李根生，武曉光，宋先知，周仕明，李銘輝，朱海燕，孔彥龍，黃中偉*

1 中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實驗室，北京 102249

2 中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101

3 深圳大學(xué)深地科學(xué)與地?zé)崮荛_發(fā)利用廣東省重點(diǎn)實驗室，深圳 518060

4 成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實驗室，成都 610059

5 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029

0 引言

在全球向多元化“新能源時代”轉(zhuǎn)型的大趨勢下，中國作為能源消費(fèi)大國和負(fù)責(zé)任大國，肩負(fù)著促進(jìn)地區(qū)能源轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的重任。作為巴黎氣候協(xié)定的締約方，中國積極應(yīng)對氣候變化，提出了2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的遠(yuǎn)景目標(biāo)[1]。國家“十四五”規(guī)劃明確提出“推動能源清潔低碳安全高效利用”，并在中央財經(jīng)委員會第九次會議上把“雙碳”目標(biāo)納入了我國生態(tài)文明建設(shè)整體布局，大力開發(fā)清潔可再生能源，契合我國能源重大戰(zhàn)略需求[2]。

地?zé)崮茏鳛橐环N重要的清潔可再生能源，具有低碳環(huán)保、穩(wěn)定高效等特點(diǎn)[3]，與風(fēng)能、太陽能等能源相比，不受季節(jié)、氣候、晝夜等外界因素干擾，發(fā)電利用效率(Capacity factor)達(dá)73%，約為太陽能的5.2倍、風(fēng)能的3.5倍[4]，是一種現(xiàn)實并具有競爭力的新能源?！鞍l(fā)展安全、清潔、高效的地?zé)崮艿痊F(xiàn)代能源技術(shù)”已被列入《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》。中共中央、國務(wù)院《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》，更是明確提出要“大力發(fā)展風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、海洋能、地?zé)崮艿取?。地?zé)崮苤饕疅嵝?含水)和干熱巖型(不含水)兩類，目前我國地?zé)崮荛_發(fā)仍以水熱型為主，中低溫地?zé)嶂苯永镁邮澜缡孜?，而高溫干熱巖地?zé)衢_發(fā)尚處于起步階段[5]。

干熱巖是指埋深位于3～10 km、溫度高于180 ℃、含有少量或不含水的低滲巖體[6-7]。我國干熱巖地?zé)崮軆α控S富，資源量為2.52×1025J，合856萬億 t標(biāo)煤[8]，約占世界資源總量的1/6。其中，3～5 km深干熱巖資源約為150萬億t標(biāo)煤[9]，為我國化石能源總量的80倍。按2‰資源開采量計算，3～5 km干熱巖地?zé)崮芗纯韶暙I(xiàn)“碳中和”減排目標(biāo)的17.7%，開發(fā)潛力巨大。實現(xiàn)干熱巖地?zé)崮艿母咝ч_發(fā)利用，對于改善我國能源結(jié)構(gòu)、減少溫室氣體排放和控制環(huán)境污染具有重大意義。本文從干熱巖地?zé)豳Y源分布和成因類型出發(fā)，闡述了我國干熱巖地?zé)豳Y源稟賦和開采潛力，介紹了干熱巖地?zé)岬闹饕_采方式和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并系統(tǒng)剖析了干熱巖開采中所面臨的鉆井建井、壓裂造儲及取熱優(yōu)化3大難題挑戰(zhàn)，從基礎(chǔ)科學(xué)研究層面提出了攻關(guān)思路和研究建議。

1 資源分布與成因類型

地?zé)豳Y源的分布與板塊構(gòu)造有著密切聯(lián)系，板塊構(gòu)造運(yùn)動對全球地?zé)釒У男纬珊头植家?guī)律有明顯的控制作用。全球高溫地?zé)豳Y源主要沿板塊生長/開裂的大洋擴(kuò)張脊和板塊碰撞/衰亡的消減帶等大地構(gòu)造板塊邊緣狹窄地帶展布，延伸可達(dá)數(shù)千千米，形成了著名的環(huán)球地?zé)釒10]。目前普遍將全球劃分為4個地?zé)釒7,11-12]：環(huán)太平洋地?zé)釒А⒓t?！獊喍场獤|非離散板內(nèi)地?zé)釒А⒌刂泻！柴R拉雅地?zé)釒?又稱特提斯匯聚板緣地?zé)釒?與大西洋中脊地?zé)釒?。全球已查明的地?zé)豳Y源絕大多數(shù)分布在環(huán)太平洋地?zé)釒c地中海—喜馬拉雅地?zé)釒?，集中在北美洲西海岸、中美洲、中國東南沿海和青藏高原地區(qū)以及德國、法國等歐洲國家。在紅?！獊喍场獤|非離散板內(nèi)地?zé)釒?nèi)，地?zé)豳Y源以中—高溫水熱型為主要存在形式，且主要分布在非洲東部。大西洋中脊地?zé)釒У牡責(zé)豳Y源主要位于冰島，以水熱型為主，存在少量干熱巖地?zé)豳Y源。此外，在4大地?zé)釒б酝?澳大利亞、新西蘭)也存在部分水熱型和干熱巖型地?zé)豳Y源，主要熱源為殼源放射性元素放熱。

地?zé)豳Y源作為一種埋藏于地下的礦產(chǎn)資源, 與構(gòu)造條件、地層、巖性、地下水等條件息息相關(guān)，不同的熱源組成及成因模式使全球地?zé)豳Y源形成了獨(dú)特的成因規(guī)律和分布特征[13]。對全球已開發(fā)利用的干熱巖場地進(jìn)行分類評價，如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)：位于板塊邊緣的干熱巖場地多達(dá)32個，并且以地幔余熱(14個)、幔源巖漿(11個)和構(gòu)造熱事件(5個)為主要熱源[14]。幔源巖漿型地?zé)嵯到y(tǒng)主要分布在環(huán)太平洋地?zé)釒?，地幔余熱型地?zé)嵯到y(tǒng)主要分布在歐洲地區(qū)，構(gòu)造熱事件型地?zé)嵯到y(tǒng)的分布則比較分散。板塊內(nèi)部的干熱巖場地相對很少，僅在中國的共和盆地(1個部分熔融型)以及澳大利亞(2個放射性產(chǎn)熱型)存在。

圖1 全球主要地?zé)豳Y源分布[14]Fig.1 Global distribution of major geothermal resources[14]

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造背景，中國的干熱巖資源通常劃分為高放射性產(chǎn)熱型、沉積盆地型、近代火山型和強(qiáng)烈構(gòu)造活動帶型等4種典型成因類型[7,15-18]。高放射性產(chǎn)熱型干熱巖資源主要分布于華南地區(qū)，以放射性元素的衰變熱為主要熱源，巖性主要為花崗巖；沉積盆地型干熱巖資源主要分布于東部的華北、松遼等中/新生代沉積盆地，盆地內(nèi)基巖面起伏相間的構(gòu)造格局，對區(qū)域地溫場和地表熱流的分布起著控制作用，典型區(qū)塊如唐山馬頭營凸起區(qū)[16-17]；近代火山型干熱巖資源主要分布于騰沖、雷瓊、長白山以及五大連池等近代火山群分布區(qū)，瓊北花東1R井在深度4387 m處鉆獲超過185 ℃的優(yōu)質(zhì)高溫巖體，屬于典型的近代火山型干熱巖[17]；西南藏滇地區(qū)以及臺灣地區(qū)是我國強(qiáng)烈構(gòu)造活動帶型干熱巖的主要賦存區(qū)域，由于我國地處環(huán)太平洋板塊地?zé)釒У奈魈窖髰u弧型板緣地?zé)釒б约暗刂泻！柴R拉雅陸陸碰撞型板緣地?zé)釒У慕粎R部位，構(gòu)造活動劇烈，干熱巖資源具有與水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)同源共生的特征，如羊八井地?zé)崽锏腪K4002井，即為典型的高溫水熱系統(tǒng)翼部伴生的干熱型地?zé)嵯到y(tǒng)[19]。

