干热岩开发技术研究现状与展望分析

何淼，龚武镇，许明标，宋建建

（1.长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100；2.长江大学非常规油气湖北省同创新中心，湖北武汉430100）

0 引言

干热岩为一种可再生能源，其温度高于200℃，埋深大于3 km，内部流体含量较少[1]。地壳中埋藏深度为3～10 km的干热岩所蕴含的能量相当于传统化石能源的30倍。我国大陆陆域埋深为3～10 km的干热岩所蕴含的能量约为2.52×1025J，折算成标准煤为860万亿t，2%干热岩所蕴含的能量，相当于我国年能源消耗总量的5 200倍[2]。干热岩可用于发电、供暖、农业和医疗等方面。国际上，干热岩的勘查开发已有40多年的历史。目前，美国、法国、澳大利亚、德国和日本等国家均已实施了干热岩开发工程。我国干热岩开发起步较晚。2017年，我国出台了《地热能开发利用“十三五”规划》，明确提出在“十三五”时期开展干热岩示范项目建设，重点研究干热岩钻井工程和储层高效取热等关键技术，实现核心技术瓶颈的突破[3]。

目前，钻井是干热岩勘探开发的唯一手段。世界钻井承包商协会（IADC）将220℃以上地层温度钻井称为极高温钻井，而深层高温地热钻井的地层温度普遍高于220℃。因此，干热岩开发首先须要解决极高温钻井技术难题。极高温条件下，井筒工作液性能指标变差，一般的钻井工具与测量仪器的耐高温极限为175℃，常规的钻井完井液与工具难以满足作业要求。干热岩岩体主要为火成岩或变质岩，具有强度高、硬度大、可钻性差的特点，且钻井时会产生着地层裂隙和断层发育、井壁坍塌、卡钻和井漏等井下复杂事故。

为解决上述问题，本文重点研究了国内外干热岩开发项目、高温破岩技术、高温钻井液技术、高温水泥浆技术和干热岩热提取等关键技术，以期为我国干热岩的勘探开发工作提供借鉴。

1 国内外干热岩开发现状

干热岩开发又称为增强型地热系统（Enhanced Geothermal Systems，EGS），美国能源部对其定义为采用人工形成地热储层的方法，从低渗透性岩体中经济地采出深层热能的人工地热系统[4]。19世纪70年代，美国首次提出并展开干热岩开发，至今已有40多年探索与实践经验。随后，世界各国争相开展干热岩的研究工作，甚至列入国家开发计划之中。但真正开展干热岩开发相关实验的仅有美国、日本、德国、澳大利亚、英国和法国等发达国家。国外干热岩开发项目主要有以下几项。

①美国芬顿山（Fenton Hill）项目

世界上首个干热岩开发项目是美国于1973年开展的新墨西哥州芬顿山项目，干热岩的开发实现了从概念到实验的飞跃[5]。该项目的井底温度最高达到327℃，但井网连通性与裂缝形态没有达到预期效果。进行侧钻与水力压裂时，由于流体的热交换面积受限，导致过早出现温度回落，且在回灌试验中测得水损率超过35%。最终，该项目因经费、技术等问题被迫停止。

②日本肘折（Hijiori）项目

作为日本第一个干热岩开发示范工程，肘折项目中地热系统由浅部和深部热储组成，并有SKG-2，HDR-1，HDR-2，HDR-3四口井[6]。自2000年开始，该项目展开为期1 a的循环试验。其中，SKG-2和HDR-1为注入井，注入温度为36℃，HDR-2和HDR-3为生产井，产流温度分别为163℃和172℃。项目如能正常运行，可驱动一座130 kW的地热发电站，但由于水损问题严重，且在HDR-2井监测到热突破，因此，该项目最终被停止。

③法国苏尔茨（Soultz）项目

苏尔茨项目是由德国、法国、英国联合在法国苏尔茨开展的增强型地热系统。其中，目标储层的地温梯度约为正常水平的3倍。2008年6-8月进行了地热发电，2013年成功利用干热岩实现连续发电，是截止目前人工热储压裂效果较好的干热岩开发工程[7]。该项目经压裂后，渗流速度由0.18 L/（s·MPa）的低渗状态提升到4.49 L/（s·MPa）。

