中国陆区干热岩勘探靶区优选...外干热岩系统成因机制的启示_饶松.pdf

第 48 卷 第 3期2 0 2 3 年 3 月Vol.48 No.3Mar.2 0 2 3地球科学 Earth Sciencehttp:/https:/doi.org/10.3799/dqkx.2022.351中国陆区干热岩勘探靶区优选：来自国内外干热岩系统成因机制的启示饶松1，2，黄顺德1，2，胡圣标3*，高腾1，21.长江大学地球科学学院，湖北武汉 4301002.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北武汉 4301003.中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室，北京 100029摘要：干热岩是指地下高温但由于低孔隙度和渗透率而缺少流体的岩石（体），储存于干热岩中的热量需要通过人工压裂形成增强地热系统（EGS）才能得以开采，赋存于干热岩中在当前技术经济条件下可以开采的地热能被称为干热岩型地热资源，它是人类未来的重要替代新能源之一.干热岩的研究始于 20 世纪 70 年代，经过近 50 年的不断发展，干热岩在理论和实践两方面都有了长足发展，美国、日本、法国、德国、澳大利亚等发达国家相继投入巨资进行干热岩勘查、评价和开发实验，并且初步形成了商业开发的成功范例.实践表明，干热岩地热资源是深层地热能的一部分，往往与高温水热系统共热源且存在共生关系，但其地质条件复杂，开采难度较大，应倡导“深层地热能”和“广义 EGS”概念，即按照 EGS 技术着眼深层水热型和干热岩型地热能整体开发.为了克服诱发地震等环境安全问题，干热岩压裂造储技术研发方向正在从“刚性造储”向“柔性造储”发展.近几年来，我国分别在青海、西藏、四川、福建、广东、湖南、黑龙江、海南等高热流区域进行了干热岩地质勘查，并在青海共和、山东利津、广东惠州、四川康定、冀东马头营和琼北等地相继开展了干热岩初步钻探，但仅在青海共和的干热岩勘探与开发实验中取得突破.综合考虑全球高温地热带分布和中国陆区板块构造背景、现今大地热流分布格局、岩石圈热结构、Moho 面深度及壳内热源、新生代火山活动、温泉分布、深大断裂分布与活动性，以及现有干热岩勘查结果，认为当前中国陆区最具前景的干热岩勘探靶区为东北新生代火山活动区、海南岛及雷州半岛和滇藏川地区青藏高原东构造结.此外，高热背景条件下的中厚层碳酸盐岩应作为深层地热能开采的重点目标储层.关键词：干热岩；增强地热系统；成因机制；地热能；中国陆区.中图分类号：P314 文章编号：1000-2383(2023)03-857-21 收稿日期：2022-04-24Exploration Target Selection of Hot Dry Rock in Chinese Continent:Enlightenment from Genesis Mechanism of Global Hot Dry Rock SystemRao Song1，2，Huang Shunde1，2，Hu Shengbiao3*，Gao Teng1，21.School of Geosciences，Yangtze University，Wuhan 430100，China2.Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources，Ministry of Education，Yangtze University，Wuhan 430100，China基金项目：国家自然科学基金项目(Nos.41877210，42074096)；油气资源与勘探技术教育部重点实验室青年创新团队项目(No.PI201804)；中国石化深部地质与资源重点实验室开放基金课题.作者简介：饶松（1985），男，教授，博士，主要从事地热地质学与油气地质学的教学和科研工作.ORCID：0000000159919730.Email：*通讯作者：胡圣标，Email：引用格式：饶松，黄顺德，胡圣标，高腾，2023.中国陆区干热岩勘探靶区优选：来自国内外干热岩系统成因机制的启示.地球科学，48（3）：857-877.Citation：Rao Song，Huang Shunde，Hu Shengbiao，Gao Teng，2023.Exploration Target Selection of Hot Dry Rock in Chinese Continent：Enlightenment from Genesis Mechanism of Global Hot Dry Rock System.Earth Science，48（3）：857-877.