huán)采熱試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，因此熱儲(chǔ)層數(shù)值模擬仍是目前CO2-EGS理論與技術(shù)研究的主要手段。該方法不僅方便可實(shí)施、成本低，并且可以模擬CO2滲流場(chǎng)、儲(chǔ)層溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)以及化學(xué)變化等。Luo等（2014）采用數(shù)值模擬方法研究了雙井CO2-EGS過(guò)程，分析了CO2注入速率、注入井和生產(chǎn)井的射孔位置、工質(zhì)流體、井筒與儲(chǔ)層之間的導(dǎo)熱系數(shù)等因素對(duì)系統(tǒng)采熱的影響。王昌龍等（2017）為了分析流體損失對(duì)EGS運(yùn)行的影響，建立了三維TH耦合模型，模擬結(jié)果經(jīng)過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，后基于該數(shù)值模型對(duì)比分析了CO2-EGS和H2O-EGS系統(tǒng)熱開采過(guò)程。Shi等（2018）和Guo等（2019）通過(guò)建立三維CO2-EGS熱流耦合數(shù)學(xué)模型，證實(shí)了CO2是地?zé)豳Y源開發(fā)的優(yōu)良工質(zhì)流體，在生產(chǎn)流量相同的條件下，CO2的熱提取速度更快。Wang等（2019）借助含有離散裂縫網(wǎng)絡(luò)的CO2-EGS熱流固耦合數(shù)值模型，認(rèn)為高注入壓力，有利于提高發(fā)電效率，同時(shí)可提高CO2封存效率。

2.2 CO2-EGS工程技術(shù)

1）高溫鉆完井技術(shù)

為了適應(yīng)EGS開發(fā)井高溫的工況，需對(duì)鉆身結(jié)構(gòu)、鉆井裝備、鉆井工藝等進(jìn)行改進(jìn)，以提高鉆探效率和鉆井質(zhì)量。EGS鉆井施工主要技術(shù)難點(diǎn)為：如何降低高溫、高壓環(huán)境對(duì)鉆井施工的影響，尤其是保持高溫環(huán)境下鉆井液性能的相對(duì)穩(wěn)定；鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常遇到破碎、裂隙發(fā)育等復(fù)雜地層，如何提高封堵材料的抗高溫及封堵承壓性能。未來(lái)，開發(fā)“高溫鉆頭+高溫隨鉆測(cè)量系統(tǒng)+高溫井下動(dòng)力鉆具”來(lái)提高鉆井效率成為必然趨勢(shì)（王志剛等，2019）。

高溫固井需根據(jù)地層特性，配合固井技術(shù)和工具才能實(shí)現(xiàn)高效、安全施工。由于影響高溫固井技術(shù)的因素較多，為保證地?zé)峋叹|(zhì)量，需將影響因素排除和解決，如井底溫度高、穩(wěn)定裂縫溶洞氣壓封固難度大、延遲混合水問(wèn)題、酸性及高礦化度水質(zhì)環(huán)境影響水泥石性能、泥漿比重高、粘度大影響頂替效率等。除此之外，還需通過(guò)優(yōu)選水泥漿體系、選取合理前置液和引導(dǎo)樁等措施來(lái)提高固井質(zhì)量（張杰等，2021）。水泥漿水化硬化后必須形成具有抗高溫強(qiáng)度衰退、低滲透率和較強(qiáng)承載能力的水泥石，以保證水泥環(huán)在高溫高壓井下的完整性和長(zhǎng)期有效性（王磊，2019）。

2）熱儲(chǔ)層改造技術(shù)

采用人工壓裂方式將低孔隙度、低滲透率的干熱巖改造為滲透性能較好的人工熱儲(chǔ)，是建造EGS的前提。合理的壓裂液選擇、適配性的壓裂工藝是影響壓裂效果的關(guān)鍵。目前，對(duì)于干熱巖熱儲(chǔ)層的改造多采用水力壓裂手段，但由于水是極性溶劑，會(huì)存在嚴(yán)重的礦物溶解和沉淀問(wèn)題（劉松澤等，2020）。超臨界CO2自身具有氣體的低黏度、高擴(kuò)散性，也有液體高密度的特點(diǎn)，其破裂壓力比水力壓裂和液態(tài)CO2壓裂低，并且造縫能力更強(qiáng)，形成的縫網(wǎng)更復(fù)雜，因此在干熱巖熱儲(chǔ)層改造中表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)（圖3）。超臨界CO2壓裂人工裂縫起裂壓力比液態(tài)CO2和清水壓裂低，并且由于超臨界CO2具有低黏度和高擴(kuò)散性，因此更有利于流動(dòng)過(guò)程中充分取熱（李小剛等，2022）。

