地下深处灼热的花岗岩可以通过打开岩石中的裂缝来获取能量。这种被称为增强型地热能的潜在资源需要对岩石随时间发生的变化有清晰的认识——这是一个难以捕捉的复杂图景。

由太平洋西北国家实验室 (PNNL) 研究人员领导的一个团队展示了一种监测深层地下裂缝的新方法。的技术中，电阻率成像(ERT)，仪表通过测量地下变化的导电性的岩石。ERT 生成 4D(即 3D 加延时)地下图像。

什么是增强型地热系统?

传统的地热系统依赖于已经存在于热岩中的水和流动路径。增强的地热系统通过引入水和裂缝来收集干燥岩石中的热量。操作员在地表以下数千英尺处钻两个地下井，然后在高压下注入流体以压裂井间的岩石。热压裂过程类似于所谓的“压裂”页岩岩以释放石油和天然气。

此级别的温度可能会超过 200 ºC (392 ºF)。水从一口井抽到另一口井，再回到地表，从岩石中收集热量，产生蒸汽，可以驱动涡轮机发电。

增强型地热系统可以提供大约 100 吉瓦的电力——足以为 1 亿个家庭供电。但此类系统涉及昂贵的钻探，它们需要更好地监测和预测地下变化，以减少与给定项目相关的不确定性和风险。

与任何地下环境一样，增强型地热系统会随着时间而变化。岩石中的裂缝会随着高压流体注入引起的应力而打开和关闭，从而改变系统的热输出。地震活动是地下应力的一项指标，但来自微地震监测的信息有限。

该研究的合著者、PNNL 的计算科学家蒂姆约翰逊说：“在这些深而热的岩石中，钻足够多的监测井以了解使用直接采样的情况太昂贵了。” “该项目的主要重点是更好地了解并最终预测当您尝试将裂缝连接在两口井之间时，裂缝在高应力环境中的表现。”

获得更清晰的地下图像

ERT 涉及将金属电极放置在监测钻孔内，然后当电流在它们之间传输时对岩石的电导率进行成像。随着时间的推移，电导率的增加表明裂缝正在打开;当裂缝变窄或闭合时，电导率下降。Johnson 开发了名为 E4D 的软件，该软件在超级计算系统上运行，并将所有这些电子信息转换为看起来有点像热图的图像，显​​示电导率随时间的变化。E4D 在 2016 年获得了 R&D 100 奖。

“它类似于医学成像，只是你在做一个时间流逝，”约翰逊说。“所以你正在观察事物是如何变化的，通常这种变化与流体在地下的流动方式有关。”

Johnson 和 PNNL 的其他研究人员率先将 ERT 用作 3D 监测工具，并将 E4D 用于最深达 350 英尺的较浅深度，例如，它已被用于检测和追踪污染物。为了在地下深处对其进行测试，该团队将其部署在南达科他州利德市的桑福德地下研究设施中。这项工作由能源部 (DOE) 的能源效率和可再生能源办公室通过其地热技术办公室提供支持，是整个能源部更大范围的合作努力的一部分，旨在加强对地下自然资源的获取和储存。劳伦斯伯克利国家实验室领导这项工作，称为增强地热系统 (EGS) 协作。合作实验室包括 PNNL、桑迪亚国家实验室、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、爱达荷国家实验室、

开创一种新的地下成像技术

桑福德 ERT 监测的目的是监测流体流动，正如在较浅层所做的那样。但最初的结果似乎与那些早期的用途不一致。

“我们所看到的电导率变化在流体流动方面没有意义，”约翰逊说。但是，如果电导率不反映流体的运动，它显示的是什么?

经过多年寻找答案，约翰逊在 1960 年代和 1970 年代的科学论文中找到了它。麻省理工学院和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员观察到结晶岩石的电导率随着应力的变化而变化——在实验室实验中挤压岩石使其导电性降低。这意味着 ERT 不仅仅是跟踪地下流体。它绘制了响应压力的裂缝打开和关闭的图表。

“一旦我们建立了这种联系，就延时图像的作用而言，一切都是有意义的，”约翰逊说。

ERT 提供了几个优点。由于没有安装在井套管外的移动部件和电极，该设备维护成本低，并且可以在注入时运行。成像是实时发生的，为设施操作员提供反馈，如果需要，他们几乎可以立即使用。然而，ERT 不能与金属井筒套管一起使用，金属井筒套管在深层地下项目中无处不在。

有很多方法可以绕过这个障碍，例如使用玻璃纤维外壳、用非金属环氧树脂涂覆外壳或完全使用不同的非金属材料。但就目前而言，约翰逊和团队正在继续改进和测试在桑福德工厂对 ERT 的使用。

论文“在高压注入结晶岩层期间使用电阻率层析成像对裂缝扩张和应力阴影进行 4D 代理成像”于 10 月发表在《地球物理研究杂志：固体地球》上。