干熱巖地?zé)豳Y源開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

李根生，武曉光，宋先知，周仕明，李銘輝，朱海燕，孔彥龍，黃中偉*

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

2 中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101

3 深圳大學(xué)深地科學(xué)與地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518060

4 成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059

5 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029

0 引言

在全球向多元化“新能源時(shí)代”轉(zhuǎn)型的大趨勢(shì)下，中國(guó)作為能源消費(fèi)大國(guó)和負(fù)責(zé)任大國(guó)，肩負(fù)著促進(jìn)地區(qū)能源轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的重任。作為巴黎氣候協(xié)定的締約方，中國(guó)積極應(yīng)對(duì)氣候變化，提出了2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的遠(yuǎn)景目標(biāo)[1]。國(guó)家“十四五”規(guī)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(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議上把“雙碳”目標(biāo)納入了我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)整體布局，大力開(kāi)發(fā)清潔可再生能源，契合我國(guó)能源重大戰(zhàn)略需求[2]。

地?zé)崮茏鳛橐环N重要的清潔可再生能源，具有低碳環(huán)保、穩(wěn)定高效等特點(diǎn)[3]，與風(fēng)能、太陽(yáng)能等能源相比，不受季節(jié)、氣候、晝夜等外界因素干擾，發(fā)電利用效率(Capacity factor)達(dá)73%，約為太陽(yáng)能的5.2倍、風(fēng)能的3.5倍[4]，是一種現(xiàn)實(shí)并具有競(jìng)爭(zhēng)力的新能源?！鞍l(fā)展安全、清潔、高效的地?zé)崮艿痊F(xiàn)代能源技術(shù)”已被列入《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》。中共中央、國(guó)務(wù)院《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》，更是明確提出要“大力發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、海洋能、地?zé)崮艿取?。地?zé)崮苤饕疅嵝?含水)和干熱巖型(不含水)兩類，目前我國(guó)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)仍以水熱型為主，中低溫地?zé)嶂苯永镁邮澜缡孜?，而高溫干熱巖地?zé)衢_(kāi)發(fā)尚處于起步階段[5]。

干熱巖是指埋深位于3～10 km、溫度高于180 ℃、含有少量或不含水的低滲巖體[6-7]。我國(guó)干熱巖地?zé)崮軆?chǔ)量豐富，資源量為2.52×1025J，合856萬(wàn)億 t標(biāo)煤[8]，約占世界資源總量的1/6。其中，3～5 km深干熱巖資源約為150萬(wàn)億t標(biāo)煤[9]，為我國(guó)化石能源總量的80倍。按2‰資源開(kāi)采量計(jì)算，3～5 km干熱巖地?zé)崮芗纯韶暙I(xiàn)“碳中和”減排目標(biāo)的17.7%，開(kāi)發(fā)潛力巨大。實(shí)現(xiàn)干熱巖地?zé)崮艿母咝ч_(kāi)發(fā)利用，對(duì)于改善我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、減少溫室氣體排放和控制環(huán)境污染具有重大意義。本文從干熱巖地?zé)豳Y源分布和成因類型出發(fā)，闡述了我國(guó)干熱巖地?zé)豳Y源稟賦和開(kāi)采潛力，介紹了干熱巖地?zé)岬闹饕_(kāi)采方式和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并系統(tǒng)剖析了干熱巖開(kāi)采中所面臨的鉆井建井、壓裂造儲(chǔ)及取熱優(yōu)化3大難題挑戰(zhàn)，從基礎(chǔ)科學(xué)研究層面提出了攻關(guān)思路和研究建議。

1 資源分布與成因類型

地?zé)豳Y源的分布與板塊構(gòu)造有著密切聯(lián)系，板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)全球地?zé)釒У男纬珊头植家?guī)律有明顯的控制作用。全球高溫地?zé)豳Y源主要沿板塊生長(zhǎng)/開(kāi)裂的大洋擴(kuò)張脊和板塊碰撞/衰亡的消減帶等大地構(gòu)造板塊邊緣狹窄地帶展布，延伸可達(dá)數(shù)千千米，形成了著名的環(huán)球地?zé)釒10]。目前普遍將全球劃分為4個(gè)地?zé)釒7,11-12]：環(huán)太平洋地?zé)釒?、紅?！獊喍场獤|非離散板內(nèi)地?zé)釒?、地中?！柴R拉雅地?zé)釒?又稱特提斯匯聚板緣地?zé)釒?與大西洋中脊地?zé)釒?。全球已查明的地?zé)豳Y源絕大多數(shù)分布在環(huán)太平洋地?zé)釒c地中?！柴R拉雅地?zé)釒?，集中在北美洲西海岸、中美洲、中?guó)東南沿海和青藏高原地區(qū)以及德國(guó)、法國(guó)等歐洲國(guó)家。在紅?！獊喍场獤|非離散板內(nèi)地?zé)釒?nèi)，地?zé)豳Y源以中—高溫水熱型為主要存在形式，且主要分布在非洲東部。大西洋中脊地?zé)釒У牡責(zé)豳Y源主要位于冰島，以水熱型為主，存在少量干熱巖地?zé)豳Y源。此外，在4大地?zé)釒б酝?澳大利亞、新西蘭)也存在部分水熱型和干熱巖型地?zé)豳Y源，主要熱源為殼源放射性元素放熱。

地?zé)豳Y源作為一種埋藏于地下的礦產(chǎn)資源, 與構(gòu)造條件、地層、巖性、地下水等條件息息相關(guān)，不同的熱源組成及成因模式使全球地?zé)豳Y源形成了獨(dú)特的成因規(guī)律和分布特征[13]。對(duì)全球已開(kāi)發(fā)利用的干熱巖場(chǎng)地進(jìn)行分類評(píng)價(jià)，如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)：位于板塊邊緣的干熱巖場(chǎng)地多達(dá)32個(gè)，并且以地幔余熱(14個(gè))、幔源巖漿(11個(gè))和構(gòu)造熱事件(5個(gè))為主要熱源[14]。幔源巖漿型地?zé)嵯到y(tǒng)主要分布在環(huán)太平洋地?zé)釒?，地幔余熱型地?zé)嵯到y(tǒng)主要分布在歐洲地區(qū)，構(gòu)造熱事件型地?zé)嵯到y(tǒng)的分布則比較分散。板塊內(nèi)部的干熱巖場(chǎng)地相對(duì)很少，僅在中國(guó)的共和盆地(1個(gè)部分熔融型)以及澳大利亞(2個(gè)放射性產(chǎn)熱型)存在。

圖1 全球主要地?zé)豳Y源分布[14]Fig.1 Global distribution of major geothermal resources[14]

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造背景，中國(guó)的干熱巖資源通常劃分為高放射性產(chǎn)熱型、沉積盆地型、近代火山型和強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)帶型等4種典型成因類型[7,15-18]。高放射性產(chǎn)熱型干熱巖資源主要分布于華南地區(qū)，以放射性元素的衰變熱為主要熱源，巖性主要為花崗巖；沉積盆地型干熱巖資源主要分布于東部的華北、松遼等中/新生代沉積盆地，盆地內(nèi)基巖面起伏相間的構(gòu)造格局，對(duì)區(qū)域地溫場(chǎng)和地表熱流的分布起著控制作用，典型區(qū)塊如唐山馬頭營(yíng)凸起區(qū)[16-17]；近代火山型干熱巖資源主要分布于騰沖、雷瓊、長(zhǎng)白山以及五大連池等近代火山群分布區(qū)，瓊北花東1R井在深度4387 m處鉆獲超過(guò)185 ℃的優(yōu)質(zhì)高溫巖體，屬于典型的近代火山型干熱巖[17]；西南藏滇地區(qū)以及臺(tái)灣地區(qū)是我國(guó)強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)帶型干熱巖的主要賦存區(qū)域，由于我國(guó)地處環(huán)太平洋板塊地?zé)釒У奈魈窖髰u弧型板緣地?zé)釒б约暗刂泻！柴R拉雅陸陸碰撞型板緣地?zé)釒У慕粎R部位，構(gòu)造活動(dòng)劇烈，干熱巖資源具有與水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)同源共生的特征，如羊八井地?zé)崽锏腪K4002井，即為典型的高溫水熱系統(tǒng)翼部伴生的干熱型地?zé)嵯到y(tǒng)[19]。

2 干熱巖增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(Enhanced Geothermal Systems，簡(jiǎn)稱EGS)是目前開(kāi)發(fā)干熱巖的主要手段[20-21]，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(chǔ)，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(guó)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(guī)模EGS地?zé)犴?xiàng)目[22-24]。我國(guó)干熱巖地?zé)豳Y源分布廣泛，近年來(lái)在藏南、滇西、川西、東南沿海等地區(qū)相繼取得了重大勘探突破[25]，并開(kāi)始著手建立我國(guó)首個(gè)干熱巖EGS示范工程。

