高温干热岩地热开发开采技术重点挑战与现状

平博·PINNACLE中国热能：在全球向多元化“新能源时代”转型的大趋势下，中国作为能源消费大国和负责任大国，肩负着促进地区能源转型、实现绿色低碳可持续发展的重任。作为巴黎气候协定的缔约方，中国积极应对气候变化，提出了2030年碳达峰、2060年碳中和的远景目标。国家“十四五”规划明确提出“推动能源清洁低碳安全高效利用”，并在中央财经委员会第九次会议上把“双碳”目标纳入了我国生态文明建设整体布局，大力开发清洁可再生能源，契合我国能源重大战略需求。

地热能作为一种重要的清洁可再生能源，具有低碳环保、稳定高效等特点，与风能、太阳能等能源相比，不受季节、气候、昼夜等外界因素干扰，发电利用效率(Capacity factor)达73%，约为太阳能的5.2倍、风能的3.5倍，是一种现实并具有竞争力的新能源。

地热能主要包含水热型(含水)和干热岩型(不含水)两类，目前我国地热能开发仍以水热型为主，中低温地热直接利用居世界首位，而高温干热岩地热开发尚处于起步阶段。

干热岩增强型地热系统

增强型地热系统(Enhanced Geothermal Systems，简称EGS)是目前开发干热岩的主要手段，原理如图2所示，即通过水力压裂等方法在高温地层中人工造储，形成裂缝网络沟通注入井和生产井，之后循环工质取热，进行发电和综合利用。干热岩EGS已成为国际能源领域的研究热点，美、英、日、法、德等相继实施了大规模EGS地热项目。我国干热岩地热资源分布广泛，近年来在藏南、滇西、川西、东南沿海等地区相继取得了重大勘探突破，并开始着手建立我国首个干热岩EGS示范工程。

 全球主要地热资源分布

我国干热岩地热研究起步较晚。2012年初，在中科院组织起草的《科技发展新态势与面向2020年的战略选择》报告中，“深层地热能将成为主要可再生能源之一”被列入其中，成为“十二五”和“十三五”期间着重突破的重大科技问题之一。同年，国家高技术研究发展计划(863计划)启动了“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”项目。

2013年，制定了《全国干热岩勘查与开发示范实施方案》，在青藏高原、东南沿海、华北平原和松辽盆地开展了干热岩资源调查，初步拟定了我国干热岩地热勘察开发的关键技术体系。2016年开始实施“全国地热资源调查评价与勘查示范工程”，先后在青海共和、海南琼北、福建漳州等地区钻遇优质干热岩体，干热岩资源潜力得到验证。

然而，根据国际地热协会(IGA)数据，截至2021年，全球累计地热发电装机容量为15.85 GW，而中国地热发电能力约为45.46 MW，占比仅为0.29%，亟需形成干热岩高效钻采与调控技术，推动我国深层高温地热开发利用进程。为此，2021年国家自然科学基金委启动了地热领域首个重大项目“干热岩地热资源开采机理与方法”，项目由中国石油大学(北京)牵头，旨在借鉴油气行业成熟的钻采理论和技术，超前部署，开展多学科交叉和综合性研究，提升我国干热岩地热基础研究的源头创新能力。

 干热岩增强型地热系统示意图

重大挑战与技术现状

快速钻达地热储层(建井)、形成稳定的热储通道(造储)以及循环工质高效取热(开采)是干热岩EGS的3大技术关键。然而，相比于油气和中低温地热储层，干热岩储层地质条件复杂，具有典型的“四高”特征：

(1)高温度：干热岩温度高于180℃，美国大部分干热岩储层温度基本都在200℃以上，美国Geysers以及冰岛的EGS示范项目部分储层甚至高达400℃;(2)高硬度：干热岩资源主要赋存于高温坚硬的花岗岩和变质岩中，埋深大部分超过3000 m，部分地层岩石单轴抗压强度在200 MPa以上，可钻性达10级，研磨性极强；

(3)高应力：因构造运动活跃，最大水平主应力当量钻井液密度超过2.8 g/cm3，是常规泥页岩的2倍以上；

(4)高致密：地层岩石密度大(2.8～3.1 g/cm3)、孔隙度和渗透率极低(<10-3 m D)。上述复杂地质条件，使得干热岩地热开采在钻井建井、压裂造储和流动取热等关键环节面临重大难题和技术挑战。

钻井建井

钻达地热储层、形成稳定井眼是实现深部地热资源开采的先决条件。钻井是干热岩资源开发的主体技术(约占总投资的35%～60%)，在超高温、异常坚硬的储层中建成可靠的循环注采井筒通道，是地热资源勘探、提高产量、降低成本最主要的工程环节。然而，由于深部地热储层岩体高温、高强度、耐研磨等特点，干热岩钻完井面临以下几方面的技术挑战：

