干热岩勘探开发现状及前景

2018-11-21付亚荣李明磊王树义郭青群郭利王桂林王秀彦

石油钻采工艺 2018年4期

付亚荣李明磊王树义郭青群郭利王桂林王秀彦

1.中国石油华北油田公司；2.中国石油物资有限公司

以清洁、空间分布广泛和运行稳定、均匀著称的地热资源是国际社会公认的高效低碳清洁能源地热资源可分为水热型和干热岩型［1］。干热岩是埋深超过2 km、地下温度超过150 ℃没有水或含有少量水、致密不渗透的高温岩体，在地壳3～10 km 干热岩蕴藏的热能等同于100 亿夸特（1 夸特约相当于246 万t 石油），相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的 30 倍［2-4］。2017年9月6日中国国土资源部地质调查局在青海正式宣布：在青海共和盆地3 705 m 深处钻获236 ℃高温干热岩体，这是中国首次钻获温度最高的干热岩体，实现了干热岩勘查的重大突破，西方各国媒体纷纷在头条位置予以广泛的报道，甚至24 h 的不间断播报［5］。早在1904年意大利开始应用地热发电，20 世纪全世界利用地热发电 8 210 MW，占总发电量的0.3%［6］。1926年中国地质学家章鸿钊在第三届泛太平洋科学大会上发表了“中国温泉之分布与地质构造之关系”并收入论文集，同年刊登在《Journal of Geographical Sciences》第2 卷第3 期。堪称中国首部系统记录国内温泉状况专门性志书的遗著《中国温泉辑要》1956年由地质出版社出版［7］。“地下是一个大热库，是人类开辟自然能源的一个新来源，就像人类发现煤炭、石油可以燃烧一样”李四光先生在1970年提出了这样的论断［8］；美国科学家莫顿和史密斯1970年首次提出干热岩的概念［9-10］；最早对干热岩进行研究的国家也是美国，1974年Los Alamos 国家实验室在新墨西哥州的Fenton Hill 钻成世界上第1 口干热岩井，拉开了干热岩研究的序幕［11］，并于1977年完成了世界上第1 个干热岩热储，且安全运转一年多，验证了采热提取能源的技术可行性［12］。干热岩已在全球研究40 多年，美国、日本、法国、英国、德国、澳大利亚、瑞士、瑞典等20 个国家对干热岩的赋存类型、成因模式、勘查和开发技术装备等进行研究，相继建成干热岩开发利用示范基地［13］。近年来，中国部分高等院校和科研单位对干热岩的研究集中在理论探讨和钻井、压裂、微地震监测、数值模拟、资源评价、碳储存技术等方面，且取得了可喜的成果［14-15］。但干热岩商业化开发尚需时日，建造“经济人工热储”关键技术的突破将成为干热岩发展的支撑。

1 国外干热岩勘探开发现状

开发利用干热岩资源的充分必要条件是建立增强型地热系统，简称EGS。世界各国争先进行EGS试验，美国的 Fenton Hill、日本的 Hijiori 和 Ogachi、英国的Rosemanowes、法国的Soults、澳大利亚的Cooper Basin、德国的 Landau 和瑞典 Fjallbacka 等拥有EGS 系统。其中：法国北莱茵堑内Soults 和德国Landau 的EGS 系统正在试验中；澳大利亚Cooper 盆地的EGS 系统尚未运转；其余的或因技术经济效益问题而终止试验［16］，诸如美国等其他国家已开展了多项中试规模的研究［17］，但至今在全球范围内未有EGS 投入商业运行。

1.1 美国

110 名科学家参与的美国Fenton Hill 干热岩发电试验是世界上最大的试验项目，也是全球首例建立地下深部工业干热岩热储的增强型地热系统工程，17年耗资 1.5 亿美元［10，18］；4 500 m 的钻井深度，330 ℃的高温岩体，3 600 m的热交换系统深度，世界上首座干热岩发电站于1984年建成，发电功率达 10 MW，250 mW/m2的地热流值，如图1［19，22-22］、图2所示［20-22］。发电站因井壁损坏、设备缺陷和资金等诸多问题，于 2000年被完全废弃［3，23］。