從1974年全球首個(gè)干熱巖EGS示范工程至今，世界范圍內(nèi)已經(jīng)陸續(xù)開(kāi)展了60余項(xiàng)EGS開(kāi)發(fā)示范項(xiàng)目(圖3)[26]，包括美國(guó)的Fenton Hill、英國(guó)的Rosemanowes、日本的Hijiori、澳大利亞的Cooper Basin、法國(guó)的Soultz和德國(guó)的Landu等[22,27-28]，并相繼實(shí)現(xiàn)了兆瓦級(jí)試驗(yàn)。其中仍在運(yùn)行和在建的EGS項(xiàng)目29個(gè)[26]，法國(guó)Soultz是目前公認(rèn)的商業(yè)化運(yùn)行最為成功的EGS工程[29-30]。近幾年，美國(guó)能源部可再生能源辦公室資助了多個(gè)EGS示范項(xiàng)目，主要包括Desert-Peak項(xiàng)目(內(nèi)華達(dá)州)、Geysers項(xiàng)目(加利福尼亞州)和Raft River項(xiàng)目(愛(ài)達(dá)荷州)。2015年，美國(guó)能源部正式啟動(dòng)了全球最大的干熱巖示范項(xiàng)目“地?zé)崮苎芯壳把夭t望臺(tái)”(FORGE)計(jì)劃，參加團(tuán)隊(duì)包括愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和猶他大學(xué)，致力于EGS現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用、鉆完井技術(shù)測(cè)試等前沿研究[31-32]。干熱巖資源的優(yōu)越性和EGS開(kāi)發(fā)的可行性得到了國(guó)際認(rèn)可。

我國(guó)干熱巖地?zé)嵫芯科鸩捷^晚。2012年初，在中科院組織起草的《科技發(fā)展新態(tài)勢(shì)與面向2020年的戰(zhàn)略選擇》報(bào)告中，“深層地?zé)崮軐⒊蔀橹饕稍偕茉粗弧北涣腥肫渲?，成為“十二五”和“十三五”期間著重突破的重大科技問(wèn)題之一[25]。同年，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)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(xiàng)目[21]。2013年，制定了《全國(guó)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(diào)查，初步擬定了我國(guó)干熱巖地?zé)峥辈扉_(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)體系。2016年開(kāi)始實(shí)施“全國(guó)地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)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(qū)鉆遇優(yōu)質(zhì)干熱巖體，干熱巖資源潛力得到驗(yàn)證[17]。然而，根據(jù)國(guó)際地?zé)釁f(xié)會(huì)(IGA)數(shù)據(jù)，截至2021年，全球累計(jì)地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量為15.85 GW，而中國(guó)地?zé)岚l(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(diào)控技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)深層高溫地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用進(jìn)程。為此，2021年國(guó)家自然科學(xué)基金委啟動(dòng)了地?zé)犷I(lǐng)域首個(gè)重大項(xiàng)目“干熱巖地?zé)豳Y源開(kāi)采機(jī)理與方法”，項(xiàng)目由中國(guó)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(guó)干熱巖地?zé)峄A(chǔ)研究的源頭創(chuàng)新能力。

3 重大挑戰(zhàn)與技術(shù)現(xiàn)狀

快速鉆達(dá)地?zé)醿?chǔ)層(建井)、形成穩(wěn)定的熱儲(chǔ)通道(造儲(chǔ))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?zé)醿?chǔ)層，干熱巖儲(chǔ)層地質(zhì)條件復(fù)雜，具有典型的“四高”特征：(1)高溫度：干熱巖溫度高于180 ℃，美國(guó)大部分干熱巖儲(chǔ)層溫度基本都在200 ℃以上(圖4)，美國(guó)Geysers以及冰島的EGS示范項(xiàng)目部分儲(chǔ)層甚至高達(dá)400 ℃[33]；(2)高硬度：干熱巖資源主要賦存于高溫堅(jiān)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(qiáng)度在200 MPa以上[34]，可鉆性達(dá)10級(jí)，研磨性極強(qiáng)；(3)高應(yīng)力：因構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，最大水平主應(yīng)力當(dāng)量鉆井液密度超過(guò)2.8 g/cm3，是常規(guī)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(＜10-3mD)。上述復(fù)雜地質(zhì)條件，使得干熱巖地?zé)衢_(kāi)采在鉆井建井、壓裂造儲(chǔ)和流動(dòng)取熱等關(guān)鍵環(huán)節(jié)面臨重大難題和技術(shù)挑戰(zhàn)。

圖4 世界典型EGS工程井深與熱儲(chǔ)溫度[22]Fig.4 Well depth and reservoir temperature of typical EGS projects in the world[22]

3.1 鉆井建井

鉆達(dá)地?zé)醿?chǔ)層、形成穩(wěn)定井眼是實(shí)現(xiàn)深部地?zé)豳Y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(jiān)硬的儲(chǔ)層中建成可靠的循環(huán)注采井筒通道，是地?zé)豳Y源勘探、提高產(chǎn)量、降低成本最主要的工程環(huán)節(jié)。然而，由于深部地?zé)醿?chǔ)層巖體高溫、高強(qiáng)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(zhàn)：

(1)干熱巖硬度高、耐研磨，地層可鉆性極差，導(dǎo)致鉆頭磨損嚴(yán)重。青海共和盆地進(jìn)尺2497 m消耗鉆頭50余只[35-36]，單只鉆頭平均進(jìn)尺不足40 m，美國(guó)Geysers地?zé)崽锘◢弾r地層單只鉆頭甚至不足30 m。

(2)機(jī)械鉆速低，建井周期長(zhǎng)、成本高，嚴(yán)重制約了干熱巖的商業(yè)化開(kāi)發(fā)。美國(guó)芬頓山EE-2井(4660 m)建井周期410天[37]，冰島IDDP-1井(2096 m)鉆井周期402天[38]，我國(guó)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(zhǎng)達(dá)430天[35-36]。

(3)鉆井液體系在高溫下流變性和穩(wěn)定性發(fā)生劣化，高溫井眼清潔效果差，護(hù)壁和攜巖能力降低，加之地層裂縫和斷層發(fā)育，導(dǎo)致鉆井液漏失嚴(yán)重，容易誘發(fā)井下安全事故[39-40]。

(4)高溫引起水泥漿固結(jié)緩慢和水泥石強(qiáng)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(guó)Soultz干熱巖項(xiàng)目，均出現(xiàn)了水泥環(huán)高溫失效導(dǎo)致的套損問(wèn)題[41-43]。此外，傳統(tǒng)水泥漿體系未考慮隔熱作用，導(dǎo)致EGS注采過(guò)程中井筒沿程熱損失嚴(yán)重，影響地?zé)崮馨l(fā)電和綜合利用效率[44]。

3.1.1 高溫硬地層高效破巖及鉆井提速技術(shù)

巖石可鉆性評(píng)價(jià)是實(shí)現(xiàn)鉆頭選型和個(gè)性化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有可鉆性評(píng)價(jià)主要針對(duì)砂巖或泥頁(yè)巖等常規(guī)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(shù)的評(píng)價(jià)報(bào)道，缺乏高溫高壓(＞200 ℃)條件下硬巖可鉆性等鉆井參數(shù)的評(píng)價(jià)方法和體系，鉆頭選型及參數(shù)設(shè)計(jì)缺乏理論依據(jù)。

鉆頭作為破巖的主要工具，是實(shí)現(xiàn)干熱巖優(yōu)快鉆井的關(guān)鍵。為適應(yīng)干熱巖井下高溫環(huán)境，國(guó)內(nèi)外對(duì)鉆頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料升級(jí)，貝克休斯牙輪鉆頭最高耐溫能力達(dá)到288 ℃，國(guó)民油井Reed-Hycalog超硬熱穩(wěn)定PDC可鉆穿抗壓強(qiáng)度達(dá)到280 MPa的硬地層，并具有很強(qiáng)的耐磨性和抗沖擊性[45]。國(guó)內(nèi)采用金屬軸承密封系統(tǒng)、耐高溫潤(rùn)滑介質(zhì)、頂齒掌背強(qiáng)化等技術(shù)手段，開(kāi)發(fā)了耐260 ℃牙輪鉆頭[46]。雖然國(guó)內(nèi)耐高溫牙輪鉆頭可一定程度上滿足干熱巖鉆井需求，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(zhǎng)和穩(wěn)定性得不到保障，掉牙輪情況頻發(fā)，井下風(fēng)險(xiǎn)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(guī)破巖手段能量不足，對(duì)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(wěn)定，持續(xù)處于黏滑和振動(dòng)等不利工作環(huán)境中，牙齒崩裂磨損嚴(yán)重。異形齒PDC鉆頭在高強(qiáng)度、高研磨性地層鉆井中展現(xiàn)出良好的適用性，可通過(guò)采用新材料增強(qiáng)其耐溫和抗沖擊性能，近年來(lái)引起了各大油服公司和國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[47-50]。針對(duì)錐形齒、斧型齒、三棱齒等異型齒(圖5)破巖機(jī)理開(kāi)展了大量研究[48-52]，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guī)PDC齒，可大幅降低破巖比能、提高機(jī)械鉆速。因此，基于異型齒混合布齒的個(gè)性化自適應(yīng)PDC鉆頭，配合耐溫耐沖擊增強(qiáng)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。