④澳大利亚库珀盆地（Cooper Basin）项目

世界上最大的增强型地热系统项目位于澳大利亚库珀盆地，井深为4 000 m，储层温度高达250℃[8]。该项目于2003年由地球动力学公司试验开发，2008年依靠水力压裂与裂隙热储取得良好的水力连通。然而，花岗岩体附近存在超水压力，虽然对水力压裂裂缝开启和改善热储渗透率有利，但钻井难度加大。同时，该项目水损率在20%左右，难以长时间维系出口取热温度，因此，一直未实现商业化开发。

我国干热岩地热资源开发起步较晚，目前仍处于探索实践阶段。2012年，国家立项“863”计划项目《干热岩热能开发与综合利用关键技术研究》，自此拉开了干热岩钻探工程的序幕。2014年，在青海省共和盆地完钻我国第一口干热岩井（DR3井），地温梯度平均为6.8℃/100 m，在2 735 m深处钻获168℃高温干热岩，该项目为我国首次探明的干热岩资源[9]。2017年9月，在青海共和盆地GR1井钻探中，于3 705 m井深处钻获236℃高温干热岩体，这是目前我国钻获温度最高的干热岩岩心，此次钻探实现了干热岩勘查的重大突破[10]。2019年，在海南福山部署并完钻了干热岩探井花东1R井，成功取出了三筒岩心[11]。然而，截至目前我国所钻干热岩井均属于勘探井，没有开发井。我国干热岩开发主要受限于高温钻完井等核心技术，该核心技术亟需进一步攻关与突破。

2 高温破岩技术

干热岩热能通常赋存于结晶花岗岩、变质岩或火成岩。干热岩体温度高、硬度大、研磨性强、抗压强度高达240 MPa，使得破岩效率低下。近年来，国内外针对干热岩高温破岩技术，开展了大量的研究工作。研究主要集中在高温破岩机理和破岩工具两方面，为干热岩安全高效钻井提供了有力支撑。

2.1 高温破岩机理

学者们对干热岩高温破岩机理的研究，为钻头优选、钻井液性能调整、钻井水力参数优化以及提高钻井效率等提供了理论依据。目前，主要采用理论分析、实验研究和数值模拟等方法，多方位研究干热岩高温破岩机理，从而实现干热岩的安全、经济、高效钻进。B Haimson通过研究发现，在高温钻进过程中，高温岩体遇到温度较低的入井流体后，井壁周围温度迅速降低，导致井周应力场发生变化，井眼围岩强度降低，易出现井壁热破裂[12]。R D Dwivedi通过观测不同温度下花岗岩的热力学参数变化，发现花岗岩的渗透率、杨氏模量、抗拉强度和热导率等参数随着温度的升高而降低，但泊松比相反[13]。赵阳升采用自主研制的“20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”，通过观测花岗岩钻孔变形随温度和应力的变化规律以及岩石破裂形式可知，高温高压下，花岗岩中钻孔变形失稳临界条件为4 000～5 000 m埋深的静水应力、400～500℃的温度[14]。郤保平通过对青海共和盆地花岗岩热损伤力学参数和高温状态下花岗岩自然冷却降温、裂隙生成进行研究，建立了高温作用下，花岗岩强度参数的经验公式和剪切破坏强度准则，通过研究发现，随着温度的升高，岩石脆性特征逐渐向延性特征转变[15]。目前，干热岩破岩机理大多集中在温度和应力作用下的室内评价研究，而井底破岩过程实际受温度场、流场、应力场和化学场的多场耦合作用，因此，须要加强钻进过程中热-流-固-化耦合方面的研究，提高破岩效率，同时还须兼顾热破裂引起的井壁稳定问题。

图1为花岗岩钻井内部热破裂现象实物图[14]。

图1 花岗岩钻井内部热破裂现象Fig.1 Thermal fracture phenomenon in granite Drilling

2.2 高效破岩工具

钻头是直接接触破碎岩石的工具。世界各大油服公司开展大量研究，不断推出新型高效钻头来实现“一趟钻”钻进以及提高钻井速度。针对超高温、高强度地层，斯伦贝谢研发了锥形齿PDC钻头-StingerBlade钻头。该钻头中心布置一个超厚圆锥形聚晶金刚石复合片，钻头刀翼部分布置大量锥形齿，使得钻头破岩效率高、热稳定性好[16]。史密斯公司研制出GHI热压镶嵌齿，将GHI镶焊在金刚石钻头胎体上，形成Kinetic孕镶金刚石钻头。该钻头胎体硬度高、耐磨性强、钻头与岩石接触面积较小，这增加了钻头工作刃的钻压，有利于解决干热岩地层硬度大等难题，提高机械钻速[17]。目前，国内自主研究的刀翼式孕镶金刚石钻头已应用在哈山101井，该钻头通过镶嵌孕镶切削块方法，增强了钻头破岩能力，通过优化钻头结构和流道，降低了井眼失稳、掉块卡钻风险[18]。

