干熱巖熱能開發(fā)技術(shù)進展與思考

曾義金

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101)

干熱巖熱能開發(fā)技術(shù)進展與思考

曾義金

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101)

干熱巖地?zé)豳Y源是最具應(yīng)用價值和利用潛力的清潔能源。我國干熱巖資源量巨大，其高效開發(fā)對于加快我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、保證能源安全具有重大戰(zhàn)略意義。在介紹干熱巖地?zé)豳Y源分布、開發(fā)利用現(xiàn)狀、工程技術(shù)進展的基礎(chǔ)上，指出基礎(chǔ)科學(xué)研究、鉆井完井技術(shù)、大型壓裂技術(shù)、熱能提取技術(shù)等是干熱巖地?zé)岣咝ч_發(fā)的重點攻關(guān)方向。圍繞干熱巖地?zé)衢_發(fā)利用存在的硬地層破巖、鉆井圍巖穩(wěn)定、縫網(wǎng)壓裂、熱量交換等技術(shù)難題，開展技術(shù)攻關(guān)，通過示范工程，形成我國干熱巖地?zé)衢_發(fā)自主化技術(shù)體系，從而加快我國干熱巖地?zé)豳Y源的高效開發(fā)利用，實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，防治大氣污染，改善人民生活，促進經(jīng)濟社會生態(tài)環(huán)境科學(xué)、協(xié)調(diào)發(fā)展。

干熱巖 資源分布 鉆井完井 圍巖穩(wěn)定 縫網(wǎng)壓裂 有效開發(fā)

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)快速增長，對能源的需求量越來越大。煤、石油、天然氣等常規(guī)能源都是一次性能源，不但面臨剩余儲量不斷減少、嚴重枯竭的問題，還存在環(huán)境污染巨大的問題。因而，大力發(fā)展新能源勢在必行，地?zé)豳Y源成為新能源中的佼佼者，而干熱巖(Hot Dry Rock，簡稱HDR)地?zé)崾瞧渲凶罹邞?yīng)用價值和利用潛力的清潔能源。中國地質(zhì)調(diào)查局等的研究表明，中國大陸地?zé)豳Y源量巨大，3～10 km地層深處干熱巖地?zé)豳Y源總量為2.5×1025J，相當于860×1012t標準煤，若能采出2%，就相當于中國2010年全國一次性能耗總量(32.5×108t標準煤)的5 300倍。這表明，我國干熱巖地?zé)衢_發(fā)利用具有光明前景，對改善我國能源結(jié)構(gòu)、保證能源安全具有重大戰(zhàn)略意義[1-2]。

1 干熱巖分布概況及開發(fā)進展

干熱巖是指埋深2～6 km、溫度150～650 ℃、沒有水或蒸汽的熱巖體，可以人工直接提取出從巖體中流過的水蒸氣而直接用于發(fā)電和熱水利用，是可再生的“綠色能源”[3-5]。全球的干熱巖主要分布在美國墨西哥灣、南美太平洋沿岸國家、朝鮮半島、日本北海道，菲律賓、印度、新西蘭、南澳大利亞的部分地區(qū)，冰島等歐洲西北部和俄羅斯遠東地區(qū)等。全球干熱巖地?zé)豳Y源量巨大(如美國估算為 1.67×1025J，不包括黃石公園地區(qū))，比蒸汽型、熱水型和地壓型地?zé)豳Y源量大得多，比煤炭、石油、天然氣的熱能總和還要大[6]。

根據(jù)我國區(qū)域地質(zhì)背景，高熱流區(qū)均處于板塊構(gòu)造帶或構(gòu)造活動帶，我國西南部的地?zé)峄顒泳哂心蠌姳比?、西強東弱的規(guī)律，東部區(qū)的地?zé)峄顒映蕱|強西弱之勢。在滇藏、東南沿海、京津冀、環(huán)渤海等地區(qū)分布有較大范圍的火山巖體，說明我國具備干熱巖地?zé)豳Y源形成的區(qū)域構(gòu)造條件[5，7-8]。我國干熱巖主要分布在3個區(qū)域：沉積盆地區(qū)(東北、華北和蘇中)、近代火山活動地區(qū)(包括吉林長白山、山東蓬萊、海南瓊北、臺灣基隆、黑龍江五大連池、云南騰沖、新疆南部和青藏高原西南部等)和高熱流花崗巖地區(qū)(福建、廣東、廣西)。我國干熱巖所儲存的熱能約為已探明地?zé)豳Y源總量的 30%[9-13]。

早在1970年，美國人莫頓和史密斯就提出利用地下干熱巖發(fā)電的設(shè)想。1972年，美國在新墨西哥州北部鉆了兩口深約4 000 m的斜井，從一口井中將冷水注入到干熱巖體，從另一口井取出由巖體加熱產(chǎn)生的蒸汽進行發(fā)電，功率達2 300 kW，標志著干熱巖地?zé)岬拈_發(fā)利用進入試驗階段。

