為使干熱巖工程開發(fā)場地選址評(píng)價(jià)有據(jù)可依,依據(jù)系統(tǒng)性、科學(xué)性、延續(xù)性、可比性、可操作性以及可量化性原則,建立場地選址評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。共包含4個(gè)指標(biāo)層20個(gè)指標(biāo) 。

安全性指標(biāo)

地質(zhì)安全性指標(biāo)層主要包括地震基本烈度、地震動(dòng)峰值加速度和與居民點(diǎn)的距離3個(gè)指標(biāo)。

1地震基本烈度

該指標(biāo)表示地震對(duì)地表及工程建筑物影響的強(qiáng)弱程度(或視為地震影響和破壞的程度)。地震活動(dòng)會(huì)影響區(qū)域穩(wěn)定性,對(duì)工程建筑物等有一定影響,總體來說地震基本烈度越小的區(qū)域越適宜干熱巖的勘查開發(fā)。將地震基本度評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為3級(jí):<6度,好;6度~8度,中;>8度,差。

干熱巖勘查開發(fā)場地選址評(píng)價(jià)指標(biāo)體系注:g為重力加速度。

2地震動(dòng)峰值加速度

根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》 (GB18306—2015)對(duì)地震動(dòng)峰值加速度復(fù)核,指標(biāo)分為3級(jí):<0.05 g,好;0.05~0.2 g,中;>0.2 g,差。

3與居民點(diǎn)的距離

干熱巖開發(fā)場地選址尚無與居民點(diǎn)距離相關(guān)的限制性規(guī)范。由于國內(nèi)外干熱巖開發(fā)尚未形成商業(yè)化場地,干熱巖開發(fā)的潛在風(fēng)險(xiǎn)國內(nèi)外研究案例極少,諸多未知風(fēng)險(xiǎn)仍然存在。本文采取“就高不就低”和“以人為本”的原則,綜合參考《危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)(GB 18598—2001)》選址規(guī)定的“距離居民點(diǎn)不應(yīng)小于800 m”和《核電廠環(huán)境輻射防護(hù)規(guī)定(GB 6249—2011》規(guī)定的“非居住區(qū)限制范圍應(yīng)為2.5 km”2個(gè)標(biāo)準(zhǔn),制定該指標(biāo)并將指標(biāo)分為3級(jí):>2.5 km,好;0.8~2.5 km,中;<0.8 km,差。

資源性指標(biāo)

資源性指標(biāo)層主要包括干熱巖體埋深、干熱巖體壓裂段溫度、地溫梯度、熱儲(chǔ)巖性、分布面積、可開采資源量和可發(fā)電量7個(gè)指標(biāo)。

1干熱巖體埋深

為方便量化,干熱巖體埋深以150℃等溫線埋深為依據(jù),主要影響鉆探成本。美國圣地亞哥國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的Wellcost Lite模型在評(píng)估EGS井的成本時(shí),將深度范圍在1.5~10 km的井分為3類:淺井(1.5~3 km)、中等深度井(4~5 km)和深井(6~10 km) 。目前,干熱巖以中淺深度為宜。因此,將干熱巖體埋深指標(biāo)劃分為3級(jí):<3 km,好;3~4 km,中;>4 km,差。

2干熱巖體壓裂段溫度

壓裂段溫度決定了干熱巖開發(fā)利用方式和成本。MIT在其關(guān)于EGS的權(quán)威展望報(bào)告中提出:EGS的經(jīng)濟(jì)成儲(chǔ)溫度定為150℃,最佳開采溫度為200℃左右,這也成為目前國際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。盡管隨著干熱巖開發(fā)技術(shù),尤其是壓裂技術(shù)的進(jìn)步和成本的下降,廣義的干熱巖可能將不受限于溫度,本次仍以現(xiàn)狀經(jīng)濟(jì)效益考量,將目標(biāo)干熱巖體壓裂段溫度指標(biāo)分為3級(jí):>200℃,好;150~200℃,中;<150℃,差。