圖3 超臨界CO2與水作為壓裂液巖石中裂縫延伸特征對(duì)比（溫航等，2020）

2.3 CO2-EGS先導(dǎo)性工程試驗(yàn)

2011年，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組首次嘗試?yán)肊GS加熱CO2并進(jìn)行發(fā)電（圖4）。2013年，美國(guó)在密西西州的工業(yè)性示范成功實(shí)現(xiàn)了年封存CO2百萬(wàn)噸，CO2循環(huán)量達(dá)到6kg/s，采用透平發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率達(dá)到100kW。

圖4 美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室CO2-EGS發(fā)電原理圖

2021年，由中國(guó)華能集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的世界參數(shù)最高、容量最大的超臨界CO2循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)機(jī)組在華能西安熱工院順利完成72小時(shí)試運(yùn)行（圖5）。該機(jī)組發(fā)電功率為5兆瓦，其成功投運(yùn)驗(yàn)證了超臨界CO2循環(huán)發(fā)電技術(shù)工業(yè)運(yùn)行的可行性，有望徹底改變傳統(tǒng)熱力發(fā)電技術(shù)140多年來(lái)以水蒸汽為主流工質(zhì)的發(fā)電方式，標(biāo)志著我國(guó)在超臨界CO2循環(huán)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域已處于世界領(lǐng)先水平，也為我國(guó)CO2-EGS先導(dǎo)性示范工程開展奠定了基礎(chǔ)。

圖5 西安熱工院超臨界CO2循環(huán)發(fā)電機(jī)組

3 山西省CO2- EGS技術(shù)攻關(guān)與應(yīng)用示范構(gòu)想

3.1 CO2-EGS技術(shù)攻關(guān)背景

山西作為傳統(tǒng)能源大省，碳排放總量大、碳排放強(qiáng)度和人均碳排放高，實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)意義重大、任務(wù)艱巨。干熱巖等綠色低碳能源的開發(fā)利用與CO2地質(zhì)封存減排對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和對(duì)于加快生態(tài)文明建設(shè)、促進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要。中央、山西省相繼出臺(tái)了《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知（國(guó)發(fā)〔2021〕23號(hào)）》《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030年）（發(fā)改能源〔2016〕513號(hào)）》《關(guān)于在山西開展能源革命綜合改革試點(diǎn)的意見》等一系列政策文件，有利的支持了以山西省“能源革命”為核心的新能源與碳減排技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)示范。

開展CO2-EGS技術(shù)攻關(guān)，不僅可以高效開發(fā)中深層地?zé)豳Y源，促進(jìn)山西省煤源型能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，推動(dòng)能源革命；而且可以遏制和扭轉(zhuǎn)迅速增長(zhǎng)的溫室氣體排放，助力完成國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)；同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)碳減排與地?zé)岣咝f(xié)同開發(fā)，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)“山西智慧”。

3.2 地?zé)豳Y源潛力及開發(fā)現(xiàn)狀

山西省地?zé)豳Y源豐富，地?zé)崽锓植紡V泛（圖6），且相對(duì)集中在太原、臨汾、曲沃、運(yùn)城等市縣。根據(jù)地?zé)豳Y源分布特征，山西省地?zé)豳Y源可分為新生代沉積盆地、隆起山地兩種類型。新生代沉積斷陷盆地位于山西中部，呈多字型雁行排列，自北而南依次發(fā)育大同盆地、忻州盆地、太原盆地、臨汾盆地、運(yùn)城盆地，多屬于高熱流異常區(qū)，其中太原、臨汾和運(yùn)城三大盆地是省內(nèi)地?zé)豳Y源條件最好的地?zé)岙惓^(qū)（劉芮，2020）。目前，山西省現(xiàn)有地?zé)峋壮?00個(gè)，主要集中在運(yùn)城、臨汾、太原、忻州和陽(yáng)高盆地區(qū)，太行、呂梁山西側(cè)、中條山南側(cè)一帶有零星分布（宮利梅等，2018）。