通過增強型地?zé)嵯到y(tǒng)(Enhanced Geothermal Systems，簡稱EGS)，利用干熱巖熱能發(fā)電，是目前世界上開發(fā)利用該資源的主要做法。EGS的原理是在干熱巖中鉆一口直井或定向井(注入井)，然后用清水、鹽水或壓裂液進行大排量壓裂，高溫巖體與冷水接觸后突然冷卻會產(chǎn)生裂隙，在大排量高壓作用下，干熱巖形成大的裂縫并不斷延伸，隨著低溫水的不斷注入，裂縫不斷增加、擴大，并相互連通，最終形成一個人工干熱巖熱儲構(gòu)造。然后，在距注入井合理的位置處鉆一口或幾口井(生產(chǎn)井)，貫通人工熱儲構(gòu)造，用來采出高溫水、汽。生產(chǎn)時，注入水沿著裂隙運動并與周邊的巖石發(fā)生熱交換，產(chǎn)生溫度高達150～300 ℃的高溫高壓水或水汽混合物，用于地?zé)岚l(fā)電和綜合利用。利用之后的溫水又通過注入井回灌到干熱巖中，從而達到循環(huán)利用的目的(如圖1所示)[6，11-14]。

目前，全世界有120多個國家在開發(fā)利用地?zé)豳Y源，其中比較典型的有美國、日本、澳大利亞等[14]。2001年，美國能源部開始實施“增強地?zé)嵯到y(tǒng)”干熱巖開發(fā)試驗計劃，預(yù)期在2030年實現(xiàn)干熱巖地?zé)岚l(fā)電的商業(yè)化運營，到2050年干熱巖地?zé)岚l(fā)電量計劃超過10×104MW。2003年，澳大利亞在庫珀盆地開展了干熱巖地?zé)衢_發(fā)利用試驗項目，該盆地的熱能儲量高達500億桶油當量，井深4 500 m處干熱巖溫度高達270 ℃，并進行了水循環(huán)與發(fā)電試驗。歐洲也在大力開展干熱巖地?zé)衢_發(fā)技術(shù)研究，如德國在法爾肯貝格(Falkenberg)，對巖石的裂隙、壓裂產(chǎn)生裂隙的機制以及水在這些裂隙中的運移機理進行了研究。

我國對地?zé)岬拈_發(fā)利用仍處于初級階段，主要集中在中低溫?zé)豳Y源的研究和利用方面；對干熱巖地?zé)豳Y源的開發(fā)研究尚處于起步階段，在部分地區(qū)進行了干熱巖地?zé)豳Y源調(diào)查，僅少數(shù)科研單位(中國科學(xué)院、中國地質(zhì)科學(xué)院等)開展了初步理論研究。2012年，我國啟動了“863”計劃項目“干熱巖熱能開發(fā)與綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究”， 2013年，國土資源部在青海共和盆地中北部鉆成了井深 2 230 m、井底溫度達153 ℃ 的干熱巖井，對干熱巖地?zé)衢_發(fā)進行了探索試驗[15-16]。

2013年，我國制定了《全國干熱巖勘查與開發(fā)示范實施方案》，將評價全國干熱巖地?zé)豳Y源與潛力，找出優(yōu)先開發(fā)靶區(qū)，建立干熱巖地?zé)峥辈槭痉痘兀纬晌覈蔁釒r地?zé)峥辈殚_發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)體系，2030年前后，實現(xiàn)干熱巖地?zé)岚l(fā)電的商業(yè)性運營，建立起一套干熱巖地?zé)衢_發(fā)方法體系。

2 干熱巖地?zé)衢_發(fā)工程技術(shù)進展

干熱巖地?zé)衢_發(fā)工程技術(shù)以油氣鉆完井技術(shù)為基礎(chǔ)，但針對干熱巖地?zé)衢_發(fā)中的一些特殊問題需要采取一些特殊措施，例如：井下儀器、工具和材料等要具有較高的抗溫能力，套管要具有高溫穩(wěn)定性，需要研究特殊的井眼穩(wěn)定技術(shù)和井口鉆井液冷卻設(shè)備等。

2.1 鉆井工藝技術(shù)

2.1.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于干熱巖地層為花崗巖或變質(zhì)巖，地層堅硬，一般采用直井，井身結(jié)構(gòu)一般為“導(dǎo)管—表層套管—技術(shù)套管—篩管”。干熱巖地?zé)嵋部梢圆扇《ㄏ蚓退介_采，特別是開發(fā)井，如冰島雷克雅未克能源投資公司地?zé)岚l(fā)電項目就采用了定向井開采(見圖2)。干熱巖井多采用裸眼完井或套管完井，如果注入井為定向井或水平井，隨著分段壓裂技術(shù)的應(yīng)用，可以采用套管固井，然后采用固井滑套或射孔分層壓裂方式進行壓裂，增加流體通道。