Kinetic孕镶金刚石钻头实物图如图2所示。

图2 Kinetic孕镶金刚石钻头Fig.2 Kinetic diamond-impregnated bit

刀翼式孕镶金刚石钻头实物图如图3所示。

图3 刀翼式孕镶金刚石钻头Fig.3 Knife blade diamond-impregnated bit

使用耐高温的井底动力钻具可以提高钻井机械钻速，有利于推动干热岩勘探开发。目前，我国干热岩钻具采用螺杆钻具复合，该方式显著提高了钻进效率，减缓了钻具磨损问题。但我国高温螺杆钻具耐温性不超过180℃，而干热岩储层温度大多超过200℃，因此，螺杆钻具的抗温能力须进一步提高。国外在干热岩开发中大多使用涡轮钻具复合。上世纪70年代，美国开始将涡轮钻具应用于芬顿山项目。与螺杆钻具相比，涡轮钻具没有橡胶构件，其耐温性更强，能够满足高温岩体钻进的需求。我国北京探矿工程研究所针对干热岩高温特性，研制了Φ127 mm耐高温高速涡轮钻具。该钻具耐高温能力高达300℃，并在福建省漳州市干热I井进行了首次取心钻进试验，试验效果显著[19]。

目前，通过对钻头切削齿材料和结构的改良，较大程度提高了钻头的研磨性和抗冲击性。下一步需要大力攻关钻头水力结构，并通过机械-水力联作的方式，提高干热岩破岩效率。针对动力钻具复合方面，我国干热岩钻探常用的螺杆钻具的抗温能力仍须提高。涡轮钻具现场应用较少，口径大、硬度高的耐高温涡轮钻具仍处于研究阶段。

3 高温钻井液技术

干热岩地层温度通常高于200℃，钻井液在高温环境下，组分会发生增稠、胶凝、固化和降解等变化，使得钻井液的流变性、滤失性和润滑性等发生较大变化，直接影响钻井液携岩、冷却润滑钻头、井筒压力控制等能力，提高了钻井作业难度和钻井液后期维护成本。

早期高温钻井液体系包括：①美国Magcobar公司的抗高温DURATHERM水基钻井液体系，主要材料为粘土、PAC、XP-20（改性褐煤）和Resiner（特殊树脂）；②德国KTB科学钻探基于一种DHT硅酸盐化合物，研发出高温下仍保持流变稳定性的Dehydrill HT无固相钻井液[20]。近年来，随着干热岩钻井技术的推进，高温钻井液技术的研究也在不断进步。S Sepehri通过调整交联剂、转移剂和共聚单体含量，使得合成聚合物钻井液在高温环境下的滤失量较少，流变性能更加稳定[21]。E Pakdaman将亲水Gilsonite纳米颗粒应用于水基钻井液，使得高温高压下的滤失量减少了79.4%、泥饼厚度减少了50%、润滑性能优良，可以有效解决井壁失稳、井漏和卡钻等难题[22]。T N Ofei通过向钻井液中加入BMIM-Cl离子液体，提升了钻井液在高温环境中的粘度和岩屑悬浮能力，提高了钻井液的耐高温性[23]。叶顺友通过加入抗高温磺化树脂类添加剂、抗高温防塌剂SD-101和SD-201，研制出抗高温钾盐聚合物钻井液，并成功应用于海南福山花东1R干热岩井[11]。秦耀军通过适时调整钠膨润土、HPS，GDP和GJA的含量，使青海共和盆地原钻井液能够耐240℃高温，解决了干热岩钻探GR1井施工过程中，原钻井液因温度过高而导致流动性变差、滤失量增大、造壁性变差、起泡严重和卡钻等性能恶化的问题[10]。