圖5 異型齒類型及破巖特征對(duì)比[52]，(a)不同類型的PDC異型齒；(b)錐形齒和常規(guī)齒吃入深度對(duì)比Fig.5 Axe-shaped cutters and comparison in rock-breaking performances, (a) Various types of axe-shaped PDC cutters; (b) Comparison in cutting depth between conical cutter and conventional cutter[52]

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(dǎo)致在干熱巖中應(yīng)用受限，我國(guó)高溫螺桿鉆具耐溫一般不超過(guò)180 ℃[53-54]。貝克休斯正在研發(fā)耐高溫300 ℃動(dòng)力鉆具系統(tǒng)，包括Kymera鉆頭、全金屬螺桿鉆具、螺桿用金屬間潤(rùn)滑劑等。相比于螺桿鉆具，渦輪鉆具由于其全金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，耐溫能力普遍可以達(dá)到260 ℃[35]，配合孕鑲金剛石鉆頭，可大幅提高機(jī)械鉆速。對(duì)于隨鉆測(cè)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(duì)于空氣鉆井或泡沫鉆井，工具抗高溫性能尚難以滿足干熱巖高溫環(huán)境[34]。旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)260 ℃以上高溫環(huán)境，但目前未規(guī)?；瘧?yīng)用于干熱巖鉆井工程。旋沖鉆井和扭沖鉆井利用了硬巖脆性強(qiáng)、沖擊易碎的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)切削與沖擊破巖的結(jié)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(jī)械鉆速[55-56]。建議后續(xù)加強(qiáng)高溫高應(yīng)力下軸扭耦合破巖機(jī)理研究，探索多維沖擊耦合破碎干熱巖方法的可行性。

3.1.2 耐高溫鉆井液及高溫護(hù)壁/攜巖方法

如何在高溫環(huán)境下保持鉆井液性能，維持其攜巖及穩(wěn)定井壁的能力，是確保干熱巖安全高效建井的關(guān)鍵。高溫下鉆井液體系流變性和穩(wěn)定性易發(fā)生劣化，護(hù)壁和攜巖能力降低，井眼清潔效果變差，容易引發(fā)壓持效應(yīng)。目前主流的抗高溫鉆井液大多以磺化材料為主[39-40]，抗溫能力可達(dá)到230～260 ℃，我國(guó)貴德ZR1井和漳州干熱1井中即使用了抗高溫聚磺鉆井液[57-58]。但磺化體系中含有較多的鉻離子和甲醛等有害物質(zhì)，環(huán)境污染問(wèn)題較為嚴(yán)重，而其他抗高溫鉆井液體系例如甲酸鹽鉆井液等，成本較高，難以廣泛應(yīng)用，抗高溫、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的新型鉆井液體系尚有待研發(fā)。

干熱巖儲(chǔ)層通常發(fā)育有天然裂縫及斷層，因此鉆井過(guò)程中存在鉆井液惡性漏失的風(fēng)險(xiǎn)，容易誘發(fā)井下安全事故。如西藏羊八井ZK201井鉆井過(guò)程中從井深幾十米幾乎漏到井底，日本Ogachi干熱巖鉆井時(shí)井底鉆井液漏失量高達(dá)90%[59-60]。鉆遇裂縫性和破碎性地層時(shí)如何維護(hù)井壁穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)高溫高壓條件下有效防漏和堵漏是干熱巖鉆井亟待解決的問(wèn)題之一。當(dāng)前針對(duì)高溫堵漏材料研究較少，通常采用空氣鉆井和耐高溫泡沫鉆井液來(lái)緩解惡性漏失[36]。目前，300 ℃高溫泡沫鉆井液技術(shù)已經(jīng)基本成熟，中石油長(zhǎng)城鉆探采用高溫泡沫鉆井液在肯尼亞OLKARIA區(qū)塊鉆成一口地?zé)峋?，地層溫度高達(dá)350 ℃[40-42]。在井筒攜巖方面，由于井筒內(nèi)高溫環(huán)境下存在氣液固多相流動(dòng)，鉆井液密度、黏度等物性參數(shù)隨溫度分布而發(fā)生變化，鉆井液在井筒內(nèi)流動(dòng)傳熱的瞬態(tài)溫壓特性復(fù)雜，高溫環(huán)境下考慮鉆井液漏失的三維井眼環(huán)空巖屑運(yùn)移規(guī)律尚不明晰，仍缺乏干熱巖鉆井井筒高效攜巖理論和方法。

3.1.3 高溫固井水泥石強(qiáng)度衰退與控制方法

固井不僅決定著干熱巖全生命周期井筒質(zhì)量，還影響到后續(xù)的EGS工程建設(shè)。干熱巖高溫環(huán)境對(duì)水泥漿漿體穩(wěn)定性、失水量和稠化時(shí)間具有影響，長(zhǎng)期強(qiáng)度易發(fā)生衰退[61-62]?？夏醽喌?zé)峋甇W-36A井固井水泥漿體系未充分考慮高溫、注采循環(huán)的影響，致使72%井段發(fā)生長(zhǎng)效密封失效，套管嚴(yán)重?cái)D毀變形，井口套壓超過(guò)20 MPa，造成該井報(bào)廢[41-43]。美國(guó)俄勒岡州的Newberry也發(fā)生了類似的問(wèn)題，大部分壓裂液在套管鞋附近流出，導(dǎo)致初始改造不成功[63]。2017年，冰島Reykjanes也發(fā)生了套管固井泄漏，導(dǎo)致后續(xù)熱儲(chǔ)流量測(cè)試被延遲[64]。

高溫是影響水泥石強(qiáng)度衰退的主要因素，存在溫度閾值。通常當(dāng)溫度達(dá)到110 ℃時(shí)，水泥石會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度下降，到達(dá)230 ℃時(shí)可能會(huì)完全喪失強(qiáng)度。普通的油井水泥是由硅酸二鈣、硅酸三鈣組成，約占總量的80%，溫度較低主要利于生成水化硅酸二鈣和一定量的碳酸鈣和氫氧化鈣，這些物質(zhì)穩(wěn)定、力學(xué)性能好。但是在高溫條件下，水化硅酸二鈣的晶體形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，生成了C2SH(A)和C2SH(C)為主體的混合物，而且固體狀態(tài)下的晶體形態(tài)改變也造成水泥石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致水泥石強(qiáng)度急劇下降[65-68]。此外，不同于油氣井固井過(guò)程，地?zé)峋蠊叹嗍哂幸欢ǖ母魺嵝阅?，以降低注采過(guò)程中的熱損量[44]。然而，當(dāng)前地?zé)峋蠖嘌赜糜蜌饩叹酀{體系，未考慮隔熱保溫作用，因此形成的水泥石導(dǎo)熱系數(shù)較高，約為1 W/(m·K)，保溫性能較差，導(dǎo)致EGS注采過(guò)程中井筒沿程產(chǎn)生較大的熱損失，井口水溫較儲(chǔ)層溫度下降明顯，大幅降低了地?zé)豳Y源的梯級(jí)利用效率[44,69]，部分熱損嚴(yán)重的井甚至?xí)适Оl(fā)電能力，嚴(yán)重影響其有效利用價(jià)值。綜上，為確保干熱巖井筒的完整性和安全性，需研制高溫環(huán)境下性能穩(wěn)定、低失水量、稠化時(shí)間可調(diào)、低導(dǎo)熱系數(shù)的固井水泥漿體系，同時(shí)探究超高溫水泥石熱損傷機(jī)理與強(qiáng)度穩(wěn)定性控制方法，提高干熱巖井筒水泥環(huán)耐溫性與耐久性。

3.2 壓裂造儲(chǔ)

壓裂造儲(chǔ)是干熱巖EGS開(kāi)發(fā)的核心步驟，直接決定著干熱巖地?zé)衢_(kāi)采的成敗及整體經(jīng)濟(jì)效益。干熱巖造儲(chǔ)要求形成大規(guī)模連通的復(fù)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(tǒng)的水力壓裂技術(shù)無(wú)法照搬到深層地?zé)醄7,23]。截至2020年底，全球累計(jì)建設(shè)示范性EGS工程項(xiàng)目逾60項(xiàng)，但目前實(shí)施的EGS項(xiàng)目中儲(chǔ)層改造效果仍不理想、儲(chǔ)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：