圖6 山西省主要地?zé)崽锓植迹n穎等，2018）

目前，省內(nèi)已實(shí)施的中深層地?zé)峥辈殚_發(fā)項(xiàng)目包括：太原理工大學(xué)虎峪校區(qū)的深層裂縫型熱儲(chǔ)地?zé)徙@探項(xiàng)目，鉆井深度達(dá)4000m，是山西省實(shí)施的地?zé)崮荛_發(fā)研究示范項(xiàng)目；山西雙良集團(tuán)“地?zé)崮?”技術(shù)項(xiàng)目，在山西綜改示范區(qū)供暖超700×104m2；太原國(guó)投大廈采用中深層地?zé)崮軣o(wú)干擾技術(shù)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了全樓宇的綠色供暖；位于天鎮(zhèn)縣的高溫地?zé)豳Y源勘查項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)了目前我國(guó)中東部地區(qū)溫度最高、自流量最大的地?zé)峋?；?yáng)高地?zé)釡厝獏^(qū)104℃溫泉井和晉能控股集團(tuán)地?zé)崾痉俄?xiàng)目等也已初見成效。

3.3 相關(guān)理論與技術(shù)攻關(guān)方向

立足于山西省地?zé)豳Y源稟賦與地?zé)豳Y源勘查開發(fā)現(xiàn)狀，省內(nèi)CO2-EGS相關(guān)理論與技術(shù)研究應(yīng)聚焦中深層地?zé)豳x存規(guī)律及超臨界CO2-EGS發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)選有利區(qū)并實(shí)施先導(dǎo)性應(yīng)用示范工程，探索地質(zhì)適配性超臨界CO2-EGS發(fā)電模式與技術(shù)。具體到室內(nèi)研究與先導(dǎo)性示范工程實(shí)施中，CO2-EGS相關(guān)理論與技術(shù)攻關(guān)方向主要包括：

1）CO2高效地質(zhì)封存機(jī)理

通過(guò)開展模擬CO2注入地層與干熱巖超臨界CO2封存實(shí)驗(yàn)，研究地溫梯度、滲透率、埋深、儲(chǔ)層壓力、地應(yīng)力等地質(zhì)條件對(duì)CO2注入、運(yùn)移過(guò)程的影響，揭示CO2注入與EGS開發(fā)協(xié)同過(guò)程的主控地質(zhì)因素；利用CT等技術(shù)重構(gòu)干熱巖儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)與孔隙網(wǎng)絡(luò)，分析CO2注入后干熱巖內(nèi)潛在的運(yùn)移路徑，研究CO2注入不同巖性干熱巖的裂縫擴(kuò)展規(guī)律與體積應(yīng)變效應(yīng)，探討超臨界CO2與干熱巖儲(chǔ)層間物理化學(xué)作用及其對(duì)儲(chǔ)層滲透能力和封存能力的改造機(jī)制。

2）CO2高效循環(huán)取熱機(jī)理

開展模擬深部?jī)?chǔ)層條件下超臨界CO2熱交換實(shí)驗(yàn)，研究不同巖性干熱巖、不同低溫梯度和不同儲(chǔ)層壓力等條件下超臨界CO2載熱效率，以及在超臨界CO2加熱后運(yùn)移過(guò)程中的熱量損失研究，評(píng)價(jià)超臨界CO2增強(qiáng)地?zé)衢_發(fā)的效率，構(gòu)建CO2注入增強(qiáng)地?zé)衢_發(fā)的CO2注入-熱交換-運(yùn)移地質(zhì)模型。

3）CO2-EGS高效注采工藝

基于所構(gòu)建的CO2-EGS有利區(qū)綜合勘查評(píng)價(jià)與CO2-EGS工程選址方法，優(yōu)化注采井井位部署，采用熱儲(chǔ)層數(shù)值模擬與工程試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究CO2注入與EGS開采過(guò)程中超臨界CO2流體與圍巖的熱交換效率，計(jì)算不同循環(huán)壓力、循環(huán)溫度、循環(huán)速率下超臨界CO2熱提取率，查明CO2循環(huán)注入?yún)?shù)對(duì)CO2地質(zhì)封存及EGS地?zé)岚l(fā)電效益的影響，進(jìn)而優(yōu)化施工過(guò)程中的CO2循環(huán)注入?yún)?shù)。

