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吕锡民:增强型地热系统(EGS)的诱震探讨

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【大纪元2019年09月22日讯】为了在商业规模上经济有效生产地热能,在目标地下的热岩层中必须存在足够的流体和渗透性。在许多情况下,地热储层需要增加渗透性和/或流体含量,亦即创建所谓的增强型地热系统(Enhanced Geothermal System, EGS)。与增强型地热系统(EGS)相关的问题之一是地下水库的产生或性质改善以及随后的地热能提取(即热流体)引发的地震活动或微震(Micro Earth Quake, MEQ)的影响和作用之处理。

天然裂缝中的热液系统是提取储存在地下岩石中热量的最简单来源,但总资源量及其可用性往往局限于某些区域,地热开发往往在条件非常合乎有效且经济提取的情况下进行。如果这些热液系统的地质、物理和化学特性不利时,则这些热液系统的定位有时难以评估,并且还存在不具有商业可行性的高风险。

开发EGS技术的原因主要有两面向:(1)通过改善地下条件(亦即透过激发行为)将不具经济性的热液系统进行改良以投入生产程序中;(2)设计一个产生水热系统的地下条件,由此注入流体可以通过深度处的热裂缝区域循环加热,然后加热流体带回地面传递捕获热量用于能量转换如发电或其他用途。第二种方法显着扩大了可用热量资源,降低了开采成本的不确定性。然而,增强渗透性和随后提取能量的过程可能经常产生微震事件。诱发地震活动是一种重要的储库管理工具。

EGS是一种工程化的地下热交换器,设计用于:在传统生产不经济的情况下提取地热能;或者,改进而潜力地扩大热提取操作,使其变得更具有经济价值。更广泛地来说,在储层岩石是高热且其渗透率是低的任何地方都需要用到EGS。在这样的系统中,可以通过水力压裂、高速水注入和/或化学品激发来增强其渗透性。

一旦渗透率增加,就可以通过将热量耗尽的地热水(根据需要从外部来源补充)注入储层,并使其在新产生的渗透性中循环来维持热水生产,在该渗透过程中,当从注入到达生产井时,它被加热。随着循环的进行,与水接触的岩石将冷却并开裂,一些矿物将溶解,形成新的渗透性,进一步扩大储层,并暴露新的岩石表面,从中挖掘储存在地下岩体中的热量。

每种主要的EGS技术,即水力压裂、流体注入或酸化,已在某些程度上用于选定的地热田之中,并且在大多数情况下,存在着关于由这些操作引发的地震活动性的一些事件。根据定义和设计,水力压裂是一种诱发地震活动的形式。该技术已广泛用于石油和天然气工业,以在致密岩层中设计渗透率。当流体注入压力超过岩石破裂梯度并发生拉伸破坏时,发生水力压裂,从而产生“驱动”断裂。当压力不再高于破裂梯度时,破坏应该结束。然而,此刻仍观察到与水力压裂操作相关的剪切破坏。在许多情况下,由于拉伸破坏的非常高频率发生,微震监测只能检测到剪切破坏。

一方面,当流体从地下资源产生(或注入)时,储层岩石受到应力而压缩。这些体积变化引发局部应力条件的扰动,其已经接近破坏状态(地热系统通常位于高应力状态下的断层区域内),这种情况可能导致储层内或周围的地震滑动,类似的现象发生在固体物质在地底的移除,如在矿井中,从而导致了“岩爆”,因为围岩石需要适应新创建的空隙空间。

另一方面,将非天然流体注入地层(或允许“外部流体”流入储层响应压力下降)可能导致裂缝表面的地质化学变化,从而改变这些表面上的摩擦系数。在减少摩擦的情况下,更可能发生微震(MEQ)。如果地震障碍产生演变并形成粗糙(导致摩擦增加),大于MEQ的事件可能变得更加普遍。我们刚刚描述的所有机制都与EGS应用程序有关。这些地底现象在任何特定情况下的活跃程度受到许多局部和区域地质条件所影响,这些条件可包括以下内容:

(1) 与现有断层相关的偏应力场的方向和大小。

(2) 断层和裂缝的范围:地震的大小与断层滑动面积和断层上的应力下降有关。

(3) 岩石力学性质(例如,压实系数、剪切模数和延展性)。

(4) 水文因素(例如,静压剖面、含水层和水层的存在、岩石渗透率和孔隙度)。

(5) 过去自然地震活动历史:在某些情况下,诱发地震活动发生在自然活动基线记录着很少或没有的地方。或者,在其他情况下,在高背景地震活动区域,但开采地下资源仅有很少或没有诱发地震活动的记录。仍然,对诱发地震活动潜力的任何评估都应该包括对历史地震活动的研究。

从上面叙述可以清楚地看出,大幅度地震事件并不是一种普遍的现象,因为这需要各种因素在正确的时间汇集在一起(足够的能量存储在地下以便释放)并在正确的地方(如在具有重大能量的断层,其足以产生大型的地震事件。这也很容易理解为什么地震活动可能采取许多小规模的形式。因此,通常必须满足几个条件才会发生重大(破坏性)的地震。

首先必须存在足够大的断层系统以允许地层的显着滑动,其次必须存在沿着断层引发滑移(与其他方向相反)的潜在力量,最后这些力量必须大于将断层稳固在一起的力量(垂直断层的力量加上断层中物质本身的强度)。此外,较大的地震,即大到足以造成结构损坏的地震,通常只能发生在大于5千米的深度。即使断层破裂延伸到地面,专家认为只有位于深处的破裂才会产生明显的地震辐射;事实上,一些地面上运动预测公式的运用,可以在最高2-3公里地底范围内减低破裂的影响。近地表地壳的低震孕育潜力也显现在一些理论中,亦即,深埋断层破裂所产生的震动比地表处的破裂事件更强。

也就是说,较大的断层更有可能发生较大的地震事件,事件的主导频率与剪切断层的长度有关(即,一般来说,断层越长,主要震波发射频率越低,并且强烈摇动频率范围也较广,结构损坏的可能性越大)。较大断层上的较大地震也会因持续时间较长和能量含量增加而更具破坏性。较小的断层上的高应力下降也会产生较大的地震事件(3级至4级),但因为发出的频率太高而不会造成结构破坏。以一般规则来看,EGS开发案在进行任何包括与大型地震活动断层的直接物理接触或液压相连的操作时应该小心。

从长远来看,专家建议解决之道在于,逐步改进对诱震活动过程的理解,正确承认任何好处并在此过程中减轻任何风险。同时,最终目标是设计具有所需特性的地下裂缝网络。地震活动是理解地下裂缝网络的关键信号,有利于理解压裂动力学和裂缝与流体行为之间的重要关系。未来的研究工作将通过数据交换,在定期会议上分享实地研究和研究成果,以及参与研究开发专案的行业,从国际合作中获益。上述实践的其他经验和应用将提供进一步的认知,帮助成功利用EGS引发的地震活动并充分发挥增强系统的潜力。

近日最震撼能源界的新闻事件莫过于南韩政府宣布浦项地热发电厂的永久关闭,事情的由来源自南韩浦项地热厂在2017年由于注水不当引发芮氏规模5.4强震,造成附近地区许多栋建筑倒塌、倾斜或出现裂缝,居民受伤亦有91人多,是朝鲜半岛有纪录以来的第二大历史强震。

我们认为地热发电厂开发之前,尤其是增强型地热系统(EGS)场址的地质勘查应该列为优先考量因素,如果地下井开发期间有小型地震发生,应该停工检查千万不可贸然持续施工,以免产生更大的地震灾难。事实上,在断层之上兴建EGS电厂是十分危险的举措。

(作者为工研院能环所前研究员)

责任编辑:高义

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2019-09-22 6:32 AM
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