圖6 干熱巖人工造儲(chǔ)難題示意圖Fig.6 Schematic of the difficulties of creating artificial geothermal reservoir in hot dry rock

(1)巖石強(qiáng)度大，起裂壓力高，存在誘發(fā)地震風(fēng)險(xiǎn)。澳大利亞Habanero和韓國(guó)Pohang干熱巖EGS儲(chǔ)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(guó)Pohang發(fā)生的Mw5.4級(jí)地震，被認(rèn)為由干熱巖壓裂所導(dǎo)致，2006年瑞士的巴塞爾干熱巖試驗(yàn)項(xiàng)目也因誘發(fā)地震而被迫關(guān)停[60,70]。

(2)裂縫單一，難以形成縫網(wǎng)，容易引起熱短路。大規(guī)模的復(fù)雜立體縫網(wǎng)是EGS高效換熱的基礎(chǔ)，然 而 日 本Hijiori、德 國(guó)Gro? Sch?nebeck、英 國(guó)Rosemanowes等EGS項(xiàng)目表明[25]，干熱巖儲(chǔ)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(dǎo)致造儲(chǔ)失敗。

(3)裂縫延伸不可控，注采井溝通困難。干熱巖儲(chǔ)層改造過(guò)程應(yīng)力擾動(dòng)復(fù)雜，強(qiáng)溫差熱應(yīng)力和天然裂縫綜合影響下水力裂縫擴(kuò)展預(yù)測(cè)難度大，美國(guó)Fenton Hill項(xiàng)目在3個(gè)階段的儲(chǔ)層改造工作中，經(jīng)歷8次鉆井、5次壓裂才實(shí)現(xiàn)發(fā)電[71-72]，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(yán)重流失等原因而被迫終止，此外英國(guó)的Rosemanowes和日本的Hijiori干熱巖項(xiàng)目中也出現(xiàn)過(guò)注采井無(wú)法連通的問(wèn)題[73]。

要建成安全、經(jīng)濟(jì)、高效的人工熱儲(chǔ)并非易事，如何采用“柔性造儲(chǔ)”的方式有效溝通注采井，避免純粹靠提高壓力改造儲(chǔ)層是構(gòu)建EGS系統(tǒng)的重大難題與需求。柔性造儲(chǔ)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(jié)合的方法，誘導(dǎo)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(fù)雜度的同時(shí)，有效降低誘發(fā)地震的風(fēng)險(xiǎn)。以構(gòu)建復(fù)雜立體縫網(wǎng)、降低地震風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)，近年來(lái)學(xué)者從傳統(tǒng)水力壓裂造縫和造儲(chǔ)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(chǔ)改造新思路，但總體上技術(shù)仍不成熟，尚未形成一種“可復(fù)制”的干熱巖高效造儲(chǔ)方法。

3.2.1 水力壓裂

盡管水力壓裂技術(shù)已成熟應(yīng)用于油氣領(lǐng)域，但由于干熱巖儲(chǔ)層具有高溫、高應(yīng)力等特點(diǎn)，加大了儲(chǔ)層改造的難度和不確定性。不同于油氣儲(chǔ)層壓裂，干熱巖水力壓裂是基巖形變、流體流動(dòng)和熱量交換的熱—流—固多物理場(chǎng)耦合過(guò)程[74-75]，壓裂過(guò)程受低溫流體誘導(dǎo)的熱應(yīng)力與流體靜壓共同作用，裂縫起裂和擴(kuò)展過(guò)程相比于傳統(tǒng)油氣壓裂更為復(fù)雜。干熱巖儲(chǔ)層在構(gòu)造應(yīng)力和局部斷層的影響下通常發(fā)育有天然裂縫[27,76]，利用水力壓裂溝通天然裂縫形成相互連通的復(fù)雜縫網(wǎng)，是提高EGS熱儲(chǔ)改造體積和工質(zhì)換熱效率的有效途徑。法國(guó)的Soultz是目前全球商業(yè)化運(yùn)營(yíng)最成功的EGS示范工程，該項(xiàng)目以裂縫型地層為主要靶區(qū)，通過(guò)水力壓裂成功激活和溝通儲(chǔ)層中的天然裂縫，實(shí)現(xiàn)了注采井的有效連通。天然裂縫的存在對(duì)水力裂縫的走向具有重要影響[77-80]，盡管前人針對(duì)干熱巖壓裂裂縫起裂及擴(kuò)展等開(kāi)展了一定研究，但熱應(yīng)力和天然裂縫共同干擾下的水力裂縫擴(kuò)展機(jī)理鮮有報(bào)道，熱應(yīng)力影響下水力裂縫與天然裂縫的相互作用行為和力學(xué)機(jī)制仍不明確，缺乏干熱巖水力壓裂裂縫捕獲/交匯等行為的判定準(zhǔn)則，現(xiàn)有壓裂理論難以有效指導(dǎo)干熱巖縫網(wǎng)改造。此外，值得注意的是，盡管天然裂縫對(duì)形成大規(guī)模復(fù)雜縫網(wǎng)具有重要作用，但同時(shí)也容易引起取熱工質(zhì)嚴(yán)重流失的問(wèn)題。日本的Ogachi注采試驗(yàn)中，97%的工質(zhì)流失在儲(chǔ)層中，直接導(dǎo)致項(xiàng)目終止。Hijiori的注采回收率在45%～70%[81]，瑞典的Fj?llbacka注采回收率僅為50%[82]，德國(guó)的Falkenberg工質(zhì)流失量達(dá)到60%至100%[26]。如何有效借助天然裂縫形成立體縫網(wǎng)，同時(shí)避免取熱工質(zhì)惡性漏失，是水力壓裂造儲(chǔ)的關(guān)鍵難題。

水力裂縫能否長(zhǎng)期保持有效的滲透率，是評(píng)價(jià)干熱巖造儲(chǔ)效果的重要指標(biāo)。然而，有時(shí)熱儲(chǔ)滲透率的改善并非永久性的，2002年德國(guó)的Bad Urach儲(chǔ)層改造后，初期流量測(cè)試顯示注入率增加了2.9倍，但一年后的注采試驗(yàn)顯示，地層導(dǎo)水系數(shù)又恢復(fù)到接近原來(lái)的水平[83]。干熱巖壓裂裂縫滲透性的保持通常基于2種方式：一種是通過(guò)長(zhǎng)期注入冷水進(jìn)行熱激發(fā)，誘導(dǎo)裂縫剪切滑移，使裂縫通過(guò)縫面不整合形成自支撐；另一種是通過(guò)注入支撐劑，防止裂縫閉合，目前支撐劑已應(yīng)用在多個(gè)干熱巖項(xiàng)目中，如East Mesa、Raft River、Baca、Le Mayet、Fenton Hill、Gro? Sch?nebeck、Hachimantai、Bad Urach和Rosemanowes等[81,83-85]，大多顯示效果良好，能夠有效降低注入壓力和工質(zhì)流失率，但同時(shí)支撐劑的使用也存在加劇熱短路的風(fēng)險(xiǎn)[81]。

3.2.2 剪切壓裂

前期干熱巖EGS的經(jīng)驗(yàn)表明，能否充分激活天然裂縫、剪切成網(wǎng)是干熱巖熱儲(chǔ)獲得良好改造效果的關(guān)鍵[76,86]。早在1972年，美國(guó)芬頓山EGS發(fā)現(xiàn)，注水過(guò)程中天然裂縫會(huì)發(fā)生剪切滑移，擴(kuò)展溝通了地下原有的裂縫網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)了熱儲(chǔ)的導(dǎo)流能力。隨后，這一現(xiàn)象被美國(guó)Newberry和Desert Peak、德國(guó)Landau、法國(guó)Soultz，澳大利亞Cooper Basin等EGS工程相繼驗(yàn)證，由此提出了水力剪切增滲的概念。不同于傳統(tǒng)的水力壓裂方法，剪切壓裂是以低于地層最小主應(yīng)力的流體壓力進(jìn)行注入，通過(guò)熱應(yīng)力和壓力震蕩等方法降低裂縫面上的有效應(yīng)力，在抑制單一拉伸裂縫的發(fā)展的同時(shí)，誘導(dǎo)天然和人工裂縫發(fā)生剪切擴(kuò)容和不整合自支撐，從而永久增大儲(chǔ)層換熱面積和裂縫導(dǎo)流能力。對(duì)于天然裂隙豐富和斷層發(fā)育的地層，水力剪切增透效果更為顯著[87-89]。圍繞干熱巖水力剪切增滲機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了裂縫滑移和導(dǎo)流能力測(cè)試等相關(guān)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果表明[90-91]：干熱巖的水力剪切受熱應(yīng)力、化學(xué)溶蝕、排量、地應(yīng)力等多重因素的綜合影響，壓裂液與干熱巖溫差誘導(dǎo)的熱應(yīng)力有利于促進(jìn)天然裂縫發(fā)生剪切滑移，增加裂縫的有效導(dǎo)流開(kāi)度(圖7所示)。

