高溫干熱巖地熱開(kāi)發(fā)開(kāi)采技術(shù)重點(diǎn)挑戰與現狀

地大熱能：在全球向多元化“新能源時(shí)代”轉型的大趨勢下，中國作為能源消費大國和負責任大國，肩負著(zhù)促進(jìn)地區能源轉型、實(shí)現綠色低碳可持續發(fā)展的重任。作為巴黎氣候協(xié)定的締約方，中國積極應對氣候變化，提出了2030年碳達峰、2060年碳中和的遠景目標。國家“十四五”規劃明確提出“推動(dòng)能源清潔低碳安全高效利用”，并在中央財經(jīng)委員會(huì )第九次會(huì )議上把“雙碳”目標納入了我國生態(tài)文明建設整體布局，大力開(kāi)發(fā)清潔可再生能源，契合我國能源重大戰略需求。

地熱能作為一種重要的清潔可再生能源，具有低碳環(huán)保、穩定高效等特點(diǎn)，與風(fēng)能、太陽(yáng)能等能源相比，不受季節、氣候、晝夜等外界因素干擾，發(fā)電利用效率(Capacity factor)達73%，約為太陽(yáng)能的5.2倍、風(fēng)能的3.5倍，是一種現實(shí)并具有競爭力的新能源。

地熱能主要包含水熱型(含水)和干熱巖型(不含水)兩類(lèi)，目前我國地熱能開(kāi)發(fā)仍以水熱型為主，中低溫地熱直接利用居世界首位，而高溫干熱巖地熱開(kāi)發(fā)尚處于起步階段。

干熱巖增強型地熱系統

增強型地熱系統(Enhanced Geothermal Systems，簡(jiǎn)稱(chēng)EGS)是目前開(kāi)發(fā)干熱巖的主要手段，原理如圖2所示，即通過(guò)水力壓裂等方法在高溫地層中人工造儲，形成裂縫網(wǎng)絡(luò )溝通注入井和生產(chǎn)井，之后循環(huán)工質(zhì)取熱，進(jìn)行發(fā)電和綜合利用。干熱巖EGS已成為國際能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，美、英、日、法、德等相繼實(shí)施了大規模EGS地熱項目。我國干熱巖地熱資源分布廣泛，近年來(lái)在藏南、滇西、川西、東南沿海等地區相繼取得了重大勘探突破，并開(kāi)始著(zhù)手建立我國首個(gè)干熱巖EGS示范工程。

 全球主要地熱資源分布

我國干熱巖地熱研究起步較晚。2012年初，在中科院組織起草的《科技發(fā)展新態(tài)勢與面向2020年的戰略選擇》報告中，“深層地熱能將成為主要可再生能源之一”被列入其中，成為“十二五”和“十三五”期間著(zhù)重突破的重大科技問(wèn)題之一。同年，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)啟動(dòng)了“干熱巖熱能開(kāi)發(fā)與綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究”項目。

2013年，制定了《全國干熱巖勘查與開(kāi)發(fā)示范實(shí)施方案》，在青藏高原、東南沿海、華北平原和松遼盆地開(kāi)展了干熱巖資源調查，初步擬定了我國干熱巖地熱勘察開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)體系。2016年開(kāi)始實(shí)施“全國地熱資源調查評價(jià)與勘查示范工程”，先后在青海共和、海南瓊北、福建漳州等地區鉆遇優(yōu)質(zhì)干熱巖體，干熱巖資源潛力得到驗證。

然而，根據國際地熱協(xié)會(huì )(IGA)數據，截至2021年，全球累計地熱發(fā)電裝機容量為15.85 GW，而中國地熱發(fā)電能力約為45.46 MW，占比僅為0.29%，亟需形成干熱巖高效鉆采與調控技術(shù)，推動(dòng)我國深層高溫地熱開(kāi)發(fā)利用進(jìn)程。為此，2021年國家自然科學(xué)基金委啟動(dòng)了地熱領(lǐng)域首個(gè)重大項目“干熱巖地熱資源開(kāi)采機理與方法”，項目由中國石油大學(xué)(北京)牽頭，旨在借鑒油氣行業(yè)成熟的鉆采理論和技術(shù)，超前部署，開(kāi)展多學(xué)科交叉和綜合性研究，提升我國干熱巖地熱基礎研究的源頭創(chuàng )新能力。