图1 干热岩体中双井式增强型地热系统的概念模型［20-22］Fig.1 Conceptual model of double-well enhanced geothermal system in dry hot rock mass［20-22］

虽然Fenton Hill 试验项目距离干热岩地热商业开发规模还有一段距离，但创新和完善了诸多开发技术、设备、测量工具，支撑建造人工热储的地质工程和钻探技术可行性得到了证实。从Fenton Hill 试验项目中取得了宝贵的经验和认知：（1）普通的钻井技术能完成具有磨蚀性、300 ℃高温岩石的定向钻进，产生或激活大规模裂隙网络，且能通过微震监测和定向钻孔实施热截取；（2）水力压裂可刺激1 000 m3低渗透结晶岩体形成永久性开放的水力连通裂隙；（3）依据试验数据拟合的流体及热传导模型可以预测增强型地热系统储体的热能产出量；（4）热储裂隙分布图可通过化学示踪、主动和被动式声发射和相关地球物理测井等技术绘制；（5）在干热岩体建立井眼间的商业性温度连通循环已成为可能；（6）裂隙热储体积增大，井眼间循环水损降低；（7）原位主应力方向因深度的变化将影响对激发裂隙扩展方向的预测结果，同一构造钻多口井方案部署应在水力压裂激发储层裂隙之后进行。

美国自 Ranalli and Murphy［24］、Molnar［25］建立分层流变模型后，率先于1990年提出大陆动力学计划，2003年开启聚焦大陆岩石圈以超越板块构造为目标的构造地质学和大地构造学研究新征程［14］；1992—2001年将如何提高已有地热资源生产时率作为研究重点；2002年在Coso、Nevada Desert Peak和Solictitation 地区重启增强型地热系统/干热岩研究；2003年斥资350 万美元研究如何改善Coso钻遇干热岩体渗透率差的问题，以及Nevada Desert Peak 和Solictitation 地区干热岩利用的概念设计和可行性研究；2014年政府出资600 万美元对上述3 个地区干热岩开展深入研究，包括钻探与储集库（reservoir）激发实验和钻探1 口生产井；2006年由United States Department of Energy 资助，麻省理工学院提交的EGS/HDR 资源研究报告表明：（1）美国3～10 km 深度的EGS/HDR 总热能资源超过13 000 MJ，约为2005年美国一次能源利用量的14×104倍；（2）未来 15年研发投入将达到 10×108美元，2050年可望安装1000×108W 以上干热岩提供的电力；（3）增强型地热系统/干热岩电力成本低于3.9 美分/（kW·h）；2009年能源部2次资助增强型地热系统/干热岩研究费用共计4.3400×108美元； 2011年能源部再次出资加大增强型地热系统的研发与地热界扩大合作［26-27］。

1.2 日本

以火山著称的日本国，1966年建成了首座装机容量 2.2×104kW 的松川地热发电站［28］。1974年MITI 启动Sunshine Project 由地质调查局论证利用增强型地热系统/干热岩的可行性［27］；1980年政府出资在山形县钻进2 000～2 200 m 深4 口岩体温度250 ℃的干热岩井，且多次进行短期水压测试；1988年政府与民间机构共同资助了岩手县干热岩体间热交换项目［19，29］；1990年对 Ogachi 项目中井深1 000 m 井底温度230 ℃（注入井）和井深900 m 井底温度240 ℃（生产井）进行压裂后，回收率从3%提高到25%，到2002年因水损和资金问题，试验被迫停止［3，30-31］；1993年制定了 New Sunshine Project，在 Kakkonda 地区对 3～4 km 深处干热岩资源的应用可行性进行评估；1986—1998年进行干热岩勘探技术基础研究；1997—2004年着手开展热储集库和热流特征研究［27］；1986—2001年 NEDO 与地质调查局合作在Hijiori 进行首个增强型地热系统/干热岩示范工程，钻4 口干热岩井，系统由浅部热储和深部热储组成，项目分2 个阶段进行，2 口注入井、2 口生产井，总热提取量约为8 MW；驱动容量130 kW 的干热岩发电站；后因循环试验水损较高且产流温度降至 100 ℃终止试验［3，32-33］。

