干热岩及其开发技术(2)

干热岩及其开发技术（2）

胡经国

八、干热岩开发关键技术

1、人工压裂技术

针对不同的深部地应力场条件和裂隙发育特征，通过控制注入水流量使深部热储达到理想的剪切破坏，是目前人工压裂技术重点解决的问题。干热岩开发本身的压裂设备与石油、天然气开发中的压裂设备基本相同；主要区别在于干热岩的压裂设备需要解决耐高温问题。而且，相对于传统油气储层，高温岩体冷却收缩效应在干热岩储层激发中更容易发生。

上述各国的储层激发试验表明，在坚硬的花岗岩中造成新的裂隙几乎是不可能的。通过注入水压力的控制，使储层已有的裂隙面错动和延伸从而形成有效的换热面积，是目前国际公认的EGS储层建造方法。在实际干热岩开发工程中，热储的创建主要包括以下关键步骤：

①、安装微震监测器；

②、形成已有注入井的剪切破坏；

③、施工两口开采井，并对其储层进行水力剪切破坏；

④、开展30～60天的储层循环测试，评价热储连通性及表现。

与储层压裂相关的技术主要包括：微震解译、井下电视成像、区域构造雷达反演、光纤式温度测井、岩体室内切片分析、电镜扫描、模拟预测等。

2、储层封隔技术

⑴、高温储层封隔器

目前，世界干热岩资源开发工程大部分采用高温储层封隔器，通过对目标层位的封堵达到对特定储层激发的目的。其优点在于，封隔器深度可以自由调节，可对指定深度进行储层激发。而其缺点在于，受温度影响，很多封隔器采用弹性密封元件，温度上限为225℃；同时，在高温储层封隔技术操作过程中需要钻机配合，存在较高的施工卡钻危险，容易造成井孔报废，从而对整个工程造成较大的经济损失。目前，由于大多数高温储层封隔器仅适用于套管段，而EGS储层激发的目标为裸孔段，因而传统的储层封隔技术的应用受到了很大限制。

⑵、化学和生物封隔技术

化学和生物封隔技术目前在部分发达国家已开展了广泛的研究。一种高温降解生物隔离技术（TZIM）目前在美国刚刚成功应用于Newberry干热岩工程。相对于传统的储层封隔技术，该技术具有成本低、风险小、耐温性能好等特点。其具体步骤如下：

①、注入井后保持颗粒状；

②、密度与水接近，操作时和注水一起进入最渗透的裂隙；

③、TZIM会密封已有裂隙，通过激发可裂开更多层的岩石；

④、操作无需井架，可采用分布式光纤温度传感器（DTS）监控井下隔离效果。

3、化学酸化刺激技术

化学酸化刺激技术最早应用于油气井的增产。通过将酸注入储层裂隙，使裂隙面流体在长期运移和沉淀过程中将矿物溶解，达到增大近井区岩体渗透性的目标。对于EGS而言，结合化学刺激和水力激发可以降低注入压力、减小微震等级，从而优化储层管理。

近30年来，许多不同的化学酸化刺激法被应用于地热。然而，同一种化学激发剂可能只适用于特定的地层。对于EGS储层激发而言，目前正在研究针对各种不同地层的综合化学刺激法。法国Soultz干热岩工程采用了化学酸化刺激方法，使注入率提高了1.12～2.5倍。激发结果显示，注入的酸与花岗岩体裂隙之间的矿物发生了较为强烈的反应，增加了储层的渗透性。总体而言，由于化学酸化刺激受到时间、体积和浓度等方面的制约，因而其发展还需要更多的室内实验及工程验证。

九、储层激发面临的主要挑战

结合具体的干热岩开发工程，在储层激发方面面临以下主要挑战：

1、提高注水压力可以破裂岩石并可产生更多的热能，但是所注入的水大多被导入最渗透的岩体；

2、在整个储层激发过程中，储层很多部位得不到有效激发，热储采热量受到限制；

3、过分增加井口压力提高注水量会诱发较大地震；

4、单层裂隙不足以提供满足经济发电所需的热交换面积，系统循环水流量低。

如何在经济条件下创建足够大的储层有效换热空间，是目前EGS发展需要迫切解决的问题。发展高温储层封隔技术，通过多次激发来增大储层空间，是实现EGS商业化的有效手段。

十、干热岩资源优势

在目前节能减排和能源结构调整中，对于干热岩地热资源的开发极有可能成为“黑马”，发挥出意想不到的作用。因此，干热岩被称为地热能的未来。相对于其它能源，干热岩资源具备以下优势：

1、资源量巨大、分布广泛

初步估算，中国陆区3.0～10.0千米深处干热岩资源为860万亿吨标准煤燃烧所释放的能量。

2、几乎为零排放

无废气和其它流体或固体废弃物，可维持对环境最低水平的影响。

3、开发系统安全

没有爆炸危险，更不会引起灾难性事故或伤害性污染。

4、热能连续性好

在可再生能源中，只有EGS可以提供不间断的电力供应，不受季节、气候、昼夜等自然条件的影响。

中国干热岩储量很大。但是，目前的开发条件和开发技术还受到诸多因素的制约。随着干热岩开发技术的不断成熟以及深部地热开采成本的不断下降，相信在不久的将来，这种无处不在的能源可被人们大量利用，造福人类。

