国内外干热岩压裂技术现状及发展建议

陈 作， 许国庆， 蒋漫旗

（1. 中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083）

随着国内外对环保问题重视程度的不断提高，大力发展地热、天然气水合物等清洁能源势在必行，而干热岩(hot dry rock，HDR)是其中最具应用价值和潜力的清洁能源[1]。美国、英国、法国、德国、瑞士、日本、澳大利亚等国家对干热岩开发技术研究较早，关于增强型地热系统(enhanced geothermal systems，EGS)的研究与应用已有40余年的历史，其中，美国是最早进行干热岩开发研究的国家。1974年，美国与英、法、德、日等国家联合，在新墨西哥州中北部的芬顿山成立了干热岩研究中心。近年来，国外干热岩开发进展较快，在热应力对裂缝起裂和延伸的作用机理、水力压裂裂缝形态物理模拟、热-流-固耦合的数值模拟等方面进行了大量研究，并开展了现场压裂试验与裂缝监测，基本形成了一套干热岩压裂技术。1984年，美国通过水力压裂改造，在芬顿山建成了世界上第一座高温岩体地热发电站，装机容量10.0 MW[2]。之后，世界各国均开展了干热岩商业开发试验，德国建成了Landan和Insheim地热电厂，装机容量分别为3.8和5.0 MW，法国苏尔茨EGS发电厂装机容量2.2 MW[3]，基本达到了商业应用的规模。我国自20世纪70年代初开始大规模勘察和开发利用中浅层地热资源，主要用于地热供暖、医疗、洗浴、娱乐健身等[4-6]。2014年，青海共和县盆地中北部地下2 230 m处发现干热岩，这是我国首次发现可大规模利用的干热岩资源。

目前，我国在干热岩资源勘查和钻井技术方面取得了一定进展[7-8]，但干热岩压裂技术的基础研究比较薄弱，仅在高温岩体力学特性、热破裂对地层渗透性影响、多场耦合数值模拟等方面进行了室内研究，尚未开展过以注采为目的、井底温度180 ℃以上的干热岩的大规模现场压裂试验[9]。因此，笔者归纳总结了国外在干热岩压裂基础理论研究和压裂施工方面取得的主要成果，针对我国干热岩的储层特点，提出了开展基础理论研究和高温硬地层缝网压裂技术攻关，并通过现场压裂试验不断完善，从而逐步形成干热岩配套压裂技术的发展建议，这对于促进我国干热岩压裂技术的发展及干热岩热能的高效开发具有一定的指导作用。

1 国外干热岩压裂技术现状

国外对干热岩压裂技术的研究较为系统，包括裂缝扩展的微观力学数值模拟、水力压裂室内物理模拟、压裂长期试验、裂缝长期监测以及现场应用等。研究结果表明，国外干热岩压裂以小排量、大液量、长时间、清水不加砂压裂为主，干热岩在压裂时以剪切破裂为主，储层压裂后过热体积大幅度增加，渗透率可提高约2个数量级。

1.1 干热岩压裂技术基础研究

I. Tomac和A. Riahi等人[10-11]采用微观力学离散单元法和离散裂缝网络法研究了EGS中压裂裂缝起裂和延伸特征，并得到如下认识：

1）注入水与干热岩的温差效应会导致岩石微破裂（如图1所示），微裂隙不仅存在于裂缝表面，还有向垂直于裂缝面扩展的趋势，压裂流体渗入微裂隙后岩石进一步发生微破裂，使微裂隙的范围不断扩大，裂缝形态逐渐复杂化。

图1 温差效应引起的干热岩微破裂示意Fig.1 Schematic of micro-fractures on dry hot rock caused by temperature difference effect

2）由于附加热应力的影响，裂缝端部和沿主应力方向的裂缝发生扭曲。

3）注入排量较低时，裂缝面积更大。注入排量过高会导致压力快速上升，在早期就超过地层破裂的临界压力，形成主裂缝，导致裂缝面积较小。注入排量较低时，主要为热破裂，岩石先发生微破裂，压裂液进入微裂隙后使其进一步扩展，从而形成较大的裂缝面积。

美国科罗拉多矿业大学L. Frash等人[12]采用耐高温（180 ℃）真三轴试验装置，进行了岩样裂缝起裂的室内物理模拟研究。科罗拉多玫瑰红花岗岩岩样尺寸为30 cm×30 cm×30 cm，试验流体为清水、盐水和黏度71.5 mPa·s的原油，试验温度50 ℃、注入排量3 mL/s。原油注入主水力裂缝的注入曲线与注入后的裂缝形态见图2。通过试验得到的结论是：