3地溫梯度

地溫梯度是劃分干熱巖資源品級(jí)的重要指標(biāo)?！?a href="http://www.zbqkq.com/t/地球科學(xué).html" >地球科學(xué)大辭典》給出的干熱巖地溫梯度區(qū)間值,將干熱巖資源的品級(jí)劃分為高級(jí)80℃/km、中級(jí)50℃/km和低級(jí)30℃/km。美國采用“易于開發(fā)的高地溫梯度區(qū)”地溫梯度大于45℃/km。綜合上述標(biāo)準(zhǔn),將該指標(biāo)分為3級(jí):>80℃/km,好;45~80℃/km,中;<45℃/km,差。

4熱儲(chǔ)巖性

熱儲(chǔ)巖性對(duì)人工壓裂具有重要影響,干熱巖的熱能賦存于各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖類巖體內(nèi),較常見的有花崗巖、花崗閃長巖和黑云母片麻巖等,主要是各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖類巖體。芬頓山EGS項(xiàng)目干熱巖地?zé)嵯到y(tǒng)建于前寒武紀(jì)巖體中,巖性為均質(zhì)黑云母花崗閃長巖;日本Ogachi EGS項(xiàng)目區(qū),上部200 m為古近紀(jì)—新近紀(jì)凝灰?guī)r,下部為花崗巖和花崗閃長巖;英國Rosemanowes EGS項(xiàng)目區(qū)為早二疊世花崗巖巖基;法國Soultz EGS項(xiàng)目上部為古近紀(jì)—新近紀(jì)沉積砂巖,下部為古生代花崗巖;澳大利亞Cooper盆地上覆地層厚度為3 668 m,上部為中元古代變質(zhì)沉積巖,下部為年代較新的花崗巖;青海共和恰卜恰地區(qū)為印支晚期花崗巖。盡管干熱巖也可以賦存于沉積巖或?qū)訝钭冑|(zhì)巖地層中,但考慮到壓裂造縫對(duì)均質(zhì)性的要求,目前多認(rèn)為不適宜進(jìn)行EGS人工儲(chǔ)層建造。因此,干熱巖熱儲(chǔ)巖性評(píng)價(jià)指標(biāo)3級(jí)劃分方案為:均質(zhì)各向同性良好的中酸性花崗巖類,好;均質(zhì)各向同性較好的花崗巖和變質(zhì)巖類,中;均質(zhì)各向同性一般的花崗巖和變質(zhì)巖類,差。

5分布面積

干熱巖分布面積是評(píng)價(jià)干熱巖場地是否適合工程開發(fā)的直觀指標(biāo)之一。一般來說,裝機(jī)容量200 MWe左右時(shí),其所需的干熱巖體平面面積為150~200 km能源部分時(shí)設(shè)定巖體的平均溫度只下降10℃,則從溫度為200℃、體積為1 km3的立方巖體中可開采的熱能為2.5×1013k J,而其四周則含有4×1014k J的熱能。干熱巖可開采量不應(yīng)低于該巖體本身可開采的資源量,以能夠采出大于周邊巖體的資源量為最佳。實(shí)際計(jì)算中,應(yīng)盡可能通過數(shù)值模擬的方法計(jì)算。該指標(biāo)分為3級(jí):>40×1013k J,好;2.5×1013~40×1013k J,中;<2.5×1013k J,差。

7可發(fā)電量

利用干熱巖發(fā)電是干熱巖開發(fā)利用的主要目標(biāo)。從現(xiàn)有EGS工程發(fā)電潛力或裝機(jī)容量看, 1984年美國芬頓山建成了世界上第一座高溫巖體地?zé)岚l(fā)電站,裝機(jī)容量為10 MWe;法國Soltz在首次示范生產(chǎn)(發(fā)電量1.5 MWe)基礎(chǔ)上開展發(fā)電量為20~30 MWe的規(guī)?；娏ιa(chǎn);2013年澳大利亞在Cooper盆地Hobanero場地新建的EGS示范性工程裝機(jī)容量為1 MWe,具備擴(kuò)展到25 MWe的發(fā)電潛力;2010年,韓國啟動(dòng)的EGS開發(fā)計(jì)劃,計(jì)劃在2015—2018年間建成一個(gè)1 MWe級(jí)的干熱巖發(fā)電站,到2020年擴(kuò)展到20 MWe。而考慮到我國尚無干熱巖發(fā)電工程,建立一座1 MWe級(jí)裝機(jī)容量的干熱巖示范電站應(yīng)是近期的主要目標(biāo),發(fā)電潛力應(yīng)不低于10 MWe。因此,將可發(fā)電量指標(biāo)劃分為3級(jí):>50 MWe,好;10~50 MWe,中;<10 MWe,差。