2 干熱巖增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(Enhanced Geothermal Systems，簡稱EGS)是目前開發(fā)干熱巖的主要手段[20-21]，原理如圖2所示，即通過水力壓裂等方法在高溫地層中人工造儲，形成裂縫網(wǎng)絡(luò)溝通注入井和生產(chǎn)井，之后循環(huán)工質(zhì)取熱，進(jìn)行發(fā)電和綜合利用。干熱巖EGS已成為國際能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，美、英、日、法、德等相繼實施了大規(guī)模EGS地?zé)犴椖縖22-24]。我國干熱巖地?zé)豳Y源分布廣泛，近年來在藏南、滇西、川西、東南沿海等地區(qū)相繼取得了重大勘探突破[25]，并開始著手建立我國首個干熱巖EGS示范工程。

從1974年全球首個干熱巖EGS示范工程至今，世界范圍內(nèi)已經(jīng)陸續(xù)開展了60余項EGS開發(fā)示范項目(圖3)[26]，包括美國的Fenton Hill、英國的Rosemanowes、日本的Hijiori、澳大利亞的Cooper Basin、法國的Soultz和德國的Landu等[22,27-28]，并相繼實現(xiàn)了兆瓦級試驗。其中仍在運(yùn)行和在建的EGS項目29個[26]，法國Soultz是目前公認(rèn)的商業(yè)化運(yùn)行最為成功的EGS工程[29-30]。近幾年，美國能源部可再生能源辦公室資助了多個EGS示范項目，主要包括Desert-Peak項目(內(nèi)華達(dá)州)、Geysers項目(加利福尼亞州)和Raft River項目(愛達(dá)荷州)。2015年，美國能源部正式啟動了全球最大的干熱巖示范項目“地?zé)崮苎芯壳把夭t望臺”(FORGE)計劃，參加團(tuán)隊包括愛達(dá)荷國家實驗室、西北太平洋國家實驗室、桑迪亞國家實驗室和猶他大學(xué)，致力于EGS現(xiàn)場應(yīng)用、鉆完井技術(shù)測試等前沿研究[31-32]。干熱巖資源的優(yōu)越性和EGS開發(fā)的可行性得到了國際認(rèn)可。

我國干熱巖地?zé)嵫芯科鸩捷^晚。2012年初，在中科院組織起草的《科技發(fā)展新態(tài)勢與面向2020年的戰(zhàn)略選擇》報告中，“深層地?zé)崮軐⒊蔀橹饕稍偕茉粗弧北涣腥肫渲?，成為“十二五”和“十三五”期間著重突破的重大科技問題之一[25]。同年，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)啟動了“干熱巖熱能開發(fā)與綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究”項目[21]。2013年，制定了《全國干熱巖勘查與開發(fā)示范實施方案》，在青藏高原、東南沿海、華北平原和松遼盆地開展了干熱巖資源調(diào)查，初步擬定了我國干熱巖地?zé)峥辈扉_發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)體系。2016年開始實施“全國地?zé)豳Y源調(diào)查評價與勘查示范工程”，先后在青海共和、海南瓊北、福建漳州等地區(qū)鉆遇優(yōu)質(zhì)干熱巖體，干熱巖資源潛力得到驗證[17]。然而，根據(jù)國際地?zé)釁f(xié)會(IGA)數(shù)據(jù)，截至2021年，全球累計地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量為15.85 GW，而中國地?zé)岚l(fā)電能力約為45.46 MW，占比僅為0.29%，亟需形成干熱巖高效鉆采與調(diào)控技術(shù)，推動我國深層高溫地?zé)衢_發(fā)利用進(jìn)程。為此，2021年國家自然科學(xué)基金委啟動了地?zé)犷I(lǐng)域首個重大項目“干熱巖地?zé)豳Y源開采機(jī)理與方法”，項目由中國石油大學(xué)(北京)牽頭，旨在借鑒油氣行業(yè)成熟的鉆采理論和技術(shù)，超前部署，開展多學(xué)科交叉和綜合性研究，提升我國干熱巖地?zé)峄A(chǔ)研究的源頭創(chuàng)新能力。

3 重大挑戰(zhàn)與技術(shù)現(xiàn)狀

快速鉆達(dá)地?zé)醿?建井)、形成穩(wěn)定的熱儲通道(造儲)以及循環(huán)工質(zhì)高效取熱(開采)是干熱巖EGS的3大技術(shù)關(guān)鍵。然而，相比于油氣和中低溫地?zé)醿樱蔁釒r儲層地質(zhì)條件復(fù)雜，具有典型的“四高”特征：(1)高溫度：干熱巖溫度高于180 ℃，美國大部分干熱巖儲層溫度基本都在200 ℃以上(圖4)，美國Geysers以及冰島的EGS示范項目部分儲層甚至高達(dá)400 ℃[33]；(2)高硬度：干熱巖資源主要賦存于高溫堅硬的花崗巖和變質(zhì)巖中，埋深大部分超過3000 m，部分地層巖石單軸抗壓強(qiáng)度在200 MPa以上[34]，可鉆性達(dá)10級，研磨性極強(qiáng)；(3)高應(yīng)力：因構(gòu)造運(yùn)動活躍，最大水平主應(yīng)力當(dāng)量鉆井液密度超過2.8 g/cm3，是常規(guī)泥頁巖的2倍以上；(4)高致密：地層巖石密度大(2.8～3.1 g/cm3)、孔隙度和滲透率極低(＜10-3mD)。上述復(fù)雜地質(zhì)條件，使得干熱巖地?zé)衢_采在鉆井建井、壓裂造儲和流動取熱等關(guān)鍵環(huán)節(jié)面臨重大難題和技術(shù)挑戰(zhàn)。

圖4 世界典型EGS工程井深與熱儲溫度[22]Fig.4 Well depth and reservoir temperature of typical EGS projects in the world[22]

3.1 鉆井建井

鉆達(dá)地?zé)醿印⑿纬煞€(wěn)定井眼是實現(xiàn)深部地?zé)豳Y源開采的先決條件。鉆井是干熱巖資源開發(fā)的主體技術(shù)(約占總投資的 35%～60%)，在超高溫、異常堅硬的儲層中建成可靠的循環(huán)注采井筒通道，是地?zé)豳Y源勘探、提高產(chǎn)量、降低成本最主要的工程環(huán)節(jié)。然而，由于深部地?zé)醿訋r體高溫、高強(qiáng)度、耐研磨等特點(diǎn)，干熱巖鉆完井面臨以下幾方面的技術(shù)挑戰(zhàn)：

(1)干熱巖硬度高、耐研磨，地層可鉆性極差，導(dǎo)致鉆頭磨損嚴(yán)重。青海共和盆地進(jìn)尺2497 m消耗鉆頭50余只[35-36]，單只鉆頭平均進(jìn)尺不足40 m，美國Geysers地?zé)崽锘◢弾r地層單只鉆頭甚至不足30 m。

(2)機(jī)械鉆速低，建井周期長、成本高，嚴(yán)重制約了干熱巖的商業(yè)化開發(fā)。美國芬頓山EE-2井(4660 m)建井周期410天[37]，冰島IDDP-1井(2096 m)鉆井周期402天[38]，我國青海共和GH01井中鉆進(jìn)花崗巖井段平均鉆速僅1.43 m/h，建井周期長達(dá)430天[35-36]。

(3)鉆井液體系在高溫下流變性和穩(wěn)定性發(fā)生劣化，高溫井眼清潔效果差，護(hù)壁和攜巖能力降低，加之地層裂縫和斷層發(fā)育，導(dǎo)致鉆井液漏失嚴(yán)重，容易誘發(fā)井下安全事故[39-40]。

(4)高溫引起水泥漿固結(jié)緩慢和水泥石強(qiáng)度衰退，造成套管擠壓變形和密封失效，影響成井安全，如肯尼亞OW-36A井和法國Soultz干熱巖項目，均出現(xiàn)了水泥環(huán)高溫失效導(dǎo)致的套損問題[41-43]。此外，傳統(tǒng)水泥漿體系未考慮隔熱作用，導(dǎo)致EGS注采過程中井筒沿程熱損失嚴(yán)重，影響地?zé)崮馨l(fā)電和綜合利用效率[44]。

3.1.1 高溫硬地層高效破巖及鉆井提速技術(shù)

巖石可鉆性評價是實現(xiàn)鉆頭選型和個性化設(shè)計的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有可鉆性評價主要針對砂巖或泥頁巖等常規(guī)沉積巖地層，鮮有關(guān)于高溫花崗巖可鉆性等鉆井關(guān)鍵參數(shù)的評價報道，缺乏高溫高壓(＞200 ℃)條件下硬巖可鉆性等鉆井參數(shù)的評價方法和體系，鉆頭選型及參數(shù)設(shè)計缺乏理論依據(jù)。

