國內(nèi)外干熱巖壓裂技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展建議

陳 作， 許國慶， 蔣漫旗

（1. 中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

隨著國內(nèi)外對環(huán)保問題重視程度的不斷提高，大力發(fā)展地?zé)帷⑻烊粴馑衔锏惹鍧嵞茉磩菰诒匦?，而干熱巖(hot dry rock，HDR)是其中最具應(yīng)用價值和潛力的清潔能源[1]。美國、英國、法國、德國、瑞士、日本、澳大利亞等國家對干熱巖開發(fā)技術(shù)研究較早，關(guān)于增強型地?zé)嵯到y(tǒng)(enhanced geothermal systems，EGS)的研究與應(yīng)用已有40余年的歷史，其中，美國是最早進行干熱巖開發(fā)研究的國家。1974年，美國與英、法、德、日等國家聯(lián)合，在新墨西哥州中北部的芬頓山成立了干熱巖研究中心。近年來，國外干熱巖開發(fā)進展較快，在熱應(yīng)力對裂縫起裂和延伸的作用機理、水力壓裂裂縫形態(tài)物理模擬、熱-流-固耦合的數(shù)值模擬等方面進行了大量研究，并開展了現(xiàn)場壓裂試驗與裂縫監(jiān)測，基本形成了一套干熱巖壓裂技術(shù)。1984年，美國通過水力壓裂改造，在芬頓山建成了世界上第一座高溫巖體地?zé)岚l(fā)電站，裝機容量10.0 MW[2]。之后，世界各國均開展了干熱巖商業(yè)開發(fā)試驗，德國建成了Landan和Insheim地?zé)犭姀S，裝機容量分別為3.8和5.0 MW，法國蘇爾茨EGS發(fā)電廠裝機容量2.2 MW[3]，基本達到了商業(yè)應(yīng)用的規(guī)模。我國自20世紀70年代初開始大規(guī)?？辈旌烷_發(fā)利用中淺層地?zé)豳Y源，主要用于地?zé)峁┡?、醫(yī)療、洗浴、娛樂健身等[4-6]。2014年，青海共和縣盆地中北部地下2 230 m處發(fā)現(xiàn)干熱巖，這是我國首次發(fā)現(xiàn)可大規(guī)模利用的干熱巖資源。

目前，我國在干熱巖資源勘查和鉆井技術(shù)方面取得了一定進展[7-8]，但干熱巖壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)研究比較薄弱，僅在高溫巖體力學(xué)特性、熱破裂對地層滲透性影響、多場耦合數(shù)值模擬等方面進行了室內(nèi)研究，尚未開展過以注采為目的、井底溫度180 ℃以上的干熱巖的大規(guī)?，F(xiàn)場壓裂試驗[9]。因此，筆者歸納總結(jié)了國外在干熱巖壓裂基礎(chǔ)理論研究和壓裂施工方面取得的主要成果，針對我國干熱巖的儲層特點，提出了開展基礎(chǔ)理論研究和高溫硬地層縫網(wǎng)壓裂技術(shù)攻關(guān)，并通過現(xiàn)場壓裂試驗不斷完善，從而逐步形成干熱巖配套壓裂技術(shù)的發(fā)展建議，這對于促進我國干熱巖壓裂技術(shù)的發(fā)展及干熱巖熱能的高效開發(fā)具有一定的指導(dǎo)作用。

1 國外干熱巖壓裂技術(shù)現(xiàn)狀

國外對干熱巖壓裂技術(shù)的研究較為系統(tǒng)，包括裂縫擴展的微觀力學(xué)數(shù)值模擬、水力壓裂室內(nèi)物理模擬、壓裂長期試驗、裂縫長期監(jiān)測以及現(xiàn)場應(yīng)用等。研究結(jié)果表明，國外干熱巖壓裂以小排量、大液量、長時間、清水不加砂壓裂為主，干熱巖在壓裂時以剪切破裂為主，儲層壓裂后過熱體積大幅度增加，滲透率可提高約2個數(shù)量級。

1.1 干熱巖壓裂技術(shù)基礎(chǔ)研究

I. Tomac和A. Riahi等人[10-11]采用微觀力學(xué)離散單元法和離散裂縫網(wǎng)絡(luò)法研究了EGS中壓裂裂縫起裂和延伸特征，并得到如下認識：

1）注入水與干熱巖的溫差效應(yīng)會導(dǎo)致巖石微破裂（如圖1所示），微裂隙不僅存在于裂縫表面，還有向垂直于裂縫面擴展的趨勢，壓裂流體滲入微裂隙后巖石進一步發(fā)生微破裂，使微裂隙的范圍不斷擴大，裂縫形態(tài)逐漸復(fù)雜化。

