各國干熱巖壓裂開發(fā)技術現(xiàn)狀及前景

　　1國內外干熱巖賦存現(xiàn)狀及利用前景

　　具體來說，干熱巖是一種沒有水或蒸汽的熱巖體，主要是各種變質巖或結晶巖類巖體，埋藏于地下2000～6000m深處，溫度為150～650℃。干熱巖的應用過程是先形成注采井網，一般先將注入井進行壓裂改造，形成裂縫系統(tǒng)。將高壓水從加壓井向下泵入，水流過熱巖中的人工裂隙而過熱(水、汽溫度可達到150～200℃)，并從生產井泵上來，在地面用于發(fā)電，發(fā)電后尾水再次通過高壓泵注入地下熱交換系統(tǒng)，進行循環(huán)利用。該系統(tǒng)通常稱為增強型地熱系統(tǒng)(enhancedgeothermalsystem，簡稱EGS)。

　　干熱巖發(fā)電的整個過程都是在一個封閉的系統(tǒng)內進行，既沒有硫化物等有毒、有害物質，也無任何環(huán)境污染物質，其采熱的關鍵技術是在不滲透的干熱巖體內形成熱交換系統(tǒng)。干熱巖蘊藏的熱能十分豐富，比蒸汽型、熱水型和地壓型地熱資源大得多，比煤炭、石油、天然氣蘊藏的總能量還要大。

　　有關研究表明，世界各大陸地下都有干熱巖資源。地下熱巖的能量能被自然泉水帶出的幾率僅有1%，而99%的熱巖是干熱巖，沒有與水共存，因此干熱巖發(fā)電的潛力很大。2005年美國能源部地熱技術項目辦公室發(fā)起了對“增強地熱系統(tǒng)”地熱能的評估，由麻省理工學院提交的《地熱能的未來》認為，“在50年內，增強地熱系統(tǒng)能提供1億kW或更多的成本上有競爭力的發(fā)電容量”。

　　我國火山活動、地震活動頻繁，美國提出的增強地熱系統(tǒng)的設想可供我們借鑒。事實上，我國高溫巖體干熱巖地熱資源儲量豐富，地殼深層巖體溫度高。東部地區(qū)地殼薄，有利于開發(fā)傳導型地熱，東部沿海地區(qū)如廣東、福建等省區(qū)位于太平洋板塊邊緣，是地熱利用的有利地區(qū)。除了廣東沿海地區(qū)，我國西藏南、滇西、川西屬喜馬拉雅地熱帶，有資料介紹鉆井2000m即可獲得200℃的高溫熱水，是地熱有利地區(qū)。松遼盆地與渤海灣盆地也是地熱資源的有利地區(qū)，另外河南、青海、陜西等地一些大型盆地都具有豐富的地熱資源。

　　根據中國地質調查局的數據，中國大陸3000～10000m深處干熱巖資源總計相當于860萬億t標準煤，是中國目前年度能源消耗總量的26萬倍。按照廣東省面積所占中國大陸比例，可粗略估算出廣東省擁有干熱巖資源約16萬億t標準煤，約是2015年廣東省能源消費總量的53075倍。廣東南部沿海地熱活動明顯，巖體時代較新，出露面積巨大，有利于形成干熱巖系統(tǒng)。

　　從全國來說，油氣資源都屬于一次性資源，油氣枯竭后，人們必須尋找新型能源以滿足經濟的高速發(fā)展；而且油氣資源利用還存在環(huán)境污染問題，尋找并利用清潔的非常規(guī)能源是當務之急。

　　2國內外干熱巖熱能開發(fā)現(xiàn)狀

　　經過多年研究與探索，美國、法國、德國、日本和英國等科技發(fā)達國家已經在干熱巖發(fā)電的基本原理和基本技術方面取得了相當大的進展。美國人莫頓和史密斯于1970年提出利用地下干熱巖體發(fā)電的設想。據KeithEvans于2010年的資料，美國在FentonHill(1972～1996年)，淺部儲層(2.8km)及深部儲層(4.2km)，水損失分別為10%、16%。

　　英國在Rosemanowes地區(qū)(1978～1991年)，儲層深度2.2km，采用3井系統(tǒng)循環(huán)測試200天，溫度70℃，水損失21%。

　　日本在Hijiori地區(qū)(1985～2002年)的淺層儲層(1.8km)循環(huán)3個月，溫度165℃，水損失23%；在深部儲層(2.2km)運行了10個月，溫度180℃，水損失64%。

　　法國的Soultz項目(自1987年至今)，于淺部儲層(2.9～3.5km)運行4個月，溫度135℃，水損失為0。發(fā)達國家的干熱巖研究及開發(fā)已經有40多年的歷史，而我國在干熱巖開發(fā)利用方面尚處于探索階段。