鉆頭作為破巖的主要工具，是實現(xiàn)干熱巖優(yōu)快鉆井的關(guān)鍵。為適應(yīng)干熱巖井下高溫環(huán)境，國內(nèi)外對鉆頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料升級，貝克休斯牙輪鉆頭最高耐溫能力達(dá)到288 ℃，國民油井Reed-Hycalog超硬熱穩(wěn)定PDC可鉆穿抗壓強(qiáng)度達(dá)到280 MPa的硬地層，并具有很強(qiáng)的耐磨性和抗沖擊性[45]。國內(nèi)采用金屬軸承密封系統(tǒng)、耐高溫潤滑介質(zhì)、頂齒掌背強(qiáng)化等技術(shù)手段，開發(fā)了耐260 ℃牙輪鉆頭[46]。雖然國內(nèi)耐高溫牙輪鉆頭可一定程度上滿足干熱巖鉆井需求，但高溫高壓下軸承壽命問題無法解決，在干熱巖井中工作時長和穩(wěn)定性得不到保障，掉牙輪情況頻發(fā)，井下風(fēng)險高，且提速效果不理想。干熱巖地層中鉆速低的主要原因是常規(guī)破巖手段能量不足，對于花崗巖等硬地層鉆頭齒吃入深度有限，難以形成體積破碎，同時鉆頭工作狀態(tài)不穩(wěn)定，持續(xù)處于黏滑和振動等不利工作環(huán)境中，牙齒崩裂磨損嚴(yán)重。異形齒PDC鉆頭在高強(qiáng)度、高研磨性地層鉆井中展現(xiàn)出良好的適用性，可通過采用新材料增強(qiáng)其耐溫和抗沖擊性能，近年來引起了各大油服公司和國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[47-50]。針對錐形齒、斧型齒、三棱齒等異型齒(圖5)破巖機(jī)理開展了大量研究[48-52]，實驗結(jié)果表明：錐形齒等異形齒破巖性能和吃入巖石能力均優(yōu)于常規(guī)PDC齒，可大幅降低破巖比能、提高機(jī)械鉆速。因此，基于異型齒混合布齒的個性化自適應(yīng)PDC鉆頭，配合耐溫耐沖擊增強(qiáng)型材料，有望為干熱巖硬地層破巖效率低的問題提供解決思路。

圖5 異型齒類型及破巖特征對比[52]，(a)不同類型的PDC異型齒；(b)錐形齒和常規(guī)齒吃入深度對比Fig.5 Axe-shaped cutters and comparison in rock-breaking performances, (a) Various types of axe-shaped PDC cutters; (b) Comparison in cutting depth between conical cutter and conventional cutter[52]

在動力鉆具和提速方法方面，螺桿鉆具在高溫下橡膠部件老化，導(dǎo)致在干熱巖中應(yīng)用受限，我國高溫螺桿鉆具耐溫一般不超過180 ℃[53-54]。貝克休斯正在研發(fā)耐高溫300 ℃動力鉆具系統(tǒng)，包括Kymera鉆頭、全金屬螺桿鉆具、螺桿用金屬間潤滑劑等。相比于螺桿鉆具，渦輪鉆具由于其全金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，耐溫能力普遍可以達(dá)到260 ℃[35]，配合孕鑲金剛石鉆頭，可大幅提高機(jī)械鉆速。對于隨鉆測量等含電子元件工具，目前耐溫能力普遍不超過180 ℃，特別是對于空氣鉆井或泡沫鉆井，工具抗高溫性能尚難以滿足干熱巖高溫環(huán)境[34]。旋轉(zhuǎn)沖擊器和扭力沖擊器在油氣井中提速效果好，采用金屬密封結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)260 ℃以上高溫環(huán)境，但目前未規(guī)?；瘧?yīng)用于干熱巖鉆井工程。旋沖鉆井和扭沖鉆井利用了硬巖脆性強(qiáng)、沖擊易碎的特點(diǎn)，實現(xiàn)切削與沖擊破巖的結(jié)合，提高了PDC齒吃入地層的深度，同時增大了巖屑破碎體積，有望有效提高硬地層的機(jī)械鉆速[55-56]。建議后續(xù)加強(qiáng)高溫高應(yīng)力下軸扭耦合破巖機(jī)理研究，探索多維沖擊耦合破碎干熱巖方法的可行性。

3.1.2 耐高溫鉆井液及高溫護(hù)壁/攜巖方法

如何在高溫環(huán)境下保持鉆井液性能，維持其攜巖及穩(wěn)定井壁的能力，是確保干熱巖安全高效建井的關(guān)鍵。高溫下鉆井液體系流變性和穩(wěn)定性易發(fā)生劣化，護(hù)壁和攜巖能力降低，井眼清潔效果變差，容易引發(fā)壓持效應(yīng)。目前主流的抗高溫鉆井液大多以磺化材料為主[39-40]，抗溫能力可達(dá)到230～260 ℃，我國貴德ZR1井和漳州干熱1井中即使用了抗高溫聚磺鉆井液[57-58]。但磺化體系中含有較多的鉻離子和甲醛等有害物質(zhì)，環(huán)境污染問題較為嚴(yán)重，而其他抗高溫鉆井液體系例如甲酸鹽鉆井液等，成本較高，難以廣泛應(yīng)用，抗高溫、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的新型鉆井液體系尚有待研發(fā)。

干熱巖儲層通常發(fā)育有天然裂縫及斷層，因此鉆井過程中存在鉆井液惡性漏失的風(fēng)險，容易誘發(fā)井下安全事故。如西藏羊八井ZK201井鉆井過程中從井深幾十米幾乎漏到井底，日本Ogachi干熱巖鉆井時井底鉆井液漏失量高達(dá)90%[59-60]。鉆遇裂縫性和破碎性地層時如何維護(hù)井壁穩(wěn)定，實現(xiàn)高溫高壓條件下有效防漏和堵漏是干熱巖鉆井亟待解決的問題之一。當(dāng)前針對高溫堵漏材料研究較少，通常采用空氣鉆井和耐高溫泡沫鉆井液來緩解惡性漏失[36]。目前，300 ℃高溫泡沫鉆井液技術(shù)已經(jīng)基本成熟，中石油長城鉆探采用高溫泡沫鉆井液在肯尼亞OLKARIA區(qū)塊鉆成一口地?zé)峋?，地層溫度高達(dá)350 ℃[40-42]。在井筒攜巖方面，由于井筒內(nèi)高溫環(huán)境下存在氣液固多相流動，鉆井液密度、黏度等物性參數(shù)隨溫度分布而發(fā)生變化，鉆井液在井筒內(nèi)流動傳熱的瞬態(tài)溫壓特性復(fù)雜，高溫環(huán)境下考慮鉆井液漏失的三維井眼環(huán)空巖屑運(yùn)移規(guī)律尚不明晰，仍缺乏干熱巖鉆井井筒高效攜巖理論和方法。

3.1.3 高溫固井水泥石強(qiáng)度衰退與控制方法

固井不僅決定著干熱巖全生命周期井筒質(zhì)量，還影響到后續(xù)的EGS工程建設(shè)。干熱巖高溫環(huán)境對水泥漿漿體穩(wěn)定性、失水量和稠化時間具有影響，長期強(qiáng)度易發(fā)生衰退[61-62]。肯尼亞地?zé)峋甇W-36A井固井水泥漿體系未充分考慮高溫、注采循環(huán)的影響，致使72%井段發(fā)生長效密封失效，套管嚴(yán)重擠毀變形，井口套壓超過20 MPa，造成該井報廢[41-43]。美國俄勒岡州的Newberry也發(fā)生了類似的問題，大部分壓裂液在套管鞋附近流出，導(dǎo)致初始改造不成功[63]。2017年，冰島Reykjanes也發(fā)生了套管固井泄漏，導(dǎo)致后續(xù)熱儲流量測試被延遲[64]。

