PNNL成功将ERT电阻率层析成像技术用于地下裂缝3D延时监测

在 2021 年 10 月 8 日首次发表于国际著名地学刊物《JGR Solid Earth》上的一篇文章中，美国太平洋西北实验室（PNNL）带领的一支研究团队，介绍了一种名叫“电阻率断层扫描”（简称 ERT）的深层地下裂缝监测方法。可知通过测量岩石中的电导率，ERT 方案能够生成地下的 4D（即 3D + 延时）图像。

实验在桑福德地下 4850 英尺的矿井隧道中进行（图自：PNNL）

为了更好地利用地热能源，地质考察人员需要借助在岩石中打开的裂缝，以探究地下深处灼热花岗岩所蕴含的能量。

不过想要清楚了解岩石随时间而发生的变化，设置增强型地热系统的技术难度，就会复杂到超乎常人的想象。

ERT 图像示例

据悉，传统地热系统依赖于热岩内部已经存在的液体及其流动路径。而通过注入水和裂缝，增强型地热系统可以捕获困在干燥岩石中的热量。

操作人员可尝试在地表下方数千英尺处钻探两口地下井，然后将高压流体泵入井间的岩石中以使其破裂 —— 这种热量获取方式，很像是石油 / 天然气的“压裂”开采方法。

延时电阻率断层扫描动图示意

由于温度高达 200℃（392℉）以上，于两口井间往返地面的液体，可从岩石中收集产生蒸汽的能量，进而驱动涡轮机发电。

有数据称，增强型地热系统可提供大约 100 GWh 的电力 —— 足以为上亿户家庭供电。不过此类系统涉及昂贵的钻探过程，同时需要更好地监测和预测地下变化，以减少项目可能面临的不确定性风险。

研究配图 - 1：几个饱和结晶岩样品的电阻率与围压之间的关系

具体说来是，岩石中的裂缝需响应高压流体注入引起的应力而开启或关闭，从而改变系统的热量输出。地震活动仍是不可忽视的一项监测指标，但迄今所能做到的相对有限。

研究合著者、PNNL 计算科学家 Tim Johnson 表示：“想在深而热的岩石中钻出足够多的监测井，其直接采样的成本太过高昂。而新项目的重点，就旨在更好地理解并预测在两口井之间的裂缝于高应力环境中的表现”。

研究配图 - 2：测试台和监控线的平面图

为此，他们设想到了将 ERT 金属电极插入监测钻孔中，然后对岩石的电导率进行 3D 成像。如果数据随着时间的推移而增加，就表明裂缝正在开启。而当裂缝更小或闭合时，电导率又会降低。

另外 Tim Johnson 开发了一款在超算上运行的 E4D 软件，并以类似热图的视觉效果来呈现所有电信号、以及随时间而变的波动状况。早在 2016 年，这款软件就荣获了 R&D 100 Award 奖项。

研究配图 - 3：电导率和天然裂缝模式的预刺激图像

Johnson 补充道：其原理类似于医学成像，只是还加上了延时参数。作为一款 3D 监测工具，你可借助 ERT 来观察事物是如何变化的，其通常与流体在地下的流动方式有关。

目前 PNNL 研究团队已在 350 英尺的较浅深度范围内试验过 E4D 软件分析，但要在更深层级上展开相关测试，还需等待南达科他州桑福德地下研究设施的最新进展。

研究配图 - 4：层间压力和注入 / 生产流速相关的电阻率断层扫描数据

据悉，作为美国能源部（DOE）加强获取地下储藏自然能源的更大合作的一部分，这项研究还得到了能效与可再生能源办公室和其它热技术办公室的支持。

此外劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）带领的这项增强型地热系统（EGS）合作项目，其成员包括了 PNNL、桑迪亚、劳伦斯利弗莫尔（LLNL）、爱达荷、以及洛斯阿拉莫斯（LNAL）等国家级实验室。

研究配图 - 5：电导率增加的区域表明孔隙度增加

与研究团队在较浅的深度上开展的早期实验一样，桑德福 ERT 项目也致力于监测流体的运动 —— 尽管刚开始的时候，他们的目的并不在此。

Johnson 表示：“若我们观察到的电导率变化和流体运动没有任何关系，那它到底又揭示了什么呢？”经过多 1960 - 1970 年代的诸多科学论文进行检索，他们最终找到了一个答案。

研究配图 - 6：电导率降低的区域表明孔隙度降低

麻省理工学院（MIT）和劳伦斯伯克利国家实验室（LLNL）研究人员曾注意到 —— 结晶岩石的电导率，会在应力作用下发生改变。

实验室研究表明，压缩岩石会使其导电性降低 —— 这表明 ERT 不只是跟随地下流体，也在测量空隙如何在压力下开启和闭合。而一旦建立了这种联系，就延时图像的作用而言，一切都变得极具意义了。

（Journal of Geophysical Research：Solid Earth）

此外得以于没有安装移动部件和电极，ERT 装置的维护成本极低、能够在灌注时立即投入运行、且实时成像能够为操作者提供很好的反馈。遗憾的是，ERT 并不能与常见的金属井筒套管方案一起使用。

至于解决方法，项目组或可使用玻璃纤维井筒套管外层、在外壳上涂覆非金属的环氧树脂、甚至彻底换用新型的非金属材料。