干热岩勘查及开发利用的关键技术

2020-09-17窦凤珂

化工设计通讯 2020年10期

窦凤珂

（山东省煤田地质规划勘察研究院，山东济南 250104）

地热资源是一种清洁可再生的能源，具有利用率高、稳定、安全、运行成本低等众多应用特点。根据其成因、产出条件可以分为干热岩型地热资源、水热型地热资源以及浅层低温能型地热资源。干热岩是埋深在地下温度150℃，超过2km，没有水或是含有少量水，致密不渗透的高温岩体，在地壳3～10km干热岩所蕴含的热能等用于100亿夸特，相当于全世界范围内所有的天然气、煤炭、石油所蕴含能量的30倍，对于其的勘查、开发技术的使用十分重要。

1 干热岩勘查开发现状

我国对地热与温泉的开发利用历史已经有5 000多年了，我国自二十世纪五十年代开始，就已经在全国各地先后建设温泉疗养院，后来1 000m 浅层地热开发利用得到了快速的发展，九十年代，地热资源开始获得更加迅速的发展。对于干热岩进行开发利用的第一步就是进行勘查，首先需要确定干热岩资源的具体地理位置，然后开始进行大规模钻井，并进一步的核实资源，然后使用石油开发工艺技术开采资源，而地层渗透性不足则需要借助水力压力。最后，监测利用干热岩资源所提取出的热能过程[1]。

1.1 钻井技术

在进行开发过程中，要使用许多的生产井，注入井为直井，而开发井也会是定向井的形式。由于压裂能力存在制约，所以注入井和开发井之间不能超过900m 的距离。由于地层具有非常高的温度，所以，在开展空气钻井、泡沫钻井时，使用到的测井设备、动力钻具以及导向工具等相关设备需要具有良好的抗高温性能。而干热岩主要是在火成岩、变质岩以及结晶岩花岗岩等开展钻井，因此地质十分坚硬，裂缝发育，研磨性强，因此需要采用质量好的钻头。而干热岩钻井相较于油气钻井来说，需要选择硬度更高的钻头，在进行空气钻井的时候可以使用镶齿牙轮钻头。干热岩井固井过程中，因为地层温度非常高，所以热膨胀将会导致套管挤坏，而回灌井冷却也同样会导致套管出现收缩的问题，同时还会出现胀裂破裂。干热岩固定的时候，水泥将会从套管鞋返回到地面，以提供防腐、支持以及稳定效果，同时还可以避免套管出现膨胀变形[2]。

1.2 干热岩压裂技术

通过研究EGS 压裂裂缝的起裂与延伸，结果显示：热感应力与裂缝的延伸之间具有直接关系，并且还会随机诱导裂缝；热应力不仅会出现在岩石和流体的接触过程中，同时还会额外发生变形，从而出现微破裂的情况。在图1中，其裂缝起裂的尖角表示热岩石到冷流体的热通量，而红色表示流体渗入岩石的基质，蓝色则意味着流体压力。基于此能够获得结论：微破裂是因为温差所导致的，而微破裂基本上是沿着裂缝而出现的，并且呈现出垂直于裂缝面扩展的发展趋势。

图1 裂缝的扩展形态

而国内对于干热岩压裂技术主要是研究高温物理模拟装置、高温压裂流体以及THCM 耦合模拟研究等方面。为了能够研究高温与三轴应力下花岗岩的热破裂、力学特性以及渗流规律等，我国的矿业大学选择建立耐温600℃的20MN 高温高压岩体三轴试验机，通过模拟固-流-热三维数值，研究了地热在开发过程中的应力、温度变化的规律以及裂缝宽度的变化规律。而破裂试验的结果表明：

（1）在常温至600 ℃，花岗岩的破裂压力具有一个分界值，一旦岩石的破裂压力达到这一分界值之后，随着温度的提升，热破裂将会呈现出多期性以及间断性的变化发展趋势，并且岩石的渗透率将会呈现出同步发展的变化情况。