第 48 卷地球科学 http:/3.State Kay Laboratory of Lithospheric Evolution，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，ChinaAbstract:Hot dry rock(HDR)is defined by the rock underground with high temperature but lack of fluid due to low porosity and permeability.The heat stored in HDR needs to be artificially fractured to form an enhanced geothermal system(EGS)to be exploited.The geothermal energy that can be exploited in HDR under the current technical and economic conditions is called HDR geothermal resources,which is regarded as one of the important alternative new energy sources for human beings in the future.The research on HDR began in the 1970s.After nearly 50 years of continuous development,great progress in both theory and practice has been made.Developed countries such as the United States,Japan,France,Germany,and Australia have successively invested heavily in HDR exploration,evaluation and development experiments.Moreover,some successful commercial development examples of HDR have been set up.The practices show that HDR geothermal resources are a part of deep geothermal energy,which means they often co-heat and are symbiotic with high temperature hydrothermal system.However,it is more difficult to exploit HDR than the hydrothermal system due to more complex geological conditions.Therefore,“deep geothermal energy”and“generalized EGS”concept should be advocated.According to EGS technology,we should focus on the overall development of deep hydrothermal and HDR geothermal energy.Moreover,it is developing from“rigid reservoir stimulation”to“soft reservoir stimulation”in order to overcome the environmental safety problems such as induced earthquakes.In recent years,China has carried out geological exploration on HDR in Qinghai,Tibet,Sichuan,Fujian,Guangdong,Hunan,Heilongjiang,Hainan and other areas with high heat flow.And then,preliminary drillings of HDR in Gonghe,Lijin,Huizhou,Kangding,Matouyin and northern Hainan have been implemented.Unfortunately,the breakthrough has only been made in the exploration and development experiments of HDR in Gonghe basin.Considering the distribution of global high-temperature geothermal zones,plate tectonic setting in Chinese continent,the current distribution pattern of terrestrial heat flow,lithospheric thermal structure,Moho