技術(shù)性指標(biāo)

技術(shù)性指標(biāo)層主要包括鉆井深度、地應(yīng)力狀況、儲(chǔ)層壓裂門限值、天然裂隙發(fā)育情況、可壓裂體積和場地資源使用壽命6個(gè)指標(biāo)。

1鉆井深度

鉆井深度以干熱巖最佳開采溫度200℃等溫線深度為量化依據(jù)。鉆井深度一方面影響鉆探經(jīng)濟(jì)性,另一方面影響鉆探施工難易程度。目前國內(nèi)外干熱巖開采深度主要集中在3~5 km,澳大利亞Cooper盆地4.25 km,法國Soultz場地3~4.75 km,溫度均大于200℃。因此,將鉆井深度指標(biāo)劃分為3級(jí):<3 km,好;3~5 km,中;>5 km,差。

2地應(yīng)力狀況

人工儲(chǔ)層建造是干熱巖體開發(fā)最關(guān)鍵的步驟,且直接關(guān)系到EGS工程的成本和經(jīng)濟(jì)性,多年來國際上多采用巨型水力壓裂法建造人工儲(chǔ)層。在原生裂隙極不發(fā)育、相對(duì)均質(zhì)和各向同性的高溫花崗巖體中,水力壓裂產(chǎn)生的裂縫嚴(yán)格受地應(yīng)力場的控制,裂縫的擴(kuò)展方向一般都垂直于最小主應(yīng)力方向。因此,準(zhǔn)確掌握干熱巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)是建造人工儲(chǔ)層的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)地應(yīng)力條件是否清楚,將地應(yīng)力狀況指標(biāo)劃分3級(jí):清楚,好;基本清楚,中;不清楚,差。

3儲(chǔ)層壓裂門限值

該指標(biāo)也稱為巖層起裂壓力,是評(píng)價(jià)熱儲(chǔ)巖性是否易于人工壓裂的指標(biāo),主要由開發(fā)場地的應(yīng)力狀態(tài)決定。盡管還沒有足夠的資料來確定EGS地?zé)衢_發(fā)的最佳應(yīng)力狀態(tài),但從已有示范工程來看,儲(chǔ)層壓裂門限值為在十幾或幾十個(gè)MPa。如美國Fenton Hill場地壓力值為19 MPa;法國Soltz GPK2和GPK3這2個(gè)鉆孔的壓力值分別為15.5 MPa和16 MPa;德國Landan壓力值為13 MPa;澳大利亞Cooper盆地Habanero-1壓力值為58 MPa;瑞士Basel-1壓力值為29.6 MPa;德國GrooseSchoenebeck壓力值為58.6 MPa。研究表明,花崗巖的起裂壓力為20.4 MPa。一般情況下,干熱巖儲(chǔ)層壓裂應(yīng)優(yōu)先使其原生裂隙張開,次之再考慮壓裂巖石本身制造新的裂隙系統(tǒng)。綜合上述信息,將儲(chǔ)層壓裂門限值指標(biāo)劃分為3個(gè)等級(jí):<15 MPa,好;15~30 MPa,中;>30 MPa,差。

4天然裂隙發(fā)育情況

天然裂隙類型主要用來預(yù)測壓裂后裂隙系統(tǒng)發(fā)展情況,可通過巖心、測井或露頭分析獲得。干熱巖體天然裂隙發(fā)育情況直接關(guān)乎壓裂的難易程度,但干熱巖體不應(yīng)發(fā)育較大斷層,較大的斷層易形成儲(chǔ)層短路,造成人工造儲(chǔ)失敗。因此,將天然裂隙發(fā)育情況指標(biāo)劃分為3級(jí):發(fā)育但無較大斷層,好;較發(fā)育,中;不發(fā)育或發(fā)育較大斷層,差。