从 Ogachi 试验得到以下重要启示［3，34］：（1）多次水力压裂不一定能改善干热岩井之间的水力连通；（2）水力连通性差的干热岩井之间，循环试验时较大的水损进入储层；（3）干热岩井眼应力可通过激发储层后收集和分析井筒成像数据得到；（4）干热岩井间较好的水力连通性可通过声发射定位储层激发区域指导定向钻井实现；（5）微震监测对预测不同深度裂隙发育方向尤为重要；（6）井下电视和声发射数据有助于确定储层应力方向随深度的变化规律。

Hijiori 增强型地热系统/干热岩示范工程获得的认识［3］：（1）热储的增长与储层循环存在正相关性，长时间低压循环比短期高压水力压裂更有利于增加干热岩井、储层之间的水力连通；（2）水力压裂激活干热岩储层天然裂隙促进了热储的发展；（3）天然裂隙已与干热岩井连通，水力压裂将有可能导致连通程度增加而造成流体短路；（4）储层不同深度应力方向发生变化，预测裂隙扩展方向的难度增大。

1.3 澳大利亚

20 世纪90年代开展干热岩可行性研究；2000年通过可再生能源法；2006年地球科学局以地热项目组的形式开展增强型地热系统/干热岩研究；2007年联邦政府“地热路线图”制定；2008年政府斥资700 万澳元资助地热钻探；2010年有6 家从事增强型地热系统/干热岩的公司在澳大利亚证券交易所上市［27］。世界上最大的增强型地热系统/干热岩项目位于Cooper Basin，4 000 m 深度温度可达250 ℃，2003年由地球动力学公司试验开发，2008年实现了注入井与生产井之间依靠水力压裂与裂隙热储取得良好的水力连通，系列花岗岩体连通裂隙建成，有望实现干热岩的商业开发［3，35］。

Cooper Basin 干热岩试验启示［3，36］：（1）储层物性均质性较强的花岗体，具有潜在的巨大地热资源；（2）发生水热蚀变的花岗岩体钻井更容易；（3）花岗岩体附近存在的超水压力，尽管对水力压裂重新打开闭合裂缝、改善热储渗透率有利，但钻井难度加大；（4）花岗石干热岩基底中有存在近水平方向的天然裂隙条（网）带；（5）花岗石干热岩体水平裂隙发育与逆冲推覆构造应力有关；（6）在花岗石干热岩体中建立永久连通裂隙网络和多井系统开发有可能成为现实。

1.4 英国

1977年英国在Cornwall 花岗岩体实施干热岩研究项目［10］；1989年加入在德法两国边界Soultz Sous Forets的Soultz 增强型地热系统/干热岩项目，从而正式形成了欧盟（德国、法国、英国）产业联合体［27］。同时，英国 1980年在康沃尔 Rosemanowes 花岗岩储层进行开发干热相关设备的技术的试验［3］。

1.5 法国

1977年着手进行浅层增强型地热系统/干热岩研究；1984—1989年开展 Le Mayet de Montagne 增强型地热系统/干热岩项目；德国、法国、英国联合在法国上莱茵峡谷内的Soultz（苏茨）增强型地热系统是目前世界上最为成功的示范项目，2008年6—8月进行了地热发电［3，37-38］。

