田忠斌：山西省二氧化碳地质封存与增强型地热发电一体化关键技术与产业化前景

首先，通过注入井将高压水注入地下2000～6000m的岩层，使其渗入人工压裂造出的岩层裂缝并吸收地热能量；然后，通过采热井将岩石裂隙中的高温水、汽提取到地面；取出的高温水、汽通过热交换及地面循环装置用于发电，冷却后的水再次通过高压泵注入地下热交换系统循环使用。EGS发电不仅可以大幅降低温室效应和酸雨对环境的影响，且不受季节、气候制约，发电成本低，技术应用前景广阔。

图1 EGS开发利用模式图（王文等，2020）

工程实践表明，EGS开发过程中采用水作为载热工质会存在诸多负面问题，具体表现在：注入地下的水漏失率通常为10％～70％，因而循环注入过程中消耗大量水资源；当热源温度高于水的临界温度时，由于水岩热化学作用会产生矿物溶解与沉淀，易造成注入井与生产井之间产生短路或形成堵塞，进而影响载热工质的吸热过程。鉴于此，多位学者开展了采用超临界CO2（Ts＞31.10℃，Ps＞7.38 MPa）作为载热工质的理论研究与工程试验，主要原因在于：①超临界CO2具有粘度小、密度大的特殊物理特性，使其在热储层中具有流动性好、传热效率高、可压缩小等典型优势，适用于EGS开发过程中的热力循环；②超临界CO2向周围岩石孔隙中的缓慢渗漏，会引起矿物质的溶解沉淀及地层水蒸发盐析，降低围岩孔隙度与渗透率，减缓超临界CO2的渗漏速率；③通过渗漏流向围岩中的超临界CO2能够迅速地与残余水反应并以碳酸盐的形式沉淀下来，从而形成永久性的CO2地质封存；④超临界CO2循环无相变，发电的经济性更好。

在此背景下，本文介绍了国内外“CO2地质封存与增强型地热发电一体化”（CO2-EGS）理论与技术研究进展，并展望了此技术在山西省的研究及应用前景。

2 CO2-EGS理论与技术研究进展

2.1 CO2-EGS相关理论

若以超临界CO2代替水作为工质流体，则可将CO2地质封存与EGS开发相结合，从而同时实现CO2减排的社会效益和CO2高效资源化利用的经济效益（谢和平等，2014）。美国学者Brown（2000）首次提出了以CO2替代水作为循环取热工质的CO2-EGS模式（图2）。随后，国内外学者开展了大量CO2-EGS的理论研究与实验探索，认为CO2的压缩膨胀特征、低粘度、高渗流能力、低流体损失和非极性特征使其采热效率、单位能耗、储层损伤等都优于以水为介质的EGS开发（Pruess，2006；Yanagisawa et al.，2008；Zhang et al.，2013；Wang et al.，2018）。

图2 以超临界CO2为循环取热工质的CO2-EGS模式

EGS开发井深度大、施工成本高，热储层压裂技术复杂，循环采热试验耗时长，因此热储层数值模拟仍是目前CO2-EGS理论与技术研究的主要手段。该方法不仅方便可实施、成本低，并且可以模拟CO2渗流场、储层温度场、压力场以及化学变化等。Luo等（2014）采用数值模拟方法研究了双井CO2-EGS过程，分析了CO2注入速率、注入井和生产井的射孔位置、工质流体、井筒与储层之间的导热系数等因素对系统采热的影响。王昌龙等（2017）为了分析流体损失对EGS运行的影响，建立了三维TH耦合模型，模拟结果经过与实验数据进行对比，验证了模型的准确性，后基于该数值模型对比分析了CO2-EGS和H2O-EGS系统热开采过程。Shi等（2018）和Guo等（2019）通过建立三维CO2-EGS热流耦合数学模型，证实了CO2是地热资源开发的优良工质流体，在生产流量相同的条件下，CO2的热提取速度更快。Wang等（2019）借助含有离散裂缝网络的CO2-EGS热流固耦合数值模型，认为高注入压力，有利于提高发电效率，同时可提高CO2封存效率。

2.2 CO2-EGS工程技术

1）高温钻完井技术

为了适应EGS开发井高温的工况，需对钻身结构、钻井装备、钻井工艺等进行改进，以提高钻探效率和钻井质量。EGS钻井施工主要技术难点为：如何降低高温、高压环境对钻井施工的影响，尤其是保持高温环境下钻井液性能的相对稳定；钻进过程中经常遇到破碎、裂隙发育等复杂地层，如何提高封堵材料的抗高温及封堵承压性能。未来，开发“高温钻头+高温随钻测量系统+高温井下动力钻具”来提高钻井效率成为必然趋势（王志刚等，2019）。