3.4 亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

（1）山西省CO2地質(zhì)封存與EGS發(fā)電一體化的潛力評(píng)價(jià)與工程選址技術(shù)，包括：臨汾盆地等為代表的高地?zé)岙惓^(qū)地?zé)峄A(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、采樣與地?zé)釡貥?biāo)測(cè)試化驗(yàn)、地?zé)岙惓^(qū)地質(zhì)特征與地?zé)豳Y源賦存規(guī)律研究、超臨界CO2-EGS發(fā)電選址方法研究。

（2）超臨界CO2-EGS前景區(qū)地質(zhì)-地球物理綜合勘查評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)，包括：中深層地?zé)衢_發(fā)前景區(qū)野外地質(zhì)調(diào)查、采樣測(cè)試與地?zé)岬刭|(zhì)綜合評(píng)價(jià)、地?zé)岬厍蛭锢碓u(píng)價(jià)方法與關(guān)鍵技術(shù)研究、目標(biāo)區(qū)地質(zhì)-地球物理綜合勘查工程試驗(yàn)與靶區(qū)、熱儲(chǔ)層優(yōu)選。

（3）超臨界CO2-EGS注采井成井、熱儲(chǔ)層高效改造關(guān)鍵技術(shù)與注CO2-封存-采熱工藝，包括：中深層地?zé)峋咝С删に囇芯?、熱?chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)與同步水力壓裂高效改造關(guān)鍵技術(shù)研究、注CO2-封存-采熱工藝。

（4）超臨界CO2-EGS關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)，包括：多場(chǎng)耦合下EGS儲(chǔ)層超臨界CO2熱交換工程模擬研究、超臨界CO2高效取熱關(guān)鍵技術(shù)與地質(zhì)適配性工藝研究、超臨界CO2循環(huán)發(fā)電技術(shù)與裝備研發(fā)。

（5）超臨界CO2-EGS先導(dǎo)性示范工程與關(guān)鍵技術(shù)集成，包括：高溫鉆完井與地球物理探測(cè)監(jiān)測(cè)、注采井同步水力壓裂熱儲(chǔ)層改造、超臨界CO2-EGS泵注與發(fā)電設(shè)備研制加工、關(guān)鍵技術(shù)集成與工程效果評(píng)價(jià)。

4 山西省CO2-EGS產(chǎn)業(yè)化前景展望

山西省中深層地?zé)豳Y源豐富，省內(nèi)適宜開展CO2地質(zhì)封存的地層分布廣泛。加快CO2-EGS產(chǎn)業(yè)發(fā)展，不僅符合國(guó)家和山西省的能源與環(huán)保政策，而且可以帶來(lái)良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益，因此CO2-EGS產(chǎn)業(yè)技術(shù)的在山西省的推廣應(yīng)用及發(fā)展具有廣闊的前景。

從政策支持層面來(lái)看，山西省已經(jīng)制定了關(guān)于干熱巖型地?zé)豳Y源開發(fā)的相關(guān)規(guī)劃和政策，這些規(guī)劃和政策必將有助于培養(yǎng)和造就一批地?zé)岬刭|(zhì)、地?zé)衢_發(fā)領(lǐng)域的專家隊(duì)伍以及促進(jìn)相關(guān)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)的設(shè)立，如能最終與教學(xué)、科研機(jī)構(gòu)相結(jié)合，打造完善的人才培養(yǎng)模式，必將加速山西省CO2-EGS產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，山西省火電裝機(jī)容量超1億kW，每年會(huì)產(chǎn)生大量CO2，CO2-EGS產(chǎn)業(yè)發(fā)展則可實(shí)現(xiàn)CO2的永久地質(zhì)封存，同時(shí)燃煤電廠捕集、提純并壓縮液化后的CO2還可作為產(chǎn)品面向地?zé)衢_發(fā)單位銷售，銷售價(jià)格可達(dá)到200～300元/t。以年捕集100萬(wàn)噸CO2的燃煤電廠為例，若碳匯價(jià)格按50元/噸計(jì)算，銷售CO2價(jià)格按250元/t計(jì)算，則其年碳匯成本可節(jié)省0.5億元，年CO2銷售收益可達(dá)2.5億元。此外，燃煤電廠捕集、提純、封存或利用CO2，符合國(guó)家推行的“碳達(dá)峰、碳中和”的發(fā)展戰(zhàn)略，預(yù)期環(huán)境與社會(huì)效益顯著。

供稿人：田忠斌 山西省煤炭地質(zhì)物探測(cè)繪院有限公司?董事長(zhǎng)/正高