2 中国干热岩勘探开发现状

2.1 中国干热岩分布

中国干热岩型地热资源按成因机制和赋存条件分为：高放射性产热型、沉积盆地型、近代火山型和强烈构造活动带型4种类型，青海共和盆地干热岩就是沉积盆地型的典型代表［39，40］。中国新生代火山活动频繁［41］，干热岩有利靶区主要包括藏南羊八井、海南琼北、台湾及东南沿海、云南西部腾冲、东南沿海浙闽粤、华北渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地东南缘的汾渭地堑、东北松辽盆地等地区［3，42］；其中华北渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地东南缘的汾渭地堑干热岩资源量位居第二［1］。中国地质科学研究院对大陆陆域3～10 km 干热岩储量最保守估算，其资源基数为2.5×1025J，相当于856 万亿t 标准煤，为中国2014年能源消耗总量的4 040 倍；按照国际标准2%的利用率，相当于17 万t 标准煤；中国2016年能源消耗总量折合43.6 亿t 标准煤，17 万t 标准煤相当于2016年能源消耗总量标准3 900年的消耗量。深度在3.5～7.5 km、温度在150～250 ℃干热岩资源量6.3×1024J，按照国际标准2%的可采资源量折算，为中国 2014年能源消耗总量的 1 006 倍［5，43］。

2.2 中国干热岩研究现状

2.1.1 政策及研究进展地热和温泉的开发和利用在中国已有5 000 多年的历史，自20 世纪50年代开始，全国各地先后建设温泉疗养院160 余家，70年代后小于1 000 m 浅层地热开发利用快速发展，90年代后地热资源发展更加迅速［44］。中国干热岩研究启动较晚，但发展很快［45］。1993年开始，中国地震、地质、能源系统的科研机构着手研究干热岩资源分布并进行潜力评估［43］；1993—1995年国家地震局地壳应力研究所与日本中央电力研究所合作，在北京房山区开展干热岩发电试验研究，2009年能源、地质系统组团对澳大利亚Cooper 盆地实地考察干热岩利用现场［2］；2010年国土资源部斥资数亿元对干热岩地热资源（含浅层地热、水热型地热），2011年发布了地热资源量数据［38］；2012年“干热岩热能开发与综合利用技术”863 项目启动，标志着中国干热岩研究进入实质性研究阶段；中国首个规范和指导干热岩勘查与开发的《全国干热岩勘查与开发示范实施方案（2013—2030）》由地质调查局于2013年出台；2013年陕西省在黄河以北所钻的干热岩地热井井眼中安装密闭金属换热器，从2 000 m 处取热后由专业设备向建筑物供热，成功实现干热岩地热能的商业应用，2015年底国内首个干热岩供热 PPT项目启动。

2014年地质调查局与青海省合作，在共和盆地钻井进尺3 000 m，井底温度181 ℃；德贵盆地钻井进尺3001 m，井底温度151 ℃，实现干热岩勘查的开门红；2015年5月21日，第1 个干热岩科学钻探项目经过勘查选址定位福建漳州开钻，干热岩综合性开发与研究工作正式开始［43］；2017年7 月底包含干热岩靶区定位技术与工程测试技术研究、开发实验模拟平台和相关材料等的863 项目“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”顺利通过国家验收；2017年9 月在青海共和盆地 3 705 m 深处钻获 236℃的高温干热岩体，探测到的“干热岩”分布面积达3 000 km2；2017年11月20至22日在天津召开的全国地热资源调查评价研讨会上提出“要坚决打好京津冀地热资源调查评价科技攻坚战”，重点在“雄安新区”等地区，探明深部地热储层地质结构，为京津冀地区地热规模化、可持续高效利用提供支撑［45］。

2.1.2 干热岩研究进展宋阳等人［46］采用二氧化碳替代水为工质，考虑干热岩体中实际存在的孔隙水、二氧化碳-水-岩体三相间的化学反应，建立了二维增强地热系统/干热岩模型，在干热岩体中模拟了二氧化碳质量流速、取热量、固化二氧化碳的空间分布随时间的变化规律。结果表明：二氧化碳从干热岩体中摄取的热量比水多，更适合渗透率高、温度高、孔隙度小的增强地热系统/干热岩。与Spycher和 Pruess 的研究结果一致［47］。

薛建球等人［48］通过对“共和缺口”［49］的贵德盆地1999—2001年地热钻井钻入花岗岩3 个井眼得到的数据，分析盆地地球物理特征，依据重力低异常推断基底凹陷与可控源音频大地电磁测深，依据地震反射波勘探推断基底界面深度不一致，且有磁异常对应，又经钻探证实。故认为贵德盆地可能存在干热岩。