　　2010年，國土資源部啟動了干熱巖高溫鉆探技術方面的研究，包括鉆探工藝、器具及設備配套研究和孔底連通技術預研究；2012年，吉林大學、清華大學、中科院廣州能源研究所先進能源系統(tǒng)實驗室承擔了國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目，開啟了國內專門針對干熱巖工程的研究；2013年，國土資源部在青海共和盆地中北部鉆成了井深2230m、井底溫度達153℃的干熱巖井，對干熱巖地熱開發(fā)進行了探索試驗，未壓裂；國內第一口干熱巖綜合科研鉆井已于2015年5月正式開鉆。

　　3干熱巖熱能開發(fā)的井網選擇技術

　　干熱巖采熱的關鍵技術是在不滲透的干熱巖體內形成熱交換系統(tǒng)，也就是說，要形成注入井與采熱井之間的連通。根據已經公開的資料，干熱巖的井網結構都比較簡單。

　　3.1一注一采系統(tǒng)

　　3.1.1美國芬頓山

　　美國芬頓山井底溫度200℃，井深約2000m。最初設計對井GT-2和EE-1，而后因對井水力聯(lián)系較差，GT-2井加深鉆至2500m成為GT-2A井，經反復壓裂，仍未能與EE-1井形成對井系統(tǒng)。重新鉆新井GT-2B井(第三口井)，鉆入EE-1和GT-2A壓裂形成的裂隙系統(tǒng)中，最終GT-2B與EE-1井形成較好的對井系統(tǒng)，回灌循環(huán)產生熱流功率為3～5MWt，試驗性地驅動了一個60kW發(fā)電機。

　　1978年，美國芬頓山設計對井EE-2和EE-3，熱儲構造位于地下3000m深的片麻巖和片巖之中。EE-3井經水力壓裂未能與EE-2井形成較好的水力聯(lián)系。于是根據微震監(jiān)測數據，在井深2830m處側向開鉆，形成EE-3A井，最終井深4018m，進入EE-2井和EE-3井壓裂形成的裂隙系統(tǒng)中。EE-2和EE-3A之間的生產回灌試驗顯示，回灌水回收率在66%左右。

　　3.1.2日本雄勝(Ogachi)

　　項目始于1990年，注入井OGC-1井深1000m，井底溫度230℃，于井底和井深710m處兩次壓裂。生產井OGC-2井深900m，井底溫度240℃。注水試驗顯示回收率只有3%，OGC-2井經壓裂后回收率提高到10%，OGC-1和OGC-2再次進行壓裂，回收率達到25%。

　　為了改善這一情況，項目組通過微震監(jiān)測估計出裂隙系統(tǒng)的位置，并使新井OGC-3鉆入裂隙系統(tǒng)中。OGC-1和OGC-3井之間的水力聯(lián)系有了很大改善，注入水回收率大幅提高。Ogachi項目表明，將后鉆井鉆入已有裂隙系統(tǒng)，遠比同時鉆進而后通過水力壓裂建立聯(lián)系的方法有效。

　　3.1.3法國Soultz項目

　　法國蘇爾茨項目最初試驗為一注一采。GPK1井完井于1992年，最終井深3590m。根據GPK1鉆進和壓裂過程的微震監(jiān)測，GPK2井定位、鉆進、完井于1995年，井深3876m，井底距GPK1井650m。在壓裂GPK2井的過程中，GPK1井的壓力反應明顯，顯示出較好的水力聯(lián)系。雙井注入生產試驗流量達到25kg/s(1.5m3/min)，流體溫升94℃，回收率接近100%。

　　蘇爾茨最初試驗為一注一采，2009年采用二注二采，2011年兆瓦級發(fā)電時為減少誘發(fā)地震而采用二注一采。

　　3.1.4澳大利亞Habanero

　　Habanero-1井完井于4421m深處，并使用鹽水進行水力壓裂，主裂隙于4136m深處形成，呈水平方向伸展，覆蓋面積約3km2。隨后Habanero-2井失敗，Habanero-3井爆炸，2012年又鉆Habanero-4井，與Habanero-1井組成一注一采系統(tǒng)。注水生產試驗中流量達到25kg/s，生產井口溫度210℃。

　　3.2干熱巖一注三采系統(tǒng)

　　肘折干熱巖的母巖為花崗閃長巖，平均每米有10～20條裂縫。Hijiori項目始于1989年，位于Hi-jiori火山南坡。該項目有1口注水井SKG-2和3口生產井HDR-1、HDR-2和HDR-3。井距較短，注水井距3口生產井的距離分別為40m、50m和55m。SKG-2完井后進行了水力壓裂，注水試驗顯示有超過70%的注入水流失。為提高回收率，3口生產井加深后重新壓裂，回收率提高到50%左右。在注水試驗末期，HDR-2井出現(xiàn)熱突破，溫度由163℃驟降至100℃，項目終止。日本Hijiori項目是因為遇到短路現(xiàn)象而終止。