高温固井需根据地层特性，配合固井技术和工具才能实现高效、安全施工。由于影响高温固井技术的因素较多，为保证地热井固井质量，需将影响因素排除和解决，如井底温度高、稳定裂缝溶洞气压封固难度大、延迟混合水问题、酸性及高矿化度水质环境影响水泥石性能、泥浆比重高、粘度大影响顶替效率等。除此之外，还需通过优选水泥浆体系、选取合理前置液和引导桩等措施来提高固井质量（张杰等，2021）。水泥浆水化硬化后必须形成具有抗高温强度衰退、低渗透率和较强承载能力的水泥石，以保证水泥环在高温高压井下的完整性和长期有效性（王磊，2019）。

2）热储层改造技术

采用人工压裂方式将低孔隙度、低渗透率的干热岩改造为渗透性能较好的人工热储，是建造EGS的前提。合理的压裂液选择、适配性的压裂工艺是影响压裂效果的关键。目前，对于干热岩热储层的改造多采用水力压裂手段，但由于水是极性溶剂，会存在严重的矿物溶解和沉淀问题（刘松泽等，2020）。超临界CO2自身具有气体的低黏度、高扩散性，也有液体高密度的特点，其破裂压力比水力压裂和液态CO2压裂低，并且造缝能力更强，形成的缝网更复杂，因此在干热岩热储层改造中表现出明显的优势（图3）。超临界CO2压裂人工裂缝起裂压力比液态CO2和清水压裂低，并且由于超临界CO2具有低黏度和高扩散性，因此更有利于流动过程中充分取热（李小刚等，2022）。

图3 超临界CO2与水作为压裂液岩石中裂缝延伸特征对比（温航等，2020）

2.3 CO2-EGS先导性工程试验

2011年，美国劳伦斯伯克利国家实验室科学家领导的一个研究小组首次尝试利用EGS加热CO2并进行发电（图4）。2013年，美国在密西西州的工业性示范成功实现了年封存CO2百万吨，CO2循环量达到6kg/s，采用透平发电机组发电功率达到100kW。

图4 美国劳伦斯伯克利国家实验室CO2-EGS发电原理图

2021年，由中国华能集团有限公司自主研发的世界参数最高、容量最大的超临界CO2循环发电试验机组在华能西安热工院顺利完成72小时试运行（图5）。该机组发电功率为5兆瓦，其成功投运验证了超临界CO2循环发电技术工业运行的可行性，有望彻底改变传统热力发电技术140多年来以水蒸汽为主流工质的发电方式，标志着我国在超临界CO2循环发电技术领域已处于世界领先水平，也为我国CO2-EGS先导性示范工程开展奠定了基础。

图5 西安热工院超临界CO2循环发电机组

3 山西省CO2- EGS技术攻关与应用示范构想

3.1 CO2-EGS技术攻关背景

山西作为传统能源大省，碳排放总量大、碳排放强度和人均碳排放高，实现“碳达峰、碳中和”目标意义重大、任务艰巨。干热岩等绿色低碳能源的开发利用与CO2地质封存减排对实现碳达峰、碳中和对于加快生态文明建设、促进高质量发展至关重要。中央、山西省相继出台了《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知（国发〔2021〕23号）》《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）（发改能源〔2016〕513号）》《关于在山西开展能源革命综合改革试点的意见》等一系列政策文件，有利的支持了以山西省“能源革命”为核心的新能源与碳减排技术创新和产业示范。

开展CO2-EGS技术攻关，不仅可以高效开发中深层地热资源，促进山西省煤源型能源结构转变，推动能源革命；而且可以遏制和扭转迅速增长的温室气体排放，助力完成国家“碳达峰、碳中和”的战略目标；同时还可以实现碳减排与地热高效协同开发，为国家经济发展贡献“山西智慧”。

3.2 地热资源潜力及开发现状

山西省地热资源丰富，地热田分布广泛（图6），且相对集中在太原、临汾、曲沃、运城等市县。根据地热资源分布特征，山西省地热资源可分为新生代沉积盆地、隆起山地两种类型。新生代沉积断陷盆地位于山西中部，呈多字型雁行排列，自北而南依次发育大同盆地、忻州盆地、太原盆地、临汾盆地、运城盆地，多属于高热流异常区，其中太原、临汾和运城三大盆地是省内地热资源条件最好的地热异常区（刘芮，2020）。目前，山西省现有地热井孔超200个，主要集中在运城、临汾、太原、忻州和阳高盆地区，太行、吕梁山西侧、中条山南侧一带有零星分布（宫利梅等，2018）。

图6 山西省主要地热田分布（韩颖等，2018）

目前，省内已实施的中深层地热勘查开发项目包括：太原理工大学虎峪校区的深层裂缝型热储地热钻探项目，钻井深度达4000m，是山西省实施的地热能开发研究示范项目；山西双良集团“地热能+”技术项目，在山西综改示范区供暖超700×104m2；太原国投大厦采用中深层地热能无干扰技术项目，实现了全楼宇的绿色供暖；位于天镇县的高温地热资源勘查项目，发现了目前我国中东部地区温度最高、自流量最大的地热井；阳高地热温泉区104℃温泉井和晋能控股集团地热示范项目等也已初见成效。