图4为钻井液转化前后的钻井液泥饼质量[10]。

图4 钻井液转化前后的钻井液泥饼质量Fig.4 Mud cake of drilling fluid before and after conversion

目前，高温钻井液的抗高温性能不超过240℃，而干热岩地层温度高达650℃。因此，针对高温钻井液技术，在高温处理剂研发、高温钻井液体系构建和高温室内评价仪器研制等方面均须加强，以满足干热岩勘探开发的需求。

4 高温水泥浆技术

固井是干热岩钻探中的关键环节，在高温环境下，水泥浆的配伍性、流变性恶化，以及窜槽问题突出。国内外学者针对高温水泥浆体系做了大量研究工作，并在现场应用中取得一定的效果。F Montes采用Bingham模型，通过调整水灰比和纤维素纳米晶体（CNC）用量，研究了含有CNC的水泥浆体系的流变性能[24]。A R Kenton研制了5种新型聚合物复合水泥材料，这些水泥材料在200℃条件下固化时，具有抗压强度高、渗透率小（低于平均水泥80倍）、热稳定性高等优点[25]。H S Gökçe提出耐高温的二钙硅酸盐水泥浆，通过掺加粉煤灰，可以显著提高水泥浆的耐高温性，且固化后具有极强的抗压强度和抗弯强度[26]。刘秀成通过研选抗高温水泥浆失水剂、缓凝剂，研发了一套抗高温水泥浆体系[27]。在高温高压情况下，抗高温水泥浆体系的稳定性和流变性较好、顶替效率高、滤失量低，固井质量得到保证，并成功应用在松辽盆地松科2井。于永金研制了抗高温降失水剂DRF-1S、抗高温缓凝剂DRH-2L以及其他配套抗高温水泥外加剂，并形成了超高温常规密度水泥浆体系。在井底循环温度为210℃、井底静止温度为230℃的高温情况下，该水泥浆体系仍具有良好的高温沉降稳定性，并应用在华北油田高温深井安探4X井尾管固井中[28]。刘会斌研制出BCR-320L高温缓凝剂，优选出BXF-200L高温降滤失剂，并通过加量硅粉对水泥石强度作用机理进行研究，制备的超高温水泥浆体系能够确保200℃循环温度下的固井质量优良，水泥浆稠化时间可调、且具有良好的流变性能，已成功应用于青海共和盆地干热岩GR1井[29]。

针对干热岩极高温特性，须提高水泥浆抗高温性，研发耐高温且能够有效调节水泥浆性能的外加剂，如抗高温降失水剂、抗高温缓凝剂和抗高温韧性材料。同时，为保证水泥环在高温条件下的封固性能和长期稳定性，须要强化固井水泥石强度衰退机理方面的研究，并有针对性地提出控制水泥石强度稳定性的方法。

5 干热岩热提取技术

目前，一般采用井网压裂的方式构建大型裂缝型地热储能系统来提取干热岩热，通过注水井将高压水注入干热岩层，注入水充分吸收地层热量后，经生产井将高温水和蒸汽采出，实现干热岩热量开发。近年来，国外在干热岩热提取方面进行了大量研究，建立了水力压裂裂缝形态物理模型，并开展了现场压裂试验。M Oda通过THM（Thermal Hydrologic Mechanical）耦合建立了干热岩裂缝延伸数学模型并进行数值模拟，模拟结果表明，裂缝尖端起裂和新裂缝的产生是由于拉应力或剪应力过大造成的[30]。I Tomac和A Riahi基于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，研究结果表明，裂缝在开裂时既出现平行开裂又出现垂直开裂[31]，[32]。L Frash利用可耐180℃高温的真三轴试验装置，对几何尺寸为30 cm×30 cm×30 cm的科罗拉多玫瑰红花岗岩进行了室内压裂试验，试验结果表明，破碎前岩石的塑形表现强烈[33]。

在干热岩热提取方面，我国主要开展了室内实验与数值模拟研究，还未有现场开发实例。周舟基于改造的高温、高压大尺寸真三轴仪器，开展了高温、高压环境下的干热岩水力压裂物理模拟实验，揭示了干热岩储层水力裂缝的起裂和扩展规律，并发现水力裂缝会受到岩石中弱面的影响，此外还会发生转向沿弱面和主应力方向延伸[34]。李庭樑基于几何尺寸为400 mm×400 mm×400 mm的花岗岩，开展了水力压裂实验，研究出裂缝的扩展规律以及注入井与生产井之间的水力连通特性，同时发现可利用声収射事件的密集程度估测渗透率的相对大小[35]。郭亮亮结合干热岩室内试验和TOUGHREACT-FLAC3D商业软件，搭建了水力裂缝起裂、扩展和岩石热损伤模型，通过研究发现，采用低温水的剪切刺激更有利于裂缝张开，增强储层改造效果[36]。