圖1 溫差效應(yīng)引起的干熱巖微破裂示意Fig.1 Schematic of micro-fractures on dry hot rock caused by temperature difference effect

2）由于附加熱應(yīng)力的影響，裂縫端部和沿主應(yīng)力方向的裂縫發(fā)生扭曲。

3）注入排量較低時，裂縫面積更大。注入排量過高會導(dǎo)致壓力快速上升，在早期就超過地層破裂的臨界壓力，形成主裂縫，導(dǎo)致裂縫面積較小。注入排量較低時，主要為熱破裂，巖石先發(fā)生微破裂，壓裂液進入微裂隙后使其進一步擴展，從而形成較大的裂縫面積。

美國科羅拉多礦業(yè)大學(xué)L. Frash等人[12]采用耐高溫（180 ℃）真三軸試驗裝置，進行了巖樣裂縫起裂的室內(nèi)物理模擬研究?？屏_拉多玫瑰紅花崗巖巖樣尺寸為30 cm×30 cm×30 cm，試驗流體為清水、鹽水和黏度71.5 mPa·s的原油，試驗溫度50 ℃、注入排量3 mL/s。原油注入主水力裂縫的注入曲線與注入后的裂縫形態(tài)見圖2。通過試驗得到的結(jié)論是：

圖2 原油注入曲線與注入后的裂縫形態(tài)Fig.2 Curve of crude oil injection pressure versus time and the fracture morphology after injection

1）巖石破裂需要達到一定的壓裂液排量和較長的注入時間，注入壓力對排量非常敏感；

2）壓裂過程中巖石塑性特征表現(xiàn)明顯；

3）巖石破裂壓力遠遠高于最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力；

4）巖石壓裂后形成了主裂縫和一些微裂縫，主裂縫方位垂直最小主應(yīng)力方向；

5）在相同條件下，清水壓裂時的地層破裂壓力為7 MPa，較原油壓裂時的地層破裂壓力降低61.3%。

1.2 干熱巖主體壓裂技術(shù)的特點

目前，國外干熱巖壓裂井?dāng)?shù)量總體較少，有文獻報道的有美國的芬頓山試驗場、Newberry[13]和Geysers[14]項目，以及德國的Landan項目、法國的蘇爾茨項目和日本的Hijiori項目等[15]，其干熱巖的巖體條件、埋藏深度與溫度雖然各不相同，但主體壓裂技術(shù)均為直井和定向井清水壓裂技術(shù)，或者清水壓裂+輔助酸化改造技術(shù)，少部分井采用了分層壓裂技術(shù)，最大壓裂深度5 270 m，且全程裂縫監(jiān)測?？傮w來看，國外干熱巖主體壓裂技術(shù)具有如下特點：

1）注入排量小，持續(xù)時間長。干熱巖壓裂因起裂壓力高、期望形成的裂縫面積和連通體積較大等原因，注入排量一般小于3.0 m3/min，且持續(xù)時間較長。例如，Newberry項目的55-29井，壓裂作業(yè)時注入排量1.3～1.4 m3/min，注入時間長達960 h；芬頓山試驗場的EE-3井在壓裂時平均注入排量1.4 m3/min，也有極少數(shù)井（如EE-2井）注入排量達到 6.0 m3/min，見表 1。

表 1 國外部分干熱巖井壓裂施工數(shù)據(jù)Table 1 Fracturing treatment data from some of foreign dry hot rock wells

2）注入液量大。干熱巖壓裂注入液量大，例如，Newberry項目的55-29井在壓裂時，單層注入液量超過5 000 m3，最大液量為26 225 m3；芬頓山試驗場的EE-2井注入液量21 300 m3，EE-3井注入液量則達到了75 903 m3（見表1）。

3）清水壓裂，不加支撐劑。干熱巖壓裂過程中一般不使用壓裂液基液或交聯(lián)壓裂液，而是采用清水或降阻水，且不加支撐劑，主要依靠剪切裂縫或微裂隙來保持裂縫導(dǎo)流能力。

4）采用輔助酸化措施，提高近井裂隙的滲透性。干熱巖一般先采用清水壓裂后，再采用鹽酸、氫氟酸或螯合酸進行酸化，以提高裂隙的連通性和滲透率。例如，法國蘇爾茨項目的GPK4井在壓裂后，采用15%HCl+3%HF進行酸化處理，注水井的注入速率提高了35%。

