地大熱能：在全球向多元化“新能源時(shí)代”轉(zhuǎn)型的大趨勢(shì)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(shí)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(duì)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)。國家“十四五”規(guī)劃明確提出“推動(dòng)能源清潔低碳安全高效利用”，并在中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)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。

地?zé)崮?/a>作為一種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)，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，是一種現(xiàn)實(shí)并具有競(jìng)爭(zhēng)力的新能源。

地?zé)崮?/a>主要包含水熱型(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?/a>居世界首位，而高溫干熱巖地?zé)衢_發(fā)尚處于起步階段。

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，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(chǔ)，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(shí)施了大規(guī)模EGS地?zé)犴?xiàng)目。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，并開始著手建立我國首個(gè)干熱巖EGS示范工程。

 全球主要地?zé)豳Y源分布

我國干熱巖地?zé)嵫芯?/a>起步較晚。2012年初，在中科院組織起草的《科技發(fā)展新態(tài)勢(shì)與面向2020年的戰(zhàn)略選擇》報(bào)告中，“深層地?zé)崮?/a>將成為主要可再生能源之一”被列入其中，成為“十二五”和“十三五”期間著重突破的重大科技問題之一。同年，國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)啟動(dòng)了“干熱巖熱能開發(fā)與綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目。

2013年，制定了《全國干熱巖勘查與開發(fā)示范實(shí)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?/a>開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)體系。2016年開始實(shí)施“全國地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)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(yàn)證。

然而，根據(jù)國際地?zé)?/a>協(xié)會(huì)(IGA)數(shù)據(jù)，截至2021年，全球累計(jì)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(dòng)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(dòng)了地?zé)犷I(lǐng)域首個(gè)重大項(xiàng)目“干熱巖地?zé)豳Y源開采機(jī)理與方法”，項(xiàng)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)?/a>基礎(chǔ)研究的源頭創(chuàng)新能力。

 干熱巖增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)示意圖

重大挑戰(zhàn)與技術(shù)現(xiàn)狀

快速鉆達(dá)地?zé)醿?chǔ)層(建井)、形成穩(wěn)定的熱儲(chǔ)通道(造儲(chǔ))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)?/a>儲(chǔ)層，干熱巖儲(chǔ)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(chǔ)層溫度基本都在200℃以上，美國Geysers以及冰島的EGS示范項(xiàng)目部分儲(chǔ)層甚至高達(dá)400℃;(2)高硬度：干熱巖資源主要賦存于高溫堅(jiān)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，可鉆性達(dá)10級(jí)，研磨性極強(qiáng)；

(3)高應(yīng)力：因構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(<10-3 m D)。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(chǔ)和流動(dòng)取熱等關(guān)鍵環(huán)節(jié)面臨重大難題和技術(shù)挑戰(zhàn)。

鉆井建井

鉆達(dá)地?zé)醿?chǔ)層、形成穩(wěn)定井眼是實(shí)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(jiān)硬的儲(chǔ)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)?/a>儲(chǔ)層巖體高溫、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，單只鉆頭平均進(jìn)尺不足40 m，美國Geysers地?zé)崽?/a>花崗巖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，冰島IDDP-1井(2096 m)鉆井周期402天，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。

(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。

(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(xiàng)目，均出現(xiàn)了水泥環(huán)高溫失效導(dǎo)致的套損問題。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。

高溫硬地層高效破巖及鉆井提速技術(shù)

巖石可鉆性評(píng)價(jià)是實(shí)現(xiàn)鉆頭選型和個(gè)性化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。現(xiàn)有可鉆性評(píng)價(jià)主要針對(duì)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(píng)價(jià)報(bào)道，缺乏高溫高壓(>200℃)條件下硬巖可鉆性等鉆井參數(shù)的評(píng)價(jià)方法和體系，鉆頭選型及參數(shù)設(shè)計(jì)缺乏理論依據(jù)。

 世界典型EGS工程井深與熱儲(chǔ)溫度

鉆頭作為破巖的主要工具，是實(shí)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(duì)鉆頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料升級(jí)，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[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(shí)長和穩(wěn)定性得不到保障，掉牙輪情況頻發(fā)，井下風(fēng)險(xiǎn)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(duì)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(shí)鉆頭工作狀態(tài)不穩(wěn)定，持續(xù)處于黏滑和振動(dòng)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。針對(duì)錐形齒、斧型齒、三棱齒等異型齒破巖機(jī)理開展了大量研究，實(shí)驗(yàn)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(gè)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。