depth and heat source in crust,Cenozoic volcanic activity,the distribution of hot springs,the distribution and active faults,and the existing HDR exploration results,the most promising HDR exploration target areas in Chinese continent are delineated,which include the Cenozoic volcanic activity area in Northeast China,Hainan Island-Leizhou Peninsula and the Yunnan-Tibet-Sichuan area(eastern Tibetan Plateau tectonic junction).In addition,medium and thick carbonate rocks with high thermal background should be the key target for deep geothermal energy exploitation.Key words:hot dry rock;enhanced geothermal system;genesis mechanism;geothermal energy;Chinese continent.地热资源是一种极具竞争力的清洁、可再生能源，具有资源量大、能源利用效率高、成本低、节能减排效果好等诸多优点.在当前形势下，大规模开发利用地热能是贯彻落实习近平总书记国家能源安全战略，应对全球气候变化和节能减排，助力实现“2030 碳达峰，2060 碳中和”目标的具体举措（汪集旸，2016）.近年来，在政府一系列政策的推动鼓励下，我国正迎来地热能开发利用的新热潮（庞忠和等，2017；郑克棪和陈梓慧，2017）.按照分布位置和赋存状态，地热资源可以分为4 大类：浅层地热资源、水热型地热资源、干热岩型地热资源和岩浆型地热资源.其中，干热岩（hot dry rock，简称 HDR）是指地下高温但由于低孔隙度和渗透率而缺少流体的岩石（体），储存于干热岩中的热 量 需 要 通 过 人 工 压 裂 形 成 增 强 地 热 系 统（enhanced geothermal system，简称 EGS）才能得以开采，赋存于干热岩中可以开采的地热能被称之为干热岩型地热资源.基于商业开发目的，各国对干热岩的定义并不完全相同：美国科学家根据 Fenton Hill 干热岩研究工作认为干热岩是埋藏于距地面23 km 以下、无裂隙、无流体、自然温度达到 200 的岩体；日本科学家根据 Hijiori干热岩研究工作认为只要岩体的温度达到 200，埋藏深度合理，内含流体不是太多（或者没有），能用干热岩技术来提取岩体中的热量，就把这种岩体称为干热岩；欧洲一些科学家根据法国 Soultz 干热岩研究认为，埋藏于地面 1 km 以下，温度大于 150 的岩体都可称为干热岩，条件无需过于严格；我国国家能源局于 2018年发布了干热岩概念，定义为不含或仅含少量流体，温度高于 180，其热能在当前技术经济条件下可以被利用的岩体（国家能源局，2018）.据初步测算，干热岩的蕴藏量十分丰富，仅地球内部310 km 深处蕴藏的干热岩的热量，相当于全部煤炭、石油、天然气蕴藏能量的 30 倍（陆川和王贵858第 3 期饶松等：中国陆区干热岩勘探靶区优选玲，2015）.中国陆区 310 km 深度内干热岩所蕴藏的地热能总量的 2%，即可采资源量高达 4.2105 EJ，折合标准煤 1.431013 t，相当于 2010 年我国能源消耗总量的 4 400 倍（汪集旸等，2012）.干热岩地热资源因储量巨大，而被视为人类未来的重要替代新能源之一，受到了世界各国的高度重视.干热岩的研究始于 20 世纪 70 年代，经过近 50 年的不断发展，干热岩在理论和实践两方面都有了长足发展.2006 年，美国麻省理工学院联合美国国家实验室 18 位专家，历时两年，完成了科技发展战略报告“地热能的未来：增强地热系统对 21 世纪美国的影响”，该报告首次对美国本土干热岩地热资源量和干热岩开采技术做出了系统评价.近年来，美国、英国、日本、瑞典、澳大利亚等发达国家相继投入巨资开展地质调查、钻探实验以及规模较大的干热岩生产实验研究，并且初步形成了商业开发的成功范例，为干热岩地热 利 用 技 术 的 发 展 提 供 了 非 常 珍 贵 的 经 验 资料.2015 年，美国启动了地热能前沿观测研究计划（Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy，简称 FORGE），旨在建设大规模、经济可持续和商业化的 EGS 技术，形成可降低工业开 发 风 险 和 促 进 EGS 商 业 化 的 严 谨、可 复 制 的方法，计划由 3 个阶段构成，经费不设上限，号称干热岩的“阿波罗”计划（Moore et al.