干熱巖勘查及開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵技術(shù)

竇鳳珂

（山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東濟(jì)南 250104）

地?zé)豳Y源是一種清潔可再生的能源，具有利用率高、穩(wěn)定、安全、運(yùn)行成本低等眾多應(yīng)用特點(diǎn)。根據(jù)其成因、產(chǎn)出條件可以分為干熱巖型地?zé)豳Y源、水熱型地?zé)豳Y源以及淺層低溫能型地?zé)豳Y源。干熱巖是埋深在地下溫度150℃，超過(guò)2km，沒(méi)有水或是含有少量水，致密不滲透的高溫巖體，在地殼3～10km干熱巖所蘊(yùn)含的熱能等用于100億夸特，相當(dāng)于全世界范圍內(nèi)所有的天然氣、煤炭、石油所蘊(yùn)含能量的30倍，對(duì)于其的勘查、開(kāi)發(fā)技術(shù)的使用十分重要。

1 干熱巖勘查開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)地?zé)崤c溫泉的開(kāi)發(fā)利用歷史已經(jīng)有5 000多年了，我國(guó)自二十世紀(jì)五十年代開(kāi)始，就已經(jīng)在全國(guó)各地先后建設(shè)溫泉療養(yǎng)院，后來(lái)1 000m 淺層地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用得到了快速的發(fā)展，九十年代，地?zé)豳Y源開(kāi)始獲得更加迅速的發(fā)展。對(duì)于干熱巖進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用的第一步就是進(jìn)行勘查，首先需要確定干熱巖資源的具體地理位置，然后開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模鉆井，并進(jìn)一步的核實(shí)資源，然后使用石油開(kāi)發(fā)工藝技術(shù)開(kāi)采資源，而地層滲透性不足則需要借助水力壓力。最后，監(jiān)測(cè)利用干熱巖資源所提取出的熱能過(guò)程[1]。

1.1 鉆井技術(shù)

在進(jìn)行開(kāi)發(fā)過(guò)程中，要使用許多的生產(chǎn)井，注入井為直井，而開(kāi)發(fā)井也會(huì)是定向井的形式。由于壓裂能力存在制約，所以注入井和開(kāi)發(fā)井之間不能超過(guò)900m 的距離。由于地層具有非常高的溫度，所以，在開(kāi)展空氣鉆井、泡沫鉆井時(shí)，使用到的測(cè)井設(shè)備、動(dòng)力鉆具以及導(dǎo)向工具等相關(guān)設(shè)備需要具有良好的抗高溫性能。而干熱巖主要是在火成巖、變質(zhì)巖以及結(jié)晶巖花崗巖等開(kāi)展鉆井，因此地質(zhì)十分堅(jiān)硬，裂縫發(fā)育，研磨性強(qiáng)，因此需要采用質(zhì)量好的鉆頭。而干熱巖鉆井相較于油氣鉆井來(lái)說(shuō)，需要選擇硬度更高的鉆頭，在進(jìn)行空氣鉆井的時(shí)候可以使用鑲齒牙輪鉆頭。干熱巖井固井過(guò)程中，因?yàn)榈貙訙囟确浅８?，所以熱膨脹將?huì)導(dǎo)致套管擠壞，而回灌井冷卻也同樣會(huì)導(dǎo)致套管出現(xiàn)收縮的問(wèn)題，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)脹裂破裂。干熱巖固定的時(shí)候，水泥將會(huì)從套管鞋返回到地面，以提供防腐、支持以及穩(wěn)定效果，同時(shí)還可以避免套管出現(xiàn)膨脹變形[2]。

1.2 干熱巖壓裂技術(shù)

