國內外干熱巖壓裂技術現狀及發展建議

陳 作， 許國慶， 蔣漫旗

（1. 中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；2. 中國石油勘探開發研究院，北京 100083）

隨著國內外對環保問題重視程度的不斷提高，大力發展地熱、天然氣水合物等清潔能源勢在必行，而干熱巖(hot dry rock，HDR)是其中最具應用價值和潛力的清潔能源[1]。美國、英國、法國、德國、瑞士、日本、澳大利亞等國家對干熱巖開發技術研究較早，關于增強型地熱系統(enhanced geothermal systems，EGS)的研究與應用已有40余年的歷史，其中，美國是最早進行干熱巖開發研究的國家。1974年，美國與英、法、德、日等國家聯合，在新墨西哥州中北部的芬頓山成立了干熱巖研究中心。近年來，國外干熱巖開發進展較快，在熱應力對裂縫起裂和延伸的作用機理、水力壓裂裂縫形態物理模擬、熱-流-固耦合的數值模擬等方面進行了大量研究，并開展了現場壓裂試驗與裂縫監測，基本形成了一套干熱巖壓裂技術。1984年，美國通過水力壓裂改造，在芬頓山建成了世界上第一座高溫巖體地熱發電站，裝機容量10.0 MW[2]。之后，世界各國均開展了干熱巖商業開發試驗，德國建成了Landan和Insheim地熱電廠，裝機容量分別為3.8和5.0 MW，法國蘇爾茨EGS發電廠裝機容量2.2 MW[3]，基本達到了商業應用的規模。我國自20世紀70年代初開始大規模勘察和開發利用中淺層地熱資源，主要用于地熱供暖、醫療、洗浴、娛樂健身等[4-6]。2014年，青海共和縣盆地中北部地下2 230 m處發現干熱巖，這是我國首次發現可大規模利用的干熱巖資源。

目前，我國在干熱巖資源勘查和鉆井技術方面取得了一定進展[7-8]，但干熱巖壓裂技術的基礎研究比較薄弱，僅在高溫巖體力學特性、熱破裂對地層滲透性影響、多場耦合數值模擬等方面進行了室內研究，尚未開展過以注采為目的、井底溫度180 ℃以上的干熱巖的大規模現場壓裂試驗[9]。因此，筆者歸納總結了國外在干熱巖壓裂基礎理論研究和壓裂施工方面取得的主要成果，針對我國干熱巖的儲層特點，提出了開展基礎理論研究和高溫硬地層縫網壓裂技術攻關，并通過現場壓裂試驗不斷完善，從而逐步形成干熱巖配套壓裂技術的發展建議，這對于促進我國干熱巖壓裂技術的發展及干熱巖熱能的高效開發具有一定的指導作用。

1 國外干熱巖壓裂技術現狀

國外對干熱巖壓裂技術的研究較為系統，包括裂縫擴展的微觀力學數值模擬、水力壓裂室內物理模擬、壓裂長期試驗、裂縫長期監測以及現場應用等。研究結果表明，國外干熱巖壓裂以小排量、大液量、長時間、清水不加砂壓裂為主，干熱巖在壓裂時以剪切破裂為主，儲層壓裂后過熱體積大幅度增加，滲透率可提高約2個數量級。

1.1 干熱巖壓裂技術基礎研究

I. Tomac和A. Riahi等人[10-11]采用微觀力學離散單元法和離散裂縫網絡法研究了EGS中壓裂裂縫起裂和延伸特征，并得到如下認識：

1）注入水與干熱巖的溫差效應會導致巖石微破裂（如圖1所示），微裂隙不僅存在于裂縫表面，還有向垂直于裂縫面擴展的趨勢，壓裂流體滲入微裂隙后巖石進一步發生微破裂，使微裂隙的范圍不斷擴大，裂縫形態逐漸復雜化。

圖1 溫差效應引起的干熱巖微破裂示意Fig.1 Schematic of micro-fractures on dry hot rock caused by temperature difference effect

