PNNL成功將ERT電阻率層析成像技術用於地下裂縫3D延時監測

在 2021 年 10 月 8 日首次發表於國際著名地學刊物《JGR Solid Earth》上的一篇文章中，美國太平洋西北實驗室（PNNL）帶領的一支研究團隊，介紹了一種名叫“電阻率斷層掃描”（簡稱 ERT）的深層地下裂縫監測方法。可知通過測量岩石中的電導率，ERT 方案能夠生成地下的 4D（即 3D + 延時）圖像。

實驗在桑福德地下 4850 英尺的礦井隧道中進行（圖自：PNNL）

為了更好地利用地熱能源，地質考察人員需要藉助在岩石中打開的裂縫，以探究地下深處灼熱花崗岩所蘊含的能量。

不過想要清楚了解岩石隨時間而發生的變化，設置增強型地熱系統的技術難度，就會複雜到超乎常人的想象。

ERT 圖像示例

據悉，傳統地熱系統依賴於熱岩內部已經存在的液體及其流動路徑。而通過注入水和裂縫，增強型地熱系統可以捕獲困在乾燥岩石中的熱量。

操作人員可嘗試在地表下方數千英尺處鑽探兩口地下井，然後將高壓流體泵入井間的岩石中以使其破裂 —— 這種熱量獲取方式，很像是石油 / 天然氣的“壓裂”開採方法。

延時電阻率斷層掃描動圖示意

由於溫度高達 200℃（392℉）以上，於兩口井間往返地面的液體，可從岩石中收集產生蒸汽的能量，進而驅動渦輪機發電。

有數據稱，增強型地熱系統可提供大約 100 GWh 的電力 —— 足以為上億戶家庭供電。不過此類系統涉及昂貴的鑽探過程，同時需要更好地監測和預測地下變化，以減少項目可能面臨的不確定性風險。

研究配圖 - 1：幾個飽和結晶岩樣品的電阻率與圍壓之間的關係

具體說來是，岩石中的裂縫需響應高壓流體注入引起的應力而開啟或關閉，從而改變系統的熱量輸出。地震活動仍是不可忽視的一項監測指標，但迄今所能做到的相對有限。

研究合著者、PNNL 計算科學家 Tim Johnson 表示：“想在深而熱的岩石中鑽出足夠多的監測井，其直接採樣的成本太過高昂。而新項目的重點，就旨在更好地理解並預測在兩口井之間的裂縫於高應力環境中的表現”。

研究配圖 - 2：測試台和監控線的平面圖

為此，他們設想到了將 ERT 金屬電極插入監測鑽孔中，然後對岩石的電導率進行 3D 成像。如果數據隨着時間的推移而增加，就表明裂縫正在開啟。而當裂縫更小或閉合時，電導率又會降低。

另外 Tim Johnson 開發了一款在超算上運行的 E4D 軟件，並以類似熱圖的視覺效果來呈現所有電信號、以及隨時間而變的波動狀況。早在 2016 年，這款軟件就榮獲了 R&D 100 Award 獎項。

研究配圖 - 3：電導率和天然裂縫模式的預刺激圖像

Johnson 補充道：其原理類似於醫學成像，只是還加上了延時參數。作為一款 3D 監測工具，你可藉助 ERT 來觀察事物是如何變化的，其通常與流體在地下的流動方式有關。

目前 PNNL 研究團隊已在 350 英尺的較淺深度範圍內試驗過 E4D 軟件分析，但要在更深層級上展開相關測試，還需等待南達科他州桑福德地下研究設施的最新進展。

研究配圖 - 4：層間壓力和注入 / 生產流速相關的電阻率斷層掃描數據

據悉，作為美國能源部（DOE）加強獲取地下儲藏自然能源的更大合作的一部分，這項研究還得到了能效與可再生能源辦公室和其它熱技術辦公室的支持。

此外勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）帶領的這項增強型地熱系統（EGS）合作項目，其成員包括了 PNNL、桑迪亞、勞倫斯利弗莫爾（LLNL）、愛達荷、以及洛斯阿拉莫斯（LNAL）等國家級實驗室。

研究配圖 - 5：電導率增加的區域表明孔隙度增加

與研究團隊在較淺的深度上開展的早期實驗一樣，桑德福 ERT 項目也致力於監測流體的運動 —— 儘管剛開始的時候，他們的目的並不在此。

Johnson 表示：“若我們觀察到的電導率變化和流體運動沒有任何關係，那它到底又揭示了什麼呢？”經過多 1960 - 1970 年代的諸多科學論文進行檢索，他們最終找到了一個答案。

研究配圖 - 6：電導率降低的區域表明孔隙度降低

麻省理工學院（MIT）和勞倫斯伯克利國家實驗室（LLNL）研究人員曾注意到 —— 結晶岩石的電導率，會在應力作用下發生改變。

實驗室研究表明，壓縮岩石會使其導電性降低 —— 這表明 ERT 不只是跟隨地下流體，也在測量空隙如何在壓力下開啟和閉合。而一旦建立了這種聯繫，就延時圖像的作用而言，一切都變得極具意義了。

（Journal of Geophysical Research：Solid Earth）

此外得以於沒有安裝移動部件和電極，ERT 裝置的維護成本極低、能夠在灌注時立即投入運行、且實時成像能夠為操作者提供很好的反饋。遺憾的是，ERT 並不能與常見的金屬井筒套管方案一起使用。

至於解決方法，項目組或可使用玻璃纖維井筒套管外層、在外殼上塗覆非金屬的環氧樹脂、甚至徹底換用新型的非金屬材料。