2.1.2 鉆井技術(shù)

EGS發(fā)電項目需要有多口生產(chǎn)井，注入井為直井，有時開發(fā)井為定向井。受壓裂能力的限制，注入井與開發(fā)井的井底距離一般不超過900 m。由于地層溫度高，特別是使用空氣鉆井或泡沫鉆井時，導(dǎo)向工具、動力鉆具、隨鉆井眼軌跡測量儀器和測井設(shè)備的抗高溫性能要好。到目前為止，國際上電子儀器的最高抗溫能力達到205 ℃，國內(nèi)為150 ℃。

干熱巖井通常在結(jié)晶巖花崗巖、火成巖或變質(zhì)巖中鉆進，地層相對較硬，裂縫發(fā)育，研磨性強，因此鉆頭優(yōu)選是關(guān)鍵。與油氣鉆井相比，干熱巖鉆井需選用適用于更高地層硬度的鉆頭，如鋼齒牙輪鉆頭，有時( 特別是空氣鉆井時) 也可選用鑲齒牙輪鉆頭。在鉆進結(jié)晶巖(如花崗巖)時，可以使用孕鑲金剛石鉆頭。中國石化研制了刀翼式孕鑲鉆頭，可用于花崗巖、玄武巖鉆進，并研制了特種孕鑲塊加強型PDC鉆頭及 YSC-178 型射流沖擊器。

干熱巖井固井時，因地層溫度很高，熱膨脹會造成套管彎曲和套管擠壞，回灌井冷卻也會使套管收縮使套管發(fā)生張力破裂而損害。干熱巖井固井時水泥漿通常從套管鞋返到地面，以提供支持、穩(wěn)定和防腐，也能在一定程度上解決套管的膨脹變形問題。

2.1.3 鉆井液技術(shù)

對于干熱巖井，國內(nèi)外普遍采用耐高溫鉆井液鉆進，在現(xiàn)有抗溫能力較強的鉆井液有機處理劑中，部分處理劑抗溫220～230 ℃，極少數(shù)處理劑抗溫達250～280 ℃。由于干熱巖大都為變質(zhì)巖或結(jié)晶巖類巖體， 基本不涉及水敏性地層，因此，干熱巖井鉆井液重點考慮其抗溫性能。除水基鉆井液外，還可采用由抗溫230 ℃以上的處理劑、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑配制而成的泡沫鉆井液。

中國石化優(yōu)選了抗高溫造漿材料和關(guān)鍵處理劑，研制了地?zé)峋@井液體系，抗溫達到230 ℃，高溫高壓濾失量小于10 mL。同時，優(yōu)選了高溫泡沫鉆井液關(guān)鍵處理劑，初步形成了地?zé)峋菽@井液體系，密度0.4～0.6 kg/L，其性能基本滿足了干熱巖鉆井的要求。

2.2 干熱巖井眼穩(wěn)定技術(shù)

在鉆井過程中，干熱巖遇到溫度較低的鉆井液或其他流體后，會發(fā)生物理化學(xué)變化，井壁周圍溫度迅速降低，導(dǎo)致地層彈性模量、抗壓及抗拉強度隨溫度升高而降低，井眼圍巖承載能力下降，極易出現(xiàn)熱破裂，產(chǎn)生井壁坍塌、卡鉆等井下復(fù)雜情況。因而，干熱巖井的井眼穩(wěn)定性受到溫度場、滲流場及應(yīng)力場的耦合影響，需要考慮鉆井圍巖系統(tǒng)的溫度場、滲流場、應(yīng)力位移場的變化規(guī)律。通?？梢酝ㄟ^數(shù)值模擬對鉆進過程中高溫狀態(tài)井眼遇低溫工作液產(chǎn)生熱破裂的穩(wěn)定性問題進行分析預(yù)測。郤保平等人[17]給出了干熱巖井眼穩(wěn)定性的熱-流-固耦合數(shù)學(xué)模型，輔以初始條件和邊界條件，選擇合理的巖石破壞準則，基于數(shù)值算法就可以對模型進行求解，預(yù)測不同時刻下干熱巖的井眼穩(wěn)定性。

中國石化以傳熱學(xué)理論和能量守恒理論為基礎(chǔ)，結(jié)合高溫地?zé)峋販靥荻忍攸c、綜合考慮鉆井液流變性、井身結(jié)構(gòu)及鉆具組合等影響因素，建立了井筒溫度分布模型，并在分析邊界條件約束、徑向熱流的影響、鉆井液流變性等方面均有新改進。

2.3 鉆井液冷卻技術(shù)