图2 原油注入曲线与注入后的裂缝形态Fig.2 Curve of crude oil injection pressure versus time and the fracture morphology after injection

1）岩石破裂需要达到一定的压裂液排量和较长的注入时间，注入压力对排量非常敏感；

2）压裂过程中岩石塑性特征表现明显；

3）岩石破裂压力远远高于最大主应力和最小主应力；

4）岩石压裂后形成了主裂缝和一些微裂缝，主裂缝方位垂直最小主应力方向；

5）在相同条件下，清水压裂时的地层破裂压力为7 MPa，较原油压裂时的地层破裂压力降低61.3%。

1.2 干热岩主体压裂技术的特点

目前，国外干热岩压裂井数量总体较少，有文献报道的有美国的芬顿山试验场、Newberry[13]和Geysers[14]项目，以及德国的Landan项目、法国的苏尔茨项目和日本的Hijiori项目等[15]，其干热岩的岩体条件、埋藏深度与温度虽然各不相同，但主体压裂技术均为直井和定向井清水压裂技术，或者清水压裂+辅助酸化改造技术，少部分井采用了分层压裂技术，最大压裂深度5 270 m，且全程裂缝监测。总体来看，国外干热岩主体压裂技术具有如下特点：

1）注入排量小，持续时间长。干热岩压裂因起裂压力高、期望形成的裂缝面积和连通体积较大等原因，注入排量一般小于3.0 m3/min，且持续时间较长。例如，Newberry项目的55-29井，压裂作业时注入排量1.3～1.4 m3/min，注入时间长达960 h；芬顿山试验场的EE-3井在压裂时平均注入排量1.4 m3/min，也有极少数井（如EE-2井）注入排量达到 6.0 m3/min，见表 1。

表 1 国外部分干热岩井压裂施工数据Table 1 Fracturing treatment data from some of foreign dry hot rock wells

2）注入液量大。干热岩压裂注入液量大，例如，Newberry项目的55-29井在压裂时，单层注入液量超过5 000 m3，最大液量为26 225 m3；芬顿山试验场的EE-2井注入液量21 300 m3，EE-3井注入液量则达到了75 903 m3（见表1）。

3）清水压裂，不加支撑剂。干热岩压裂过程中一般不使用压裂液基液或交联压裂液，而是采用清水或降阻水，且不加支撑剂，主要依靠剪切裂缝或微裂隙来保持裂缝导流能力。

4）采用辅助酸化措施，提高近井裂隙的渗透性。干热岩一般先采用清水压裂后，再采用盐酸、氢氟酸或螯合酸进行酸化，以提高裂隙的连通性和渗透率。例如，法国苏尔茨项目的GPK4井在压裂后，采用15%HCl+3%HF进行酸化处理，注水井的注入速率提高了35%。

5）分层压裂。为建立较大规模的人工热储层或与对应注采井建立连通关系，部分井采用了分层压裂技术，分层压裂工具为裸眼耐高温封隔器或可热降解的暂堵材料。例如，法国苏尔茨项目的GPK2井采用裸眼耐高温封隔器对上储层和下储层分别进行了压裂改造，监测结果显示，该井上下两个储层在分层压裂后实现了连通（如图3所示）。

图3 GPK2井上下储层示意及分层压裂后微地震波事件监测结果Fig.3 Schematic of the upper/lower reservoirs and the monitoring results of microseismic wave events after separated fracturing in well GPK2

6）压裂全过程裂缝监测。人工改造热储层的空间范围是决定干热岩开发利用贡献大小和寿命的关键因素，因此，整个压裂过程中均要采用微地震进行压裂裂缝监测。Geysers项目中所有注入井和生产井均进行了长时间的裂缝监测，并与模型预测结果进行了对比，结果见图4。

图4 Geysers项目中生产井和注入井微地震裂缝监测结果Fig.4 Microseismic events monitoring results of production and injection wells in the Geysers project

7）改造体积大，效果明显。美国芬顿山试验场EE-3井的裂缝微地震监测结果发现，其改造体积达3 000×104m3，生产井产水流量5.34 L/s，产水温度177.1 ℃。苏尔茨项目的GPK1井、GPK2井、GPK3井和GPK4井水力压裂后生产力指数（单位井口压力下对应的产水流量）提高了15～20倍，产水流量达18 L/s，注水井和生产井的井口压力基本不变，产水温度稳定在164 ℃左右，热能稳定，见图5。