圖7 花崗巖裂縫剪切膨脹和增滲效果[92]，(a)圍壓下花崗巖裂縫剪切滑移實(shí)驗(yàn)示意圖；(b)實(shí)驗(yàn)前后裂縫CT掃描對(duì)比圖，經(jīng)歷剪切后裂縫寬度增大，并在原裂縫周圍形成了微裂縫Fig.7 Shear expansion of granite and corresponding permeability enhancement[92], (a) Schematic of fracture shear slip experiments of granite under confining pressure; (b) Comparison in CT images of fractures before and after experiment, the width of the fracture grew after shearing, and micro-cracks were created around the original fracture

3.2.3 循環(huán)/疲勞壓裂

水力壓裂誘發(fā)地震活動(dòng)已經(jīng)成為世界各地EGS工程可持續(xù)開(kāi)發(fā)的重要限制因素之一。為解決這一問(wèn)題，有學(xué)者提出了利用循環(huán)壓裂(Cyclic soft stimulation)和疲勞水力壓裂(Fatigue fracturing)改造儲(chǔ)層的新思路[93]。循環(huán)壓裂以控制排量為主要特點(diǎn)，即采用交變排量的泵注方式，使巖石不斷地經(jīng)受加載—卸載的過(guò)程，激活天然裂縫的同時(shí)，誘導(dǎo)巖石產(chǎn)生大量微裂縫，從而降低干熱巖的起裂壓力及誘發(fā)地震的強(qiáng)度。大量室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果表明[94]，相較常規(guī)壓裂，循環(huán)壓裂可降低儲(chǔ)層起裂壓力達(dá)20%，且聲發(fā)射信號(hào)的最大振幅減小了13.7 dB。不同于循環(huán)壓裂，疲勞水力壓裂以壓力控制為主，即采用交變/脈動(dòng)壓力的泵注方式改造儲(chǔ)層，通過(guò)不斷加載-釋放裂縫尖端的應(yīng)力，誘導(dǎo)巖石產(chǎn)生疲勞破壞，同樣具有降低起裂壓力和地震風(fēng)險(xiǎn)，提升干熱巖儲(chǔ)層改造效果的作用[95]。瑞典Aspo硬巖實(shí)驗(yàn)室(Hard Rock Laboratory, HRL)針對(duì)疲勞水力壓裂方法進(jìn)行了場(chǎng)地級(jí)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以花崗巖地層為研究對(duì)象，開(kāi)展了不同泵注循環(huán)和壓力脈動(dòng)模式下裂縫擴(kuò)展特征的研究[96]，結(jié)果如圖8所示。研究發(fā)現(xiàn)，相比于恒定持續(xù)注入的壓裂方式相比，疲勞壓裂(壓力控制)可在巖石內(nèi)部形成更多分支微裂縫，且主裂縫縫寬更大，同時(shí)監(jiān)測(cè)到的微震信號(hào)幅值顯著降低；對(duì)比不同的壓力控制模式，采用階梯脈動(dòng)模式下疲勞壓裂增注能力改善效果更好，注入能力最高可提升15倍，且增注倍數(shù)明顯高于循環(huán)壓裂(排量控制)，對(duì)可為熱儲(chǔ)內(nèi)高效換熱提供有利條件[97-98]。

圖8 循環(huán)軟壓裂和疲勞壓裂增滲效果對(duì)比[98]Fig.8 Comparison in the permeability growth between cyclic soft fracturing and fatigue fracturing[98]

3.2.4 化學(xué)刺激

化學(xué)刺激在油氣工程中最早應(yīng)用在碳酸鹽地層的酸化改造，近年來(lái)學(xué)者提出采用化學(xué)刺激輔助水力壓裂來(lái)提高干熱巖熱儲(chǔ)的滲透性。根據(jù)化學(xué)劑種類，化學(xué)刺激可分為酸性刺激(土酸、鰲合酸、轉(zhuǎn)向酸等)和堿性刺激技術(shù)(NaOH、Na2CO3、螯合堿和NH3等)，以酸性刺激劑居多。其刺激原理為：通過(guò)管柱向熱儲(chǔ)層泵入酸性或堿性溶液，刺激溶液在注入壓力作用下沿著熱儲(chǔ)裂隙不斷溶蝕堵塞礦物，并逐漸向前推進(jìn)，擴(kuò)大裂隙通道的張開(kāi)度和延伸距離，進(jìn)而影響熱儲(chǔ)的滲透率和取熱效率[99]。1976年，美國(guó)Fenton Hill首次將化學(xué)刺激應(yīng)用于EGS項(xiàng)目中，190 m3的化學(xué)刺激劑Na2CO3被注入人工熱儲(chǔ)中用于溶解堵塞在裂隙中的礦物，試驗(yàn)中大約有1000 kg的石英被溶解[100]。此后，法國(guó)Soultz、美國(guó)Coso、瑞典Fjallbacka以及德國(guó)Gro? Sch?nebeck等EGS工程[101-104]也將化學(xué)刺激技術(shù)應(yīng)用到熱儲(chǔ)改造中，針對(duì)熱儲(chǔ)中堵塞礦物的不同，使用不同配比的化學(xué)刺激劑對(duì)熱儲(chǔ)層進(jìn)行溶蝕解堵，刺激結(jié)果顯示熱儲(chǔ)產(chǎn)率均在一定程度上得到提升。菲律賓Bacman的PN-2RD井進(jìn)行化學(xué)刺激處理后，注入率提高了367%，初期注水速率達(dá)到了187 kg/s[105]。

盡管化學(xué)刺激已在世界多個(gè)地?zé)崽锉蛔C明是成功的，但由于作用機(jī)理認(rèn)識(shí)不清、刺激劑匹配不合理等原因，在一些地?zé)崽镂茨墚a(chǎn)能預(yù)期的增產(chǎn)效果，如Geysers和Baca等[106]?；瘜W(xué)溶液刺激效果受到多種因素的控制，儲(chǔ)層礦物的類型、刺激劑的種類與配方、注入速率以及地層溫度等均會(huì)影響干熱巖滲透率的變化[107-112]?；趯?shí)驗(yàn)研究結(jié)果，學(xué)者們建立場(chǎng)地尺度一維熱儲(chǔ)化學(xué)刺激模型，圍繞熱儲(chǔ)孔滲變化、有效刺激距離和礦物組分變化等問(wèn)題[113-114]，探索了針對(duì)特定地?zé)醿?chǔ)層最優(yōu)化學(xué)刺激改造方案。此外，學(xué)者還建立了二維和三維THMC多場(chǎng)耦合數(shù)值模型[115]，分析了注入流體化學(xué)組分對(duì)熱儲(chǔ)滲透率和裂隙孔徑的影響規(guī)律，獲取了長(zhǎng)期注入條件下地?zé)醿?chǔ)層的流場(chǎng)動(dòng)態(tài)和熱采動(dòng)態(tài)[116-118]，為EGS工程化學(xué)刺激方案設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。然而，需要指出的是，化學(xué)刺激劑也會(huì)對(duì)套管和固井質(zhì)量造成負(fù)面影響，甚至可能造成井筒失穩(wěn)。美國(guó)Desert Peak化學(xué)激發(fā)后井底出現(xiàn)了坍塌[106]，冰島Seltjarnarnes的液壓井激發(fā)過(guò)程中也出了3次井眼坍塌[107]。

3.2.5 徑向井壓裂

針對(duì)干熱巖造儲(chǔ)過(guò)程中裂縫難控制、注采井難溝通的問(wèn)題，學(xué)者提出了利用徑向井輔助干熱巖造儲(chǔ)的新思路。即通過(guò)高壓射流或柔性鉆具等手段，在直井井筒內(nèi)徑向鉆出輻射狀分布的一個(gè)或多個(gè)微小孔眼(直徑20～50 mm、長(zhǎng)度可達(dá)100 m以上)，更多地溝通地層中的天然裂隙，增大單井與儲(chǔ)層的接觸面積[119]。在徑向分支孔眼的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)施水力壓裂，一方面，可激活更多的天然裂隙，提升造儲(chǔ)范圍；另一方面，分支孔眼有助于導(dǎo)控人工裂縫擴(kuò)展方向，能夠輔助注采井連通，改善EGS系統(tǒng)的注入和采出能力。2014年在立陶宛Klaip?da的EGS工程中實(shí)施了徑向井技術(shù)，在一口注入井內(nèi)鉆出12個(gè)長(zhǎng)為40 m的分支井眼，將同等壓差下注入能力提高了57%[120]。然而，徑向井EGS系統(tǒng)中各分支井眼之間、孔眼與裂縫之間相互干擾，目前徑向井壓裂研究多集中于油氣儲(chǔ)層，未考慮高溫條件下熱應(yīng)力的影響，熱應(yīng)力作用下徑向井導(dǎo)控裂縫擴(kuò)展機(jī)理有待揭示，分支井眼輔助干熱巖造儲(chǔ)參數(shù)優(yōu)化及開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)尚缺乏理論依據(jù)。