由于干熱巖溫度高，鉆井液返至地面后溫度可能超過100 ℃，除水蒸發(fā)嚴重影響鉆井液性能外，對人與設(shè)備都易造成極大傷害，因此，干熱巖鉆井必須采用特殊裝置對鉆井液進行冷卻。美國、荷蘭及新加坡等國的一些公司研制的鉆井液冷卻系統(tǒng)在地?zé)岷陀蜌忏@井中得到了廣泛應(yīng)用，其中比較典型的有荷蘭Task Environmental Services公司、馬來西亞COE Limited公司及新加坡Lynsk公司的板式換熱器鉆井液冷卻系統(tǒng)，美國Drillcool Inc公司的淋噴式換熱器鉆井液冷卻系統(tǒng)。

板式換熱器鉆井液冷卻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。其基本原理為：鉆井液從鉆井液罐中由鉆井泵抽吸進板式換熱器，與冷卻劑進行換熱，冷卻劑為水或海水。荷蘭 Task Environmental Services 公司研發(fā)的板式換熱器鉆井液冷卻系統(tǒng)采用了2個板式換熱器，鉆井液在主換熱器中，通過與乙二醇/水溶液換熱冷卻，乙二醇/水溶液吸收鉆井液熱量后返回第二個換熱器中，將熱量傳遞給海水。

淋噴式換熱器鉆井液冷卻系統(tǒng)的基本原理為：鉆井液從鉆井液罐或鉆井液池中泵進淋噴式換熱器，冷水(或海水)直接噴射鉆井液管束，風(fēng)扇不斷鼓入空氣，氣水混合加強了鉆井液的冷卻效果。

我國干熱巖鉆井液冷卻技術(shù)有了一定進展，但冷卻設(shè)備還沒有形成系列產(chǎn)品，且鉆井液冷卻器主要應(yīng)用于天然氣水合物開采，處理溫度較低。

目前，中國石化經(jīng)過幾年來的研究與實踐，初步形成了特色鉆井液冷卻技術(shù)：一是采用加裝旋轉(zhuǎn)防噴器的方式，給井筒流體一個回壓，可以有效提高井筒內(nèi)鉆井液的沸點，減少井口高溫蒸汽的產(chǎn)生和彌散，有利于井口施工；二是通過采用自然蒸發(fā)冷卻(延長循環(huán)路徑)、低溫固體傳導(dǎo)冷卻(加入降溫材料)、鉆井液冷卻裝置強制冷卻等對地面鉆井液進行冷卻，在設(shè)備允許的條件下，通過增大排量、提高鉆井液導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度等方式降低入口溫度。

2.4 干熱巖壓裂技術(shù)

干熱巖壓裂技術(shù)可以實現(xiàn)對干熱巖體的有效改造，為注入低溫流體和吸熱提供順暢的途徑，將極大地提高EGS效率和工業(yè)應(yīng)用的經(jīng)濟性。

2.4.1 國外主要進展

國外基于干熱巖的力學(xué)性質(zhì)，進行了干熱巖壓裂技術(shù)研究，包括干熱巖裂縫擴展的微觀力學(xué)、水力壓裂室內(nèi)物理模擬、熱-力-水耦合的數(shù)值模擬和EGS油藏的熱能開采研究以及現(xiàn)場壓裂試驗與裂縫監(jiān)測[18]。

1) 干熱巖裂縫擴展的微觀力學(xué)數(shù)值模擬研究。采用微觀力學(xué)離散單元法(DEM)研究了EGS壓裂裂縫的起裂和延伸，結(jié)果表明：熱感應(yīng)力對裂縫的起裂和延伸具有很重要的作用，而且也會誘導(dǎo)隨機裂縫出現(xiàn)；出現(xiàn)于流體與巖石接觸時的熱應(yīng)力會導(dǎo)致額外的變形，這可能會引起微破裂。圖4中裂縫起裂的尖角顯示了從熱巖石到冷流體的熱通量(藍綠色的環(huán)表示流體壓力，紅色的環(huán)表示流體滲入到巖石的基質(zhì))?？梢缘贸鼋Y(jié)論：微破裂是由溫度差異引起的，微破裂基本存在于沿著裂縫面的位置，有著向垂直于裂縫面擴展的趨勢。

2) 水力壓裂室內(nèi)物理模擬研究。2013年，美國科羅拉多礦業(yè)大學(xué)采用科羅拉多玫瑰紅花崗巖進行了裂縫啟裂的室內(nèi)物理模擬研究，巖塊尺寸為30 cm×30 cm×30 cm，壓裂液使用了水、鹽水等幾種流體。研究結(jié)果表明，巖石壓裂后形成了主裂縫和一些微裂縫，破裂壓力隨時間的變化曲線如圖5所示。從圖5可以看出：巖石破裂需要排量達到一定的數(shù)值和較長的壓裂時間，破裂壓力對排量非常敏感；壓裂過程中巖石塑性特征表現(xiàn)明顯；巖石破裂壓力遠遠高于最大水平主應(yīng)力。

