地大熱能：在全球向多元化“新能源時代”轉(zhuǎn)型的大趨勢下，中國作為能源消費大國和負責(zé)任大國，肩負著促進地區(qū)能源轉(zhuǎn)型、實現(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，中國積極應(yīng)對氣候變化，提出了2030年碳達峰、2060年碳中和的遠景目標。國家“十四五”規(guī)劃明確提出“推動能源清潔低碳安全高效利用”，并在中央財經(jīng)委員會第九次會議上把“雙碳”目標納入了我國生態(tài)文明建設(shè)整體布局，大力開發(fā)清潔可再生能源，契合我國能源重大戰(zhàn)略需求。

地?zé)崮?/a>作為一種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，與風(fēng)能、太陽能等能源相比，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73%，約為太陽能的5.2倍、風(fēng)能的3.5倍，是一種現(xiàn)實并具有競爭力的新能源。

地?zé)崮?/a>主要包含水熱型(含水)和干熱巖型(不含水)兩類，目前我國地?zé)崮荛_發(fā)仍以水熱型為主，中低溫地?zé)嶂苯永?/a>居世界首位，而高溫干熱巖地?zé)衢_發(fā)尚處于起步階段。

干熱巖增強型地?zé)嵯到y(tǒng)

增強型地?zé)嵯到y(tǒng)(Enhanced Geothermal Systems，簡稱EGS)是目前開發(fā)干熱巖的主要手段，原理如圖2所示，即通過水力壓裂等方法在高溫地層中人工造儲，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，進行發(fā)電和綜合利用。干熱巖EGS已成為國際能源領(lǐng)域的研究熱點，美、英、日、法、德等相繼實施了大規(guī)模EGS地?zé)犴椖?/a>。我國干熱巖地?zé)豳Y源分布廣泛，近年來在藏南、滇西、川西、東南沿海等地區(qū)相繼取得了重大勘探突破，并開始著手建立我國首個干熱巖EGS示范工程。

 全球主要地?zé)豳Y源分布

我國干熱巖地?zé)嵫芯?/a>起步較晚。2012年初，在中科院組織起草的《科技發(fā)展新態(tài)勢與面向2020年的戰(zhàn)略選擇》報告中，“深層地?zé)崮?/a>將成為主要可再生能源之一”被列入其中，成為“十二五”和“十三五”期間著重突破的重大科技問題之一。同年，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)啟動了“干熱巖熱能開發(fā)與綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究”項目。

2013年，制定了《全國干熱巖勘查與開發(fā)示范實施方案》，在青藏高原、東南沿海、華北平原和松遼盆地開展了干熱巖資源調(diào)查，初步擬定了我國干熱巖地?zé)峥辈?/a>開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)體系。2016年開始實施“全國地?zé)豳Y源調(diào)查評價與勘查示范工程”，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證。

然而，根據(jù)國際地?zé)?/a>協(xié)會(IGA)數(shù)據(jù)，截至2021年，全球累計地?zé)岚l(fā)電裝機容量為15.85 GW，而中國地?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)，推動我國深層高溫地?zé)衢_發(fā)利用進程。為此，2021年國家自然科學(xué)基金委啟動了地?zé)犷I(lǐng)域首個重大項目“干熱巖地?zé)豳Y源開采機理與方法”，項目由中國石油大學(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，開展多學(xué)科交叉和綜合性研究，提升我國干熱巖地?zé)?/a>基礎(chǔ)研究的源頭創(chuàng)新能力。

 干熱巖增強型地?zé)嵯到y(tǒng)示意圖

重大挑戰(zhàn)與技術(shù)現(xiàn)狀

快速鉆達地?zé)醿?/a>(建井)、形成穩(wěn)定的熱儲通道(造儲)以及循環(huán)工質(zhì)高效取熱(開采)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)?/a>儲層，干熱巖儲層地質(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℃，美國大部分干熱巖儲層溫度基本都在200℃以上，美國Geysers以及冰島的EGS示范項目部分儲層甚至高達400℃;(2)高硬度：干熱巖資源主要賦存于高溫堅硬的花崗巖和變質(zhì)巖中，埋深大部分超過3000 m，部分地層巖石單軸抗壓強度在200 MPa以上，可鉆性達10級，研磨性極強；

(3)高應(yīng)力：因構(gòu)造運動活躍，最大水平主應(yīng)力當(dāng)量鉆井液密度超過2.8 g/cm3，是常規(guī)泥頁巖的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(<10-3 m D)。上述復(fù)雜地質(zhì)條件，使得干熱巖地?zé)衢_采在鉆井建井、壓裂造儲和流動取熱等關(guān)鍵環(huán)節(jié)面臨重大難題和技術(shù)挑戰(zhàn)。

