曹繼飛，蓋 瑜

(1.勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營257000；2.勝利油田勘探開發(fā)研究院，山東東營257000)

干熱巖是指一種沒有水或蒸汽（或是含少量水而不能流動）、埋藏于距地表3~10km的地層深處、溫度150℃~650℃的熱巖體。干熱巖是一種特殊的地?zé)豳Y源，具有分布廣泛、清潔環(huán)保、熱能儲量巨大的特點。我國3~10km深度干熱巖地?zé)豳Y源總量相當(dāng)于860×1012t標(biāo)準(zhǔn)煤，國家要求積極開展干熱巖發(fā)電試驗，建立2~3個干熱巖勘查開發(fā)示范基地，形成相關(guān)技術(shù)序列、孵化相關(guān)企業(yè)、積累建設(shè)經(jīng)驗、條件成熟推廣應(yīng)用。

干熱巖資源開發(fā)最早于1973年在美國芬頓山展開，美、法、德、日、澳等國家已建立了25個試驗性質(zhì)的增強型地?zé)嵯到y(tǒng)工程（歐洲15項、美國6項、澳大利亞2項、日本2項），但仍未實現(xiàn)規(guī)?；?、商業(yè)化運行[1-3]。干熱巖地層主要巖性為各種變質(zhì)巖和結(jié)晶巖，與常規(guī)油氣盆地的地層相比，巖石硬度大、抗壓強度高、一般在200MPa以上，地層溫度一般在150℃以上；干熱巖開發(fā)過程中高溫、堅硬地層給工程技術(shù)的應(yīng)用提出較高的要求。近年來油氣資源開發(fā)工程技術(shù)的逐漸向超深、高溫地層發(fā)展，相關(guān)工程技術(shù)已相對成熟，因此研究探討高溫油氣工程技術(shù)在干熱巖領(lǐng)域的適用性，對于推動干熱巖資源的開發(fā)具有重要意義。

1 我國干熱巖資源分布現(xiàn)狀

根據(jù)地殼結(jié)構(gòu)和成因機(jī)制，我國干熱巖資源主要分為高放射產(chǎn)熱型、沉積盆地型、近代火山型及強烈構(gòu)造帶型四種。

（1）高放射產(chǎn)熱型干熱巖。我國東南沿海地區(qū)分布著諸多中生代的酸性花崗巖，這類地層具有高放射性產(chǎn)熱的特點，如果蓋層條件良好，則可能發(fā)育干熱巖儲熱構(gòu)造。當(dāng)前以廣東、江西、海南及福建等地區(qū)的資源分布較多，這類資源的形成和分布與法國的蘇爾士盆地、大洋洲的庫珀盆地類似，具有較好的開發(fā)價值。

（2）沉積型干熱巖資源。沉積型干熱巖的形成與油氣資源較為類似，其主要的儲熱層分布在下部地層，且上部有較好的基巖蓋層，能夠有效阻止熱量的散失。這類干熱巖資源的地表熱值不高，但下部基巖體覆蓋的熱儲層溫度可以達(dá)到150℃以上，且通常與水熱型的資源共存，目前主要分布在我國的陜西、東北、青海部分地區(qū)。

（3）近代火山型干熱巖。近代火山型干熱巖主要與火山活動有關(guān)，在形成過程中底部有巖漿的作用，從而形成了良好的儲熱構(gòu)造。目前世界上多個干熱巖試驗開發(fā)區(qū)都屬于這類資源。我國的云南、東北長白山等地廣泛分布著近代火山型干熱巖，其在地表具有顯著的水熱現(xiàn)象。

（4）強烈構(gòu)造帶型干熱巖。我國青藏高原由于受到亞歐板塊和印度洋板塊的共同作用，其擠壓、抬升現(xiàn)象明顯，形成了諸多的強烈構(gòu)造斷裂帶。斷裂帶形成過程中受地質(zhì)運動、底部巖漿作用的影響，發(fā)育良好的熱儲層，部分甚至埋藏在較淺的地層，如已投入開發(fā)的羊八井構(gòu)造。

2 干熱巖資源開發(fā)工程技術(shù)需求

干熱巖資源的開發(fā)目前有兩井模式、三井模式、五井模式等，其主要原理是基于增強型地?zé)嵯到y(tǒng)概念；在區(qū)塊熱資源開發(fā)方案的制定過程中，部署注入井和開采井，通過對注入井熱儲地層的改造形成較為良好的水流動通道，然后封閉井筒注入低溫水，低溫水經(jīng)過熱儲層的熱量交換后從開采井中抽出進(jìn)行發(fā)電和綜合利用等。從干熱巖開發(fā)的原理來看，其關(guān)鍵是建立井筒通道和熱儲構(gòu)造，對工程技術(shù)的需求主要包括鉆井、完井、測錄井及壓裂技術(shù)等[4-7]。