通過(guò)研究EGS 壓裂裂縫的起裂與延伸，結(jié)果顯示：熱感應(yīng)力與裂縫的延伸之間具有直接關(guān)系，并且還會(huì)隨機(jī)誘導(dǎo)裂縫；熱應(yīng)力不僅會(huì)出現(xiàn)在巖石和流體的接觸過(guò)程中，同時(shí)還會(huì)額外發(fā)生變形，從而出現(xiàn)微破裂的情況。在圖1中，其裂縫起裂的尖角表示熱巖石到冷流體的熱通量，而紅色表示流體滲入巖石的基質(zhì)，藍(lán)色則意味著流體壓力?；诖四軌颢@得結(jié)論：微破裂是因?yàn)闇夭钏鶎?dǎo)致的，而微破裂基本上是沿著裂縫而出現(xiàn)的，并且呈現(xiàn)出垂直于裂縫面擴(kuò)展的發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 裂縫的擴(kuò)展形態(tài)

而國(guó)內(nèi)對(duì)于干熱巖壓裂技術(shù)主要是研究高溫物理模擬裝置、高溫壓裂流體以及THCM 耦合模擬研究等方面。為了能夠研究高溫與三軸應(yīng)力下花崗巖的熱破裂、力學(xué)特性以及滲流規(guī)律等，我國(guó)的礦業(yè)大學(xué)選擇建立耐溫600℃的20MN 高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)模擬固-流-熱三維數(shù)值，研究了地?zé)嵩陂_(kāi)發(fā)過(guò)程中的應(yīng)力、溫度變化的規(guī)律以及裂縫寬度的變化規(guī)律。而破裂試驗(yàn)的結(jié)果表明：

（1）在常溫至600 ℃，花崗巖的破裂壓力具有一個(gè)分界值，一旦巖石的破裂壓力達(dá)到這一分界值之后，隨著溫度的提升，熱破裂將會(huì)呈現(xiàn)出多期性以及間斷性的變化發(fā)展趨勢(shì)，并且?guī)r石的滲透率將會(huì)呈現(xiàn)出同步發(fā)展的變化情況。

（2）在三向應(yīng)力條件下，熱破裂的溫度不斷提升，其滲透率將隨著溫度的提高而呈指數(shù)增大。在熱破裂初期，花崗巖的巖樣滲透率將會(huì)隨溫度上升，并且隨著熱破裂的發(fā)展，滲透率將會(huì)隨著溫度的增加而增加。

而通過(guò)研究EGS 地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)過(guò)程中，水巖作用對(duì)于熱儲(chǔ)層特征造成的影響，可以基于結(jié)果中發(fā)現(xiàn)：

（1）在花崗巖熱儲(chǔ)層中注入冷水，石英礦物會(huì)沉淀，其相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)將會(huì)增大13%，而黑云母礦物、堿性長(zhǎng)石以及斜長(zhǎng)石等物質(zhì)將會(huì)溶解，并且隨著時(shí)間的推移，儲(chǔ)層孔隙度、滲透率均會(huì)逐漸增加。

（2）CO2是一種載熱流體，可以有效降低地層水內(nèi)的pH，從而使裂隙通道中方解石能夠?qū)崿F(xiàn)微溶解，石英沉淀。但是水巖作用對(duì)于裂隙孔滲的影響非常小，所以導(dǎo)致裂隙特征變化也同樣非常小[3]。

1.3 鉆井液冷卻技術(shù)