国内诸多学者针对干热岩体研磨性强、可钻性差，温度高的特性，提出了干热岩高温钻探技术研究的重点和方向包括：高温钻井液体系、井下钻具、随钻测控仪器、高温井控、分布式测温和固井完井技术等，并分析气体钻井、干法固井和泡沫增压钻井等技术可行性［50-55］。2015年开钻的青海贵德ZR1 干热岩井钻进至井深 3 000 m，裸眼完井［56］；在钻井过程中，采用6HJ637G 型牙轮钻头取得了1.24 m/h 平均机械钻速；采用在高温高压下流变性良好与滤失量较低的聚磺钻井液体系，满足了干热岩井施工要求；采用超细高温水泥固井工艺，固井止水质量优良；使用川 5-4 型取心器，取心率 45%～83%［56-58］。

2012年开始，许天福和张延军带领吉林大学深部地热和干热岩研究团队建设了由高温断裂韧性测试装置、改进的岩石三轴模拟装置、300 mm×300 mm×300 mm 大尺寸压裂装置和岩心裂隙导流换热装置等4 部分组成的高温高压下干热岩水力压裂实验室模拟系统，完成了变温条件下岩石力学参数测试、变温条件下岩心水力压裂测试和300 mm×300 mm×300 mm 大尺寸水力压裂测试，以及裂隙导流换热模拟实验，为现场压裂工艺设计和储层改造提供参数和技术支持［59］。为验证干热岩水力压裂实验室模拟结论，2014年在山东省利津县陈庄镇对干热岩GRY1 井（井底深度2 500 m）埋深2 003～2 500 m 井段，常压注水试验完成后，进行了2 次压裂试验，压裂液用量1 606 m3，未使用颗粒支撑，花岗岩裂隙率压裂后按3%计算，裂隙发育的2 200～2 400 m井段建造人工热储层约53 533 m3，波及范围数十米。压裂后渗透系数有大幅提高［60］。

吉林大学环境与资源学院那金等人［61］利用高温高压反应釜（温度350 ℃，压力30 MPa）模拟二氧化碳-增强地热系统，在高温高压下热储层-盐水-二氧化碳的相互作用，热储层矿物成分、反应液化学成分的变化规律，并对实验中反应液离子成分变化和岩样扫描电镜进行分析，揭示储层水-干热岩体-气作用机理，以及对干热岩储层流体渗透性的影响。

吉林大学地球探测科学与技术学院赵雪宇等人［62］通过处理研究区域的磁法和重力数据，进行莫霍面、居里面等界面的深度反演，计算不同深度的地热温度值及梯度值，探索研究区域干热岩形成的条件，以及对尚未摆明区域是否存在干热岩进行圈定，并给出初步评价。鲍新华研究团队［63］收集目标盆地干热岩热源、资源量、导热、聚热、地震活动等资料后，提出了目标盆地EGS 开发选区适宜性评价方法。

中国地质科学院水文地质环境地质研究所蔺文静团队［64］提出了干热岩勘探选址的地热地学指标，以广东阳江新州、广东惠州黄沙洞、雷琼断陷盆地、海南陵水为重点潜力靶区，对靶区干热岩地质背景、深部热异常进行精细刻画，建立研究靶区干热岩深部温度场模型，对比研究干热岩资源靶区选址。庄庆祥［65］解析了福建省东、西部背景大地热流值反常差异，调研了国内外干热岩示踪元素跟踪热源的地球化学勘查方法，提出了将示踪元素跟踪热源地球化学勘查应用到干热岩地热源勘查的建议。河北省煤田地质局根据河北省柏乡县干热岩地热资源的平面和剖面分布特征，对柏乡县王家庄—白阳区干热岩地热资源进行评估，圈定了干热岩勘查靶点区［66-67］。中国地质调查局水文地质环境地质调查中心和中国科学院测量与地球物理研究所对黑龙江省五大连池尾山地区火山岩浆囊探测后发现，五大连池尾山地区具良好的干热岩地热地质条件［68］。