（2）在三向应力条件下，热破裂的温度不断提升，其渗透率将随着温度的提高而呈指数增大。在热破裂初期，花岗岩的岩样渗透率将会随温度上升，并且随着热破裂的发展，渗透率将会随着温度的增加而增加。

而通过研究EGS 地热能开发过程中，水岩作用对于热储层特征造成的影响，可以基于结果中发现：

（1）在花岗岩热储层中注入冷水，石英矿物会沉淀，其相对质量分数将会增大13%，而黑云母矿物、碱性长石以及斜长石等物质将会溶解，并且随着时间的推移，储层孔隙度、渗透率均会逐渐增加。

（2）CO2是一种载热流体，可以有效降低地层水内的pH，从而使裂隙通道中方解石能够实现微溶解，石英沉淀。但是水岩作用对于裂隙孔渗的影响非常小，所以导致裂隙特征变化也同样非常小[3]。

1.3 钻井液冷却技术

干热岩具有较高的温度，所以在钻井液返回地面后，温度在此时将会达到100℃以上，而水蒸发不仅会严重影响钻井液的性能，同时还会对设备、人员造成极大威胁。所以，干热岩钻井必须要采用特殊装置对钻井液进行冷却。部分公司研发的钻井液冷却系统已经广泛应用在地热和油气钻井中。而如图2所示为板式换热器钻井液冷却系统。该系统的结构原理是：在钻井液罐中，由钻井泵抽吸进板式换热器和冷却剂之间进行换热，水是其中的冷却剂。而板式换热器钻井液冷却系统是利用2个板式换热器进行换热工作，在其中的主换热器中，钻井液会与乙二醇/水溶液进行换热冷却，而乙二醇/水溶液在吸收完钻井液的热量以后，将会返回到第二个换热器内。而淋喷式换热器钻井液冷却系统的工作原理是：在钻井液罐、钻井液池中，泵进淋喷式换热器，冷水直接喷射钻井液管束，并且风扇还会鼓入空气，气水在混合之后，可以使钻井液的冷却效果加强[4]。

图2 板式换热器钻井液冷却系统的基本结构

我国经过不断的研究，已经初步形成了钻井液冷却技术。首先，利用加装旋转防喷器给井筒流体回压，提升井筒内钻井液沸点，同时降低井口产生高温蒸汽并弥散，对于井口施工十分有利；其次，采用钻井液冷却装置强制冷却、自然蒸发冷却等方式冷却地面钻井液，通过提高钻井液导热系数、比热、密度、增大排量等多项措施来降低入口温度。

2 干热岩地热开发技术研究方向

2.1 钻井完井技术

干热岩主要包括变质岩以及花岗岩等，而岩石均具有较高的抗压强度，同时还具备研磨性强、可钻性差的特点。而井眼围岩在高温、高压的状态下，非常容易出现热破裂、流动以及井壁坍塌等问题。干热岩钻井完井除了需要应用石油工程技术、材料以及相关设备之外，还需开展几方面的研究：井眼轨迹控制技术、干热岩破岩技术、高温岩体钻井围岩稳定性控制技术、高温测量仪器、地面钻井液冷却及防喷装备、干热岩热布井、井身结构、高温钻井液、水泥浆体系及套管热稳定性技术等[5]。

2.2 大型压裂技术

人工热储的形成和储层中的裂缝发育连通将会直接影响干热岩热能提取。而要想建造人工热储，就必须满足几个方面的需求：首先，产生大尺度的体积压裂，以保障提取热量以及热系统的寿命：其次，形成大裂隙，从而保障流体的提取温度：最后，复杂缝内较小的流动阻力，从而降低能耗与循环损失。因此，当前的研究方向主要为：温度和地应力场变化下垂直裂缝压裂设计方法，裂缝起裂与延伸控制技术，抗高温压裂液及裂缝分布监测以及干热岩生产后期温度变化特征与缝网变化预测技术等。