干熱巖具有較高的溫度，所以在鉆井液返回地面后，溫度在此時(shí)將會(huì)達(dá)到100℃以上，而水蒸發(fā)不僅會(huì)嚴(yán)重影響鉆井液的性能，同時(shí)還會(huì)對(duì)設(shè)備、人員造成極大威脅。所以，干熱巖鉆井必須要采用特殊裝置對(duì)鉆井液進(jìn)行冷卻。部分公司研發(fā)的鉆井液冷卻系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在地?zé)岷陀蜌忏@井中。而如圖2所示為板式換熱器鉆井液冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理是：在鉆井液罐中，由鉆井泵抽吸進(jìn)板式換熱器和冷卻劑之間進(jìn)行換熱，水是其中的冷卻劑。而板式換熱器鉆井液冷卻系統(tǒng)是利用2個(gè)板式換熱器進(jìn)行換熱工作，在其中的主換熱器中，鉆井液會(huì)與乙二醇/水溶液進(jìn)行換熱冷卻，而乙二醇/水溶液在吸收完鉆井液的熱量以后，將會(huì)返回到第二個(gè)換熱器內(nèi)。而淋噴式換熱器鉆井液冷卻系統(tǒng)的工作原理是：在鉆井液罐、鉆井液池中，泵進(jìn)淋噴式換熱器，冷水直接噴射鉆井液管束，并且風(fēng)扇還會(huì)鼓入空氣，氣水在混合之后，可以使鉆井液的冷卻效果加強(qiáng)[4]。

圖2 板式換熱器鉆井液冷卻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

我國(guó)經(jīng)過(guò)不斷的研究，已經(jīng)初步形成了鉆井液冷卻技術(shù)。首先，利用加裝旋轉(zhuǎn)防噴器給井筒流體回壓，提升井筒內(nèi)鉆井液沸點(diǎn)，同時(shí)降低井口產(chǎn)生高溫蒸汽并彌散，對(duì)于井口施工十分有利；其次，采用鉆井液冷卻裝置強(qiáng)制冷卻、自然蒸發(fā)冷卻等方式冷卻地面鉆井液，通過(guò)提高鉆井液導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度、增大排量等多項(xiàng)措施來(lái)降低入口溫度。

2 干熱巖地?zé)衢_(kāi)發(fā)技術(shù)研究方向

2.1 鉆井完井技術(shù)

干熱巖主要包括變質(zhì)巖以及花崗巖等，而巖石均具有較高的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)還具備研磨性強(qiáng)、可鉆性差的特點(diǎn)。而井眼圍巖在高溫、高壓的狀態(tài)下，非常容易出現(xiàn)熱破裂、流動(dòng)以及井壁坍塌等問(wèn)題。干熱巖鉆井完井除了需要應(yīng)用石油工程技術(shù)、材料以及相關(guān)設(shè)備之外，還需開(kāi)展幾方面的研究：井眼軌跡控制技術(shù)、干熱巖破巖技術(shù)、高溫巖體鉆井圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)、高溫測(cè)量?jī)x器、地面鉆井液冷卻及防噴裝備、干熱巖熱布井、井身結(jié)構(gòu)、高溫鉆井液、水泥漿體系及套管熱穩(wěn)定性技術(shù)等[5]。

2.2 大型壓裂技術(shù)

人工熱儲(chǔ)的形成和儲(chǔ)層中的裂縫發(fā)育連通將會(huì)直接影響干熱巖熱能提取。而要想建造人工熱儲(chǔ)，就必須滿足幾個(gè)方面的需求：首先，產(chǎn)生大尺度的體積壓裂，以保障提取熱量以及熱系統(tǒng)的壽命：其次，形成大裂隙，從而保障流體的提取溫度：最后，復(fù)雜縫內(nèi)較小的流動(dòng)阻力，從而降低能耗與循環(huán)損失。因此，當(dāng)前的研究方向主要為：溫度和地應(yīng)力場(chǎng)變化下垂直裂縫壓裂設(shè)計(jì)方法，裂縫起裂與延伸控制技術(shù)，抗高溫壓裂液及裂縫分布監(jiān)測(cè)以及干熱巖生產(chǎn)后期溫度變化特征與縫網(wǎng)變化預(yù)測(cè)技術(shù)等。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，干熱巖地?zé)岬拇嬖谑钱?dāng)前全世界范圍內(nèi)應(yīng)用價(jià)值與利用潛力并存的一種清潔能源，對(duì)能源結(jié)構(gòu)起到良好的優(yōu)化作用，改善了人們的生活質(zhì)量，同時(shí)還能夠促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展。