　　4壓裂改造技術在干熱巖開發(fā)中的應用

　　4.1裂縫形態(tài)決定井網模式

　　地應力決定裂縫形態(tài)，當最小主應力位于水平方向時，裂縫為垂直裂縫，一般采用一注一采模式，比如美國芬頓山(2000m、4018m)、日本Ogachi項目(1000m)、法國Soultz項目(3590m)。當最小主應力位于垂直方向，裂縫呈現(xiàn)水平狀態(tài)，此時裂縫為圓盤狀，可以采用一注一采模式布井，也可以采用一注三采。如澳大利亞的Habanero熱采項目采用一注一采模式(井深4421m)，肘折干熱巖采用一注三采模式(1800m/2200m)。

　　4.2壓裂技術普遍適用于注采井的連通

　　從已經取得成功的干熱巖開采項目來看，壓裂技術普遍適用于干熱巖的開發(fā)，只是與油氣藏壓裂改造略有不同。由于注采井的連通非常重要，而要保證連通，注入井與采出井一般都需要適當規(guī)模的壓裂，在地層中制造出一定規(guī)模的裂縫，造成井與井之間裂縫的連通。尤其是注入井，一般要進行壓裂，通過裂縫監(jiān)測技術獲得裂縫的延展情況以后，在裂縫的延展處鉆成采出井，注采連通有較大的把握。

　　對于事先布好的成對的注采井，由于布井位置與裂縫延展方位的不理想，有可能在初期運行階段注采不連通。此時需要加大注入井的壓裂規(guī)模，采用技術手段觀察壓裂形成的裂隙系統(tǒng)的區(qū)域方位，然后于此區(qū)域方位內鉆新井，新井將與老井形成良好的溝通。比如美國早期的芬頓山項目，GT-2B井(第三口井)鉆入老井壓裂形成的裂隙系統(tǒng)中，新井與老井之一形成較好的對井系統(tǒng)；1978年，美國芬頓山設計對井EE-2和EE-3，EE-3井經水力壓裂未能與EE-2井形成較好的水力聯(lián)系，EE-3井側鉆形成EE-3A井，進入EE-2井和EE-3井壓裂形成的裂隙系統(tǒng)中，EE-2和EE-3A之間連通良好。

　　日本Ogachi項目也是這樣，注入井OGC-1與生產井OGC-2初期不連通，注水試驗顯示回收率只有3%，注采井經過壓裂，回收率達到25%。項目組通過微震監(jiān)測估計出裂隙系統(tǒng)的位置，并使新井OGC-3鉆入裂隙系統(tǒng)中，獲得成功。Hijiori項目有1口注水井和3口生產井，注水井完井后進行了水力壓裂處理，注水試驗顯示有超過70%的注入水流失。3口生產井加深后重新壓裂，回收率提高到50%左右。

　　4.3天然裂縫在裂縫延展方面具有控制作用

　　天然裂縫有大天然裂隙、不規(guī)則天然裂縫等多種賦存狀態(tài)，各種狀態(tài)的天然裂縫在壓裂過程中的作用機理不同。當存在大的天然裂隙時，由于天然裂縫在地下呈現(xiàn)開啟的狀態(tài)，人工裂縫可能沿著天然裂縫延伸，也可能穿過天然裂縫而延伸。此種影響與水力壓裂過程中天然裂縫的影響一致。

　　人工裂縫的延伸途徑與天然裂縫發(fā)育角度、原地應力場、壓裂過程中采用的液體及技術、施工參數的選取密切相關。因此，當人們要達到某一目的時，往往需要裂縫沿著天然裂縫延伸，此時就需要詳細掌握天然裂縫的發(fā)育方位及地應力場，同時要采取合理的壓裂泵注參數，保證人工裂縫的延展方位。此時，只需要裂縫發(fā)生剪切破壞，其優(yōu)點是，巖體形成的裂隙面足夠大而隙寬維持較小，流體在裂隙面中穿過時流速不會過快，這樣就可以使流體在從注入井到生產井的流動過程中充分地與儲層換熱，從而達到理想的開發(fā)溫度。

　　同時，也可以通過減少短路循環(huán)和過早形成熱突破而延長儲層壽命。成功的EGS工程項目的經驗表明，大多數項目的水力壓裂儲層改造的主要機制是熱儲中已有裂隙或斷裂發(fā)生了剪切破壞而互相連通，形成大流量長流徑的熱儲裂隙系統(tǒng)。當地層中存在幾條大的天然裂縫條帶時，其作用類似上述天然裂隙。