高溫是影響水泥石強(qiáng)度衰退的主要因素，存在溫度閾值。通常當(dāng)溫度達(dá)到110 ℃時，水泥石會產(chǎn)生強(qiáng)度下降，到達(dá)230 ℃時可能會完全喪失強(qiáng)度。普通的油井水泥是由硅酸二鈣、硅酸三鈣組成，約占總量的80%，溫度較低主要利于生成水化硅酸二鈣和一定量的碳酸鈣和氫氧化鈣，這些物質(zhì)穩(wěn)定、力學(xué)性能好。但是在高溫條件下，水化硅酸二鈣的晶體形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，生成了C2SH(A)和C2SH(C)為主體的混合物，而且固體狀態(tài)下的晶體形態(tài)改變也造成水泥石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致水泥石強(qiáng)度急劇下降[65-68]。此外，不同于油氣井固井過程，地?zé)峋蠊叹嗍哂幸欢ǖ母魺嵝阅埽越档妥⒉蛇^程中的熱損量[44]。然而，當(dāng)前地?zé)峋蠖嘌赜糜蜌饩叹酀{體系，未考慮隔熱保溫作用，因此形成的水泥石導(dǎo)熱系數(shù)較高，約為1 W/(m·K)，保溫性能較差，導(dǎo)致EGS注采過程中井筒沿程產(chǎn)生較大的熱損失，井口水溫較儲層溫度下降明顯，大幅降低了地?zé)豳Y源的梯級利用效率[44,69]，部分熱損嚴(yán)重的井甚至?xí)适Оl(fā)電能力，嚴(yán)重影響其有效利用價值。綜上，為確保干熱巖井筒的完整性和安全性，需研制高溫環(huán)境下性能穩(wěn)定、低失水量、稠化時間可調(diào)、低導(dǎo)熱系數(shù)的固井水泥漿體系，同時探究超高溫水泥石熱損傷機(jī)理與強(qiáng)度穩(wěn)定性控制方法，提高干熱巖井筒水泥環(huán)耐溫性與耐久性。

3.2 壓裂造儲

壓裂造儲是干熱巖EGS開發(fā)的核心步驟，直接決定著干熱巖地?zé)衢_采的成敗及整體經(jīng)濟(jì)效益。干熱巖造儲要求形成大規(guī)模連通的復(fù)雜立體縫網(wǎng)(圖6)，造縫要求高、改造難度大，注采井溝通困難，油氣行業(yè)傳統(tǒng)的水力壓裂技術(shù)無法照搬到深層地?zé)醄7,23]。截至2020年底，全球累計建設(shè)示范性EGS工程項目逾60項，但目前實施的EGS項目中儲層改造效果仍不理想、儲層改造方法和注采井溝通方案仍不成熟，主要面臨以下難題：

圖6 干熱巖人工造儲難題示意圖Fig.6 Schematic of the difficulties of creating artificial geothermal reservoir in hot dry rock

(1)巖石強(qiáng)度大，起裂壓力高，存在誘發(fā)地震風(fēng)險。澳大利亞Habanero和韓國Pohang干熱巖EGS儲層改造中地層破裂壓力均超過了100 MPa，其中2017年11月韓國Pohang發(fā)生的Mw5.4級地震，被認(rèn)為由干熱巖壓裂所導(dǎo)致，2006年瑞士的巴塞爾干熱巖試驗項目也因誘發(fā)地震而被迫關(guān)停[60,70]。

(2)裂縫單一，難以形成縫網(wǎng)，容易引起熱短路。大規(guī)模的復(fù)雜立體縫網(wǎng)是EGS高效換熱的基礎(chǔ)，然 而 日 本Hijiori、德 國Gro? Sch?nebeck、英 國Rosemanowes等EGS項目表明[25]，干熱巖儲層人工壓裂形成的裂縫通常較為單一、換熱面積有限，注采井間容易形成高滲通道，發(fā)生熱短路，導(dǎo)致造儲失敗。

(3)裂縫延伸不可控，注采井溝通困難。干熱巖儲層改造過程應(yīng)力擾動復(fù)雜，強(qiáng)溫差熱應(yīng)力和天然裂縫綜合影響下水力裂縫擴(kuò)展預(yù)測難度大，美國Fenton Hill項目在3個階段的儲層改造工作中，經(jīng)歷8次鉆井、5次壓裂才實現(xiàn)發(fā)電[71-72]，但最終仍由于人工裂縫未有效溝通注采井、循環(huán)工質(zhì)嚴(yán)重流失等原因而被迫終止，此外英國的Rosemanowes和日本的Hijiori干熱巖項目中也出現(xiàn)過注采井無法連通的問題[73]。

要建成安全、經(jīng)濟(jì)、高效的人工熱儲并非易事，如何采用“柔性造儲”的方式有效溝通注采井，避免純粹靠提高壓力改造儲層是構(gòu)建EGS系統(tǒng)的重大難題與需求。柔性造儲是指通過熱力交變、壓力/排量振蕩以及化學(xué)刺激等相結(jié)合的方法，誘導(dǎo)巖體疲勞損傷和裂縫剪切滑移，溝通天然裂縫，在降低起裂壓力、提升縫網(wǎng)尺度和復(fù)雜度的同時，有效降低誘發(fā)地震的風(fēng)險。以構(gòu)建復(fù)雜立體縫網(wǎng)、降低地震風(fēng)險為目標(biāo)，近年來學(xué)者從傳統(tǒng)水力壓裂造縫和造儲新方法兩方面開展了大量研究，探索了剪切壓裂、循環(huán)/疲勞壓裂、化學(xué)刺激、徑向井壓裂以及超臨界二氧化碳和超低溫液氮壓裂等干熱巖熱儲改造新思路，但總體上技術(shù)仍不成熟，尚未形成一種“可復(fù)制”的干熱巖高效造儲方法。

3.2.1 水力壓裂

盡管水力壓裂技術(shù)已成熟應(yīng)用于油氣領(lǐng)域，但由于干熱巖儲層具有高溫、高應(yīng)力等特點(diǎn)，加大了儲層改造的難度和不確定性。不同于油氣儲層壓裂，干熱巖水力壓裂是基巖形變、流體流動和熱量交換的熱—流—固多物理場耦合過程[74-75]，壓裂過程受低溫流體誘導(dǎo)的熱應(yīng)力與流體靜壓共同作用，裂縫起裂和擴(kuò)展過程相比于傳統(tǒng)油氣壓裂更為復(fù)雜。干熱巖儲層在構(gòu)造應(yīng)力和局部斷層的影響下通常發(fā)育有天然裂縫[27,76]，利用水力壓裂溝通天然裂縫形成相互連通的復(fù)雜縫網(wǎng)，是提高EGS熱儲改造體積和工質(zhì)換熱效率的有效途徑。法國的Soultz是目前全球商業(yè)化運(yùn)營最成功的EGS示范工程，該項目以裂縫型地層為主要靶區(qū)，通過水力壓裂成功激活和溝通儲層中的天然裂縫，實現(xiàn)了注采井的有效連通。天然裂縫的存在對水力裂縫的走向具有重要影響[77-80]，盡管前人針對干熱巖壓裂裂縫起裂及擴(kuò)展等開展了一定研究，但熱應(yīng)力和天然裂縫共同干擾下的水力裂縫擴(kuò)展機(jī)理鮮有報道，熱應(yīng)力影響下水力裂縫與天然裂縫的相互作用行為和力學(xué)機(jī)制仍不明確，缺乏干熱巖水力壓裂裂縫捕獲/交匯等行為的判定準(zhǔn)則，現(xiàn)有壓裂理論難以有效指導(dǎo)干熱巖縫網(wǎng)改造。此外，值得注意的是，盡管天然裂縫對形成大規(guī)模復(fù)雜縫網(wǎng)具有重要作用，但同時也容易引起取熱工質(zhì)嚴(yán)重流失的問題。日本的Ogachi注采試驗中，97%的工質(zhì)流失在儲層中，直接導(dǎo)致項目終止。Hijiori的注采回收率在45%～70%[81]，瑞典的Fj?llbacka注采回收率僅為50%[82]，德國的Falkenberg工質(zhì)流失量達(dá)到60%至100%[26]。如何有效借助天然裂縫形成立體縫網(wǎng)，同時避免取熱工質(zhì)惡性漏失，是水力壓裂造儲的關(guān)鍵難題。