图5 苏尔茨项目中3口井压裂后的产水流量和温度变化曲线Fig.5 Post-fracturing water production flowrate and temperature curves of 3 wells in the Sultz project

8）压裂结束后微裂隙继续扩展。裂缝监测结果表明，干热岩井每一次压裂结束关井后，仍产生大量微地震事件，说明因热应力的长期作用，微裂隙仍在继续扩展。

2 国内干热岩压裂技术现状

目前，国内干热岩压裂技术的研究还处于探索阶段，主要以室内研究为主，包括高温物理模拟装置的研制、高温条件下岩石力学特征测试、温度-流体-化学-力（THCM）等4场耦合模拟研究以及高温压裂流体研制等。

2.1 室内试验研究

为了模拟高温及三轴应力下花岗岩的力学特性、热破裂和渗透率变化，中国矿业大学、太原理工大学等单位研制了耐温600 ℃、20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机，并利用花岗岩岩样进行了系列室内试验[16-21]，同时进行了地热开发过程中水岩作用对储层特征的影响研究[22-23]，主要认识如下：

1）在常温～600 ℃范围内，花岗岩热破裂存在一个温度门槛值，当温度超过该门槛值后，随着温度升高，热破裂呈间断性和多期性变化特征。

2）高温下花岗岩岩样的破坏模式为典型的剪切破坏，在有围压情况下，在低温（常温～200 ℃）时，其弹性模量随温度升高缓慢下降；在中高温（200～400 ℃）时，其弹性模量随温度升高快速下降；在高温（＞400 ℃）时，其弹性模量随温度升高变化不大，如图6所示。

图6 不同温度下花岗岩岩样的弹性模量Fig. 6 Elastic modulus of granite samples at different temperatures

3）热破裂升温过程中，花岗岩岩样渗透率随温度的升高而呈正指数函数增大。热破裂初期，花岗岩岩样渗透率随温度的增加而缓慢增加，经历了多个热破裂后，其渗透率随温度的升高而急剧升高，如图7所示。

4）注水过程中，冷水进入花岗岩热储层后，使储层中的石英矿物沉淀，溶液中Si离子浓度降低，碱性长石、斜长石、黑云母矿物溶解，Ca2+、Na+和K+浓度升高，地层孔隙度、渗透率逐渐增大。

2.2 多场耦合数值模拟研究

图7 不同温度下花岗岩岩样破裂后的渗透率变化Fig. 7 The permeability change of granite samples after rupturing at different temperatures

为了模拟注采过程中地层高温热能、流体流动、岩石应力应变与化学多场耦合及其相互作用机理，吉林大学、中国矿业大学、太原理工大学和辽宁工业大学等高校从不同角度进行了热-流-固-化多场耦合数值模拟研究[24-31]，其中以热-流-固三场耦合模拟研究为主。吉林大学还将TOUGHREACT软件与FLAC3D软件进行搭接，开发了EGS多相多场耦合数值分析软件。通过数值模拟研究，主要得到如下认识：

1）高温花岗岩的热破裂效应形成的微裂隙和地层中已经存在的裂缝共同扩展，形成较大的裂缝网络，使岩体渗透率增加；

2）高温岩体开发过程中，注入冷水使围岩温度下降，岩体最小主应力降低，裂缝宽度随地热的提取而增加，渗流阻力下降；

3）在后期的注采过程中，若载热流体采用CO2，其溶解会降低地层水的pH值，使得裂隙通道中方解石发生微溶解，较清水作为载热流体对裂隙通道物性的影响要小。

3 国内干热岩压裂技术攻关建议

3.1 国内干热岩开发面临的形势与压裂技术难点

我国大陆3～10 km深处干热岩资源量总计为2.52×1025J，相当于 860×1012t标准煤，其中，温度150～250 ℃的干热岩储量巨大，约为6.3×1024J，按2%的可开采储量计算，相当于2010年我国能源消费总量的1 320倍[32]。藏南地区、云南西部（腾冲）、东南沿海（浙闽粤）、华北（渤海湾盆地）、东北（松辽盆地）和鄂尔多斯盆地东南缘的汾渭地堑等地区，都是干热岩的有利目标区[33-35]。目前，我国对生态文明建设和绿色发展高度重视，地热开发利用面临历史性的发展机遇，地热发展的春天即将到来，而干热岩作为一种地热资源，其高效开发利用对于我国能源结构的清洁化意义重大。