2017年，我國青海共和盆地實施的GR1干熱巖勘探孔，在地下3705m處探獲溫度達(dá)236℃的干熱巖，是我國首次發(fā)現(xiàn)200℃以上大規(guī)?？衫酶蔁釒r資源。但從前期鉆探情況來看存在著諸多技術(shù)難題，如機(jī)械鉆速小于2m/h，鉆頭損耗大、抗高溫鉆井液、水泥漿用量大、成本高；熱應(yīng)力—天然裂縫—注入水耦合下裂縫的擴(kuò)展機(jī)制不明確，裂縫連通效果差，難以預(yù)測裂縫空間展布，因此開展高溫油氣工程技術(shù)在干熱巖領(lǐng)域的使用性分析尤為迫切。

3 高溫油氣工程技術(shù)在干熱巖領(lǐng)域的適用性

由于鉆探目的不同，干熱巖井與油氣井在鉆探設(shè)備的選擇、井身結(jié)構(gòu)、完井方式等方面存在著較大的差異。針對干熱巖開發(fā)工程技術(shù)需求及技術(shù)難點，對已有成熟的高溫油氣工程技術(shù)進(jìn)行適用性評價，以推動干熱巖資源的開發(fā)[8-10]。

3.1 復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)適用性評價

復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)在石油天然氣行業(yè)的發(fā)展較為迅速，從最初的定向井、水平井發(fā)展到大型叢式井組、大位移井、長水平段水平井；隨著配套工具、儀器尤其是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)越來越成熟。與干熱巖鉆井相比，石油行業(yè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)的要求更為嚴(yán)格，其對軌跡、靶點等井筒質(zhì)量要求較高。干熱巖開發(fā)鉆井對復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)的需求主要表現(xiàn)為常規(guī)定向井、連通井等，其井眼軌道的設(shè)計、軌跡控制方法與石油鉆井一致，如何實現(xiàn)低成本復(fù)雜結(jié)構(gòu)井技術(shù)的應(yīng)用較為關(guān)鍵。

3.2 隨鉆測控技術(shù)適用性評價

當(dāng)前高溫油氣隨鉆測控技術(shù)已經(jīng)能夠滿足175℃以下地層的鉆進(jìn)，國外如斯倫貝謝、哈里伯頓等多家油服公司研發(fā)的200℃高溫儀器還未在現(xiàn)場推廣應(yīng)用。由于干熱巖開發(fā)過程中需要使用定向井、連通井等多種井型，尤其是連通井在鉆進(jìn)后期連通、對接過程中需要長時間保證儀器處于可靠狀態(tài)，特高溫條件下現(xiàn)有儀器的密封件和電子元件損壞的幾率較高。

從經(jīng)濟(jì)性方面來看，目前油氣高溫隨鉆測控儀器的使用價格特別高，在干熱巖開發(fā)中使用的經(jīng)濟(jì)性還有待驗證，現(xiàn)場實施過程中可使用MWD儀器完成上部井段的調(diào)控，在高溫井段使用電子多點投測的方式滿足軌跡測控的要求。

3.3 鉆井液技術(shù)適用性評價

抗高溫鉆井液方面，國外普遍采用耐高溫水基、泡沫鉆井液鉆進(jìn)，應(yīng)用最高溫度371℃。國內(nèi)西南石油工程公司、成都理工大學(xué)研制了一種抗溫260℃的水基鉆井液，通過高溫護(hù)膠劑、配合高溫降濾失劑和封堵劑等提高抗溫性能。中石油長城鉆探公司根據(jù)肯尼亞高溫地?zé)峋貙犹攸c，研發(fā)了抗高溫泡沫鉆井液（耐溫300℃）；中石化泡沫鉆井技術(shù)在鄂爾多斯大牛地、川東北、新疆探區(qū)等多個地區(qū)應(yīng)用，其中HF203井的泡沫鉆進(jìn)井段最長、元壩22井創(chuàng)國內(nèi)氣體泡沫鉆井日進(jìn)尺及日均鉆速最高紀(jì)錄。總體來看目前干熱巖鉆井過程中鉆井液體系的選擇和使用可以參考油氣行業(yè)，但由于其低成本要求在處理劑選用上應(yīng)和油氣行業(yè)進(jìn)行區(qū)別。

3.4 固完井技術(shù)適用性評價

干熱巖的熱儲層為變質(zhì)巖，常用裸眼完井的方式，但是技術(shù)套管的固井質(zhì)量直接關(guān)系到后期生產(chǎn)井的使用壽命。目前油氣行業(yè)高溫固完井方面，哈里伯頓公司研發(fā)的高溫緩凝劑與硼酸復(fù)配，適用溫度達(dá)到316℃；斯倫貝謝公司研發(fā)的緩凝劑適用溫度達(dá)到232℃，高溫降失水劑適用溫度達(dá)到260℃。國內(nèi)方面，中石油研發(fā)的抗高溫外加劑及水泥漿體系耐溫200℃；中石化研發(fā)的抗高溫水泥漿體系耐溫220℃，在南方海相、新疆探區(qū)成功應(yīng)用。總的來看，抗高溫水泥漿是實現(xiàn)干熱巖井筒完整的重要保證，現(xiàn)用工作液體系中部分重要的處理劑還需進(jìn)口，要實現(xiàn)干熱巖的低成本高效開發(fā)，必須要進(jìn)行水泥漿體系的優(yōu)化改進(jìn)。