3) 熱-力-水耦合的數(shù)值模擬和EGS油藏的熱能開采數(shù)值模擬研究。通過模擬地層應(yīng)力狀況(至少為最大水平主應(yīng)力的一半)，研究注入液體和采出熱能過程中，裂縫尺寸分布對能量的響應(yīng)特征。地層通過預(yù)置裂縫網(wǎng)絡(luò)的巖塊集合來表示，液體只在裂縫中流動，視巖石不滲透且具有彈性。模擬結(jié)果為[19]：

a.裂縫尺寸分布的影響。潛在的剪切改造體積隨著大裂縫的增加而減少，這種情況將影響改造體積和熱能的產(chǎn)量。

b.膨脹角的影響。在相同的注入體積下，高膨脹角會導(dǎo)致較小的剪切改造體積，但可獲得更好的連通性和更大的縫隙。

c.注入排量的影響。對于相同的注入體積，更大的注入排量會產(chǎn)生更大的剪切改造體積和更大的縫隙。

d.巖石硬度的影響。在相同注入量條件下，較軟的巖石滲透率上升更快，因此對于較軟的地層，增產(chǎn)措施并沒有什么實際用處。

2.4.2 國內(nèi)主要進展

在干熱巖壓裂技術(shù)方面，國內(nèi)主要在高溫物理模擬裝置、THCM耦合模擬研究以及高溫壓裂流體等方面進行了研究。

為了模擬高溫及三軸應(yīng)力下花崗巖的力學(xué)特性、熱破裂和滲流規(guī)律等，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)建立了耐溫600 ℃的20 MN高溫高壓巖體三軸試驗機[19]，主要開展了固-流-熱三維數(shù)值模擬，研究了地?zé)衢_發(fā)過程中應(yīng)力、溫度變化以及裂縫寬度的變化規(guī)律。破裂試驗結(jié)果表明[20]：

1) 花崗巖在常溫至600 ℃區(qū)間內(nèi)，其破裂壓力存在一個清晰的門檻值。巖石破裂壓力達門檻值之后，隨著溫度升高，熱破裂呈間斷性和多期性變化，巖石的滲透率也呈現(xiàn)出同步的變化。

2) 在三向應(yīng)力條件下，花崗巖在熱破裂升溫過程中，其滲透率隨溫度的升高呈正指數(shù)增大。熱破裂初期，花崗巖巖樣滲透率隨溫度的增加而緩慢增加，隨著熱破裂的進行，滲透率隨溫度的升高而急劇升高。

為了分析壓裂過程中地層高溫?zé)崮?、流體流動、巖石應(yīng)力應(yīng)變與化學(xué)多場耦合及其相互作用機制，吉林大學(xué)等高等院校用數(shù)值模擬方法從不同角度研究了熱-流-固-化多場耦合。此外，2013年吉林大學(xué)開發(fā)了EGS領(lǐng)域多相多場耦合數(shù)值分析軟件，研究了EGS地?zé)崮荛_發(fā)過程中水巖作用對熱儲層特征的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1) 注入冷水到花崗巖熱儲層中導(dǎo)致石英礦物沉淀，其相對質(zhì)量分數(shù)增大13%，堿性長石、斜長石、黑云母礦物溶解，儲層孔隙度、滲透率均隨時間逐漸增大。

2) CO2作為載熱流體時，可降低地層水的pH值，導(dǎo)致裂隙通道中方解石發(fā)生微溶解，石英發(fā)生沉淀。水巖作用對裂隙孔滲影響小，裂隙特征變化也較小。

2.5 干熱巖熱交換技術(shù)

水通過井筒注入地下干熱巖體，滲透進入巖層的裂縫并吸收地?zé)崮芰?，即在干熱巖體內(nèi)形成熱交換。目前，地下熱交換系統(tǒng)有3種模式。

1) 人工壓裂裂隙模式。該模式最早由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室提出，即通過人工壓裂注水到井底，干熱巖遇冷水體積收縮而形成很多裂隙，水通過裂隙系統(tǒng)穿過干熱巖，即可完成注水井和出水井所組成的水循環(huán)系統(tǒng)熱交換過程。

2) 天然裂隙模式。該模式由英國卡門波礦產(chǎn)學(xué)校提出，即充分利用地下已有的裂隙網(wǎng)絡(luò)，通過壓裂技術(shù)，使原場的裂隙發(fā)生擴展，縫寬變大或錯位更大，增強了裂隙間的透水性。在這種模式下，可進行熱交換的水量更大，而且熱量交換得更充分。

3) 天然裂隙-斷層模式。該模式由歐洲Soultz干熱巖工程中的研究人員提出，除了利用地下天然的裂隙，還利用天然的斷層系統(tǒng)，這兩者的疊加使得熱交換系統(tǒng)的滲透性更好。該模式的最大優(yōu)勢也是最大的挑戰(zhàn)，即不需通過人工壓裂作業(yè)連接進水井和出水井，而是通過已經(jīng)存在的斷層來連接位于注水井和出水井之間的裂隙系統(tǒng)。