3.2.6 無(wú)水壓裂

傳統(tǒng)水力壓裂存在耗水量巨大和環(huán)境污染等問(wèn)題。在美國(guó)的New York Canyon地?zé)犴?xiàng)目由于當(dāng)?shù)厮畽?quán)超額認(rèn)購(gòu)，導(dǎo)致缺乏鉆探和儲(chǔ)層改造所需的水，項(xiàng)目被迫終止[121]。在法國(guó)的Bouillante項(xiàng)目中，由于缺乏清水，最終不得不使用緩垢劑處理過(guò)的海水進(jìn)行儲(chǔ)層激發(fā)[122]。

針對(duì)這一問(wèn)題，近年來(lái)學(xué)者提出了采用無(wú)水壓裂方法進(jìn)行干熱巖儲(chǔ)層改造的思路，如二氧化碳(CO2)壓裂和液氮壓裂等。相比于清水，液氮和二氧化碳具有低溫特性，對(duì)干熱巖的熱激發(fā)作用更強(qiáng)。采用液氮和二氧化碳作為壓裂液在地?zé)醿?chǔ)層改造中具有獨(dú)特的技術(shù)與政策優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。目前以二氧化碳為壓裂液，已形成了CO2泡沫壓裂、CO2干法壓裂、液態(tài)CO2相變致裂、超臨界CO2壓裂等主流技術(shù)，研究二氧化碳造儲(chǔ)與地質(zhì)封存(CCUS)一體化技術(shù)契合國(guó)家的“雙碳”目標(biāo)導(dǎo)向。相比于常規(guī)壓裂液，CO2黏度低、穿透力強(qiáng)，可以更好地激活和溝通儲(chǔ)層中的天然裂縫，提升壓裂縫網(wǎng)的復(fù)雜度[123]。

液氮是一種來(lái)源廣泛的低溫流體(大氣壓下沸點(diǎn)達(dá)-196 ℃)，與干熱巖溫差巨大，可對(duì)巖石產(chǎn)生強(qiáng)烈的“冷沖擊”作用，在干熱巖儲(chǔ)層熱激發(fā)方面具有優(yōu)勢(shì)，能夠降低干熱巖起裂壓力、激活天然裂縫、誘導(dǎo)主裂縫轉(zhuǎn)向，形成水力裂縫—熱應(yīng)力裂縫—天然裂縫的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)等[124]。液氮壓裂于1995年首次提出，美國(guó)首次采用低溫液氮對(duì)4口煤層氣井和1口致密氣井進(jìn)行壓裂，并取得了較好的增產(chǎn)效果[125]?；诖?，學(xué)者提出了液氮壓裂、液氮循環(huán)/脈動(dòng)壓裂、液氮噴射壓裂等干熱巖熱儲(chǔ)構(gòu)建方法[126-127]，綜合利用液氮超低溫和氣化增壓等效應(yīng)致裂干熱巖，提升干熱巖儲(chǔ)層改造效果。學(xué)者前期針對(duì)干熱巖液氮壓裂的起裂規(guī)律、傳熱特征、裂縫形態(tài)和擴(kuò)展機(jī)理等開(kāi)展了研究[124,128-129]，研究結(jié)果如圖9所示，相較于傳統(tǒng)水力壓裂，干熱巖液氮壓裂裂縫起裂壓力降低9%～44%，壓裂縫網(wǎng)的復(fù)雜度和連通性均大幅提升。

圖9 干熱巖液氮壓裂和水力壓裂裂縫形態(tài)對(duì)比[128], (a) 液氮壓裂；(b)水力壓裂Fig.9 Comparison in the fracture morphology between liquid nitrogen fracturing and hydraulic fracturing[128], (a) Liquid nitrogen fracturing; (b) Hydraulic fracturing

3.3 流動(dòng)取熱

高效取熱、合理優(yōu)化是深部地?zé)峤?jīng)濟(jì)高效開(kāi)采的重要保證。干熱巖開(kāi)采涉及多場(chǎng)(溫度、應(yīng)力、位移/應(yīng)變)、多相(氣、液、固)、多過(guò)程(滲流、熱傳導(dǎo)、應(yīng)力演化、水巖反應(yīng)等)耦合，氣液運(yùn)移、熱傳導(dǎo)和化學(xué)反應(yīng)會(huì)影響干熱巖熱儲(chǔ)變形和巖體強(qiáng)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(jī)制，EGS取熱面臨以下2方面挑戰(zhàn)：

(1)多場(chǎng)耦合傳熱機(jī)制不清，熱儲(chǔ)取熱優(yōu)化難、效率低。熱儲(chǔ)內(nèi)工質(zhì)高效取熱是干熱巖開(kāi)發(fā)的根本目標(biāo)。然而不同于油氣儲(chǔ)層，地?zé)衢_(kāi)采伴隨著劇烈的溫度場(chǎng)擾動(dòng)和水巖反應(yīng)(礦物溶解/沉淀)，涉及熱—流—固—化四場(chǎng)耦合(圖10)，多場(chǎng)耦合作用下地層滲流和熱交換機(jī)制復(fù)雜，為取熱效率預(yù)測(cè)和優(yōu)化帶來(lái)挑戰(zhàn)。

圖10 熱儲(chǔ)取熱過(guò)程熱—流—固—化四場(chǎng)耦合關(guān)系Fig.10 Thermo-hydro-mechanical-chemical coupling relationships in the heat extraction process of geothermal reservoirs

(2)注采參數(shù)難匹配，開(kāi)采調(diào)控缺乏依據(jù)、壽命短。合理的開(kāi)采制度是干熱巖長(zhǎng)效開(kāi)發(fā)的重要保證。然而，熱儲(chǔ)長(zhǎng)期注采過(guò)程中多場(chǎng)時(shí)空演化規(guī)律復(fù)雜，目前缺乏多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)致注采參數(shù)難匹配，開(kāi)采過(guò)程容易形成“優(yōu)勢(shì)通道”，如法國(guó)Soultz的GPK-3井中單條裂縫控制了70%的流量，為熱儲(chǔ)長(zhǎng)期均衡取熱帶來(lái)挑戰(zhàn)。美國(guó)Fention Hill的EE-1井和GT-2井在為期75天的注采試驗(yàn)中生產(chǎn)溫度從175 ℃下降到85 ℃[71]，日本Hijiori也因開(kāi)采過(guò)程中溫度驟降，出現(xiàn)熱短路，導(dǎo)致項(xiàng)目終止，運(yùn)行時(shí)間不足一年[23, 81]。

3.3.1 取熱工質(zhì)評(píng)價(jià)與優(yōu)選

干熱巖循環(huán)注采中取熱工質(zhì)的相態(tài)、成分將顯著影響能量的傳遞過(guò)程，不合理的取熱工質(zhì)將降低EGS的利用效率，制約干熱巖的高效開(kāi)采[130-132]。因此如何優(yōu)選循環(huán)工質(zhì)、探討工質(zhì)的最佳適用條件，是EGS開(kāi)發(fā)過(guò)程中熱點(diǎn)話題。考慮到取熱工質(zhì)的便捷性、穩(wěn)定性和換熱性能等約束，目前的EGS工程一般選擇地表水作為主要的換熱工質(zhì)。除此之外，學(xué)者還提出采用CO2作為干熱巖系統(tǒng)的循環(huán)取熱工質(zhì)[133-134]。相比于水，二氧化碳具有較低的黏度和循環(huán)流阻，利于在低滲透儲(chǔ)層中流動(dòng)，有助于提升儲(chǔ)層換熱效果，同時(shí)實(shí)現(xiàn)二氧化碳埋存。然而，由于二氧化碳的熱容較低，因此相同注入速率下，其換熱能力也存在一定局限性[135]。除此之外，由于二氧化碳具有較大的膨脹性，會(huì)引發(fā)焦耳-湯姆遜效應(yīng)[136-137]，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)井中的二氧化碳在返回地面過(guò)程中溫度顯著下降。Song等人[138]研究表明，二氧化碳的溫度在生產(chǎn)井中降幅可以超過(guò)50 ℃，而水的溫度降幅小于15 ℃。由此可見(jiàn)，水和二氧化碳作為EGS最主要的兩種取熱工質(zhì)，應(yīng)用中存在著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，而且對(duì)于不同的熱儲(chǔ)條件和開(kāi)采方案，優(yōu)缺點(diǎn)會(huì)有不同程度的放大或衰減，需要針對(duì)不同工質(zhì)的適用條件進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)和優(yōu)選。