(1)干热岩硬度高、耐研磨，地层可钻性极差，导致钻头磨损严重。青海共和盆地进尺2497 m消耗钻头50余只，单只钻头平均进尺不足40 m，美国Geysers地热田花岗岩地层单只钻头甚至不足30 m。

(2)机械钻速低，建井周期长、成本高，严重制约了干热岩的商业化开发。美国芬顿山EE-2井(4660 m)建井周期410天，冰岛IDDP-1井(2096 m)钻井周期402天，我国青海共和GH01井中钻进花岗岩井段平均钻速仅1.43 m/h，建井周期长达430天。

(3)钻井液体系在高温下流变性和稳定性发生劣化，高温井眼清洁效果差，护壁和携岩能力降低，加之地层裂缝和断层发育，导致钻井液漏失严重，容易诱发井下安全事故。

(4)高温引起水泥浆固结缓慢和水泥石强度衰退，造成套管挤压变形和密封失效，影响成井安全，如肯尼亚OW-36A井和法国Soultz干热岩项目，均出现了水泥环高温失效导致的套损问题。此外，传统水泥浆体系未考虑隔热作用，导致EGS注采过程中井筒沿程热损失严重，影响地热能发电和综合利用效率。

高温硬地层高效破岩及钻井提速技术

岩石可钻性评价是实现钻头选型和个性化设计的基础。现有可钻性评价主要针对砂岩或泥页岩等常规沉积岩地层，鲜有关于高温花岗岩可钻性等钻井关键参数的评价报道，缺乏高温高压(>200℃)条件下硬岩可钻性等钻井参数的评价方法和体系，钻头选型及参数设计缺乏理论依据。

 世界典型EGS工程井深与热储温度

钻头作为破岩的主要工具，是实现干热岩优快钻井的关键。为适应干热岩井下高温环境，国内外对钻头进行结构优化和材料升级，贝克休斯牙轮钻头最高耐温能力达到288℃，国民油井Reed-Hycalog超硬热稳定PDC可钻穿抗压强度达到280 MPa的硬地层，并具有很强的耐磨性和抗冲击性[干热岩钻井需求，但高温高压下轴承寿命问题无法解决，在干热岩井中工作时长和稳定性得不到保障，掉牙轮情况频发，井下风险高，且提速效果不理想。

干热岩地层中钻速低的主要原因是常规破岩手段能量不足，对于花岗岩等硬地层钻头齿吃入深度有限，难以形成体积破碎，同时钻头工作状态不稳定，持续处于黏滑和振动等不利工作环境中，牙齿崩裂磨损严重。异形齿PDC钻头在高强度、高研磨性地层钻井中展现出良好的适用性，可通过采用新材料增强其耐温和抗冲击性能，近年来引起了各大油服公司和国内外学者的广泛关注。针对锥形齿、斧型齿、三棱齿等异型齿破岩机理开展了大量研究，实验结果表明：锥形齿等异形齿破岩性能和吃入岩石能力均优于常规PDC齿，可大幅降低破岩比能、提高机械钻速。因此，基于异型齿混合布齿的个性化自适应PDC钻头，配合耐温耐冲击增强型材料，有望为干热岩硬地层破岩效率低的问题提供解决思路。

在动力钻具和提速方法方面，螺杆钻具在高温下橡胶部件老化，导致在干热岩中应用受限，我国高温螺杆钻具耐温一般不超过180℃。贝克休斯正在研发耐高温300℃动力钻具系统，包括Kymera钻头、全金属螺杆钻具、螺杆用金属间润滑剂等。相比于螺杆钻具，涡轮钻具由于其全金属的结构特点，耐温能力普遍可以达到260℃，配合孕镶金刚石钻头，可大幅提高机械钻速。对于随钻测量等含电子元件工具，目前耐温能力普遍不超过180℃，特别是对于空气钻井或泡沫钻井，工具抗高温性能尚难以满足干热岩高温环境。

旋转冲击器和扭力冲击器在油气井中提速效果好，采用金属密封结构能够适应260℃以上高温环境，但目前未规模化应用于干热岩钻井工程。旋冲钻井和扭冲钻井利用了硬岩脆性强、冲击易碎的特点，实现切削与冲击破岩的结合，提高了PDC齿吃入地层的深度，同时增大了岩屑破碎体积，有望有效提高硬地层的机械钻速。建议后续加强高温高应力下轴扭耦合破岩机理研究，探索多维冲击耦合破碎干热岩方法的可行性。

压裂造储

压裂造储是干热岩EGS开发的核心步骤，直接决定着干热岩地热开采的成败及整体经济效益。干热岩造储要求形成大规模连通的复杂立体缝网(图6)，造缝要求高、改造难度大，注采井沟通困难，油气行业传统的水力压裂技术无法照搬到深层地热。截至2020年底，全球累计建设示范性EGS工程项目逾60项，但目前实施的EGS项目中储层改造效果仍不理想、储层改造方法和注采井沟通方案仍不成熟，主要面临以下难题：