3.3 相关理论与技术攻关方向

立足于山西省地热资源禀赋与地热资源勘查开发现状，省内CO2-EGS相关理论与技术研究应聚焦中深层地热赋存规律及超临界CO2-EGS发电关键技术，优选有利区并实施先导性应用示范工程，探索地质适配性超临界CO2-EGS发电模式与技术。具体到室内研究与先导性示范工程实施中，CO2-EGS相关理论与技术攻关方向主要包括：

1）CO2高效地质封存机理

通过开展模拟CO2注入地层与干热岩超临界CO2封存实验，研究地温梯度、渗透率、埋深、储层压力、地应力等地质条件对CO2注入、运移过程的影响，揭示CO2注入与EGS开发协同过程的主控地质因素；利用CT等技术重构干热岩储层结构与孔隙网络，分析CO2注入后干热岩内潜在的运移路径，研究CO2注入不同岩性干热岩的裂缝扩展规律与体积应变效应，探讨超临界CO2与干热岩储层间物理化学作用及其对储层渗透能力和封存能力的改造机制。

2）CO2高效循环取热机理

开展模拟深部储层条件下超临界CO2热交换实验，研究不同岩性干热岩、不同低温梯度和不同储层压力等条件下超临界CO2载热效率，以及在超临界CO2加热后运移过程中的热量损失研究，评价超临界CO2增强地热开发的效率，构建CO2注入增强地热开发的CO2注入-热交换-运移地质模型。

3）CO2-EGS高效注采工艺

基于所构建的CO2-EGS有利区综合勘查评价与CO2-EGS工程选址方法，优化注采井井位部署，采用热储层数值模拟与工程试验相结合的方法研究CO2注入与EGS开采过程中超临界CO2流体与围岩的热交换效率，计算不同循环压力、循环温度、循环速率下超临界CO2热提取率，查明CO2循环注入参数对CO2地质封存及EGS地热发电效益的影响，进而优化施工过程中的CO2循环注入参数。

3.4 亟需解决的关键技术问题

（1）山西省CO2地质封存与EGS发电一体化的潜力评价与工程选址技术，包括：临汾盆地等为代表的高地热异常区地热基础地质调查、采样与地热温标测试化验、地热异常区地质特征与地热资源赋存规律研究、超临界CO2-EGS发电选址方法研究。

（2）超临界CO2-EGS前景区地质-地球物理综合勘查评价关键技术，包括：中深层地热开发前景区野外地质调查、采样测试与地热地质综合评价、地热地球物理评价方法与关键技术研究、目标区地质-地球物理综合勘查工程试验与靶区、热储层优选。

（3）超临界CO2-EGS注采井成井、热储层高效改造关键技术与注CO2-封存-采热工艺，包括：中深层地热井高效成井工艺研究、热储层可压性评价与同步水力压裂高效改造关键技术研究、注CO2-封存-采热工艺。

（4）超临界CO2-EGS关键技术与装备研发，包括：多场耦合下EGS储层超临界CO2热交换工程模拟研究、超临界CO2高效取热关键技术与地质适配性工艺研究、超临界CO2循环发电技术与装备研发。

（5）超临界CO2-EGS先导性示范工程与关键技术集成，包括：高温钻完井与地球物理探测监测、注采井同步水力压裂热储层改造、超临界CO2-EGS泵注与发电设备研制加工、关键技术集成与工程效果评价。

4 山西省CO2-EGS产业化前景展望

山西省中深层地热资源丰富，省内适宜开展CO2地质封存的地层分布广泛。加快CO2-EGS产业发展，不仅符合国家和山西省的能源与环保政策，而且可以带来良好的社会、经济与环境效益，因此CO2-EGS产业技术的在山西省的推广应用及发展具有广阔的前景。

从政策支持层面来看，山西省已经制定了关于干热岩型地热资源开发的相关规划和政策，这些规划和政策必将有助于培养和造就一批地热地质、地热开发领域的专家队伍以及促进相关技术研究机构的设立，如能最终与教学、科研机构相结合，打造完善的人才培养模式，必将加速山西省CO2-EGS产业发展。

从经济效益来看，山西省火电装机容量超1亿kW，每年会产生大量CO2，CO2-EGS产业发展则可实现CO2的永久地质封存，同时燃煤电厂捕集、提纯并压缩液化后的CO2还可作为产品面向地热开发单位销售，销售价格可达到200～300元/t。以年捕集100万吨CO2的燃煤电厂为例，若碳汇价格按50元/吨计算，销售CO2价格按250元/t计算，则其年碳汇成本可节省0.5亿元，年CO2销售收益可达2.5亿元。此外，燃煤电厂捕集、提纯、封存或利用CO2，符合国家推行的“碳达峰、碳中和”的发展战略，预期环境与社会效益显著。

供稿人：田忠斌 山西省煤炭地质物探测绘院有限公司 董事长/正高