2）由于附加熱應力的影響，裂縫端部和沿主應力方向的裂縫發生扭曲。

3）注入排量較低時，裂縫面積更大。注入排量過高會導致壓力快速上升，在早期就超過地層破裂的臨界壓力，形成主裂縫，導致裂縫面積較小。注入排量較低時，主要為熱破裂，巖石先發生微破裂，壓裂液進入微裂隙后使其進一步擴展，從而形成較大的裂縫面積。

美國科羅拉多礦業大學L. Frash等人[12]采用耐高溫（180 ℃）真三軸試驗裝置，進行了巖樣裂縫起裂的室內物理模擬研究?？屏_拉多玫瑰紅花崗巖巖樣尺寸為30 cm×30 cm×30 cm，試驗流體為清水、鹽水和黏度71.5 mPa·s的原油，試驗溫度50 ℃、注入排量3 mL/s。原油注入主水力裂縫的注入曲線與注入后的裂縫形態見圖2。通過試驗得到的結論是：

圖2 原油注入曲線與注入后的裂縫形態Fig.2 Curve of crude oil injection pressure versus time and the fracture morphology after injection

1）巖石破裂需要達到一定的壓裂液排量和較長的注入時間，注入壓力對排量非常敏感；

2）壓裂過程中巖石塑性特征表現明顯；

3）巖石破裂壓力遠遠高于最大主應力和最小主應力；

4）巖石壓裂后形成了主裂縫和一些微裂縫，主裂縫方位垂直最小主應力方向；

5）在相同條件下，清水壓裂時的地層破裂壓力為7 MPa，較原油壓裂時的地層破裂壓力降低61.3%。

1.2 干熱巖主體壓裂技術的特點

目前，國外干熱巖壓裂井數量總體較少，有文獻報道的有美國的芬頓山試驗場、Newberry[13]和Geysers[14]項目，以及德國的Landan項目、法國的蘇爾茨項目和日本的Hijiori項目等[15]，其干熱巖的巖體條件、埋藏深度與溫度雖然各不相同，但主體壓裂技術均為直井和定向井清水壓裂技術，或者清水壓裂+輔助酸化改造技術，少部分井采用了分層壓裂技術，最大壓裂深度5 270 m，且全程裂縫監測?？傮w來看，國外干熱巖主體壓裂技術具有如下特點：

1）注入排量小，持續時間長。干熱巖壓裂因起裂壓力高、期望形成的裂縫面積和連通體積較大等原因，注入排量一般小于3.0 m3/min，且持續時間較長。例如，Newberry項目的55-29井，壓裂作業時注入排量1.3～1.4 m3/min，注入時間長達960 h；芬頓山試驗場的EE-3井在壓裂時平均注入排量1.4 m3/min，也有極少數井（如EE-2井）注入排量達到 6.0 m3/min，見表 1。

表 1 國外部分干熱巖井壓裂施工數據Table 1 Fracturing treatment data from some of foreign dry hot rock wells

2）注入液量大。干熱巖壓裂注入液量大，例如，Newberry項目的55-29井在壓裂時，單層注入液量超過5 000 m3，最大液量為26 225 m3；芬頓山試驗場的EE-2井注入液量21 300 m3，EE-3井注入液量則達到了75 903 m3（見表1）。

3）清水壓裂，不加支撐劑。干熱巖壓裂過程中一般不使用壓裂液基液或交聯壓裂液，而是采用清水或降阻水，且不加支撐劑，主要依靠剪切裂縫或微裂隙來保持裂縫導流能力。

4）采用輔助酸化措施，提高近井裂隙的滲透性。干熱巖一般先采用清水壓裂后，再采用鹽酸、氫氟酸或螯合酸進行酸化，以提高裂隙的連通性和滲透率。例如，法國蘇爾茨項目的GPK4井在壓裂后，采用15%HCl+3%HF進行酸化處理，注水井的注入速率提高了35%。

5）分層壓裂。為建立較大規模的人工熱儲層或與對應注采井建立連通關系，部分井采用了分層壓裂技術，分層壓裂工具為裸眼耐高溫封隔器或可熱降解的暫堵材料。例如，法國蘇爾茨項目的GPK2井采用裸眼耐高溫封隔器對上儲層和下儲層分別進行了壓裂改造，監測結果顯示，該井上下兩個儲層在分層壓裂后實現了連通（如圖3所示）。