 干熱巖增強型地熱系統示意圖

重大挑戰與技術(shù)現狀

快速鉆達地熱儲層(建井)、形成穩定的熱儲通道(造儲)以及循環(huán)工質(zhì)高效取熱(開(kāi)采)是干熱巖EGS的3大技術(shù)關(guān)鍵。然而，相比于油氣和中低溫地熱儲層，干熱巖儲層地質(zhì)條件復雜，具有典型的“四高”特征：

(1)高溫度：干熱巖溫度高于180℃，美國大部分干熱巖儲層溫度基本都在200℃以上，美國Geysers以及冰島的EGS示范項目部分儲層甚至高達400℃;(2)高硬度：干熱巖資源主要賦存于高溫堅硬的花崗巖和變質(zhì)巖中，埋深大部分超過(guò)3000 m，部分地層巖石單軸抗壓強度在200 MPa以上，可鉆性達10級，研磨性極強；

(3)高應力：因構造運動(dòng)活躍，最大水平主應力當量鉆井液密度超過(guò)2.8 g/cm3，是常規泥頁(yè)巖的2倍以上；

(4)高致密：地層巖石密度大(2.8～3.1 g/cm3)、孔隙度和滲透率極低(<10-3 m D)。上述復雜地質(zhì)條件，使得干熱巖地熱開(kāi)采在鉆井建井、壓裂造儲和流動(dòng)取熱等關(guān)鍵環(huán)節面臨重大難題和技術(shù)挑戰。

鉆井建井

鉆達地熱儲層、形成穩定井眼是實(shí)現深部地熱資源開(kāi)采的先決條件。鉆井是干熱巖資源開(kāi)發(fā)的主體技術(shù)(約占總投資的35%～60%)，在超高溫、異常堅硬的儲層中建成可靠的循環(huán)注采井筒通道，是地熱資源勘探、提高產(chǎn)量、降低成本最主要的工程環(huán)節。然而，由于深部地熱儲層巖體高溫、高強度、耐研磨等特點(diǎn)，干熱巖鉆完井面臨以下幾方面的技術(shù)挑戰：

(1)干熱巖硬度高、耐研磨，地層可鉆性極差，導致鉆頭磨損嚴重。青海共和盆地進(jìn)尺2497 m消耗鉆頭50余只，單只鉆頭平均進(jìn)尺不足40 m，美國Geysers地熱田花崗巖地層單只鉆頭甚至不足30 m。

(2)機械鉆速低，建井周期長(cháng)、成本高，嚴重制約了干熱巖的商業(yè)化開(kāi)發(fā)。美國芬頓山EE-2井(4660 m)建井周期410天，冰島IDDP-1井(2096 m)鉆井周期402天，我國青海共和GH01井中鉆進(jìn)花崗巖井段平均鉆速僅1.43 m/h，建井周期長(cháng)達430天。

(3)鉆井液體系在高溫下流變性和穩定性發(fā)生劣化，高溫井眼清潔效果差，護壁和攜巖能力降低，加之地層裂縫和斷層發(fā)育，導致鉆井液漏失嚴重，容易誘發(fā)井下安全事故。

(4)高溫引起水泥漿固結緩慢和水泥石強度衰退，造成套管擠壓變形和密封失效，影響成井安全，如肯尼亞OW-36A井和法國Soultz干熱巖項目，均出現了水泥環(huán)高溫失效導致的套損問(wèn)題。此外，傳統水泥漿體系未考慮隔熱作用，導致EGS注采過(guò)程中井筒沿程熱損失嚴重，影響地熱能發(fā)電和綜合利用效率。