　　當天然裂縫處于雜亂無章的狀態(tài)下，在地層中均勻分布，沒有主流的延展方向時，地層可視為天然裂縫發(fā)育地層，此時地應力狀態(tài)引導決定人工裂縫的發(fā)育方向，壓裂工藝合適時，可形成體積壓裂條帶與較好發(fā)育的分支裂縫。此時，裂縫的延展形態(tài)有利于注采井的溝通，高滲透條帶的存在有利于流體的注入及采出井溫度的提高。

　　4.4微震監(jiān)測技術在判斷新鉆井位置方位方面具有關鍵作用

　　美國芬頓山、日本雄勝項目、日本肘折干熱巖、澳大利亞Habanero項目等都利用微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測并反演出人工裂縫的形態(tài)，用以指導新井的鉆井，獲得了成功。

　　5干熱巖開發(fā)的獨特機理

　　5.1造縫機理

　　干熱巖壓裂過程中裂縫的產生至少包括三種機理：其一是水壓致裂，地下壓力達到一定程度后產生剪切縫或張性裂縫，即常規(guī)的水力壓裂致裂；其二是熱激發(fā)，即溫差導致巖體爆裂，微破裂是由溫度差異引起的(研究認為100℃溫差有效)，微破裂基本存在于沿著裂縫面的位置，有向垂直于裂縫面擴展的趨勢；其三是化學激發(fā)。

　　5.2注采井裂縫連通性要求

　　注入井與采出井通過裂縫直接連接，形成流體通路是至關重要的，否則將造成開采失敗，注入水無法采出，達不到采出熱水的目的。而油氣開發(fā)過程中，應避免注采井裂縫的直接連通，此時容易發(fā)生過早的水竄，導致注水采油的失敗。這是油氣開發(fā)布井布縫與干熱巖開發(fā)布井布縫的極大不同。

　　5.3注采井之間的距離

　　采出井要采出具有一定溫度的熱水才能產生效益，因此要求注采井之間要有足夠的距離來加熱注入的冷水。如果距離過短，則容易產生短路，導致熱采項目失敗。根據國外成功案例，井與井之間的距離一般需要600～800m。日本Hijiori項目(一注三采)在注水試驗末期，HDR-2井出現(xiàn)熱突破，溫度由163℃驟降至100℃，導致項目終止，其井距為90～130m。

　　5.4布井先后順序

　　如果在項目執(zhí)行之初，在地應力方位、天然裂縫發(fā)育情況、地應力大小等資料尚未掌握或掌握不全面的時候，事先鉆出注入井、采出井，則可能導致注采井壓出的裂縫不能相互連通。一般要在注入井鉆成并壓裂后，根據裂縫的走向或裂縫網絡形態(tài)，在裂縫周圍或附近鉆井才能達到連通的目的。當注入井的裂縫為水平裂縫時，采出井的位置比較容易選擇，注入井與采出井連通的目的容易達到。以往成功的案例，基本采取了這種工藝方法。

　　6干熱巖開發(fā)技術需求

　　目前干熱巖在我國還沒有進入實質性的EGS壓裂試驗階段，廣東地區(qū)地下新能源的勘探開發(fā)進程也比較緩慢，對廣東經濟的發(fā)展貢獻有限，主要原因是針對這些新能源的眾多技術難點目前還沒有得到較好的解決。

　?、籴槍Ω蔁釒r的地質勘探的認識還存在很多不足，需要加大這些方面的研究；

　　②需要結合熱儲體的特殊運行模式與要求，建立一套井筒-裂縫系統(tǒng)流體注入采出進行熱采的理論模型，結合干熱巖壓裂井網及布縫方式，確定裂縫長度、高度、導流能力；

　　③需要建立一套考慮天然裂縫發(fā)育狀況的干熱巖高效開發(fā)的建井與布縫原則，確定注采井網模式及布縫方式；

　　④要深入研究干熱巖裂縫起裂與造縫機理，為壓裂改造工藝提供支撐；

　　⑤借鑒油氣田開發(fā)的儲層改造技術，建立一套適合干熱巖壓裂(包括直井水平井)的技術系列或者酸壓技術系列；

　?、薇仨殞α黧w與巖石的相互作用機理進行研究，用以對熱儲體裂縫系統(tǒng)的調整方向、周期提出建設性意見，流體與巖石的相互作用也會導致原有裂縫系統(tǒng)變化及注采系統(tǒng)不連通，造成工程失敗。（文/羅天雨 劉全穩(wěn) 劉元爽，廣東石油化工學院石油工程學院）