干热岩压裂不仅要求换热空间体积足够大，还要连通性好，不能出现短路现象，因此，很难直接应用砂岩、页岩和碳酸盐岩等储层的成熟压裂技术。干热岩压裂面临的关键技术难点为：

1）要求巨大的换热体积。若利用干热岩资源来发电，有学者计算后认为其压裂改造后裂缝网络体积应不小于2×108m3[36]，这是一个巨大的换热体积，常规压裂技术难以达到。

2）不需要优势通道。干热岩压裂后生产井不仅要有较高的流体产量，而且产出流体要具有较高和稳定的温度（＞150 ℃），这就要求压裂后热储层中不能存在优势通道，以避免出现因注入水沿优势通道突进而大大降低产出流体温度的问题。

3）压裂后渗透阻力小。为保持生产井稳定的流体产量，热储层压裂后的流体渗透阻力要不大于0.1 MPa/(kg·s)，这对压裂裂缝系统渗透空间分布的均匀性和保持恒定的导流能力提出了挑战。

4）水损耗要小。干热岩高效开发要求注入水损耗≤10%，因此，要严格控制压裂裂缝走向，避免裂缝与断裂沟通，造成严重的注入水损失。

3.2 干热岩压裂技术攻关方向

为促进国内干热岩的高效开发利用，干热岩压裂技术主要有以下几个攻关方向：

1）开展系统基础研究。按照非常规资源储层压裂要求，进行岩石力学特性和压裂裂缝特性等基础研究，包括：高温高压下干热岩杨氏模量、泊松比、断裂韧性、三向应力状态及两向应力差异等力学特性；EGS温度-渗流-应力-化学等多场耦合（THSC）研究，重点是化学场耦合研究；不同热应力和不同流体类型条件下缝网形成机制；裂缝长期恒定导流特性。

2）干热岩压裂裂缝特性研究。人工热储层裂缝形态直接影响着热量提取效率，它对主裂缝和分支裂缝的形态要求比较苛刻，如果裂缝系统中仅有少量主裂缝，热流体很容易发生短路，冷流体触及的热流体面积有限，会很快耗尽通道附近岩石的热量，使生产井的产出液体温度大幅度下降。主裂缝太短，热导流体得不到充分的换热，主裂缝过长，流体漏损及抽取难度增加。因此，建造一个既有主缝、又有分支缝或微裂隙的裂缝系统，还是一个无主缝仅有微裂隙的热储系统，或者是有少量的一定长度的主缝，以微裂隙为主的裂缝系统，以获取热量最大化，是一个值得深入研究的课题。要以换热体积大、连通性好、注入水不突进以及生产井产水量大、温度高为目标，开展干热岩压裂裂缝特性研究。

3）耐超高温分层/分段压裂工具及材料研制。干热岩压裂要获得巨大的换热体积，依靠单一层段的压裂改造是不可能实现的，而直井分层或水平井分段压裂技术能大幅度增加干热岩换热体积，这需要用暂堵材料或工具来实现不同压裂井段之间的封隔。鉴于干热岩储层的超高温条件和裸眼完井方式，且国内暂堵材料和裸眼封隔器或水力喷射工具耐温均低于200 ℃的现状，研制耐温超过200 ℃的暂堵材料和裸眼封隔器或水力喷射压裂工具势在必行。

4）高温硬地层缝网压裂新工艺及软件开发。以渗透阻力小、导流能力保持稳定和热效率高等为目标，开展有别于油气领域的压裂新工艺研究，并开发配套的压裂裂缝优化设计软件。

5）裂缝长期实时监测技术与评估方法研究。干热岩压裂过程中，微裂隙张开程度、走向、改造体积范围严重影响生产井的产水量和温度，因此，必须研究裂缝长期实时监测技术、装备与评估技术。

4 结束语

干热岩是一种资源量巨大的清洁能源，其经济开发利用技术全球关注，欲将其变成可利用的能源必须进行压裂改造，但其缝网压裂模式不能简单从油气领域复制。国外干热岩压裂技术研究虽然已有40多年，但尚未完全成熟，仍在投入巨资攻关。我国干热岩压裂技术还处在探索阶段，基础理论研究薄弱，注采试验还未开展，因此，需要加强系统基础理论研究，攻关缝网压裂新模式，研制耐超高温的分层/分段压裂工具及材料，通过现场试验不断改进完善，形成适合我国干热岩储层特点的缝网压裂关键技术及配套工艺，为推动我国干热岩资源的高效开发利用提供技术支撑。