3種模式中，研究最多的是人工壓裂裂隙模式。壓裂作業(yè)到生產(chǎn)后的熱交換是個復(fù)雜而龐大的過程，需要考慮地層和作業(yè)流體多場耦合作用及影響規(guī)律，而裂隙滲流與熱交換機制、熱交換效率模型是熱交換技術(shù)的核心基礎(chǔ)問題。

3 干熱巖地?zé)衢_發(fā)技術(shù)研究方向

3.1 主要技術(shù)難點

成井(包括鉆井完井、壓裂與熱交換)是高效開發(fā)干熱巖地?zé)豳Y源的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和手段，由于干熱巖具有強度大、溫度高等特性，高效安全成井已成為干熱巖高效開發(fā)的技術(shù)瓶頸。其主要有三大難題：硬地層破巖與鉆井圍巖穩(wěn)定問題、縫網(wǎng)壓裂與連通問題、熱量交換與穩(wěn)定提取問題，具體表現(xiàn)為：

1) 干熱巖力學(xué)表征可知性差，巖體非線性變形、破裂與損傷規(guī)律復(fù)雜；

2) 井下流體、巖石應(yīng)變、熱力等相互作用機理復(fù)雜，多場耦合機理不清楚；

3) 地層異常高溫，巖石堅硬，破巖、鉆完井安全風(fēng)險和硬地層鉆井軌跡控制困難，材料、工具抗溫要求高；

4) 大尺度、多裂縫、高強度壓裂裂縫形成規(guī)律、注入井與開采井連通性評價難度大；

5) 對多滲流與熱交換機制、熱交換效率的變化規(guī)律尚未掌握。

3.2 重點攻關(guān)方向

目前干熱巖高效成井及開發(fā)基礎(chǔ)研究嚴重缺乏，國外也沒有成熟理論可供借鑒，因此，亟需多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)，對干熱巖地?zé)衢_發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)與基礎(chǔ)科學(xué)問題開展研究，為我國干熱巖地?zé)岣咝ч_發(fā)安全快速成井提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1) 基礎(chǔ)科學(xué)研究。在 EGS運行過程中，高溫巖體的賦存環(huán)境和工程作用組成了一個有機系統(tǒng)，高溫巖體裂隙在多場耦合作用下，滲透率、孔隙度、連通性等隨空間和時間發(fā)生動態(tài)變化，進而影響到整個EGS設(shè)計和運行中的各項關(guān)鍵參數(shù)。要形成系統(tǒng)的EGS干熱巖開發(fā)技術(shù)，需要對一些基礎(chǔ)問題和科學(xué)問題開展研究，主要有干熱巖多場耦合理論，高溫巖體的破巖機理，熱-流-固多場耦合作用下井眼圍巖系統(tǒng)的穩(wěn)定性機理，多場耦合下干熱巖的變形、破裂與裂隙延伸機理及熱交換機理與效率模型等。

2) 鉆井完井技術(shù)。干熱巖主要是花崗巖、變質(zhì)巖等，巖石抗壓強度一般在200 MPa以上，溫度在150 ℃以上，巖石可鉆性差、研磨性強。同時，井眼圍巖在高溫高壓下產(chǎn)生流動、巖石產(chǎn)生熱破裂，井壁容易坍塌。干熱巖鉆井完井除了需應(yīng)用目前成熟的石油工程技術(shù)及設(shè)備、材料外，還需要進行以下攻關(guān)：干熱巖熱布井、井身結(jié)構(gòu)，干熱巖破巖技術(shù)及井眼軌跡控制技術(shù)，高溫巖體鉆井圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)，高溫鉆井液、水泥漿體系及套管熱穩(wěn)定性技術(shù)，高溫測量儀器、地面鉆井液冷卻及防噴裝備等。

3) 大型壓裂技術(shù)。人工熱儲的形成和儲層中裂縫的發(fā)育連通情況是影響干熱巖熱能提取的關(guān)鍵。人工熱儲的建造要滿足下列要求：一是產(chǎn)生大尺度體積壓裂，以保證熱量的提取與熱系統(tǒng)的壽命；二是形成大的裂隙，保證流體的提取溫度和效率；三是復(fù)雜縫中較小的流動阻力，可以降低能耗和循環(huán)損失。主要研究方向為：裂縫起裂與延伸控制技術(shù)，干熱巖生產(chǎn)后期溫度變化特征與縫網(wǎng)變化預(yù)測技術(shù)，溫度和地應(yīng)力場變化下垂直裂縫壓裂設(shè)計方法，抗高溫壓裂液及裂縫分布監(jiān)測等。