水力裂縫能否長期保持有效的滲透率，是評價干熱巖造儲效果的重要指標(biāo)。然而，有時熱儲滲透率的改善并非永久性的，2002年德國的Bad Urach儲層改造后，初期流量測試顯示注入率增加了2.9倍，但一年后的注采試驗顯示，地層導(dǎo)水系數(shù)又恢復(fù)到接近原來的水平[83]。干熱巖壓裂裂縫滲透性的保持通?；?種方式：一種是通過長期注入冷水進(jìn)行熱激發(fā)，誘導(dǎo)裂縫剪切滑移，使裂縫通過縫面不整合形成自支撐；另一種是通過注入支撐劑，防止裂縫閉合，目前支撐劑已應(yīng)用在多個干熱巖項目中，如East Mesa、Raft River、Baca、Le Mayet、Fenton Hill、Gro? Sch?nebeck、Hachimantai、Bad Urach和Rosemanowes等[81,83-85]，大多顯示效果良好，能夠有效降低注入壓力和工質(zhì)流失率，但同時支撐劑的使用也存在加劇熱短路的風(fēng)險[81]。

3.2.2 剪切壓裂

前期干熱巖EGS的經(jīng)驗表明，能否充分激活天然裂縫、剪切成網(wǎng)是干熱巖熱儲獲得良好改造效果的關(guān)鍵[76,86]。早在1972年，美國芬頓山EGS發(fā)現(xiàn)，注水過程中天然裂縫會發(fā)生剪切滑移，擴(kuò)展溝通了地下原有的裂縫網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)了熱儲的導(dǎo)流能力。隨后，這一現(xiàn)象被美國Newberry和Desert Peak、德國Landau、法國Soultz，澳大利亞Cooper Basin等EGS工程相繼驗證，由此提出了水力剪切增滲的概念。不同于傳統(tǒng)的水力壓裂方法，剪切壓裂是以低于地層最小主應(yīng)力的流體壓力進(jìn)行注入，通過熱應(yīng)力和壓力震蕩等方法降低裂縫面上的有效應(yīng)力，在抑制單一拉伸裂縫的發(fā)展的同時，誘導(dǎo)天然和人工裂縫發(fā)生剪切擴(kuò)容和不整合自支撐，從而永久增大儲層換熱面積和裂縫導(dǎo)流能力。對于天然裂隙豐富和斷層發(fā)育的地層，水力剪切增透效果更為顯著[87-89]。圍繞干熱巖水力剪切增滲機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者開展了裂縫滑移和導(dǎo)流能力測試等相關(guān)的室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果表明[90-91]：干熱巖的水力剪切受熱應(yīng)力、化學(xué)溶蝕、排量、地應(yīng)力等多重因素的綜合影響，壓裂液與干熱巖溫差誘導(dǎo)的熱應(yīng)力有利于促進(jìn)天然裂縫發(fā)生剪切滑移，增加裂縫的有效導(dǎo)流開度(圖7所示)。

圖7 花崗巖裂縫剪切膨脹和增滲效果[92]，(a)圍壓下花崗巖裂縫剪切滑移實驗示意圖；(b)實驗前后裂縫CT掃描對比圖，經(jīng)歷剪切后裂縫寬度增大，并在原裂縫周圍形成了微裂縫Fig.7 Shear expansion of granite and corresponding permeability enhancement[92], (a) Schematic of fracture shear slip experiments of granite under confining pressure; (b) Comparison in CT images of fractures before and after experiment, the width of the fracture grew after shearing, and micro-cracks were created around the original fracture

3.2.3 循環(huán)/疲勞壓裂

水力壓裂誘發(fā)地震活動已經(jīng)成為世界各地EGS工程可持續(xù)開發(fā)的重要限制因素之一。為解決這一問題，有學(xué)者提出了利用循環(huán)壓裂(Cyclic soft stimulation)和疲勞水力壓裂(Fatigue fracturing)改造儲層的新思路[93]。循環(huán)壓裂以控制排量為主要特點(diǎn)，即采用交變排量的泵注方式，使巖石不斷地經(jīng)受加載—卸載的過程，激活天然裂縫的同時，誘導(dǎo)巖石產(chǎn)生大量微裂縫，從而降低干熱巖的起裂壓力及誘發(fā)地震的強(qiáng)度。大量室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬結(jié)果表明[94]，相較常規(guī)壓裂，循環(huán)壓裂可降低儲層起裂壓力達(dá)20%，且聲發(fā)射信號的最大振幅減小了13.7 dB。不同于循環(huán)壓裂，疲勞水力壓裂以壓力控制為主，即采用交變/脈動壓力的泵注方式改造儲層，通過不斷加載-釋放裂縫尖端的應(yīng)力，誘導(dǎo)巖石產(chǎn)生疲勞破壞，同樣具有降低起裂壓力和地震風(fēng)險，提升干熱巖儲層改造效果的作用[95]。瑞典Aspo硬巖實驗室(Hard Rock Laboratory, HRL)針對疲勞水力壓裂方法進(jìn)行了場地級現(xiàn)場試驗，以花崗巖地層為研究對象，開展了不同泵注循環(huán)和壓力脈動模式下裂縫擴(kuò)展特征的研究[96]，結(jié)果如圖8所示。研究發(fā)現(xiàn)，相比于恒定持續(xù)注入的壓裂方式相比，疲勞壓裂(壓力控制)可在巖石內(nèi)部形成更多分支微裂縫，且主裂縫縫寬更大，同時監(jiān)測到的微震信號幅值顯著降低；對比不同的壓力控制模式，采用階梯脈動模式下疲勞壓裂增注能力改善效果更好，注入能力最高可提升15倍，且增注倍數(shù)明顯高于循環(huán)壓裂(排量控制)，對可為熱儲內(nèi)高效換熱提供有利條件[97-98]。

圖8 循環(huán)軟壓裂和疲勞壓裂增滲效果對比[98]Fig.8 Comparison in the permeability growth between cyclic soft fracturing and fatigue fracturing[98]

3.2.4 化學(xué)刺激

化學(xué)刺激在油氣工程中最早應(yīng)用在碳酸鹽地層的酸化改造，近年來學(xué)者提出采用化學(xué)刺激輔助水力壓裂來提高干熱巖熱儲的滲透性。根據(jù)化學(xué)劑種類，化學(xué)刺激可分為酸性刺激(土酸、鰲合酸、轉(zhuǎn)向酸等)和堿性刺激技術(shù)(NaOH、Na2CO3、螯合堿和NH3等)，以酸性刺激劑居多。其刺激原理為：通過管柱向熱儲層泵入酸性或堿性溶液，刺激溶液在注入壓力作用下沿著熱儲裂隙不斷溶蝕堵塞礦物，并逐漸向前推進(jìn)，擴(kuò)大裂隙通道的張開度和延伸距離，進(jìn)而影響熱儲的滲透率和取熱效率[99]。1976年，美國Fenton Hill首次將化學(xué)刺激應(yīng)用于EGS項目中，190 m3的化學(xué)刺激劑Na2CO3被注入人工熱儲中用于溶解堵塞在裂隙中的礦物，試驗中大約有1000 kg的石英被溶解[100]。此后，法國Soultz、美國Coso、瑞典Fjallbacka以及德國Gro? Sch?nebeck等EGS工程[101-104]也將化學(xué)刺激技術(shù)應(yīng)用到熱儲改造中，針對熱儲中堵塞礦物的不同，使用不同配比的化學(xué)刺激劑對熱儲層進(jìn)行溶蝕解堵，刺激結(jié)果顯示熱儲產(chǎn)率均在一定程度上得到提升。菲律賓Bacman的PN-2RD井進(jìn)行化學(xué)刺激處理后，注入率提高了367%，初期注水速率達(dá)到了187 kg/s[105]。

盡管化學(xué)刺激已在世界多個地?zé)崽锉蛔C明是成功的，但由于作用機(jī)理認(rèn)識不清、刺激劑匹配不合理等原因，在一些地?zé)崽镂茨墚a(chǎn)能預(yù)期的增產(chǎn)效果，如Geysers和Baca等[106]。化學(xué)溶液刺激效果受到多種因素的控制，儲層礦物的類型、刺激劑的種類與配方、注入速率以及地層溫度等均會影響干熱巖滲透率的變化[107-112]?；趯嶒炑芯拷Y(jié)果，學(xué)者們建立場地尺度一維熱儲化學(xué)刺激模型，圍繞熱儲孔滲變化、有效刺激距離和礦物組分變化等問題[113-114]，探索了針對特定地?zé)醿幼顑?yōu)化學(xué)刺激改造方案。此外，學(xué)者還建立了二維和三維THMC多場耦合數(shù)值模型[115]，分析了注入流體化學(xué)組分對熱儲滲透率和裂隙孔徑的影響規(guī)律，獲取了長期注入條件下地?zé)醿拥牧鲌鰟討B(tài)和熱采動態(tài)[116-118]，為EGS工程化學(xué)刺激方案設(shè)計提供了理論依據(jù)。然而，需要指出的是，化學(xué)刺激劑也會對套管和固井質(zhì)量造成負(fù)面影響，甚至可能造成井筒失穩(wěn)。美國Desert Peak化學(xué)激發(fā)后井底出現(xiàn)了坍塌[106]，冰島Seltjarnarnes的液壓井激發(fā)過程中也出了3次井眼坍塌[107]。