高溫硬地層高效破巖及鉆井提速技術(shù)

巖石可鉆性評價(jià)是實(shí)現鉆頭選型和個(gè)性化設計的基礎?，F有可鉆性評價(jià)主要針對砂巖或泥頁(yè)巖等常規沉積巖地層，鮮有關(guān)于高溫花崗巖可鉆性等鉆井關(guān)鍵參數的評價(jià)報道，缺乏高溫高壓(>200℃)條件下硬巖可鉆性等鉆井參數的評價(jià)方法和體系，鉆頭選型及參數設計缺乏理論依據。

 世界典型EGS工程井深與熱儲溫度

鉆頭作為破巖的主要工具，是實(shí)現干熱巖優(yōu)快鉆井的關(guān)鍵。為適應干熱巖井下高溫環(huán)境，國內外對鉆頭進(jìn)行結構優(yōu)化和材料升級，貝克休斯牙輪鉆頭最高耐溫能力達到288℃，國民油井Reed-Hycalog超硬熱穩定PDC可鉆穿抗壓強度達到280 MPa的硬地層，并具有很強的耐磨性和抗沖擊性[干熱巖鉆井需求，但高溫高壓下軸承壽命問(wèn)題無(wú)法解決，在干熱巖井中工作時(shí)長(cháng)和穩定性得不到保障，掉牙輪情況頻發(fā)，井下風(fēng)險高，且提速效果不理想。

干熱巖地層中鉆速低的主要原因是常規破巖手段能量不足，對于花崗巖等硬地層鉆頭齒吃入深度有限，難以形成體積破碎，同時(shí)鉆頭工作狀態(tài)不穩定，持續處于黏滑和振動(dòng)等不利工作環(huán)境中，牙齒崩裂磨損嚴重。異形齒PDC鉆頭在高強度、高研磨性地層鉆井中展現出良好的適用性，可通過(guò)采用新材料增強其耐溫和抗沖擊性能，近年來(lái)引起了各大油服公司和國內外學(xué)者的廣泛關(guān)注。針對錐形齒、斧型齒、三棱齒等異型齒破巖機理開(kāi)展了大量研究，實(shí)驗結果表明：錐形齒等異形齒破巖性能和吃入巖石能力均優(yōu)于常規PDC齒，可大幅降低破巖比能、提高機械鉆速。因此，基于異型齒混合布齒的個(gè)性化自適應PDC鉆頭，配合耐溫耐沖擊增強型材料，有望為干熱巖硬地層破巖效率低的問(wèn)題提供解決思路。

在動(dòng)力鉆具和提速方法方面，螺桿鉆具在高溫下橡膠部件老化，導致在干熱巖中應用受限，我國高溫螺桿鉆具耐溫一般不超過(guò)180℃。貝克休斯正在研發(fā)耐高溫300℃動(dòng)力鉆具系統，包括Kymera鉆頭、全金屬螺桿鉆具、螺桿用金屬間潤滑劑等。相比于螺桿鉆具，渦輪鉆具由于其全金屬的結構特點(diǎn)，耐溫能力普遍可以達到260℃，配合孕鑲金剛石鉆頭，可大幅提高機械鉆速。對于隨鉆測量等含電子元件工具，目前耐溫能力普遍不超過(guò)180℃，特別是對于空氣鉆井或泡沫鉆井，工具抗高溫性能尚難以滿(mǎn)足干熱巖高溫環(huán)境。