，2019）.我国干热岩的勘查和研究起步相对较晚.2014年以来，我国国土资源系统分别在青海、西藏、四川、福建、广东、湖南、黑龙江、海南等高热流区域进行了干热岩资源地质勘查，并在青海共和贵德、山东利津、广东惠州、四川康定、冀东马头营、琼北等地相继开展了干热岩初步钻探，但仅在青海共和贵德的干热岩勘探与开发实验中取得重要突破.在干热岩形成机理方面，李德威和王焰新（2015）等提出将地球系统动力学的思想贯穿到干热岩及其关联的资源、灾害、环境、工程地质的调查研究与应用的各个环节之中，并建议在华北、青藏高原及其邻区、东南沿海、台湾地区这种不同类型的热构造活动区进行联合勘查、综合评价与系统开发.甘浩男等（2015）将中国干热岩资源的赋存类型分为高放射性产热型、沉积盆地型、近代火山型和强烈构造活动带型，提出了包括东南沿海、渭河盆地、长白山、五大连池和青藏高原在内的干热岩资源赋存有利前景区.许天福等（2018）通过对 2013-2016年来国外典型 EGS场地研究动态的信息收集和整理，阐述了国际上开发活动较活跃的 EGS 场地所取得的经验和教训，并分析了国内几个干热岩资源开发的远景地区，如青海贵德共和盆地、福建漳州断陷盆地、松辽盆地、川西和山东利津县等.毛翔等（2019）总结了国际干热岩开发项目的板块构造位置，其主要分布在欧亚板块板内地热域、印澳板块板内地热域、东太平洋离散汇聚板缘型地热域、西太平洋汇聚板缘型地热域和加勒比海火山活动岛弧区.庞忠和等（2020）倡导“柔性造储”和“广义 EGS”理念，强调储层属性和地球物理场的整合，并利用专家建议，发挥模糊数学综合评估作用，评估了中国陆区 9 个区域深层地热能开发的难易程度.蔺文静等（2021）梳理了我国已开展的干热岩资源勘探工程，总结归纳了不同类型区勘查重点.刘德民等（2022）总结了干热岩勘查评价指标，包括岩石圈厚 度 和 莫 霍 面 埋 深、居 里 等 温 面、地 温 梯 度、大地热流、新构造运动以及高温温泉与气田等.本 文 系 统 梳 理 了 国 内 外 代 表 性 的 干 热 岩 项目，总结了干热岩成因模式.综合考虑全球高温地热带分布和中国陆区板块构造背景、现今大地热流分布格局、岩石圈热结构、Moho 面深度及壳内热源、新生代火山活动、温泉分布、深大断裂分布与活动性，以及现有干热岩钻探结果，圈定了当前中国陆区最具潜力的干热岩勘探靶区.1 全 球 大 地 热 流 及 干 热 岩 试 验 场地分布 大地热流是地温场的综合性热参数，能够准确地反映区域内的地温场特征，因此是干热岩勘查 的 最 重 要 指 标 之 一.大 地 热 流 值 较 大 （75 mW/m2）就指示地球深部有存在高温岩石（体）的可能，如美国 Fenton Hill 干热岩试验场大地热流超过 200 mW/m2；美国 Geysers 干热岩试验场大地热流为 168 mW/m2；法国 Soultz 干热岩试验场大地热流为 8010 mW/m2；美国犹他州 Milford 干热岩试验场大地热流为 12020 mW/m2.截 至 2021 年，国 际 热 流 委 员 会（International Commission of Heat Flow，简称 IHFC）发布最新汇编的大地热流测量数据，全球共有 74 458 项数据点，其中陆地数据点为 40 870 项、海洋数据点为 33 678 项.统计结果表明大陆和海洋地区的平均热流分别为 67 mW/m2、92 mW/m2（Lucazeau，2019）.859第 48 卷地球科学 http:/图 1 所示为全球热流分布图，从图中可以清晰识别出全球 4大地热异常带，即环太平洋地热异常带、地中海喜马拉雅地热异常带、大西洋中脊地热异常带和红海亚丁湾东非裂谷地热异常带，这与全球活动板块边界位置吻合.在这些地热异常带内，大地热流值普遍大于 100 mW/m2，以火山、熔融体为主要热源，高温地热资源丰富，地表水热活动强烈，温泉温度普遍高于当地水的沸点，成为“沸泉”.截至目前，全球已经进行了约 42项干热岩试验项目，其中 24 个属于传统意义的干热岩开发项目，18个属于 EGS开发项目.图 2为全球地热异常区及国际干热岩试验场地分布.从地域上看，国际干热岩开发项目绝大多数分布于欧洲，共计 23 个，主要分布在阿尔卑斯褶皱带的上莱茵地堑、磨拉石盆地等；其次为北美及加勒比地区，共计 12个，主要分布图 1全球大地热流分布Fig.1Distribution map of global terrestrial heat flow据 Lucazeau（2019）图 2全球 HDR试验场地及全球地热异常区分布Fig.2Distribution of global HDR test site and global geothermal anomaly area据何治亮等（2017）、毛翔等（2019）860第 3 期饶松等：中国陆区干热岩勘探靶区优选在科迪勒拉造山带.