3.2.5 徑向井壓裂

針對干熱巖造儲過程中裂縫難控制、注采井難溝通的問題，學(xué)者提出了利用徑向井輔助干熱巖造儲的新思路。即通過高壓射流或柔性鉆具等手段，在直井井筒內(nèi)徑向鉆出輻射狀分布的一個或多個微小孔眼(直徑20～50 mm、長度可達(dá)100 m以上)，更多地溝通地層中的天然裂隙，增大單井與儲層的接觸面積[119]。在徑向分支孔眼的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實施水力壓裂，一方面，可激活更多的天然裂隙，提升造儲范圍；另一方面，分支孔眼有助于導(dǎo)控人工裂縫擴(kuò)展方向，能夠輔助注采井連通，改善EGS系統(tǒng)的注入和采出能力。2014年在立陶宛Klaip?da的EGS工程中實施了徑向井技術(shù)，在一口注入井內(nèi)鉆出12個長為40 m的分支井眼，將同等壓差下注入能力提高了57%[120]。然而，徑向井EGS系統(tǒng)中各分支井眼之間、孔眼與裂縫之間相互干擾，目前徑向井壓裂研究多集中于油氣儲層，未考慮高溫條件下熱應(yīng)力的影響，熱應(yīng)力作用下徑向井導(dǎo)控裂縫擴(kuò)展機(jī)理有待揭示，分支井眼輔助干熱巖造儲參數(shù)優(yōu)化及開發(fā)方案設(shè)計尚缺乏理論依據(jù)。

3.2.6 無水壓裂

傳統(tǒng)水力壓裂存在耗水量巨大和環(huán)境污染等問題。在美國的New York Canyon地?zé)犴椖坑捎诋?dāng)?shù)厮畽?quán)超額認(rèn)購，導(dǎo)致缺乏鉆探和儲層改造所需的水，項目被迫終止[121]。在法國的Bouillante項目中，由于缺乏清水，最終不得不使用緩垢劑處理過的海水進(jìn)行儲層激發(fā)[122]。

針對這一問題，近年來學(xué)者提出了采用無水壓裂方法進(jìn)行干熱巖儲層改造的思路，如二氧化碳(CO2)壓裂和液氮壓裂等。相比于清水，液氮和二氧化碳具有低溫特性，對干熱巖的熱激發(fā)作用更強(qiáng)。采用液氮和二氧化碳作為壓裂液在地?zé)醿痈脑熘芯哂歇?dú)特的技術(shù)與政策優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。目前以二氧化碳為壓裂液，已形成了CO2泡沫壓裂、CO2干法壓裂、液態(tài)CO2相變致裂、超臨界CO2壓裂等主流技術(shù)，研究二氧化碳造儲與地質(zhì)封存(CCUS)一體化技術(shù)契合國家的“雙碳”目標(biāo)導(dǎo)向。相比于常規(guī)壓裂液，CO2黏度低、穿透力強(qiáng)，可以更好地激活和溝通儲層中的天然裂縫，提升壓裂縫網(wǎng)的復(fù)雜度[123]。

液氮是一種來源廣泛的低溫流體(大氣壓下沸點(diǎn)達(dá)-196 ℃)，與干熱巖溫差巨大，可對巖石產(chǎn)生強(qiáng)烈的“冷沖擊”作用，在干熱巖儲層熱激發(fā)方面具有優(yōu)勢，能夠降低干熱巖起裂壓力、激活天然裂縫、誘導(dǎo)主裂縫轉(zhuǎn)向，形成水力裂縫—熱應(yīng)力裂縫—天然裂縫的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)等[124]。液氮壓裂于1995年首次提出，美國首次采用低溫液氮對4口煤層氣井和1口致密氣井進(jìn)行壓裂，并取得了較好的增產(chǎn)效果[125]?；诖?，學(xué)者提出了液氮壓裂、液氮循環(huán)/脈動壓裂、液氮噴射壓裂等干熱巖熱儲構(gòu)建方法[126-127]，綜合利用液氮超低溫和氣化增壓等效應(yīng)致裂干熱巖，提升干熱巖儲層改造效果。學(xué)者前期針對干熱巖液氮壓裂的起裂規(guī)律、傳熱特征、裂縫形態(tài)和擴(kuò)展機(jī)理等開展了研究[124,128-129]，研究結(jié)果如圖9所示，相較于傳統(tǒng)水力壓裂，干熱巖液氮壓裂裂縫起裂壓力降低9%～44%，壓裂縫網(wǎng)的復(fù)雜度和連通性均大幅提升。

圖9 干熱巖液氮壓裂和水力壓裂裂縫形態(tài)對比[128], (a) 液氮壓裂；(b)水力壓裂Fig.9 Comparison in the fracture morphology between liquid nitrogen fracturing and hydraulic fracturing[128], (a) Liquid nitrogen fracturing; (b) Hydraulic fracturing

3.3 流動取熱

高效取熱、合理優(yōu)化是深部地?zé)峤?jīng)濟(jì)高效開采的重要保證。干熱巖開采涉及多場(溫度、應(yīng)力、位移/應(yīng)變)、多相(氣、液、固)、多過程(滲流、熱傳導(dǎo)、應(yīng)力演化、水巖反應(yīng)等)耦合，氣液運(yùn)移、熱傳導(dǎo)和化學(xué)反應(yīng)會影響干熱巖熱儲變形和巖體強(qiáng)度特征，取熱過程受控于其在多場多過程耦合作用下跨尺度的物理/力學(xué)/化學(xué)機(jī)制，EGS取熱面臨以下2方面挑戰(zhàn)：

(1)多場耦合傳熱機(jī)制不清，熱儲取熱優(yōu)化難、效率低。熱儲內(nèi)工質(zhì)高效取熱是干熱巖開發(fā)的根本目標(biāo)。然而不同于油氣儲層，地?zé)衢_采伴隨著劇烈的溫度場擾動和水巖反應(yīng)(礦物溶解/沉淀)，涉及熱—流—固—化四場耦合(圖10)，多場耦合作用下地層滲流和熱交換機(jī)制復(fù)雜，為取熱效率預(yù)測和優(yōu)化帶來挑戰(zhàn)。

圖10 熱儲取熱過程熱—流—固—化四場耦合關(guān)系Fig.10 Thermo-hydro-mechanical-chemical coupling relationships in the heat extraction process of geothermal reservoirs

(2)注采參數(shù)難匹配，開采調(diào)控缺乏依據(jù)、壽命短。合理的開采制度是干熱巖長效開發(fā)的重要保證。然而，熱儲長期注采過程中多場時空演化規(guī)律復(fù)雜，目前缺乏多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法，導(dǎo)致注采參數(shù)難匹配，開采過程容易形成“優(yōu)勢通道”，如法國Soultz的GPK-3井中單條裂縫控制了70%的流量，為熱儲長期均衡取熱帶來挑戰(zhàn)。美國Fention Hill的EE-1井和GT-2井在為期75天的注采試驗中生產(chǎn)溫度從175 ℃下降到85 ℃[71]，日本Hijiori也因開采過程中溫度驟降，出現(xiàn)熱短路，導(dǎo)致項目終止，運(yùn)行時間不足一年[23, 81]。