5可壓裂體積

可壓裂的干熱巖巖體體積即人工激發(fā)儲(chǔ)層體積,是計(jì)算干熱巖可利用資源量的直接依據(jù)。國際上普遍認(rèn)為理想經(jīng)濟(jì)的EGS工程,激發(fā)儲(chǔ)層體積應(yīng)達(dá)到0.1 km3,有效熱交換面積應(yīng)達(dá)到100萬m2。目前而言,國際上很多EGS工程儲(chǔ)層激發(fā)體積已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0.1 km3的目標(biāo),但熱儲(chǔ)有效換熱面積距商業(yè)化的要求還有一定的差距,主要原因在于激發(fā)過程中對(duì)裂隙系統(tǒng)的控制還不夠理想。美國芬頓山的經(jīng)驗(yàn)表明,采用水力加壓法可以在足夠大的巖石體積中(>1 km3)創(chuàng)建開放的裂隙網(wǎng)絡(luò),以維持長期熱能提取?，F(xiàn)有EGS工程人工儲(chǔ)層壓裂體積多在1~2 km3之間,因此,將可壓裂干熱巖體積指標(biāo)劃分為3級(jí):>2 km3,好;1~2 km3,中;<1 km3,差。

6場地資源使用壽命

該指標(biāo)為場地資源、裝機(jī)容量和設(shè)備選型的綜合考量指標(biāo)。世界上幾個(gè)老地?zé)犴?xiàng)目已經(jīng)運(yùn)行超過30 a,而且大多數(shù)對(duì)未來地?zé)犴?xiàng)目的規(guī)劃都假設(shè)每個(gè)電廠至少會(huì)運(yùn)行30 a。趙陽升等按照MIT高溫巖體地?zé)衢_發(fā)模型,預(yù)測羊八井熱田、云南騰沖高溫巖體和海南瓊北高溫巖體地?zé)犭娬?/a>有效使用壽命均在100 a以上。因此,將場地資源使用壽命指標(biāo)劃分為3個(gè)等級(jí):>100 a,好;30~100 a,中;<30 a,差。

經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)層主要包括土地利用現(xiàn)狀、場地施工條件、水源保障程度和發(fā)電并網(wǎng)條件4個(gè)指標(biāo)。

1土地利用現(xiàn)狀

一方面干熱巖勘探開發(fā)工程施工要占用一定面積的土地,需考慮土地準(zhǔn)入問題;另一方面工程施工易產(chǎn)生噪聲或微地震等不利影響,不能建設(shè)在人口密集區(qū)。因此,需對(duì)土地利用狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),將此指標(biāo)分為3個(gè)等級(jí):未利用土地,好;牧草地、林地、耕地和園地,中;居民點(diǎn)、工礦用地、交通用地和宗教用地,差。

2場地施工條件

場地施工條件主要考慮場地是否具備大型施工車輛通行條件和大型機(jī)械施工條件。將此指標(biāo)分為3個(gè)等級(jí):施工車輛可通行、易施工,好;需修路方可通行、施工場地需投入少量資金平整,中;不易通行、不具備施工條件或投資額巨大,差。

3水源保障程度

水源保障程度是評(píng)價(jià)場地施工能否滿足干熱巖開發(fā)利用過程中鉆探、壓裂和開發(fā)水源條件的指標(biāo)。將此指標(biāo)分為3個(gè)等級(jí):具備,好;可協(xié)調(diào)解決,基本具備,中;不具備,差。

4發(fā)電并網(wǎng)條件

干熱巖開發(fā)利用的主要方式是發(fā)電,發(fā)電能否并網(wǎng)是干熱巖場地選址的基本條件。將此指標(biāo)分為3個(gè)等級(jí):具備,好;可協(xié)調(diào)解決,基本具備,中;不具備,差。