3.5 油氣破巖工具適用性評價

干熱巖開發(fā)過程中極為堅硬、高溫地層對破巖工具的要求較高，常規(guī)鉆頭及工具的使用壽命和使用效果都會受到限制。目前國內(nèi)外鉆頭研發(fā)公司研制了多款超硬地層鉆頭，如貝克休斯公司開發(fā)的先鋒高溫牙輪鉆頭、史密斯公司開發(fā)的Kaldera牙輪鉆頭在國外高溫地?zé)峋械玫綉?yīng)用；ReedHycalog公司的超硬熱穩(wěn)定PDC鉆頭可鉆穿抗壓強度280MPa的硬地層，但在高溫環(huán)境下的性能還有待應(yīng)用論證。國內(nèi)方面，已具備了完善的牙輪鉆頭、PDC鉆頭及孕鑲鉆頭研發(fā)及生產(chǎn)體系，但高溫地?zé)岈F(xiàn)場應(yīng)用仍以牙輪鉆頭為主，孕鑲鉆頭因其價格較高難以推廣應(yīng)用?？傮w來看，在干熱巖超硬高溫地層鉆進(jìn)過程中可以選用當(dāng)前高溫油氣破巖先進(jìn)鉆頭。

高效破巖輔助工具方面，近年來改進(jìn)應(yīng)用的旋沖工具、扭沖工具等因其無橡膠部件、純機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此可以用于高溫環(huán)境，通過優(yōu)選、優(yōu)配鉆頭，可大幅度提高鉆速和進(jìn)尺。

3.6 石油測錄井技術(shù)適用性評價

干熱巖領(lǐng)域測錄井和油氣領(lǐng)域測錄井過程相似，但由于井身結(jié)構(gòu)、完井方式、井場環(huán)境等方面存在著一些差異，測錄井設(shè)備趨向體積小、重量輕、配置靈活，將電腦、采集系統(tǒng)、絞車控制器三合一體，使之更集成化，人性化。油氣測井中典型的高溫五參數(shù)吸汽剖面測試技術(shù)是根據(jù)稠油注汽井監(jiān)測特點開發(fā)的一項高溫測試技術(shù)，主要用于測量稠油注汽井管柱及油層任意點的蒸汽溫度、壓力、流量等參數(shù)，該技術(shù)可以用于干熱巖開發(fā)測試。

3.7 石油增產(chǎn)技術(shù)適用性評價

干熱巖開發(fā)主要選擇有天然裂縫，相對容易形成體積裂縫的地層。水力壓裂已經(jīng)是干熱巖資源開發(fā)的一項重要技術(shù)措施。壓裂液起著攜帶支撐劑、傳遞地面壓力以及產(chǎn)生新生裂縫的作用；當(dāng)前油氣行業(yè)對壓裂液抗溫能力的要求日益提高，已開發(fā)出240℃壓裂液體系。從工藝技術(shù)上來看干熱巖開發(fā)目前主要采用清水壓裂，根據(jù)不同地質(zhì)情況和鉆完井情況可選擇酸化解堵來降低地面施工壓力、鹽加重提高壓裂液靜水柱壓力等輔助工藝措施。

總的來看，高溫油氣工程技術(shù)在干熱巖開發(fā)中具有較強適用性，但應(yīng)用成本相對較高，有待進(jìn)一步優(yōu)化以滿足干熱巖低成本開發(fā)的要求。先進(jìn)鉆井技術(shù)如高溫碎裂鉆井技術(shù)、激光鉆井技術(shù)、等離子鉆井技術(shù)和化學(xué)腐蝕鉆井技術(shù)等還處于研發(fā)階段，沒有進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用；其中任何一種技術(shù)開發(fā)成功，都能夠引起干熱巖鉆井實踐的重大變化，大幅度降低鉆井成本。

4 結(jié)論

（1）高溫油氣工程技術(shù)已發(fā)展的相對較為成熟，干熱巖資源開發(fā)工程技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用可以借鑒油氣工程技術(shù)，但應(yīng)根據(jù)其開發(fā)要求進(jìn)行相關(guān)技術(shù)優(yōu)化。

（2）干熱巖儲層開發(fā)是通過鉆井和水力壓裂建立人工熱儲構(gòu)造，其中鉆井和水力壓裂是開發(fā)成功的關(guān)鍵；由于其特有的地質(zhì)工程特征，應(yīng)開展針對性的研究攻關(guān)。

（3）我國干熱巖資源的開發(fā)相對較晚，但隨著青海共和盆地干熱巖資源的發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)掀起了干熱巖開發(fā)的熱潮，需進(jìn)一步加大干熱巖開發(fā)工程技術(shù)的投入和支持力度，以促進(jìn)干熱巖資料的高效經(jīng)濟(jì)開發(fā)。