近几年许多学者针对干热岩钻井的难点，提出了干热岩钻井新理念。阴文行等学者［69］总结了地热开发应用气举反循环钻井技术的成功经验，论证了气举反循环钻井干热岩的可行性。中国地质科学院苏长寿等人［70］对液动潜孔锤技术应用于干热岩钻井的可行性进行了分析，提出了需要完善的关键技术，并提出了解决方案。张所邦等人［43］依据干热岩钻井技术与普通地质钻探或水文地质钻探或油气钻探之间存在较大差异性的特点，从钻头选择、钻具组合、高温护壁钻井液、钻井技术参数、套管下入方式、固井、井控、洗井、钻井压裂改造技术等方面优选干热岩钻井技术，得到共和盆地和贵德盆地的干热岩钻井成功的佐证。中国地质科学院探矿工艺研究所周策课题组［71］研制的GRY-1 型干热岩地层钻孔测斜仪，在温度280 ℃、井深3 000 m 的干热岩地层钻孔轨迹测量现场试验中适应性优良。

北京工业大学唐志伟教授［72］依据北京市某干热岩项目，建立了干热岩生产井筒井身结构的物理模型和数学模型，对模拟和实测数据对比、分析、核实，剖析干热岩井筒传热结构温度场的分布情况，阐述了泵管下入深度、保温泵管等因素与生产井井筒温度分布规律。

干热岩资源勘查与金属非金属矿床、石油天然气、页岩气、可燃冰［73-75］、地质灾害、环境影响和地面工程建设等领域关系密切。李德威教授［14］提出了中国发展干热岩地热能理论与应用的技术路线，如图2所示。且建议对华北、青藏高原及其邻区、东南沿海、台湾4 种不同类型干热岩目标靶区勘查、评价和系统开发。

图2 中国发展干热岩地热能理论与应用技术路线［14］Fig. 2 China's development of dry heat rock geothermal energy theory and application technology route［14］

2.1.3 干热岩应用研究进展干热岩主要应用是发电。美国、法国、德国、日本、意大利和英国等科技发达国家已经掌握了干热岩发电的基本原理和基本技术［76］。

物理模拟和驱替实验证实热水驱油可大幅度提高采收率。油田注水开发、稠油热采、超深井钻井等方面技术成熟，为利用干热岩驱油提供了可能。王学忠［77］提出了利用干热岩进行热水驱油构想，期望在干热岩靶点区的油田率先开展干热岩辅助采油先导试验。

2009年，国内学者认为［78］干热岩驱油将有可能替代燃油产生蒸汽的稠油热采主导技术，实现油层整体加热，既符合节能减排的政策要求，又能降低开采成本的提高稠油油藏最终采收率。

中国地质大学的宁伏龙［73-75］博士分析了热激法、减压法、化学抑制剂法、置换法和混合开采法等可燃冰开采方法的优缺点后，提出了利用干岩地热开采海底可燃冰的设想，并给出了相应的简单生产模型（图3）［79］。

图3 干热岩地热开发可燃冰示意图［29］Fig. 3 Dry hot rock geothermal development of flammable ice［29］

中国首个干热岩供暖项目2017年冬季在西安沣西新城开始运行，供热面积约167×104m2，采用PPP 模式与陕西四季春清洁热源股份有限公司合作开发［80］。

3 增强型地热系统/干热岩热储层研究现状

增强型地热系统/干热岩技术的核心是在低渗透结晶质基岩中构建人工裂隙空间、岩体与流体（水或二氧化碳）换热面积；人工裂隙储层空间产出流体的温度和流量必须符合技术和经济的要求。