3.3.1 取熱工質(zhì)評價與優(yōu)選

干熱巖循環(huán)注采中取熱工質(zhì)的相態(tài)、成分將顯著影響能量的傳遞過程，不合理的取熱工質(zhì)將降低EGS的利用效率，制約干熱巖的高效開采[130-132]。因此如何優(yōu)選循環(huán)工質(zhì)、探討工質(zhì)的最佳適用條件，是EGS開發(fā)過程中熱點(diǎn)話題?？紤]到取熱工質(zhì)的便捷性、穩(wěn)定性和換熱性能等約束，目前的EGS工程一般選擇地表水作為主要的換熱工質(zhì)。除此之外，學(xué)者還提出采用CO2作為干熱巖系統(tǒng)的循環(huán)取熱工質(zhì)[133-134]。相比于水，二氧化碳具有較低的黏度和循環(huán)流阻，利于在低滲透儲層中流動，有助于提升儲層換熱效果，同時實現(xiàn)二氧化碳埋存。然而，由于二氧化碳的熱容較低，因此相同注入速率下，其換熱能力也存在一定局限性[135]。除此之外，由于二氧化碳具有較大的膨脹性，會引發(fā)焦耳-湯姆遜效應(yīng)[136-137]，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)井中的二氧化碳在返回地面過程中溫度顯著下降。Song等人[138]研究表明，二氧化碳的溫度在生產(chǎn)井中降幅可以超過50 ℃，而水的溫度降幅小于15 ℃。由此可見，水和二氧化碳作為EGS最主要的兩種取熱工質(zhì)，應(yīng)用中存在著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，而且對于不同的熱儲條件和開采方案，優(yōu)缺點(diǎn)會有不同程度的放大或衰減，需要針對不同工質(zhì)的適用條件進(jìn)行科學(xué)的評價和優(yōu)選。

3.3.2 多場耦合滲流傳熱機(jī)理

熱儲取熱是溫度場、滲流場、應(yīng)力場、化學(xué)場相互耦合的復(fù)雜過程。注采過程中，地層原有的化學(xué)平衡和熱平衡被打破，導(dǎo)致開采過程熱儲裂縫寬度和形態(tài)發(fā)生復(fù)雜的時空演變，從而對熱儲取熱造成影響。裂縫開度和滲透率的演變機(jī)制主要體現(xiàn)在2方面：1）熱儲冷流體注入使原有溫度場發(fā)生演變，在儲層內(nèi)誘發(fā)熱應(yīng)力，改變了縫周巖石原位應(yīng)力狀態(tài)，從而導(dǎo)致巖體和裂縫發(fā)生變形。2）長期注采過程中，取熱工質(zhì)在儲層中與巖石礦物發(fā)生水巖反應(yīng)，使礦物發(fā)生溶解或沉淀，從而改變了裂隙的填充度和導(dǎo)流能力。

圍繞巖體冷卻下裂縫尺寸和形態(tài)變化這一熱—流—固(THM)耦合過程，學(xué)者從細(xì)觀和宏觀尺度探討了裂縫的變形及其對滲流的影響機(jī)理[139-141]，發(fā)現(xiàn)流體注入后會誘發(fā)裂縫失穩(wěn)，使得裂縫發(fā)生剪切激活，引發(fā)微地震。美國Geysers、意大利Larderello、法國Soultz等EGS示范工程都在注采過程中監(jiān)測到了微震信號。在水巖反應(yīng)方面，學(xué)者通過建立熱—流—化(THC)耦合模型，分析了礦物溶解和沉淀作用對儲層滲透率的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，礦物的溶解/沉淀速度與巖石類型、工質(zhì)類型、注入溫度和飽和度等因素有關(guān)[101,142-144]。碳酸鹽礦物與水的反應(yīng)速率明顯高于硅酸鹽礦物，因此相比于火成巖熱儲，石灰?guī)r熱儲水巖反應(yīng)更為顯著[145]。此外，水巖反應(yīng)對井筒、設(shè)備和管線也具有影響，在日本的Hijiori，發(fā)生熱突破后生產(chǎn)流體溫度下降，管道中發(fā)生碳酸鈣沉淀，形成了水垢[146]。德國漢諾威的Genesys開采試驗中，由于取熱工質(zhì)采出到地表后發(fā)生冷卻，形成了巖鹽沉淀，造成管線堵塞，致使項目暫停[22]。盡管學(xué)者針對THM和THC耦合取熱過程開展了一定的研究，但干熱巖熱儲取熱是THMC四場耦合過程，四場耦合滲流傳熱機(jī)理研究尚不完善，無法充分滿足熱儲取熱預(yù)測與優(yōu)化的需求。

3.3.3 注采過程示蹤與監(jiān)測

干熱巖造儲后形成了多尺度裂縫網(wǎng)絡(luò)，注采過程中縫網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及物性發(fā)生復(fù)雜時空演化，如何對熱儲井間連通性及縫網(wǎng)演化動態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測，對于評價干熱巖開發(fā)效果至關(guān)重要。示蹤測試是目前干熱巖注采井間連通性和縫網(wǎng)特征監(jiān)測的常用方法。通過示蹤劑突破曲線分析，可以獲取井間連通狀況，對井間基巖和裂縫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行表征[147-148]。國際上典型的EGS工程絕大多數(shù)都是通過示蹤試驗來研究縫網(wǎng)的流動換熱性能，如法國的Soultz、美國的Desert Peak、澳大利 亞 的Habanero和 德 國 的Gro? Sch?nebeck等[149-153]。以運(yùn)行最為成功的Soultz EGS場地為例，其示蹤實驗采用的示蹤劑包括氯離子、苯酸鈉、萘二磺酸、硝酸鈉和熒光素鈉等，示蹤反演結(jié)果表明開采井與回灌井之間存在一個快速循環(huán)通道和一個慢速循環(huán)通道，通過示蹤劑回收曲線評估其裂隙體積約為10 400 m3[154]。

示蹤試驗需滿足以下條件：一是采用至少2種示蹤劑，二是示蹤劑間的擴(kuò)散性有足夠大的差異，同時示蹤劑需要具備背景值低、易于檢測、環(huán)境友好和價格低廉等特點(diǎn)。然而，由于傳統(tǒng)示蹤劑本身的擴(kuò)散性不易控制，在EGS復(fù)雜縫網(wǎng)和基質(zhì)低滲的條件下，難以獲得顯著的穿透曲線峰值差和拖尾差，導(dǎo)致無法計算換熱面積。截至目前，全球范圍內(nèi)已陸續(xù)開展了85次以上EGS場地示蹤試驗，結(jié)果表明有24次未能獲得預(yù)期結(jié)果，尚存在缺少合適的示蹤劑或示蹤方案不合理等問題。

3.3.4 開發(fā)方案優(yōu)化與地質(zhì)建模

開發(fā)方案設(shè)計通過考慮地質(zhì)和工程的雙重約束，對布井模式、井距和注采參數(shù)等綜合優(yōu)化，均衡取熱效率和開采壽命，從而實現(xiàn)干熱巖地?zé)崮艿目茖W(xué)開采與調(diào)控。對于井距和布井方案的設(shè)計，需綜合考慮建井成本、取熱效率和壓裂控制體積等因素，一方面井距過小容易引起流體熱突破，縮短熱儲壽命；另一方面，如果井距過長，一旦超過壓裂裂縫的有效控制長度，會導(dǎo)致注采井無法溝通。目前EGS試驗中注采井井距一般集中在200～500 m之間，注采模式以“一注一采”和“一注兩采”模式居多。合理的注采參數(shù)(工質(zhì)類型、注入溫度、排量等)是干熱巖長效均衡開采的關(guān)鍵[155]。為實現(xiàn)熱儲的高效取熱，通常期望取熱工質(zhì)以高溫度和高流量采出，但是過快開采容易導(dǎo)致熱儲地層能量無法及時補(bǔ)充，打破熱儲開采的熱平衡，造成熱儲溫度降低，加劇熱突破[156]。因此，需要針對干熱巖熱儲地質(zhì)特征，綜合開展多目標(biāo)優(yōu)化，制定合理的注采制度，在保持較高取熱效率的同時，最大程度延長取熱周期和開采壽命。學(xué)者前期針對干熱巖地?zé)衢_采效率和壽命的影響因素開展了一定研究[157-159]，但尚未形成一種成熟的干熱巖開發(fā)方案優(yōu)化設(shè)計方法，其主要原因之一是缺乏精細(xì)刻畫干熱巖熱儲的地質(zhì)建模方法。準(zhǔn)確刻畫干熱巖地層和熱儲特征，是干熱巖開采過程精確模擬和開發(fā)方案優(yōu)化的前提。干熱巖精細(xì)化地質(zhì)建模不僅需要表征場地尺度的巖體空間信息，還需要精細(xì)刻畫微細(xì)觀尺度的裂縫特征和滲流傳熱規(guī)律，并客觀反映原位地溫、應(yīng)力場及其在時間域的變化[160-161]。如何融合復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)體、鉆完井與熱儲復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)等多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建“透明”干熱巖地質(zhì)模型，是制約干熱巖開采過程模擬和方案優(yōu)化的瓶頸之 一。Fenton Hill、Rosemanowes、Nerberry和Jlokia等項目均出現(xiàn)過地質(zhì)模型中應(yīng)力或壓力評估不準(zhǔn)確等問題[63,81,162]，導(dǎo)致儲層激發(fā)后裂縫未按照預(yù)定方向延伸，注入井和生產(chǎn)井未能有效連通、工質(zhì)流失嚴(yán)重，造成項目暫緩或終止。