鉆井建井

鉆達地?zé)醿?/a>、形成穩(wěn)定井眼是實現(xiàn)深部地?zé)豳Y源開采的先決條件。鉆井是干熱巖資源開發(fā)的主體技術(shù)(約占總投資的35%～60%)，在超高溫、異常堅硬的儲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)?/a>儲層巖體高溫、高強度、耐研磨等特點，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)致鉆頭磨損嚴重。青海共和盆地進尺2497 m消耗鉆頭50余只，單只鉆頭平均進尺不足40 m，美國Geysers地?zé)崽?/a>花崗巖地層單只鉆頭甚至不足30 m。

(2)機械鉆速低，建井周期長、成本高，嚴重制約了干熱巖的商業(yè)化開發(fā)。美國芬頓山EE-2井(4660 m)建井周期410天，冰島IDDP-1井(2096 m)鉆井周期402天，我國青海共和GH01井中鉆進花崗巖井段平均鉆速僅1.43 m/h，建井周期長達430天。

(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)致鉆井液漏失嚴重，容易誘發(fā)井下安全事故。

(4)高溫引起水泥漿固結(jié)緩慢和水泥石強度衰退，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Soultz干熱巖項目，均出現(xiàn)了水泥環(huán)高溫失效導(dǎo)致的套損問題。此外，傳統(tǒng)水泥漿體系未考慮隔熱作用，導(dǎo)致EGS注采過程中井筒沿程熱損失嚴重，影響地?zé)崮馨l(fā)電和綜合利用效率。

高溫硬地層高效破巖及鉆井提速技術(shù)

巖石可鉆性評價是實現(xiàn)鉆頭選型和個性化設(shè)計的基礎(chǔ)。現(xiàn)有可鉆性評價主要針對砂巖或泥頁巖等常規(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)的評價報道，缺乏高溫高壓(>200℃)條件下硬巖可鉆性等鉆井參數(shù)的評價方法和體系，鉆頭選型及參數(shù)設(shè)計缺乏理論依據(jù)。

 世界典型EGS工程井深與熱儲溫度

鉆頭作為破巖的主要工具，是實現(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，國內(nèi)外對鉆頭進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料升級，貝克休斯牙輪鉆頭最高耐溫能力達到288℃，國民油井Reed-Hycalog超硬熱穩(wěn)定PDC可鉆穿抗壓強度達到280 MPa的硬地層，并具有很強的耐磨性和抗沖擊性[干熱巖鉆井需求，但高溫高壓下軸承壽命問題無法解決，在干熱巖井中工作時長和穩(wěn)定性得不到保障，掉牙輪情況頻發(fā)，井下風(fēng)險高，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，同時鉆頭工作狀態(tài)不穩(wěn)定，持續(xù)處于黏滑和振動等不利工作環(huán)境中，牙齒崩裂磨損嚴重。異形齒PDC鉆頭在高強度、高研磨性地層鉆井中展現(xiàn)出良好的適用性，可通過采用新材料增強其耐溫和抗沖擊性能，近年來引起了各大油服公司和國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。針對錐形齒、斧型齒、三棱齒等異型齒破巖機理開展了大量研究，實驗結(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、提高機械鉆速。因此，基于異型齒混合布齒的個性化自適應(yīng)PDC鉆頭，配合耐溫耐沖擊增強型材料，有望為干熱巖硬地層破巖效率低的問題提供解決思路。

在動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，我國高溫螺桿鉆具耐溫一般不超過180℃。貝克休斯正在研發(fā)耐高溫300℃動力鉆具系統(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，耐溫能力普遍可以達到260℃，配合孕鑲金剛石鉆頭，可大幅提高機械鉆速。對于隨鉆測量等含電子元件工具，目前耐溫能力普遍不超過180℃，特別是對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。

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、沖擊易碎的特點，實現(xiàn)切削與沖擊破巖的結(jié)合，提高了PDC齒吃入地層的深度，同時增大了巖屑破碎體積，有望有效提高硬地層的機械鉆速。建議后續(xù)加強高溫高應(yīng)力下軸扭耦合破巖機理研究，探索多維沖擊耦合破碎干熱巖方法的可行性。

壓裂造儲

壓裂造儲是干熱巖EGS開發(fā)的核心步驟，直接決定著干熱巖地?zé)衢_采的成敗及整體經(jīng)濟效益。干熱巖造儲要求形成大規(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)無法照搬到深層地?zé)?/a>。截至2020年底，全球累計建設(shè)示范性EGS工程項目逾60項，但目前實施的EGS項目中儲層改造效果仍不理想、儲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：