4) 熱能提取技術(shù)。高溫巖體在地?zé)衢_采過程中，最大目的是提取最高的能量，獲得最好的熱效率和形成最好的經(jīng)濟效率。由于EGS的“人造”儲層主要是由被裂隙切割成的大型非滲透基質(zhì)巖塊和滲透性好的裂隙組成， EGS更注重在溫度場作用下的滲流問題以及流體與巖石之間發(fā)生的熱能交換問題。同時，由于不斷提取高溫巖體的熱量，巖石的應(yīng)力、裂隙會發(fā)生動態(tài)變化等，導(dǎo)致熱能分布及交換效率也發(fā)生了變化。因此，為了保證干熱巖的裂縫長期有效，需開展的研究主要有：干熱巖的裂縫導(dǎo)流能力作用機制及主控因素研究，流體在復(fù)雜裂隙中的流動規(guī)律研究，熱交換流體選擇及交換效率等研究。

4 結(jié)束語

近年來，我國將綠色發(fā)展提升到前所未有的高度，地?zé)豳Y源的開發(fā)利用面臨歷史性的發(fā)展機遇，發(fā)展?jié)摿薮?。干熱巖地?zé)嶙鳛樽罹邞?yīng)用價值和利用潛力的清潔能源，必將在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，防治大氣污染，改善人民生活，促進經(jīng)濟社會生態(tài)環(huán)境科學(xué)、協(xié)調(diào)發(fā)展等方面發(fā)揮更加重要的作用。但目前我國干熱巖地?zé)岬拈_發(fā)處于起步階段，技術(shù)基礎(chǔ)和理論尚未突破，面臨的困難很多，需要加大理論研究和技術(shù)攻關(guān)，通過示范工程，不斷完善，形成我國干熱巖地?zé)衢_發(fā)自主化技術(shù)體系。

[1] 劉桂英，李繼江，張揚.地?zé)豳Y源勘查開發(fā)工作現(xiàn)狀及對策研究[J].中國國土資源經(jīng)濟，2010，23(10)：17-20. Liu Guiying，Li Jijiang，Zhang Yang.Research on the countermeasures for the exploration and exploitation of geothermal resources[J].Natural Resource Economics of China，2010， 23(10)：17-20.

[2] 周剛，李金鋒，Helmut W，等.地下閉式循環(huán)地?zé)峤粨Q發(fā)電系統(tǒng)簡介[J].地質(zhì)科技情報，2006，25(4)：105-108. Zhou Gang，Li Jinfeng，Helmut W，et al.Analysis of closed loop geothermal exchange power generation system[J].Geological Science and Technology Information，2006，25(4)： 105-108.

[3] 趙陽升，楊棟，馮增朝，等.多孔介質(zhì)多場耦合作用理論及其在資源與能源工程中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27(7)：1321-1328. Zhao Yangsheng，Yang Dong，F(xiàn)eng Zengchao，et al.Multi-field coupling theory of porous media and its applications to resources and energy engineering[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(7)：1321-1328.

[4] 王淑玲，張煒，張桂平，等.非常規(guī)能源開發(fā)利用現(xiàn)狀及趨勢[J].中國礦業(yè)，2013，22(2)：5-8. Wang Shuling，Zhang Wei，Zhang Guiping，et al.Exploitation and development trend of unconventional energy[J].China Mining Magazine，2013，22(2)： 5-8.

[5] 趙金昌.高溫高壓條件下沖擊-切削鉆孔破巖實驗研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2010. Zhao Jinchang.Experimental research on rock breaking by impacting-cutting drilling under high-temperature and high-pressure condition[D].Taiyuan: Taiyuan University of Technology，2010.

[6] 許天福，張延軍，曾昭發(fā)，等.增強型地?zé)嵯到y(tǒng)(干熱巖)開發(fā)技術(shù)進展[J].科技導(dǎo)報，2012，30(32)：42-47. Xu Tianfu，Zhang Yanjun，Zeng Zhaofa，et al.Technology progress in an enhanced geothermal system(hot dry ock) [J].Science & Technology Review，2012，30(32)：42-47.

[7] 郤保平，趙陽升.高溫高壓下花崗巖中鉆孔圍巖的熱物理及力學(xué)特性試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(6)：1245-1253. Xi Baoping，Zhao Yangsheng.Experimental study of thermophysico-mechanical property of drilling surrounding rock in granite under high temperature and high pressure[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(6)：1245-1253.

[8] 萬志軍，趙陽升，康建榮.高溫巖體地?zé)衢_發(fā)的技術(shù)經(jīng)濟評價[J].能源工程，2004(4)：30-34. Wan Zhijun，Zhao Yangsheng，Kang Jianrong.Technology assessment and economic evaluation of geothermal extraction from hot dry rock (HDR)[J].Energy Engineering，2004(4)：30-34.

[9] 冉恒謙，馮起贈.我國干熱巖勘查的有關(guān)技術(shù)問題[J].探礦工程：巖土鉆掘工程，2010，37(10)：17-21. Ran Hengqian， Feng Qizeng.Some technical issues on hot dry rock exploration in China[J].Exploration Engineering：Rock & Soil Drilling and Tunneling，2010，37(10)：17-21.