十一、中国青海干热岩开发

1、青海首次钻获高温优质干热岩

地球是一个庞大的热库，内部蕴藏着巨大的热能，称之为地热资源。它与太阳能、风能、潮汐能等都是可再生的清洁能源。而且，干热岩是地热资源中最为重要的一种。

干热岩通常蕴藏在地下3000～10000米深度范围内，温度在150℃以上，是没有水或蒸汽、致密不渗透的热岩体。作为一种可用于高温发电的清洁能源，干热岩具有资源量大、无污染零排放、安全性好、热能连续性不受季节制约、利用率高、成本低等特点。

2011年以来，在深入研究已有地质资料基础上，采用红外遥感、地球物理、地球化学等多种勘查技术手段，经过详细论证后，确定青海共和盆地中北部为干热岩寻找靶区，同时确定干热岩勘探井位。

2013年6月，勘探井深孔正式开钻。2014年4月，在共和盆地地下2230米处首次钻获温度达153℃的干热岩。2017年上半年，青海省水工环地质调查院再次在地下3705米深处，钻获温度达到236℃以上的干热岩，刷新了探获干热岩温度的新纪录。

干热岩主要被用来提取其内部的热量，因此其主要的工业指标是岩体内部的温度，温度超过200℃即属于优质干热岩。除温度高之外，共和盆地的干热岩资源还有埋藏浅、分布广的特点。

2017年8月下旬，青海省国土资源厅和中国地质调查局水环部组织院士专家，对青海共和盆地干热岩勘查成果进行了评审。专家组认为，这是中国首次发现温度超过200℃的大规模可利用的高温优质干热岩资源，是中国在能源领域和地热勘查方面取得的重大突破。

2、未来有望推进国家能源结构调整

就现阶段而言，干热岩资源是指埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的热岩体。保守估计，地壳中3000～10000米深处，干热岩所蕴藏的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。

中国青藏高原在隆升过程中形成了一系列地热资源。从干热岩地热资源区域分布看，青藏高原占中国大陆地区干热岩总资源量的20.5%，资源量巨大而

且温度较高。

通过2013-2017年实施的4眼干热岩勘查孔查明，共和盆地拥有230平方公里干热岩分布区。现在已查明在其2.1～6公里深度区间内，干热岩储量换算为标准煤将近45亿吨。另外，根据地球物理勘探资料及地面调查情况推测，共和盆地及其周边，干热岩前景区面积达3092.89平方公里。

干热岩资源在全球范围内的分布很普遍。青海共和盆地的干热岩资源，无论储量还是质量，都时在全球已勘查范围内比较靠前的。

据了解，近40年来，世界主要国家开展了一系列干热岩的研究开发项目。其中，最为成功的是在法国Soultz建立的发电厂，为世界第一个将干热岩用于发电的项目。从而，证实干热岩有望成为一种可持续、可再生和清洁的发电资源。

干热岩地热开发系统是安全的，没有爆炸危险，更不会引起灾难性事故或伤害性污染。干热岩地热资源在利用过程中没有二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等废气排放，也没有其它流体或固体废弃物，可以维持对环境最低水平的影响。

一旦通过3～5年时间查明干热岩资源，突破开发利用的核心技术，实现规模化利用，不仅对国家进一步优化能源结构、降低碳排放及能源保障具有重要的战略意义，而且将使青海省能源体系产生巨大转变，将弥补省内化石能源的不足，对经济社会发展产生巨大的效益。

3、多措并举推进干热岩开发进程

中国干热岩勘查虽然在青海共和盆地取得了阶段性成果，并且开发利用前景广阔，但是仍然存在譬如技术攻关、人才紧缺、资金紧张等不容忽视的难题。业内专家建议，集中多方人才力量，突破技术难关，并探索在共和盆地建立国家干热岩开发示范基地。

干热岩开发主要是应用增强型地热系统，即将水通过井注入人工产生的、张开的连通裂隙带中，水与岩体接触被加热，然后通过生产井返回地面，形成一个闭式回路，从而提取热能。然而，最大的技术难关在于如何在致密岩体中打通定向的裂隙。

英、美、法、日等国家20世纪80年代都已将干热岩勘查开发列上日程，在实验性、小规模开发技术方面也取得了一些突破，但是在储藏建造、压裂技术、钻井工艺方面同样面临技术难关。如果能够率先突破，那么中国在世界能源结构调整和碳排放上就能够多一些话语权。

在人才方面，青海省目前现有的技术力量来看，只有水工环地质调查院等两支队伍，且偏重于资源储量勘查，技术开发人才稀缺。”严维德说，希望能够集中自然资源部、国家地调局、科技部、专业院校等科研机构的精英，到青海一起搞研究，以便能够顺利突破技术难题。

干热岩埋藏很深，在4000～6000米范围内，这种条件下无论是查明资源储量还是攻关核心技术，都需要大量资金投入。目前在共和盆地，勘查干热岩主要是青海省财政投资。但是，省财政有限，很难维持今后的持续性开发。因此建议国家设立专项资金，加大资金投入。

此次共和盆地干热岩勘查取得突破是国家推进干热岩开发的最好契机。业内专家建议，国家应加强共和盆地干热岩勘查及开发利用研究，尽快申请共和盆地干热岩勘查开发国家示范基地建设，促进共和盆地干热岩资源勘查及开发进程。

2019年6月4日编写于重庆

2019年9月12日修改于重庆