巖石強度大，起裂壓力高，存在誘發(fā)地震風(fēng)險。澳大利亞Habanero和韓國Pohang干熱巖EGS儲層改造中地層破裂壓力均超過了100 MPa，其中2017年11月韓國Pohang發(fā)生的Mw5.4級地震，被認為由干熱巖壓裂所導(dǎo)致，2006年瑞士的巴塞爾干熱巖試驗項目也因誘發(fā)地震而被迫關(guān)停。

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Gro?Sch?nebeck、英國Rosemanowes等EGS項目表明，干熱巖儲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)致造儲失敗。

裂縫延伸不可控，注采井溝通困難。干熱巖儲層改造過程應(yīng)力擾動復(fù)雜，強溫差熱應(yīng)力和天然裂縫綜合影響下水力裂縫擴展預(yù)測難度大，美國Fenton Hill項目在3個階段的儲層改造工作中，經(jīng)歷8次鉆井、5次壓裂才實現(xiàn)發(fā)電，但最終仍由于人工裂縫未有效溝通注采井、循環(huán)工質(zhì)嚴重流失等原因而被迫終止，此外英國的Rosemanowes和日本的Hijiori干熱巖項目中也出現(xiàn)過注采井無法連通的問題。

要建成安全、經(jīng)濟、高效的人工熱儲并非易事，如何采用“柔性造儲”的方式有效溝通注采井，避免純粹靠提高壓力改造儲層是構(gòu)建EGS系統(tǒng)的重大難題與需求。柔性造儲是指通過熱力交變、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，有效降低誘發(fā)地震的風(fēng)險。

以構(gòu)建復(fù)雜立體縫網(wǎng)、降低地震風(fēng)險為目標，近年來學(xué)者從傳統(tǒng)水力壓裂造縫和造儲新方法兩方面開展了大量研究，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”的干熱巖高效造儲方法。

 干熱巖人工造儲難題示意圖

流動取熱

高效取熱、合理優(yōu)化是深部地?zé)?/a>經(jīng)濟高效開采的重要保證。干熱巖開采涉及多場(溫度、應(yīng)力、位移/應(yīng)變)、多相(氣、液、固)、多過程(滲流、熱傳導(dǎo)、應(yīng)力演化、水巖反應(yīng)等)耦合，氣液運移、熱傳導(dǎo)和化學(xué)反應(yīng)會影響干熱巖熱儲變形和巖體強度特征，取熱過程受控于其在多場多過程耦合作用下跨尺度的物理/力學(xué)/化學(xué)機制，EGS取熱面臨以下2方面挑戰(zhàn)：

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

(2)注采參數(shù)難匹配，開采調(diào)控缺乏依據(jù)、壽命短。合理的開采制度是干熱巖長效開發(fā)的重要保證。然而，熱儲長期注采過程中多場時空演化規(guī)律復(fù)雜，目前缺乏多目標優(yōu)化設(shè)計方法，導(dǎo)致注采參數(shù)難匹配，開采過程容易形成“優(yōu)勢通道”，如法國Soultz的GPK-3井中單條裂縫控制了70%的流量，為熱儲長期均衡取熱帶來挑戰(zhàn)。美國Fention Hill的EE-1井和GT-2井在為期75天的注采試驗中生產(chǎn)溫度從175℃下降到85℃，日本Hijiori也因開采過程中溫度驟降，出現(xiàn)熱短路，導(dǎo)致項目終止，運行時間不足一年。

熱儲取熱過程熱—流—固—化四場耦合關(guān)系

干熱巖地?zé)豳Y源分布廣、潛力大，是傳統(tǒng)化石能源轉(zhuǎn)型的新機遇，也是國家綠色低碳發(fā)展的潛在著力點之一。盡管國內(nèi)外自上世紀70年代以來針對干熱巖EGS已經(jīng)開展了數(shù)10項示范性探索，僅有法國Soultz地區(qū)成功實現(xiàn)了商業(yè)化運行，“可復(fù)制性”較低、難以大規(guī)模推廣。

因此，強化干熱巖開采相關(guān)基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)研究，突破建井、造儲和取熱3大關(guān)鍵難題，是尋求干熱巖經(jīng)濟高效開發(fā)的根本途徑。首先，要以經(jīng)濟性為導(dǎo)向，針對干熱巖鉆井建井成本較高的問題，重點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)險為核心，大力發(fā)展EGS柔性造儲技術(shù)，根據(jù)裂縫性干熱巖儲層特點，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)造儲技術(shù)，突破干熱巖復(fù)雜縫網(wǎng)造儲理論與方法；

最后，以資源利用和長效開發(fā)為目標，重點突破熱儲內(nèi)熱—流—固—化多場耦合換熱機制，構(gòu)建干熱巖開發(fā)方案優(yōu)化設(shè)計和調(diào)控方法，為干熱巖地?zé)?/a>經(jīng)濟高效開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)，推動國家能源轉(zhuǎn)型和綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。