从全球地热域上看，这些实验 场 地 主 要 分 布 在 欧 亚 板 块 板 内 地 热 域（如 法国 Soultz 项目）、印澳板块板内地热域（如澳大利亚 Habanero 项 目）、东 太 平 洋 离 散 汇 聚 板 缘 型地热域（如美国 Fenton Hill 项目）、西太平洋汇聚板 缘 型 地 热 域（如 日 本 Hijiori 项 目）和 加 勒 比 海火山活动岛弧区（如法国 Bouillante 项目）.此外，干热岩开发项目所处的大地构造环境包括了克拉通盆地、前陆盆地、裂谷盆地、弧前盆地、弧后盆地、近现代火山（火山带）和褶皱带地区.有意思的是，除了北美、欧洲中北部、加勒比海、日本地区处于传统认为地热资源丰富的环太平洋火山 地 震 带 之 外，欧 洲 南 部 近 阿 尔 卑 斯 山 区 域、亚洲和澳大利亚的干热岩开发项目均不处于传统认为的地热资源丰富区（毛翔等，2019）.表 1 统 计 了 国 内 外 代 表 性 干 热 岩 项 目 地 质特 征.全 球 干 热 岩 项 目 探 井 井 深 5005 000 m，热 储 岩 性 主 要 为 火 成 岩 和 沉 积 岩，火 成 岩 以 花岗 岩 为 主；压 裂 方 法 以 水 力 压 裂 为 主，化 学 压裂 为 辅，爆 破 压 裂 正 悄 然 行 进.为 了 克 服 诱 发地 震 等 环 境 安 全 问 题，国 际 干 热 岩 技 术 研 发 方向 正 在 从“刚 性 造 储”向“柔 性 造 储”发 展，即 采用 灵 活 的 压 裂 和 化 学 等 造 储 技 术 和 工 艺，避 免纯粹靠提高压力来造储（庞忠和等，2020）.表 1国内外代表性干热岩项目地质特征Table 1Geological characteristics of representative HDR projects at home and abroad奥地利澳大利亚德国12345678910111213AltheimParalanaHunter valleyHabaneroBruchsalNeustadt-GleweGroSchnebeckUnterhachingInsheimGenesys HannoverMauerstettenLandauFalkenbergEGS干热岩干热岩干热岩EGSEGS干热岩EGSEGS干热岩干热岩EGS干热岩水力、化学压裂水力压裂水力压裂水力压裂化学压裂水力压裂水力、化学压裂水力压裂1989至今2005201419992015200320131983至今1984至今2000至今2004至今2007至今2009年至今20112012，2015重启2003201319771986阿尔卑斯褶皱带南澳克拉通内的元古宙盆地悉尼盆地库柏盆地上莱茵地堑德国盆地德国盆地磨拉石盆地上莱茵地堑德国盆地磨拉石盆地上莱茵地堑磨拉石盆地碳酸盐岩花岗岩花岗岩花岗岩砂岩砂岩砂岩、安山岩碳酸盐岩砂岩、花岗岩砂岩碳酸盐岩、花岗岩砂岩、花岗岩花岗岩2 1652 3061 8074 0031 9463 7004 4591 9302 5402 3204 3094 4003 3503 3803 6003 8003 9004 0553 1703 30050010517027524227812013099145123165150160130159-国家序号项目名类型压裂方式开发年代所处构造带储层岩性钻井深度(m)热储温度()861第 48 卷地球科学 http:/法德合作法国法国西印度群岛韩国美国墨西哥-欧洲合作日本瑞典瑞士萨尔瓦多匈牙利意大利14151617181920212223242526272829303132333435363738Bad UrachGEOSTRASSoultz-sous-FortsRittershoffenLe MayetBouillantePohangRaft riverNorthwest GeysersNewberry VolcanoMilfordFenton HillCosoBradysDesert PeakSoutheast GeysersGEMex(Acoculco)HijioriOgachiFjallbackaBaselSt.GallenBerlnSzegedLardarello干热岩干热岩干热岩EGS干热岩EGS干热岩EGSEGS干热岩EGS干热岩干热岩EGSEGSEGSEGS干热岩干热岩干热岩干热岩EGSEGS干热岩EGS水力、化学压裂爆破压裂水力压裂爆破压裂水力压裂水力压裂水力、化学、爆破压裂水力压裂水力压裂水力、化学压裂水力、化学压裂水力、化学压裂水力、热压裂197720082012至今（计划）1984至今2011年至今197819861996至今201020172009至今2009至今2010至今2015至今19741992200220122008201520122013200820092016至今（计划）19852002198920021984199520052009200920142001至今2016至今（计划）20世纪 70年代至今华力西褶皱带上莱茵地堑上莱茵地堑上莱茵地堑华力西褶皱带Lesser Antilles 