岩石强度大，起裂压力高，存在诱发地震风险。澳大利亚Habanero和韩国Pohang干热岩EGS储层改造中地层破裂压力均超过了100 MPa，其中2017年11月韩国Pohang发生的Mw5.4级地震，被认为由干热岩压裂所导致，2006年瑞士的巴塞尔干热岩试验项目也因诱发地震而被迫关停。

裂缝单一，难以形成缝网，容易引起热短路。大规模的复杂立体缝网是EGS高效换热的基础，然而日本Hijiori、德国GroßSchönebeck、英国Rosemanowes等EGS项目表明，干热岩储层人工压裂形成的裂缝通常较为单一、换热面积有限，注采井间容易形成高渗通道，发生热短路，导致造储失败。

裂缝延伸不可控，注采井沟通困难。干热岩储层改造过程应力扰动复杂，强温差热应力和天然裂缝综合影响下水力裂缝扩展预测难度大，美国Fenton Hill项目在3个阶段的储层改造工作中，经历8次钻井、5次压裂才实现发电，但最终仍由于人工裂缝未有效沟通注采井、循环工质严重流失等原因而被迫终止，此外英国的Rosemanowes和日本的Hijiori干热岩项目中也出现过注采井无法连通的问题。

要建成安全、经济、高效的人工热储并非易事，如何采用“柔性造储”的方式有效沟通注采井，避免纯粹靠提高压力改造储层是构建EGS系统的重大难题与需求。柔性造储是指通过热力交变、压力/排量振荡以及化学刺激等相结合的方法，诱导岩体疲劳损伤和裂缝剪切滑移，沟通天然裂缝，在降低起裂压力、提升缝网尺度和复杂度的同时，有效降低诱发地震的风险。

以构建复杂立体缝网、降低地震风险为目标，近年来学者从传统水力压裂造缝和造储新方法两方面开展了大量研究，探索了剪切压裂、循环/疲劳压裂、化学刺激、径向井压裂以及超临界二氧化碳和超低温液氮压裂等干热岩热储改造新思路，但总体上技术仍不成熟，尚未形成一种“可复制”的干热岩高效造储方法。

 干热岩人工造储难题示意图

流动取热

高效取热、合理优化是深部地热经济高效开采的重要保证。干热岩开采涉及多场(温度、应力、位移/应变)、多相(气、液、固)、多过程(渗流、热传导、应力演化、水岩反应等)耦合，气液运移、热传导和化学反应会影响干热岩热储变形和岩体强度特征，取热过程受控于其在多场多过程耦合作用下跨尺度的物理/力学/化学机制，EGS取热面临以下2方面挑战：

(1) 多场耦合传热机制不清，热储取热优化难、效率低。热储内工质高效取热是干热岩开发的根本目标。然而不同于油气储层，地热开采伴随着剧烈的温度场扰动和水岩反应(矿物溶解/沉淀)，涉及热—流—固—化四场耦合，多场耦合作用下地层渗流和热交换机制复杂，为取热效率预测和优化带来挑战。

(2)注采参数难匹配，开采调控缺乏依据、寿命短。合理的开采制度是干热岩长效开发的重要保证。然而，热储长期注采过程中多场时空演化规律复杂，目前缺乏多目标优化设计方法，导致注采参数难匹配，开采过程容易形成“优势通道”，如法国Soultz的GPK-3井中单条裂缝控制了70%的流量，为热储长期均衡取热带来挑战。美国Fention Hill的EE-1井和GT-2井在为期75天的注采试验中生产温度从175℃下降到85℃，日本Hijiori也因开采过程中温度骤降，出现热短路，导致项目终止，运行时间不足一年。

热储取热过程热—流—固—化四场耦合关系

干热岩地热资源分布广、潜力大，是传统化石能源转型的新机遇，也是国家绿色低碳发展的潜在着力点之一。尽管国内外自上世纪70年代以来针对干热岩EGS已经开展了数10项示范性探索，仅有法国Soultz地区成功实现了商业化运行，“可复制性”较低、难以大规模推广。

因此，强化干热岩开采相关基础理论与应用技术研究，突破建井、造储和取热3大关键难题，是寻求干热岩经济高效开发的根本途径。首先，要以经济性为导向，针对干热岩钻井建井成本较高的问题，重点探索适用于干热岩地层的高效破岩和钻井提速方法，缩短钻井周期和成本；

其次，以构建复杂缝网、降低诱发地震风险为核心，大力发展EGS柔性造储技术，根据裂缝性干热岩储层特点，以激活和沟通天然裂缝为突破口，形成裂缝性地层复杂缝网造储技术，突破干热岩复杂缝网造储理论与方法；

最后，以资源利用和长效开发为目标，重点突破热储内热—流—固—化多场耦合换热机制，构建干热岩开发方案优化设计和调控方法，为干热岩地热经济高效开发奠定理论基础，推动国家能源转型和绿色低碳高质量发展。