在動(dòng)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℃。貝克休斯正在研發(fā)耐高溫300℃動(dòng)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℃，配合孕鑲金剛石鉆頭，可大幅提高機(jī)械鉆速。對(duì)于隨鉆測(cè)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(duì)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。

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)模化應(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(shí)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(shí)增大了巖屑破碎體積，有望有效提高硬地層的機(jī)械鉆速。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。

壓裂造儲(chǔ)

壓裂造儲(chǔ)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(chǔ)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)?/a>。截至2020年底，全球累計(jì)建設(shè)示范性EGS工程項(xiàng)目逾60項(xiàng)，但目前實(shí)施的EGS項(xiàng)目中儲(chǔ)層改造效果仍不理想、儲(chǔ)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：

巖石強(qiáng)度大，起裂壓力高，存在誘發(fā)地震風(fēng)險(xiǎn)。澳大利亞Habanero和韓國Pohang干熱巖EGS儲(chǔ)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(jí)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(yàn)項(xiàng)目也因誘發(fā)地震而被迫關(guān)停。

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(xiàng)目表明，干熱巖儲(chǔ)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(chǔ)失敗。

裂縫延伸不可控，注采井溝通困難。干熱巖儲(chǔ)層改造過程應(yīng)力擾動(dòng)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(cè)難度大，美國Fenton Hill項(xiàng)目在3個(gè)階段的儲(chǔ)層改造工作中，經(jīng)歷8次鉆井、5次壓裂才實(shí)現(xiàn)發(fā)電，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(xiàng)目中也出現(xiàn)過注采井無法連通的問題。

要建成安全、經(jīng)濟(jì)、高效的人工熱儲(chǔ)并非易事，如何采用“柔性造儲(chǔ)”的方式有效溝通注采井，避免純粹靠提高壓力改造儲(chǔ)層是構(gòu)建EGS系統(tǒng)的重大難題與需求。柔性造儲(chǔ)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(shí)，有效降低誘發(fā)地震的風(fēng)險(xiǎn)。

以構(gòu)建復(fù)雜立體縫網(wǎng)、降低地震風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)，近年來學(xué)者從傳統(tǒng)水力壓裂造縫和造儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)方法。

 干熱巖人工造儲(chǔ)難題示意圖

流動(dòng)取熱

高效取熱、合理優(yōu)化是深部地?zé)?/a>經(jīng)濟(jì)高效開采的重要保證。干熱巖開采涉及多場(chǎng)(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(huì)影響干熱巖熱儲(chǔ)變形和巖體強(qiáng)度特征，取熱過程受控于其在多場(chǎng)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(chǎng)耦合傳熱機(jī)制不清，熱儲(chǔ)取熱優(yōu)化難、效率低。熱儲(chǔ)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(chǔ)層，地?zé)衢_采伴隨著劇烈的溫度場(chǎng)擾動(dòng)和水巖反應(yīng)(礦物溶解/沉淀)，涉及熱—流—固—化四場(chǎng)耦合，多場(chǎng)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(cè)和優(yōu)化帶來挑戰(zhàn)。

(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(chǔ)長期注采過程中多場(chǎng)時(shí)空演化規(guī)律復(fù)雜，目前缺乏多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)致注采參數(shù)難匹配，開采過程容易形成“優(yōu)勢(shì)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(chǔ)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(yàn)中生產(chǎn)溫度從175℃下降到85℃，日本Hijiori也因開采過程中溫度驟降，出現(xiàn)熱短路，導(dǎo)致項(xiàng)目終止，運(yùn)行時(shí)間不足一年。

熱儲(chǔ)取熱過程熱—流—固—化四場(chǎng)耦合關(guān)系

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(duì)干熱巖EGS已經(jīng)開展了數(shù)10項(xiàng)示范性探索，僅有法國Soultz地區(qū)成功實(shí)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(chǔ)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(duì)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(xiǎn)為核心，大力發(fā)展EGS柔性造儲(chǔ)技術(shù)，根據(jù)裂縫性干熱巖儲(chǔ)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(chǔ)技術(shù)，突破干熱巖復(fù)雜縫網(wǎng)造儲(chǔ)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(chǔ)內(nèi)熱—流—固—化多場(chǎng)耦合換熱機(jī)制，構(gòu)建干熱巖開發(fā)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)和調(diào)控方法，為干熱巖地?zé)?/a>經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)，推動(dòng)國家能源轉(zhuǎn)型和綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。