[10] 郭進京，周安朝.高溫巖體圈定的思路與方法探討[J].能源工程，2008(6)：1-4. Guo Jinjing，Zhou Anchao.Discussion on the determination methods and strategy for hot dry rocks[J].Energy Engineering，2008(6)：1-4.

[11] 王學(xué)忠.利用干熱巖替代原油燃燒降低稠油開發(fā)成本[J].油氣田地面工程，2010，29(9)：71-72. Wang Xuezhong.Decreasing of heavy oil production cost bysubstituted-oil burning of hot dry rock[J].Oil-Gasfield Surface Engineering，2010，29(9)：71-72.

[12] 中國地?zé)崮芾眉夹g(shù)及應(yīng)用[R].北京：中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部，2013. China’s geothermal energy utilization[R].Beijing: Ministry of Science and Technology of the P.R.China，2013.

[13] 何金祥.世界主要發(fā)達國家增強型地?zé)嵯到y(tǒng)應(yīng)用研究[J].國土資源情報，2011(8)：49-52，25. He Jinxiang.The enhanced geothermal systems application researches of the world’s major developed countries [J].Land and Resources Information，2011(8)：49-52，25.

[14] 梁松彬.增強型地?zé)岚l(fā)電技術(shù)及發(fā)展前景[J].能源工程，2012(5)：30-32. Liang Songbin.Technology of enhanced geothermalgeneration and its application prospect[J].Energy Engineering，2012(5)：30-32.

[15] 韓國鋒，王恩志，劉曉麗.巖石損傷過程中的滲流特性[J].土木建筑與環(huán)境工程，2011，33(5)：41-50. Han Guofeng，Wang Enzhi，Liu Xiaoli.Seepage characteristic of rock during damage process[J].Journal of Civil，Aechitectural & Enviromental Engineering，2011，33(5)： 41-50.

[16] 閆鐵，李瑋，畢雪亮.清水壓裂裂縫閉合形態(tài)的力學(xué)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(2)：3471-3476. Yan Tie，Li Wei，Bi Xueliang.Mechanical analysis of closing shape of craking induced by water fracture[J].Chinese Journal of Rock Mechanic and Engineering，2009，28(2)：3471-3476.

[17] 郤保平.高溫巖體地?zé)衢_采中鉆井圍巖穩(wěn)定性分析[M].北京：科學(xué)出版社，2011. Xi Baoping.Wellbore stability analysis in hot dry rock geothermal drilling[M].Beijing: Science Press，2011.

[18] Riahi A，Damjanac B，F(xiàn)urtney J.Stimulation and heat production of EGS reservoirs[R].ARMA 14-7741，2014.

[19] Rutqvist J，Dobson P F，Jeanne，P，et al.Modeling and monitoring of deep injection at the Northwest Geysers EGS Demonstration，California[R].ARMA 13-307，2013.

[20] 申林方，馮夏庭，潘鵬志，等.單裂隙花崗巖在應(yīng)力-滲流-化學(xué)耦合作用下的試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(7)：1381-1388. Shen Linfang，F(xiàn)eng Xiating，Pan Pengzhi，et al.Experimental research on mechano-hydro-chemical coupliing of granite with single fracture[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(7)：1381-1388.

[編輯 陳會年]

Technical Progress and Thinking forDevelopment of Hot Dry
Rock (HDR) Geothermal Resources

Zeng Yijin

(SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering，Beijing，100101，China)

Hot dry rock (HDR) is the most valuable geothermal resource with the highest potential for development.HDR resources are very rich in China，and its high-efficient development would be a strategic significance in domestic adjustment of energy structure and energy security.Through the introduction of distribution，current development and utilization as well as progress in engineering technologies for HDR resources，the paper pointed out the key research direction in basic science, drilling and completion techniques, large-scale fracturing techniques，thermal energy extraction etc.for developing HDF resources.In view of the problems that related to penetration of hard formations，stability of surrounding rocks，network fracturing，and heat exchange for HDR development，more researches should be conducted by providing sample projects to form a technical independently system of HDR resource development，so as to speed up the development and utilization of HDR geothermal resources efficiently，optimize energy structure，minimize atmosphere pollution，improve living standards of the people，and keep a scientific and coordinated development in economy，society，and ecology and environment in China.

hot dry rock；resource distribution；drilling and completion；stability of surrounding rocks；network fracturing；efficient development

2014-12-22。

曾義金(1964—)，江西吉水人，1985年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院鉆井專業(yè)，2003年獲中國石油大學(xué)(北京)油氣井工程專業(yè)博士學(xué)位，教授級高工，主要從事石油工程技術(shù)研究工作。系本刊編委會副主任。

中國石化集團科技攻關(guān)項目“地?zé)峋P(guān)鍵技術(shù)研究”(編號：JP13003)部分研究內(nèi)容。

?專家視點?

10.11911/syztjs.201502001

P641

A

1001-0890(2015)02-0001-07

聯(lián)系方式：(010)84988666，zengyj.sripe@sinopec.com。