旋轉沖擊器和扭力沖擊器在油氣井中提速效果好，采用金屬密封結構能夠適應260℃以上高溫環(huán)境，但目前未規?；瘧糜?a href="http://keyinmall.com/t/干熱巖鉆井.html" >干熱巖鉆井工程。旋沖鉆井和扭沖鉆井利用了硬巖脆性強、沖擊易碎的特點(diǎn)，實(shí)現切削與沖擊破巖的結合，提高了PDC齒吃入地層的深度，同時(shí)增大了巖屑破碎體積，有望有效提高硬地層的機械鉆速。建議后續加強高溫高應力下軸扭耦合破巖機理研究，探索多維沖擊耦合破碎干熱巖方法的可行性。

壓裂造儲

壓裂造儲是干熱巖EGS開(kāi)發(fā)的核心步驟，直接決定著(zhù)干熱巖地熱開(kāi)采的成敗及整體經(jīng)濟效益。干熱巖造儲要求形成大規模連通的復雜立體縫網(wǎng)(圖6)，造縫要求高、改造難度大，注采井溝通困難，油氣行業(yè)傳統的水力壓裂技術(shù)無(wú)法照搬到深層地熱。截至2020年底，全球累計建設示范性EGS工程項目逾60項，但目前實(shí)施的EGS項目中儲層改造效果仍不理想、儲層改造方法和注采井溝通方案仍不成熟，主要面臨以下難題：

巖石強度大，起裂壓力高，存在誘發(fā)地震風(fēng)險。澳大利亞Habanero和韓國Pohang干熱巖EGS儲層改造中地層破裂壓力均超過(guò)了100 MPa，其中2017年11月韓國Pohang發(fā)生的Mw5.4級地震，被認為由干熱巖壓裂所導致，2006年瑞士的巴塞爾干熱巖試驗項目也因誘發(fā)地震而被迫關(guān)停。

裂縫單一，難以形成縫網(wǎng)，容易引起熱短路。大規模的復雜立體縫網(wǎng)是EGS高效換熱的基礎，然而日本Hijiori、德國Gro?Sch?nebeck、英國Rosemanowes等EGS項目表明，干熱巖儲層人工壓裂形成的裂縫通常較為單一、換熱面積有限，注采井間容易形成高滲通道，發(fā)生熱短路，導致造儲失敗。

裂縫延伸不可控，注采井溝通困難。干熱巖儲層改造過(guò)程應力擾動(dòng)復雜，強溫差熱應力和天然裂縫綜合影響下水力裂縫擴展預測難度大，美國Fenton Hill項目在3個(gè)階段的儲層改造工作中，經(jīng)歷8次鉆井、5次壓裂才實(shí)現發(fā)電，但最終仍由于人工裂縫未有效溝通注采井、循環(huán)工質(zhì)嚴重流失等原因而被迫終止，此外英國的Rosemanowes和日本的Hijiori干熱巖項目中也出現過(guò)注采井無(wú)法連通的問(wèn)題。

要建成安全、經(jīng)濟、高效的人工熱儲并非易事，如何采用“柔性造儲”的方式有效溝通注采井，避免純粹靠提高壓力改造儲層是構建EGS系統的重大難題與需求。柔性造儲是指通過(guò)熱力交變、壓力/排量振蕩以及化學(xué)刺激等相結合的方法，誘導巖體疲勞損傷和裂縫剪切滑移，溝通天然裂縫，在降低起裂壓力、提升縫網(wǎng)尺度和復雜度的同時(shí)，有效降低誘發(fā)地震的風(fēng)險。

以構建復雜立體縫網(wǎng)、降低地震風(fēng)險為目標，近年來(lái)學(xué)者從傳統水力壓裂造縫和造儲新方法兩方面開(kāi)展了大量研究，探索了剪切壓裂、循環(huán)/疲勞壓裂、化學(xué)刺激、徑向井壓裂以及超臨界二氧化碳和超低溫液氮壓裂等干熱巖熱儲改造新思路，但總體上技術(shù)仍不成熟，尚未形成一種“可復制”的干熱巖高效造儲方法。