3.1 增强型地热系统/干热岩储层试验

自20世纪70年代以来，已在美国芬登山Ⅰ期双井系统（1974—1980）、美国芬登山Ⅱ期双井系统（1980—1992）、英国罗斯曼奴斯Ⅰ期双井系统（1997—1980）、英国罗斯曼奴斯ⅡA期双井系统（1980—1983）、英国罗斯曼卢斯ⅡB 期三井系统（1983—1992）、日本肘择浅部储层四井系统（1985—2002）、日本肘择深部储层三井系统（1992—2002）、日本雄胜Ⅰ期双井系统（1982—1999）、法国苏尔苏斯发Ⅰ期（1 口激发井、1口取心井，1987—1992）、法国苏尔苏斯发Ⅱ期双井系统（1992—1999）、法国苏尔苏斯发Ⅲ期三井系统（1999—2009）、澳大利亚库伯盆地双井系统（2002—2012）等干热岩场地进行热储层试验；建立了可以在几个月或超过一年以10～30 kg/s 相对高流量的流体循环系统；预测储层温度下降与激发体积之间依存度的模拟方法已初步建立，实现微震技术检测激发效果、监测裂缝体积；建立了包括储层埋深、温度、寿命与热度衰减率、井场结构、激发体积、换热面积、水流阻力及其取值范围等储层性能的商业要求标准［81］。

3.2 增强型地热系统/干热岩热储层性能特征

单位时间内允许采出热量、寿命、储层水流阻力是衡量增强型地热系统/干热岩性能的直接参数；而直接参数热储温度与埋深、热储最大允许温降、激发体积与井场结构、换热面积和产出流体流量决定；Garnish、Shock 等人1985年提出了商业增强型地热系统/干热岩热储层必须满足的7 项经济运行指标，对照这7 项指标，目前只有法国的苏尔苏斯发储Ⅱ、Ⅲ期增强型地热系统/干热岩热储层性能经济运行指标接近，说明期增强型地热系统/干热岩热储技术已接近商业经济运行水平［81-82］。

3.3 增强型地热系统/干热岩热储层的激发

水力压裂、化学激发和热激发是增强型地热系统/干热岩热储层的激发的主要方法，其中最为常用的是水力压裂［83］。1974年美国芬顿山干热岩储层首次应用水力压裂激发，随后，其他国家相继使用水力压裂法激法干热岩热储层，水力压裂液中加入一定浓度的重卤水、使用黏性凝胶、裂隙中布置支撑剂等有效缓解或消除热储层水流测试存在水流阻力和短路等现象［84-85］；化学激发是向干热岩井中注入酸性液体，溶解干热岩体裂隙或注采井附近的矿物质，改善裂隙渗透率，1988年首次在瑞典非那巴卡干热岩储层中注入2 m3HCl+HF 溶液，证明了化学激发是可行的，法国苏尔茨EGS 增强型地热系统/干热岩热储层野外试验中，经过酸化处理的生产井生产效率增加了50%，注入井则只有微弱提高［86-87］；作为辅助方法的热激发常与水力压裂、化学激发联合使用［88］。表1 中列示了全球主要增强型地热系统/干热岩场地及部分热储层激发方法的使用情况［89］。

3.4 增强型地热系统/干热岩热储层数值模拟

增强型地热系统/干热岩开发的核心是热储层的“温度-水流-应力-化学（THMC）” 时空演化规律及其耦合作用，数值模拟可以在较短的时间内分析各种因素对干热岩开发的影响［90］。袁益龙等人［91］以松辽盆地增强型地热系统-水-热开采潜力为例，采用井筒-储层耦合数值模拟方法，对不确定因素和参数进行定量分析表明，影响储层开采潜力的主要因素是储层初始温度、裂隙间隔、布井方式；中国科学院天然气水合物研究中心以西藏羊易干热岩体温度为依据，设想激发不同渗透率的增强型地热系统/干热岩热储，采用数值模拟方法，设计9 个开采方案，分析了开采50年内干热岩热储温度场分布、持续开采能力、冷却影响范围等［92］；中国科学院广州能源研究所建立了平行相间的垂直裂隙系统EGS开采模型，改变多平行垂直裂隙宽度和水流速度，模拟EGS 热储热开采过程。结果表明，裂隙宽度和水流速度对热储热开采过程影响较大，且影响效应几乎一致［93］；Sanyal、Butler 利用沙漠峰 EGS 野外场地数据模拟了干热岩热储体压裂体积对EGS 热储热开采的影响［94］。