火山岛弧带Pohang 盆地内华达盆地萨克拉门托盆地内华达盆地内华达盆地圣胡安盆地内华达盆地内华达盆地内华达盆地萨克拉门托盆地跨墨西哥火山带环太平洋火山带环太平洋火山带加里东褶皱带上莱茵地堑磨拉石盆地太平洋海岸平原盆地潘诺盆地北亚平宁盆地变质岩花岗岩花岗岩花岗岩花岗岩火山岩花岗岩变质岩变质岩火山岩花岗岩结晶岩花岗岩火山岩流纹岩杂砂岩花岗岩花岗岩花岗岩花岗岩花岗岩沉积岩火山岩花岗岩变质岩4 3004 445-3 6005 0002 5002008001 0001 5004 3401 5002 0003 0583 3963 0662 133.63 854.02 9324 3902 4301 9561 3201 0003 6602 0001 7882 3004001 100705002 7005 0034 4502 0002 3803 0003 5002 5004 000170150165163-250260约 180150400315175230200327300200210-30027060228预计200130150183175300350续表 1国家序号项目名类型压裂方式开发年代所处构造带储层岩性钻井深度(m)热储温度()862第 3 期饶松等：中国陆区干热岩勘探靶区优选英国中国39404142RedruthEdenRosemanowes共和干热岩干热岩干热岩干热岩水力压裂2009至今2010至今（计划）198419922011至今华力西褶皱带华力西褶皱带华力西褶皱带共和盆地花岗岩花岗岩花岗岩花岗岩2 5005 2754 0002 6002 927.23 705.019018019079100150236续表 1国家序号项目名类型压裂方式开发年代所处构造带储层岩性钻井深度(m)热储温度()注：参 考 Breede et al.(2013)、Olasolo et al.(2016)、Lu(2018)、张 森 琦 等(2019)、Parisio and Yoshioka(2020)、Park et al.(2020)、Gan et al.(2021).2 国际代表性干热岩项目实例 2.1美国 Fenton Hill 干热岩项目美 国 Fenton Hill 项 目 是 国 际 上 实 施 的 第一 个 干 热 岩 实 验 项 目，于 1970 年 提 出 实 施 方案，1973 年 开 展 EGS 实 验，2000 年 被 迫 中 止，对 该 区 干 热 岩 的 地 质 特 征、储 层 激 发、发 电实 验 等 方 面 均 开 展 了 系 统 研 究.Fenton Hill 项目位于新墨西哥州北部 Valles Caldera火山西侧，处于北美板块中元古代北美增生型造山带内，如图 3 所示.由于拆离伸展作用，造山带内高原塌陷形成一系列伸展裂谷盆地，与南北向山系组成盆岭省.距今约 1617 Ma，黄石地幔柱开始活动，盆岭省发生显著的伸展作用，地壳强烈沉降，岩浆活动强烈，Fenton Hill最近一次火山喷发距今仅 1.25 Ma（Spell and Kyle，1989）.地球物理探测结果表明，Fenton Hill火山深部 515 km 存在一个长约 1014 km 的低速带，呈近椭圆状展布，推测深部存在岩浆囊（Steck et al.，1998）.Fenton Hill试验区出露大量的喷气孔及温泉，与贯穿火山口的断裂展布相一致，证实了该地区浅部高温水热型地热系统与深部干热岩地热系统存在共生关系.Fenton Hill试验场地具有异常高的地温梯度和大 地 热 流，地 温 梯 度 达 65/km，热 流 值 大 于 200 mW/m2（Sass and Morgan，1988）.Fenton Hill项 目 先 后 开 发 了 两 套 热 储，第 一 套 储 层 深 度 为 2 8002 950 m，储层温度在 180200 之间，岩性为花岗闪长岩；第二套储层深度约为 3 500 m，温度为 240，岩性为片岩及花岗闪长岩.Fenton Hill项目共分两个阶段进行.第一阶段：1974 年第一井钻至 2 042 m，水力压裂后又加深至 2 932 m，获得 180 井底温度；第二井在 3 064 m 获200 井底温度；1977 年从第一井的开斜井与第二井做连通试验，两井相距 100 m，试验了 417 d，获得35 MWt 热能，进行了 60 kWe 双工质发电试验.第二阶段：1978 年后又钻了两井，进行了压裂试验并钻开斜井，4 390 m 井底温度 327，1986 年循环试验 30 d，注 水 总 量 3.7104 m3，注 水 流 量 10.6 18.5 kg/s，压力 26.930.3 MPa，产出温度 192，回收 66%.Fenton Hill 项目试验持续至 2000 年，因塌 孔、开 斜 钻 井 和 设 备 损 坏 等 被 迫 停 止.Fenton Hill 项目的最大成果在于它验证了在渗透率很低的干热岩中通过人工压裂的方法可以实现储层改造，使用循环流体提取地热能的概念是可行的，为地热能的开采开创了新方向（Brown et al.