 干熱巖人工造儲難題示意圖

流動(dòng)取熱

高效取熱、合理優(yōu)化是深部地熱經(jīng)濟高效開(kāi)采的重要保證。干熱巖開(kāi)采涉及多場(chǎng)(溫度、應力、位移/應變)、多相(氣、液、固)、多過(guò)程(滲流、熱傳導、應力演化、水巖反應等)耦合，氣液運移、熱傳導和化學(xué)反應會(huì )影響干熱巖熱儲變形和巖體強度特征，取熱過(guò)程受控于其在多場(chǎng)多過(guò)程耦合作用下跨尺度的物理/力學(xué)/化學(xué)機制，EGS取熱面臨以下2方面挑戰：

(1) 多場(chǎng)耦合傳熱機制不清，熱儲取熱優(yōu)化難、效率低。熱儲內工質(zhì)高效取熱是干熱巖開(kāi)發(fā)的根本目標。然而不同于油氣儲層，地熱開(kāi)采伴隨著(zhù)劇烈的溫度場(chǎng)擾動(dòng)和水巖反應(礦物溶解/沉淀)，涉及熱—流—固—化四場(chǎng)耦合，多場(chǎng)耦合作用下地層滲流和熱交換機制復雜，為取熱效率預測和優(yōu)化帶來(lái)挑戰。

(2)注采參數難匹配，開(kāi)采調控缺乏依據、壽命短。合理的開(kāi)采制度是干熱巖長(cháng)效開(kāi)發(fā)的重要保證。然而，熱儲長(cháng)期注采過(guò)程中多場(chǎng)時(shí)空演化規律復雜，目前缺乏多目標優(yōu)化設計方法，導致注采參數難匹配，開(kāi)采過(guò)程容易形成“優(yōu)勢通道”，如法國Soultz的GPK-3井中單條裂縫控制了70%的流量，為熱儲長(cháng)期均衡取熱帶來(lái)挑戰。美國Fention Hill的EE-1井和GT-2井在為期75天的注采試驗中生產(chǎn)溫度從175℃下降到85℃，日本Hijiori也因開(kāi)采過(guò)程中溫度驟降，出現熱短路，導致項目終止，運行時(shí)間不足一年。

熱儲取熱過(guò)程熱—流—固—化四場(chǎng)耦合關(guān)系

干熱巖地熱資源分布廣、潛力大，是傳統化石能源轉型的新機遇，也是國家綠色低碳發(fā)展的潛在著(zhù)力點(diǎn)之一。盡管?chē)鴥韧庾陨鲜兰o70年代以來(lái)針對干熱巖EGS已經(jīng)開(kāi)展了數10項示范性探索，僅有法國Soultz地區成功實(shí)現了商業(yè)化運行，“可復制性”較低、難以大規模推廣。

因此，強化干熱巖開(kāi)采相關(guān)基礎理論與應用技術(shù)研究，突破建井、造儲和取熱3大關(guān)鍵難題，是尋求干熱巖經(jīng)濟高效開(kāi)發(fā)的根本途徑。首先，要以經(jīng)濟性為導向，針對干熱巖鉆井建井成本較高的問(wèn)題，重點(diǎn)探索適用于干熱巖地層的高效破巖和鉆井提速方法，縮短鉆井周期和成本；

其次，以構建復雜縫網(wǎng)、降低誘發(fā)地震風(fēng)險為核心，大力發(fā)展EGS柔性造儲技術(shù)，根據裂縫性干熱巖儲層特點(diǎn)，以激活和溝通天然裂縫為突破口，形成裂縫性地層復雜縫網(wǎng)造儲技術(shù)，突破干熱巖復雜縫網(wǎng)造儲理論與方法；

最后，以資源利用和長(cháng)效開(kāi)發(fā)為目標，重點(diǎn)突破熱儲內熱—流—固—化多場(chǎng)耦合換熱機制，構建干熱巖開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化設計和調控方法，為干熱巖地熱經(jīng)濟高效開(kāi)發(fā)奠定理論基礎，推動(dòng)國家能源轉型和綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。