3.3.2 多場(chǎng)耦合滲流傳熱機(jī)理

熱儲(chǔ)取熱是溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)相互耦合的復(fù)雜過(guò)程。注采過(guò)程中，地層原有的化學(xué)平衡和熱平衡被打破，導(dǎo)致開(kāi)采過(guò)程熱儲(chǔ)裂縫寬度和形態(tài)發(fā)生復(fù)雜的時(shí)空演變，從而對(duì)熱儲(chǔ)取熱造成影響。裂縫開(kāi)度和滲透率的演變機(jī)制主要體現(xiàn)在2方面：1）熱儲(chǔ)冷流體注入使原有溫度場(chǎng)發(fā)生演變，在儲(chǔ)層內(nèi)誘發(fā)熱應(yīng)力，改變了縫周巖石原位應(yīng)力狀態(tài)，從而導(dǎo)致巖體和裂縫發(fā)生變形。2）長(zhǎng)期注采過(guò)程中，取熱工質(zhì)在儲(chǔ)層中與巖石礦物發(fā)生水巖反應(yīng)，使礦物發(fā)生溶解或沉淀，從而改變了裂隙的填充度和導(dǎo)流能力。

圍繞巖體冷卻下裂縫尺寸和形態(tài)變化這一熱—流—固(THM)耦合過(guò)程，學(xué)者從細(xì)觀和宏觀尺度探討了裂縫的變形及其對(duì)滲流的影響機(jī)理[139-141]，發(fā)現(xiàn)流體注入后會(huì)誘發(fā)裂縫失穩(wěn)，使得裂縫發(fā)生剪切激活，引發(fā)微地震。美國(guó)Geysers、意大利Larderello、法國(guó)Soultz等EGS示范工程都在注采過(guò)程中監(jiān)測(cè)到了微震信號(hào)。在水巖反應(yīng)方面，學(xué)者通過(guò)建立熱—流—化(THC)耦合模型，分析了礦物溶解和沉淀作用對(duì)儲(chǔ)層滲透率的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，礦物的溶解/沉淀速度與巖石類型、工質(zhì)類型、注入溫度和飽和度等因素有關(guān)[101,142-144]。碳酸鹽礦物與水的反應(yīng)速率明顯高于硅酸鹽礦物，因此相比于火成巖熱儲(chǔ)，石灰?guī)r熱儲(chǔ)水巖反應(yīng)更為顯著[145]。此外，水巖反應(yīng)對(duì)井筒、設(shè)備和管線也具有影響，在日本的Hijiori，發(fā)生熱突破后生產(chǎn)流體溫度下降，管道中發(fā)生碳酸鈣沉淀，形成了水垢[146]。德國(guó)漢諾威的Genesys開(kāi)采試驗(yàn)中，由于取熱工質(zhì)采出到地表后發(fā)生冷卻，形成了巖鹽沉淀，造成管線堵塞，致使項(xiàng)目暫停[22]。盡管學(xué)者針對(duì)THM和THC耦合取熱過(guò)程開(kāi)展了一定的研究，但干熱巖熱儲(chǔ)取熱是THMC四場(chǎng)耦合過(guò)程，四場(chǎng)耦合滲流傳熱機(jī)理研究尚不完善，無(wú)法充分滿足熱儲(chǔ)取熱預(yù)測(cè)與優(yōu)化的需求。

3.3.3 注采過(guò)程示蹤與監(jiān)測(cè)

干熱巖造儲(chǔ)后形成了多尺度裂縫網(wǎng)絡(luò)，注采過(guò)程中縫網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及物性發(fā)生復(fù)雜時(shí)空演化，如何對(duì)熱儲(chǔ)井間連通性及縫網(wǎng)演化動(dòng)態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，對(duì)于評(píng)價(jià)干熱巖開(kāi)發(fā)效果至關(guān)重要。示蹤測(cè)試是目前干熱巖注采井間連通性和縫網(wǎng)特征監(jiān)測(cè)的常用方法。通過(guò)示蹤劑突破曲線分析，可以獲取井間連通狀況，對(duì)井間基巖和裂縫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行表征[147-148]。國(guó)際上典型的EGS工程絕大多數(shù)都是通過(guò)示蹤試驗(yàn)來(lái)研究縫網(wǎng)的流動(dòng)換熱性能，如法國(guó)的Soultz、美國(guó)的Desert Peak、澳大利 亞 的Habanero和 德 國(guó) 的Gro? Sch?nebeck等[149-153]。以運(yùn)行最為成功的Soultz EGS場(chǎng)地為例，其示蹤實(shí)驗(yàn)采用的示蹤劑包括氯離子、苯酸鈉、萘二磺酸、硝酸鈉和熒光素鈉等，示蹤反演結(jié)果表明開(kāi)采井與回灌井之間存在一個(gè)快速循環(huán)通道和一個(gè)慢速循環(huán)通道，通過(guò)示蹤劑回收曲線評(píng)估其裂隙體積約為10 400 m3[154]。

示蹤試驗(yàn)需滿足以下條件：一是采用至少2種示蹤劑，二是示蹤劑間的擴(kuò)散性有足夠大的差異，同時(shí)示蹤劑需要具備背景值低、易于檢測(cè)、環(huán)境友好和價(jià)格低廉等特點(diǎn)。然而，由于傳統(tǒng)示蹤劑本身的擴(kuò)散性不易控制，在EGS復(fù)雜縫網(wǎng)和基質(zhì)低滲的條件下，難以獲得顯著的穿透曲線峰值差和拖尾差，導(dǎo)致無(wú)法計(jì)算換熱面積。截至目前，全球范圍內(nèi)已陸續(xù)開(kāi)展了85次以上EGS場(chǎng)地示蹤試驗(yàn)，結(jié)果表明有24次未能獲得預(yù)期結(jié)果，尚存在缺少合適的示蹤劑或示蹤方案不合理等問(wèn)題。

3.3.4 開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化與地質(zhì)建模

開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)通過(guò)考慮地質(zhì)和工程的雙重約束，對(duì)布井模式、井距和注采參數(shù)等綜合優(yōu)化，均衡取熱效率和開(kāi)采壽命，從而實(shí)現(xiàn)干熱巖地?zé)崮艿目茖W(xué)開(kāi)采與調(diào)控。對(duì)于井距和布井方案的設(shè)計(jì)，需綜合考慮建井成本、取熱效率和壓裂控制體積等因素，一方面井距過(guò)小容易引起流體熱突破，縮短熱儲(chǔ)壽命；另一方面，如果井距過(guò)長(zhǎng)，一旦超過(guò)壓裂裂縫的有效控制長(zhǎng)度，會(huì)導(dǎo)致注采井無(wú)法溝通。目前EGS試驗(yàn)中注采井井距一般集中在200～500 m之間，注采模式以“一注一采”和“一注兩采”模式居多。合理的注采參數(shù)(工質(zhì)類型、注入溫度、排量等)是干熱巖長(zhǎng)效均衡開(kāi)采的關(guān)鍵[155]。為實(shí)現(xiàn)熱儲(chǔ)的高效取熱，通常期望取熱工質(zhì)以高溫度和高流量采出，但是過(guò)快開(kāi)采容易導(dǎo)致熱儲(chǔ)地層能量無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充，打破熱儲(chǔ)開(kāi)采的熱平衡，造成熱儲(chǔ)溫度降低，加劇熱突破[156]。因此，需要針對(duì)干熱巖熱儲(chǔ)地質(zhì)特征，綜合開(kāi)展多目標(biāo)優(yōu)化，制定合理的注采制度，在保持較高取熱效率的同時(shí)，最大程度延長(zhǎng)取熱周期和開(kāi)采壽命。學(xué)者前期針對(duì)干熱巖地?zé)衢_(kāi)采效率和壽命的影響因素開(kāi)展了一定研究[157-159]，但尚未形成一種成熟的干熱巖開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其主要原因之一是缺乏精細(xì)刻畫干熱巖熱儲(chǔ)的地質(zhì)建模方法。準(zhǔn)確刻畫干熱巖地層和熱儲(chǔ)特征，是干熱巖開(kāi)采過(guò)程精確模擬和開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化的前提。干熱巖精細(xì)化地質(zhì)建模不僅需要表征場(chǎng)地尺度的巖體空間信息，還需要精細(xì)刻畫微細(xì)觀尺度的裂縫特征和滲流傳熱規(guī)律，并客觀反映原位地溫、應(yīng)力場(chǎng)及其在時(shí)間域的變化[160-161]。如何融合復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)體、鉆完井與熱儲(chǔ)復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)等多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建“透明”干熱巖地質(zhì)模型，是制約干熱巖開(kāi)采過(guò)程模擬和方案優(yōu)化的瓶頸之 一。Fenton Hill、Rosemanowes、Nerberry和Jlokia等項(xiàng)目均出現(xiàn)過(guò)地質(zhì)模型中應(yīng)力或壓力評(píng)估不準(zhǔn)確等問(wèn)題[63,81,162]，導(dǎo)致儲(chǔ)層激發(fā)后裂縫未按照預(yù)定方向延伸，注入井和生產(chǎn)井未能有效連通、工質(zhì)流失嚴(yán)重，造成項(xiàng)目暫緩或終止。