4 攻關(guān)思路與研究建議

4.1 總體攻關(guān)思路

形成上述挑戰(zhàn)的客觀原因是地層環(huán)境異常復(fù)雜，但其根本原因是干熱巖開采基礎(chǔ)理論缺乏，目前國內(nèi)外尚無成熟經(jīng)驗可借鑒。針對干熱巖開采中面臨的建井、造儲和取熱3大挑戰(zhàn)，建議以“巖體表征—鉆井建井—壓裂造儲—流動取熱—集成調(diào)控”為主體思路，開展5個方面的基礎(chǔ)理論攻關(guān)研究：首先，從巖體原位溫壓下的基礎(chǔ)物理力學(xué)特性出發(fā)，獲得干熱巖力學(xué)本構(gòu)關(guān)系和基本物性參數(shù)；以此為基礎(chǔ)，緊扣干熱巖EGS工程鉆井、造儲和取熱3大關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，進(jìn)一步揭示高溫破巖、縫網(wǎng)壓裂和滲流取熱的關(guān)鍵機(jī)理，發(fā)展和完善干熱巖鉆井提速、立體造儲和取熱調(diào)控的新方法，闡明人工熱儲多場(熱—流—固—化)、多過程(滲流、熱傳導(dǎo)、變形、水巖反應(yīng)等)耦合關(guān)聯(lián)機(jī)制；最終融合巖體、鉆井、造儲和取熱中的地質(zhì)和工程數(shù)據(jù)，借助“透明”干熱巖地質(zhì)建模手段，構(gòu)建地?zé)衢_采強(qiáng)化與綜合調(diào)控方法，與鉆井、造儲和取熱3大核心環(huán)節(jié)形成互饋，為建立干熱巖地?zé)豳Y源高效開發(fā)理論和方法奠定基礎(chǔ)。

4.2 具體研究建議

(1)巖體表征

獲得巖體原位物理力學(xué)特性是干熱巖EGS的工程基礎(chǔ)。建議圍繞高溫儲層巖體物理力學(xué)變化規(guī)律與表征方法，重點(diǎn)開展干熱巖體精細(xì)表征、物理力學(xué)特性和動態(tài)損傷本構(gòu)模型等方面研究，創(chuàng)新發(fā)展干熱巖“力熱聲震流”原位物理力學(xué)特性表征技術(shù)，形成具有原創(chuàng)性的深部高溫干熱巖體力學(xué)理論，為EGS建井、造儲和取熱提供巖石力學(xué)理論基礎(chǔ)。

(2)鉆井建井

安全高效成井是干熱巖地?zé)豳Y源經(jīng)濟(jì)開采的前提條件。建議以“抗鉆特性—破巖機(jī)理—清巖方法—固井工藝”為主線，開展高溫高壓下巖石可鉆性評價、軸—扭耦合破巖機(jī)理、抗高溫鉆井液及井筒攜巖規(guī)律、耐溫/隔熱水泥漿體系及水泥石強(qiáng)度防衰退方法研究，重點(diǎn)開展軸—扭耦合沖擊破巖、異形齒個性化鉆頭等高效破巖新方法探索，突破高溫高壓下巖石破碎動態(tài)力學(xué)響應(yīng)機(jī)理，建立一套干熱巖高效破巖和安全成井理論，為干熱巖EGS提供安全優(yōu)質(zhì)的注采通道。

(3)壓裂造儲

能否形成復(fù)雜縫網(wǎng)是衡量EGS成敗的關(guān)鍵。以構(gòu)建復(fù)雜立體縫網(wǎng)、降低誘發(fā)地震風(fēng)險為目標(biāo)，一方面大力發(fā)展柔性造儲技術(shù)，研究溫壓復(fù)合交變下巖體柔性成縫機(jī)理，探索新型壓裂介質(zhì)(液氮、二氧化碳、化學(xué)刺激等)輔助致裂干熱巖等新方法；另一方面，充分利用裂縫性干熱巖儲層特點(diǎn)，以激活和溝通天然裂縫為突破口，重點(diǎn)開展熱應(yīng)力影響下水力裂縫—天然裂縫相互作用行為和力學(xué)機(jī)制、天然裂縫剪切增滲機(jī)理等研究，形成裂縫性地層復(fù)雜縫網(wǎng)造儲技術(shù)，突破干熱巖復(fù)雜縫網(wǎng)造儲理論與方法，實現(xiàn)立體縫網(wǎng)造儲，為EGS開采提供高效換熱空間。

(4)流動取熱

熱儲內(nèi)高效取熱是干熱巖開發(fā)的根本目標(biāo)。建議圍繞復(fù)雜縫網(wǎng)內(nèi)取熱工質(zhì)滲流與傳熱規(guī)律，開展取熱工質(zhì)優(yōu)選(水和CO2等)、水—巖反應(yīng)、THMC耦合滲流傳熱規(guī)律、磁性納米顆粒示蹤技術(shù)和采出流體PVT特征研究，重點(diǎn)突破裂縫內(nèi)工質(zhì)滲流傳熱及相態(tài)演化機(jī)制，揭示熱儲內(nèi)多場耦合換熱機(jī)制，為取熱調(diào)控提供理論基礎(chǔ)。

(5)集成調(diào)控

取熱調(diào)控是干熱巖長效均衡開采的重要保證。建議圍繞注采過程中熱儲多場時空演變規(guī)律與流動調(diào)控方法，開展干熱巖三維精細(xì)化地質(zhì)建模、熱儲縫網(wǎng)演化特征、四維層析成像技術(shù)和開發(fā)方案優(yōu)化設(shè)計等研究，重點(diǎn)突破“透明”干熱巖熱儲建模技術(shù)，形成開發(fā)方案優(yōu)化設(shè)計和綜合調(diào)控方法，保障資源長效穩(wěn)定開采。

5 結(jié)束語

干熱巖地?zé)豳Y源分布廣、潛力大，是傳統(tǒng)化石能源轉(zhuǎn)型的新機(jī)遇，也是國家綠色低碳發(fā)展的潛在著力點(diǎn)之一。盡管國內(nèi)外自上世紀(jì)70年代以來針對干熱巖EGS已經(jīng)開展了數(shù)10項示范性探索，僅有法國Soultz地區(qū)成功實現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行，“可復(fù)制性”較低、難以大規(guī)模推廣。因此，強(qiáng)化干熱巖開采相關(guān)基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)研究，突破建井、造儲和取熱3大關(guān)鍵難題，是尋求干熱巖經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)的根本途徑。首先，要以經(jīng)濟(jì)性為導(dǎo)向，針對干熱巖鉆井建井成本較高的問題，重點(diǎn)探索適用于干熱巖地層的高效破巖和鉆井提速方法，縮短鉆井周期和成本；其次，以構(gòu)建復(fù)雜縫網(wǎng)、降低誘發(fā)地震風(fēng)險為核心，大力發(fā)展EGS柔性造儲技術(shù)，根據(jù)裂縫性干熱巖儲層特點(diǎn)，以激活和溝通天然裂縫為突破口，形成裂縫性地層復(fù)雜縫網(wǎng)造儲技術(shù)，突破干熱巖復(fù)雜縫網(wǎng)造儲理論與方法；最后，以資源利用和長效開發(fā)為目標(biāo)，重點(diǎn)突破熱儲內(nèi)熱—流—固—化多場耦合換熱機(jī)制，構(gòu)建干熱巖開發(fā)方案優(yōu)化設(shè)計和調(diào)控方法，為干熱巖地?zé)峤?jīng)濟(jì)高效開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)，推動國家能源轉(zhuǎn)型和綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。