表1 全球主要 EGS 场地及部分热储层使用的激发方法Table 1 Excitation methods for major EGS sites and some thermal reservoirs in the world

4 干热岩开发的技术瓶颈

4.1 资源靶区定位技术

需解决如何获得详细的大地热流图、如何共享石油天然气勘探过程中获得的地温梯度数据、如何完善和发展干热岩地球物理联合反演的方法等问题。

4.2 超高温干热岩钻井技术

研发抗高温钻井液材料；随钻测井仪器的耐温性能需要满足干热岩定向钻井的要求（目前最高耐温225 ℃）；将尚未工业化的弹丸钻井、火焰裂（强制火焰）钻井、激光钻井、化学强酸钻井等前沿技术［95-96］与常规钻井技术结合拓展超高温干热岩钻井能力，降低钻井成本。

4.3 干热岩储层激发技术

干热岩储层激发常用水力压裂，但干热岩压裂与石油天然气压裂的目的存在很大差别；石油天然气压裂是增加储层的渗透性，而干热岩压裂是发展裂隙成为规模网络裂隙，增大“地下热交换器”的换热面积［97］；干热岩压裂现场试验出现已有裂隙发生剪切破坏的现象，干热岩压裂数值模型有待完善［98］。微震与井下成像技术只能判断裂隙位置而不能确定裂隙的连通情况［99］。

4.4 干热岩热流循环示踪监控技术

示踪监控技术是研究水力压裂干热岩体产生的裂隙密度、联通性必不可少的方法，也是评价注入流体回收率和热能产出能力的重要手段，但与之配套的数值解析和模拟技术还需要完善［100］。

4.5 其他关键技术

抽取热水耐高温、下深超过1 000 m 的管式泵、杆式泵、电潜泵仍是需要攻克的技术难题；多段水力压裂的封隔器开发正在进行中［101］。干热岩体水力压裂可能导致注入井和生产井之间高渗通道短路，造成换热时间和换热面积缩小，井口温度低丧失利用价值，经济有效的短路治理方法尚在研发中［102］。如何表征横向干热体岩石力学特性和原始裂隙系统亟待解决，高温高压条件下水-气-岩相互作用的热力学和动力学数据库需要构建［103］。干热岩体地下水动力-热传递-力学-化学）多场耦合数值模拟方法需要实验室和现场数据验证［104］。

5 干热岩开发前景展望

干热岩能源是国际社会公认的高效低碳清洁能源，全球范围内一些发达国家和地区对干热岩资源的利用仍处于起步试验阶段，远未达到商业利用的程度，中国干热岩利用正处于探索阶段；但全球已发现干热岩的储存量是所有国家石油、天然气总储存量的几十倍；勘探开发前景十分广阔。

5.1 世界各国政府的高度重视

20 世纪70年代人类开始在美国进行干热岩资源开发利用试验，随后英国、日本、瑞典、德国、澳大利亚、法国等也启动了本国的干热岩项目，各国相继出台优惠政策，如资金资助、矿权使用、土地利用、设备采购、水资源利用、发电价格等方面的优惠和补助。习近平总书记 2015年强调的“中国能源生产与消费革命”的宗旨［97］，是改变以煤为主的传统能源格局，转向多元化供给模式，未来干热岩发电将担负起能源革命的重任。

5.2 能源转型新机遇

虽然全球化石能源供给量比较充足，但生态环境保护迫切需要由化石能源向新能源或可再生能源转换，世界能源消费已进入石油、天然气、煤炭和新能源“四分天下”的时代［105］，可再生能源正在加速替代常规化石能源。干热岩的开发利用是应对全球气候变化和低碳环保、节能减排、治污减霾的重要举措，巨大的干热岩资源必将成为人类未来的重要新能源之一。