5）分層壓裂。為建立較大規(guī)模的人工熱儲層或與對應(yīng)注采井建立連通關(guān)系，部分井采用了分層壓裂技術(shù)，分層壓裂工具為裸眼耐高溫封隔器或可熱降解的暫堵材料。例如，法國蘇爾茨項目的GPK2井采用裸眼耐高溫封隔器對上儲層和下儲層分別進行了壓裂改造，監(jiān)測結(jié)果顯示，該井上下兩個儲層在分層壓裂后實現(xiàn)了連通（如圖3所示）。

圖3 GPK2井上下儲層示意及分層壓裂后微地震波事件監(jiān)測結(jié)果Fig.3 Schematic of the upper/lower reservoirs and the monitoring results of microseismic wave events after separated fracturing in well GPK2

6）壓裂全過程裂縫監(jiān)測。人工改造熱儲層的空間范圍是決定干熱巖開發(fā)利用貢獻大小和壽命的關(guān)鍵因素，因此，整個壓裂過程中均要采用微地震進行壓裂裂縫監(jiān)測。Geysers項目中所有注入井和生產(chǎn)井均進行了長時間的裂縫監(jiān)測，并與模型預(yù)測結(jié)果進行了對比，結(jié)果見圖4。

圖4 Geysers項目中生產(chǎn)井和注入井微地震裂縫監(jiān)測結(jié)果Fig.4 Microseismic events monitoring results of production and injection wells in the Geysers project

7）改造體積大，效果明顯。美國芬頓山試驗場EE-3井的裂縫微地震監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其改造體積達3 000×104m3，生產(chǎn)井產(chǎn)水流量5.34 L/s，產(chǎn)水溫度177.1 ℃。蘇爾茨項目的GPK1井、GPK2井、GPK3井和GPK4井水力壓裂后生產(chǎn)力指數(shù)（單位井口壓力下對應(yīng)的產(chǎn)水流量）提高了15～20倍，產(chǎn)水流量達18 L/s，注水井和生產(chǎn)井的井口壓力基本不變，產(chǎn)水溫度穩(wěn)定在164 ℃左右，熱能穩(wěn)定，見圖5。

圖5 蘇爾茨項目中3口井壓裂后的產(chǎn)水流量和溫度變化曲線Fig.5 Post-fracturing water production flowrate and temperature curves of 3 wells in the Sultz project

8）壓裂結(jié)束后微裂隙繼續(xù)擴展。裂縫監(jiān)測結(jié)果表明，干熱巖井每一次壓裂結(jié)束關(guān)井后，仍產(chǎn)生大量微地震事件，說明因熱應(yīng)力的長期作用，微裂隙仍在繼續(xù)擴展。

2 國內(nèi)干熱巖壓裂技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)干熱巖壓裂技術(shù)的研究還處于探索階段，主要以室內(nèi)研究為主，包括高溫物理模擬裝置的研制、高溫條件下巖石力學(xué)特征測試、溫度-流體-化學(xué)-力（THCM）等4場耦合模擬研究以及高溫壓裂流體研制等。

2.1 室內(nèi)試驗研究

為了模擬高溫及三軸應(yīng)力下花崗巖的力學(xué)特性、熱破裂和滲透率變化，中國礦業(yè)大學(xué)、太原理工大學(xué)等單位研制了耐溫600 ℃、20 MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗機，并利用花崗巖巖樣進行了系列室內(nèi)試驗[16-21]，同時進行了地?zé)衢_發(fā)過程中水巖作用對儲層特征的影響研究[22-23]，主要認識如下：

1）在常溫～600 ℃范圍內(nèi)，花崗巖熱破裂存在一個溫度門檻值，當(dāng)溫度超過該門檻值后，隨著溫度升高，熱破裂呈間斷性和多期性變化特征。

2）高溫下花崗巖巖樣的破壞模式為典型的剪切破壞，在有圍壓情況下，在低溫（常溫～200 ℃）時，其彈性模量隨溫度升高緩慢下降；在中高溫（200～400 ℃）時，其彈性模量隨溫度升高快速下降；在高溫（＞400 ℃）時，其彈性模量隨溫度升高變化不大，如圖6所示。

圖6 不同溫度下花崗巖巖樣的彈性模量Fig. 6 Elastic modulus of granite samples at different temperatures

3）熱破裂升溫過程中，花崗巖巖樣滲透率隨溫度的升高而呈正指數(shù)函數(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，經(jīng)歷了多個熱破裂后，其滲透率隨溫度的升高而急劇升高，如圖7所示。