，2012）.Fenton Hill项目是近代火山型干热岩地热系统的典型代表.510 km 深度部分熔融的岩浆房是该地 热 系 统 的 壳 内 异 常 热 源（Steck et al.，1998；Aprea et al.，2002）.热储层以花岗闪长岩为主，热导率高、放射性生热率大，一方面将下伏岩浆房热量快速向浅部传导，另一方面高的放射性生热起到了附加热源的作用.盖层以凝灰岩或火山碎屑岩沉积为主，热导率低，覆盖于花岗岩体之上，起到了很好的保温隔热作用（Sass and Morgan，1988）.2.2美国 Geysers干热岩项目Geysers干热岩试验场地位于美国旧金山北部，从 1960 年开发以来，该项目装机容量从 12 MW 发展到 2 043 MW，是目前世界上仍在运行的较大的地热发电站（Garcia et al.，2016）.该地区东北及西南方向为两条互相平行的走滑断层，即 Collayomi断裂和 Mercuryville 断裂，加州地区最年轻的火山，即 Clear Lake火山，分布在该区东北部，如图 4所示.863第 48 卷地球科学 http:/由于 Clear Lake 火山多期次的喷发及侵入活动，火 山 岩 在 该 地 区 广 泛 分 布.Geysers 项 目 地 处 环太 平 洋 地 热 异 常 带，其 大 地 热 流 值 可 达 168 mW/m2（Walters and Combs，1989）.重 力 及大 地 电 磁 探 测 资 料 表 明，Geysers 干 热 岩 实 验 场地深部存在局部熔融体（Peacock et al.，2020）.Geysers 地热田具备地温梯度大、热储温度高且埋深浅的特点.该项目揭示了两套地热储层，即浅层常温热储（230）和深层高温热储（230400）（Rutqvist et al.，2015）.其中浅层常温热储位于 2.5 km 以浅的深度区域，主要由杂岩组成，受两条平行断裂带的影响，热储裂隙和断裂发育，水热活动强烈，形成了浅层的高温水热型地热系统.深层高温储层位于 2.5 km 以深的区域，岩性为变质杂砂岩和夹层泥质岩，渗透率低，温度高，当深部为 3 km 时，温度可达 400，是典型的干热岩型地热系统（Garcia et al.，2016），如图 4 所示.Geysers 干热岩项目最典型的特征是深部干热岩型地热系统与浅部水热型地热系统同源共生，证实了在现有水热系统深部或者外围进行干热岩地热开发的可行性.新生代侵入的局部熔融体是浅部水热地热系统和深部干热岩地热系统的共 同 主 要 热 源（Oppenheimer and Herkenhoff，1981；Kennedy and Truesdell，1996；Peacock et al.，2020）.Geysers 地区两侧相互平行的走滑断裂对该地区的地下水具有严格的控制作用，断裂带之间，垂直裂隙发育，浅层常温热储中流体对流活跃，形成了以断裂或裂隙为运输通道的水热型地热系统.而深部常温热储，岩性为变质杂砂岩，渗透率极低，形成了干热岩型地热系统.两套地热系统的上部被页岩、硅质岩、绿片岩及蛇纹岩等低渗透性岩石覆盖，起到了保温隔热作用.2.3法国 Soultz干热岩项目法 国 Soultz 干 热 岩 试 验 区 处 于 欧 洲 上 莱 茵河 地 堑（The Upper Rhine Graben，简 称 URG），该 地 区 曾 经 是 油 田，并 且 在 早 期 的 石 油 勘 探 中证实了该地区存在地热异常.URG 是欧洲大陆典型的新生代裂谷盆地.受区域断裂活动控制，上莱茵河地区在花岗岩基岩之 上，沉 积 了 巨 厚 的 沉 积 盖 层，其 中 Soultz 地 区沉积盖层厚约 1 400 m，如图 5 所示.在拉张作用下，地壳和岩石圈伸展、减薄，深部地幔热量传导加 热 地 壳，该 地 区 平 均 基 底 热 流 密 度 高 达 80 10 mW/m2，地 下 水 循 环 进 一 步 促 进 了 浅 部 热 量的再分配，使局部地区大地热流值较基底热流值提高 50%以上，如 Soultz 地区现今平均大地热流值高达 127 mW/m2（Harl et al.，2019）.地球物理探 测 结 果 表 明，URG 地 区 的 地 壳 较 邻 区 剧 烈 减薄，地壳厚度约 2427 km，减薄幅度达 1015 km（Buchmann and Connolly，2007），如图 5 所示.Soultz项目始于1987年的欧盟科研开发项目，通过一步一步地扎实推进和发展，在2013年实现了利用干热岩技术路线稳定发电.现有地热井4口，井深分别为 3 590 m、4 950 m、5 903 m和 5 105 m，最高井底温图 3Fenton Hill干热岩试验场地质背景(a)、测温曲线(b)Fig.3Geological background of Fenton Hill HDR test site(a),temperature measurement curve(b)据 Kelkar et al.（2016