4 攻關(guān)思路與研究建議

4.1 總體攻關(guān)思路

形成上述挑戰(zhàn)的客觀原因是地層環(huán)境異常復(fù)雜，但其根本原因是干熱巖開(kāi)采基礎(chǔ)理論缺乏，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒。針對(duì)干熱巖開(kāi)采中面臨的建井、造儲(chǔ)和取熱3大挑戰(zhàn)，建議以“巖體表征—鉆井建井—壓裂造儲(chǔ)—流動(dòng)取熱—集成調(diào)控”為主體思路，開(kāi)展5個(gè)方面的基礎(chǔ)理論攻關(guān)研究：首先，從巖體原位溫壓下的基礎(chǔ)物理力學(xué)特性出發(fā)，獲得干熱巖力學(xué)本構(gòu)關(guān)系和基本物性參數(shù)；以此為基礎(chǔ)，緊扣干熱巖EGS工程鉆井、造儲(chǔ)和取熱3大關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，進(jìn)一步揭示高溫破巖、縫網(wǎng)壓裂和滲流取熱的關(guān)鍵機(jī)理，發(fā)展和完善干熱巖鉆井提速、立體造儲(chǔ)和取熱調(diào)控的新方法，闡明人工熱儲(chǔ)多場(chǎng)(熱—流—固—化)、多過(guò)程(滲流、熱傳導(dǎo)、變形、水巖反應(yīng)等)耦合關(guān)聯(lián)機(jī)制；最終融合巖體、鉆井、造儲(chǔ)和取熱中的地質(zhì)和工程數(shù)據(jù)，借助“透明”干熱巖地質(zhì)建模手段，構(gòu)建地?zé)衢_(kāi)采強(qiáng)化與綜合調(diào)控方法，與鉆井、造儲(chǔ)和取熱3大核心環(huán)節(jié)形成互饋，為建立干熱巖地?zé)豳Y源高效開(kāi)發(fā)理論和方法奠定基礎(chǔ)。

4.2 具體研究建議

(1)巖體表征

獲得巖體原位物理力學(xué)特性是干熱巖EGS的工程基礎(chǔ)。建議圍繞高溫儲(chǔ)層巖體物理力學(xué)變化規(guī)律與表征方法，重點(diǎn)開(kāi)展干熱巖體精細(xì)表征、物理力學(xué)特性和動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型等方面研究，創(chuàng)新發(fā)展干熱巖“力熱聲震流”原位物理力學(xué)特性表征技術(shù)，形成具有原創(chuàng)性的深部高溫干熱巖體力學(xué)理論，為EGS建井、造儲(chǔ)和取熱提供巖石力學(xué)理論基礎(chǔ)。

(2)鉆井建井

安全高效成井是干熱巖地?zé)豳Y源經(jīng)濟(jì)開(kāi)采的前提條件。建議以“抗鉆特性—破巖機(jī)理—清巖方法—固井工藝”為主線，開(kāi)展高溫高壓下巖石可鉆性評(píng)價(jià)、軸—扭耦合破巖機(jī)理、抗高溫鉆井液及井筒攜巖規(guī)律、耐溫/隔熱水泥漿體系及水泥石強(qiáng)度防衰退方法研究，重點(diǎn)開(kāi)展軸—扭耦合沖擊破巖、異形齒個(gè)性化鉆頭等高效破巖新方法探索，突破高溫高壓下巖石破碎動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)機(jī)理，建立一套干熱巖高效破巖和安全成井理論，為干熱巖EGS提供安全優(yōu)質(zhì)的注采通道。

(3)壓裂造儲(chǔ)

能否形成復(fù)雜縫網(wǎng)是衡量EGS成敗的關(guān)鍵。以構(gòu)建復(fù)雜立體縫網(wǎng)、降低誘發(fā)地震風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)，一方面大力發(fā)展柔性造儲(chǔ)技術(shù)，研究溫壓復(fù)合交變下巖體柔性成縫機(jī)理，探索新型壓裂介質(zhì)(液氮、二氧化碳、化學(xué)刺激等)輔助致裂干熱巖等新方法；另一方面，充分利用裂縫性干熱巖儲(chǔ)層特點(diǎn)，以激活和溝通天然裂縫為突破口，重點(diǎn)開(kāi)展熱應(yīng)力影響下水力裂縫—天然裂縫相互作用行為和力學(xué)機(jī)制、天然裂縫剪切增滲機(jī)理等研究，形成裂縫性地層復(fù)雜縫網(wǎng)造儲(chǔ)技術(shù)，突破干熱巖復(fù)雜縫網(wǎng)造儲(chǔ)理論與方法，實(shí)現(xiàn)立體縫網(wǎng)造儲(chǔ)，為EGS開(kāi)采提供高效換熱空間。

(4)流動(dòng)取熱

熱儲(chǔ)內(nèi)高效取熱是干熱巖開(kāi)發(fā)的根本目標(biāo)。建議圍繞復(fù)雜縫網(wǎng)內(nèi)取熱工質(zhì)滲流與傳熱規(guī)律，開(kāi)展取熱工質(zhì)優(yōu)選(水和CO2等)、水—巖反應(yīng)、THMC耦合滲流傳熱規(guī)律、磁性納米顆粒示蹤技術(shù)和采出流體PVT特征研究，重點(diǎn)突破裂縫內(nèi)工質(zhì)滲流傳熱及相態(tài)演化機(jī)制，揭示熱儲(chǔ)內(nèi)多場(chǎng)耦合換熱機(jī)制，為取熱調(diào)控提供理論基礎(chǔ)。

(5)集成調(diào)控

取熱調(diào)控是干熱巖長(zhǎng)效均衡開(kāi)采的重要保證。建議圍繞注采過(guò)程中熱儲(chǔ)多場(chǎng)時(shí)空演變規(guī)律與流動(dòng)調(diào)控方法，開(kāi)展干熱巖三維精細(xì)化地質(zhì)建模、熱儲(chǔ)縫網(wǎng)演化特征、四維層析成像技術(shù)和開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)等研究，重點(diǎn)突破“透明”干熱巖熱儲(chǔ)建模技術(shù)，形成開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)和綜合調(diào)控方法，保障資源長(zhǎng)效穩(wěn)定開(kāi)采。

5 結(jié)束語(yǔ)

干熱巖地?zé)豳Y源分布廣、潛力大，是傳統(tǒng)化石能源轉(zhuǎn)型的新機(jī)遇，也是國(guó)家綠色低碳發(fā)展的潛在著力點(diǎn)之一。盡管國(guó)內(nèi)外自上世紀(jì)70年代以來(lái)針對(duì)干熱巖EGS已經(jīng)開(kāi)展了數(shù)10項(xiàng)示范性探索，僅有法國(guó)Soultz地區(qū)成功實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行，“可復(fù)制性”較低、難以大規(guī)模推廣。因此，強(qiáng)化干熱巖開(kāi)采相關(guān)基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)研究，突破建井、造儲(chǔ)和取熱3大關(guān)鍵難題，是尋求干熱巖經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)的根本途徑。首先，要以經(jīng)濟(jì)性為導(dǎo)向，針對(duì)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(gòu)建復(fù)雜縫網(wǎng)、降低誘發(fā)地震風(fēng)險(xiǎn)為核心，大力發(fā)展EGS柔性造儲(chǔ)技術(shù)，根據(jù)裂縫性干熱巖儲(chǔ)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(fù)雜縫網(wǎng)造儲(chǔ)技術(shù)，突破干熱巖復(fù)雜縫網(wǎng)造儲(chǔ)理論與方法；最后，以資源利用和長(zhǎng)效開(kāi)發(fā)為目標(biāo)，重點(diǎn)突破熱儲(chǔ)內(nèi)熱—流—固—化多場(chǎng)耦合換熱機(jī)制，構(gòu)建干熱巖開(kāi)發(fā)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)和調(diào)控方法，為干熱巖地?zé)峤?jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)奠定理論基礎(chǔ)，推動(dòng)國(guó)家能源轉(zhuǎn)型和綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。