4）注水過程中，冷水進入花崗巖熱儲層后，使儲層中的石英礦物沉淀，溶液中Si離子濃度降低，堿性長石、斜長石、黑云母礦物溶解，Ca2+、Na+和K+濃度升高，地層孔隙度、滲透率逐漸增大。

2.2 多場耦合數(shù)值模擬研究

圖7 不同溫度下花崗巖巖樣破裂后的滲透率變化Fig. 7 The permeability change of granite samples after rupturing at different temperatures

為了模擬注采過程中地層高溫?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理，吉林大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、太原理工大學(xué)和遼寧工業(yè)大學(xué)等高校從不同角度進行了熱-流-固-化多場耦合數(shù)值模擬研究[24-31]，其中以熱-流-固三場耦合模擬研究為主。吉林大學(xué)還將TOUGHREACT軟件與FLAC3D軟件進行搭接，開發(fā)了EGS多相多場耦合數(shù)值分析軟件。通過數(shù)值模擬研究，主要得到如下認識：

1）高溫花崗巖的熱破裂效應(yīng)形成的微裂隙和地層中已經(jīng)存在的裂縫共同擴展，形成較大的裂縫網(wǎng)絡(luò)，使巖體滲透率增加；

2）高溫巖體開發(fā)過程中，注入冷水使圍巖溫度下降，巖體最小主應(yīng)力降低，裂縫寬度隨地?zé)岬奶崛《黾?，滲流阻力下降；

3）在后期的注采過程中，若載熱流體采用CO2，其溶解會降低地層水的pH值，使得裂隙通道中方解石發(fā)生微溶解，較清水作為載熱流體對裂隙通道物性的影響要小。

3 國內(nèi)干熱巖壓裂技術(shù)攻關(guān)建議

3.1 國內(nèi)干熱巖開發(fā)面臨的形勢與壓裂技術(shù)難點

我國大陸3～10 km深處干熱巖資源量總計為2.52×1025J，相當(dāng)于 860×1012t標準煤，其中，溫度150～250 ℃的干熱巖儲量巨大，約為6.3×1024J，按2%的可開采儲量計算，相當(dāng)于2010年我國能源消費總量的1 320倍[32]。藏南地區(qū)、云南西部（騰沖）、東南沿海（浙閩粵）、華北（渤海灣盆地）、東北（松遼盆地）和鄂爾多斯盆地東南緣的汾渭地塹等地區(qū)，都是干熱巖的有利目標區(qū)[33-35]。目前，我國對生態(tài)文明建設(shè)和綠色發(fā)展高度重視，地?zé)衢_發(fā)利用面臨歷史性的發(fā)展機遇，地?zé)岚l(fā)展的春天即將到來，而干熱巖作為一種地?zé)豳Y源，其高效開發(fā)利用對于我國能源結(jié)構(gòu)的清潔化意義重大。

干熱巖壓裂不僅要求換熱空間體積足夠大，還要連通性好，不能出現(xiàn)短路現(xiàn)象，因此，很難直接應(yīng)用砂巖、頁巖和碳酸鹽巖等儲層的成熟壓裂技術(shù)。干熱巖壓裂面臨的關(guān)鍵技術(shù)難點為：

1）要求巨大的換熱體積。若利用干熱巖資源來發(fā)電，有學(xué)者計算后認為其壓裂改造后裂縫網(wǎng)絡(luò)體積應(yīng)不小于2×108m3[36]，這是一個巨大的換熱體積，常規(guī)壓裂技術(shù)難以達到。

2）不需要優(yōu)勢通道。干熱巖壓裂后生產(chǎn)井不僅要有較高的流體產(chǎn)量，而且產(chǎn)出流體要具有較高和穩(wěn)定的溫度（＞150 ℃），這就要求壓裂后熱儲層中不能存在優(yōu)勢通道，以避免出現(xiàn)因注入水沿優(yōu)勢通道突進而大大降低產(chǎn)出流體溫度的問題。

3）壓裂后滲透阻力小。為保持生產(chǎn)井穩(wěn)定的流體產(chǎn)量，熱儲層壓裂后的流體滲透阻力要不大于0.1 MPa/(kg·s)，這對壓裂裂縫系統(tǒng)滲透空間分布的均勻性和保持恒定的導(dǎo)流能力提出了挑戰(zhàn)。