当前阶段，干热岩热提取的主流方式仍为利用水力压裂建立地下热储EGS，虽在已有开发项目中取得一定成功，但该系统的缺点较为突出，主要表现：①井下水损现象严重，注入热储层的水流大多通过裂隙流失，干热岩的高效开发应满足水损率低于10%，而多个开发项目中水损严重超标；②地热能量衰减过快，由于水流短路导致生产井出口水温降低速率较快，具有商业开发价值的高温流体难以维持；③存在诱发地震的风险，如瑞士巴塞尔3.4级和韩国浦项5.4级地震均由高压注水水力压裂激活了深部潜在断层导致的[37]。

为解决已有干热岩热提取技术存在的问题，一方面须加强水力压裂和人工造储方面的研究，如裂缝延伸预测及控制技术、微地震裂缝实时监测、复杂裂缝导流能力作用机制、水力压裂引发断层滑移机理等；另一方面须突破传统水力压裂模式，探索新型干热岩热提取技术，实现干热岩地热资源的高效开发。

6 干热岩开发展望

国内外通过对干热岩的不断探索与研究，已取得了一系列的经验、理论和技术成果。我国干热岩开发起步较晚，基础理论薄弱，目前仍处于探索阶段。因此，须要加强对干热岩开发关键技术的研究，并在现有技术的基础上做出创新性突破，为我国干热岩的高效开发提供技术支撑。对于干热岩开发关键技术的展望主要包括以下几个方面。

①针对干热岩温度高、硬度大、可钻性差的特点，须要重点开展高温破岩基础理论的研究，包括热-流-固-化耦合作用下的干热岩破岩机理，多场耦合作用下的井壁围岩稳定性机制。同时，须大力研发高温破岩工具，包括抗高温、高性能的PDC钻头、抗高温螺杆钻具和抗高温涡轮钻具等井下提速工具。

②钻井完井液是干热岩钻探的关键技术。因此，须要大力开展高温钻井液和水泥浆技术的研究，包括高温钻井液流型调节剂、高温稳定剂、高温封堵剂等关键处理剂的研发；高温降失水剂、高温缓凝剂和高温韧性材料等水泥浆外加剂的研发；固井水泥石强度衰退机理及稳定性控制方法的研究；抗高温钻完井液体系构建；高温室内评价仪器研制等。

③目前EGS为干热岩开发的主流模式，EGS采用水力压裂的方式构建了井底地热储层，实现了干热岩地热资源的开发。干热岩压裂开发的核心技术包括裂缝延伸预测及控制技术、微地震裂缝实时监测、复杂裂缝导流能力、水力压裂引发断层滑移机理、压裂井网连通性表征、长期开发温度变化与缝网变化预测。

④为解决EGS存在水损严重、能量衰减快和易诱发地震等固有难题，须要突破传统水力压裂模式，探索新型干热岩热提取技术，如U型井开发模式。U型井开发模式采用水平注入井与直生产井连通的方式沟通干热岩储层，实现注入流体与干热岩体的热交换。开展U型井热提取先导性研究包括U型井井筒高温流体传热传质规律、U型井井筒多场耦合作用机理以及U型井开发地热能衰减与恢复规律。

EGS开发模式如图5所示。

图5 EGS开发模式Fig.5 EGS development mode

U型井开发模式如图6所示。

图6 U型井开发模式Fig.6 U-type well development mode

7 结束语

干热岩资源作为一种储量丰富、分布广泛的可再生能源，充分利用和开发该资源不仅可以缓解国家的能源危机，还可以降低温室气体排放，优化能源结构。我国干热岩开发尚处于起步阶段，与发达国家相比，在技术层面仍有较大差距。因此，我国迫切须要对干热岩开发的高温破岩技术、高温钻井液技术、高温水泥浆技术和干热岩热提取等关键技术作为进一步重点研究方向，加大研究力度。国家须要支持并制定长远的发展规划，加强人才培养，推进多学科交叉和干热岩开发前沿理论与技术的跨界融合，同时，加强与国外技术机构的交流合作，最终实现我国干热岩开发质的飞跃。