4）水損耗要小。干熱巖高效開發(fā)要求注入水損耗≤10%，因此，要嚴格控制壓裂裂縫走向，避免裂縫與斷裂溝通，造成嚴重的注入水損失。

3.2 干熱巖壓裂技術(shù)攻關(guān)方向

為促進國內(nèi)干熱巖的高效開發(fā)利用，干熱巖壓裂技術(shù)主要有以下幾個攻關(guān)方向：

1）開展系統(tǒng)基礎(chǔ)研究。按照非常規(guī)資源儲層壓裂要求，進行巖石力學(xué)特性和壓裂裂縫特性等基礎(chǔ)研究，包括：高溫高壓下干熱巖楊氏模量、泊松比、斷裂韌性、三向應(yīng)力狀態(tài)及兩向應(yīng)力差異等力學(xué)特性；EGS溫度-滲流-應(yīng)力-化學(xué)等多場耦合（THSC）研究，重點是化學(xué)場耦合研究；不同熱應(yīng)力和不同流體類型條件下縫網(wǎng)形成機制；裂縫長期恒定導(dǎo)流特性。

2）干熱巖壓裂裂縫特性研究。人工熱儲層裂縫形態(tài)直接影響著熱量提取效率，它對主裂縫和分支裂縫的形態(tài)要求比較苛刻，如果裂縫系統(tǒng)中僅有少量主裂縫，熱流體很容易發(fā)生短路，冷流體觸及的熱流體面積有限，會很快耗盡通道附近巖石的熱量，使生產(chǎn)井的產(chǎn)出液體溫度大幅度下降。主裂縫太短，熱導(dǎo)流體得不到充分的換熱，主裂縫過長，流體漏損及抽取難度增加。因此，建造一個既有主縫、又有分支縫或微裂隙的裂縫系統(tǒng)，還是一個無主縫僅有微裂隙的熱儲系統(tǒng)，或者是有少量的一定長度的主縫，以微裂隙為主的裂縫系統(tǒng)，以獲取熱量最大化，是一個值得深入研究的課題。要以換熱體積大、連通性好、注入水不突進以及生產(chǎn)井產(chǎn)水量大、溫度高為目標，開展干熱巖壓裂裂縫特性研究。

3）耐超高溫分層/分段壓裂工具及材料研制。干熱巖壓裂要獲得巨大的換熱體積，依靠單一層段的壓裂改造是不可能實現(xiàn)的，而直井分層或水平井分段壓裂技術(shù)能大幅度增加干熱巖換熱體積，這需要用暫堵材料或工具來實現(xiàn)不同壓裂井段之間的封隔。鑒于干熱巖儲層的超高溫條件和裸眼完井方式，且國內(nèi)暫堵材料和裸眼封隔器或水力噴射工具耐溫均低于200 ℃的現(xiàn)狀，研制耐溫超過200 ℃的暫堵材料和裸眼封隔器或水力噴射壓裂工具勢在必行。

4）高溫硬地層縫網(wǎng)壓裂新工藝及軟件開發(fā)。以滲透阻力小、導(dǎo)流能力保持穩(wěn)定和熱效率高等為目標，開展有別于油氣領(lǐng)域的壓裂新工藝研究，并開發(fā)配套的壓裂裂縫優(yōu)化設(shè)計軟件。

5）裂縫長期實時監(jiān)測技術(shù)與評估方法研究。干熱巖壓裂過程中，微裂隙張開程度、走向、改造體積范圍嚴重影響生產(chǎn)井的產(chǎn)水量和溫度，因此，必須研究裂縫長期實時監(jiān)測技術(shù)、裝備與評估技術(shù)。

4 結(jié)束語

干熱巖是一種資源量巨大的清潔能源，其經(jīng)濟開發(fā)利用技術(shù)全球關(guān)注，欲將其變成可利用的能源必須進行壓裂改造，但其縫網(wǎng)壓裂模式不能簡單從油氣領(lǐng)域復(fù)制。國外干熱巖壓裂技術(shù)研究雖然已有40多年，但尚未完全成熟，仍在投入巨資攻關(guān)。我國干熱巖壓裂技術(shù)還處在探索階段，基礎(chǔ)理論研究薄弱，注采試驗還未開展，因此，需要加強系統(tǒng)基礎(chǔ)理論研究，攻關(guān)縫網(wǎng)壓裂新模式，研制耐超高溫的分層/分段壓裂工具及材料，通過現(xiàn)場試驗不斷改進完善，形成適合我國干熱巖儲層特點的縫網(wǎng)壓裂關(guān)鍵技術(shù)及配套工藝，為推動我國干熱巖資源的高效開發(fā)利用提供技術(shù)支撐。