圖3 GPK2井上下儲層示意及分層壓裂后微地震波事件監測結果Fig.3 Schematic of the upper/lower reservoirs and the monitoring results of microseismic wave events after separated fracturing in well GPK2

6）壓裂全過程裂縫監測。人工改造熱儲層的空間范圍是決定干熱巖開發利用貢獻大小和壽命的關鍵因素，因此，整個壓裂過程中均要采用微地震進行壓裂裂縫監測。Geysers項目中所有注入井和生產井均進行了長時間的裂縫監測，并與模型預測結果進行了對比，結果見圖4。

圖4 Geysers項目中生產井和注入井微地震裂縫監測結果Fig.4 Microseismic events monitoring results of production and injection wells in the Geysers project

7）改造體積大，效果明顯。美國芬頓山試驗場EE-3井的裂縫微地震監測結果發現，其改造體積達3 000×104m3，生產井產水流量5.34 L/s，產水溫度177.1 ℃。蘇爾茨項目的GPK1井、GPK2井、GPK3井和GPK4井水力壓裂后生產力指數（單位井口壓力下對應的產水流量）提高了15～20倍，產水流量達18 L/s，注水井和生產井的井口壓力基本不變，產水溫度穩定在164 ℃左右，熱能穩定，見圖5。

圖5 蘇爾茨項目中3口井壓裂后的產水流量和溫度變化曲線Fig.5 Post-fracturing water production flowrate and temperature curves of 3 wells in the Sultz project

8）壓裂結束后微裂隙繼續擴展。裂縫監測結果表明，干熱巖井每一次壓裂結束關井后，仍產生大量微地震事件，說明因熱應力的長期作用，微裂隙仍在繼續擴展。

2 國內干熱巖壓裂技術現狀

目前，國內干熱巖壓裂技術的研究還處于探索階段，主要以室內研究為主，包括高溫物理模擬裝置的研制、高溫條件下巖石力學特征測試、溫度-流體-化學-力（THCM）等4場耦合模擬研究以及高溫壓裂流體研制等。

2.1 室內試驗研究

為了模擬高溫及三軸應力下花崗巖的力學特性、熱破裂和滲透率變化，中國礦業大學、太原理工大學等單位研制了耐溫600 ℃、20 MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗機，并利用花崗巖巖樣進行了系列室內試驗[16-21]，同時進行了地熱開發過程中水巖作用對儲層特征的影響研究[22-23]，主要認識如下：

1）在常溫～600 ℃范圍內，花崗巖熱破裂存在一個溫度門檻值，當溫度超過該門檻值后，隨著溫度升高，熱破裂呈間斷性和多期性變化特征。

2）高溫下花崗巖巖樣的破壞模式為典型的剪切破壞，在有圍壓情況下，在低溫（常溫～200 ℃）時，其彈性模量隨溫度升高緩慢下降；在中高溫（200～400 ℃）時，其彈性模量隨溫度升高快速下降；在高溫（＞400 ℃）時，其彈性模量隨溫度升高變化不大，如圖6所示。

圖6 不同溫度下花崗巖巖樣的彈性模量Fig. 6 Elastic modulus of granite samples at different temperatures

3）熱破裂升溫過程中，花崗巖巖樣滲透率隨溫度的升高而呈正指數函數增大。熱破裂初期，花崗巖巖樣滲透率隨溫度的增加而緩慢增加，經歷了多個熱破裂后，其滲透率隨溫度的升高而急劇升高，如圖7所示。

4）注水過程中，冷水進入花崗巖熱儲層后，使儲層中的石英礦物沉淀，溶液中Si離子濃度降低，堿性長石、斜長石、黑云母礦物溶解，Ca2+、Na+和K+濃度升高，地層孔隙度、滲透率逐漸增大。

2.2 多場耦合數值模擬研究

圖7 不同溫度下花崗巖巖樣破裂后的滲透率變化Fig. 7 The permeability change of granite samples after rupturing at different temperatures

為了模擬注采過程中地層高溫熱能、流體流動、巖石應力應變與化學多場耦合及其相互作用機理，吉林大學、中國礦業大學、太原理工大學和遼寧工業大學等高校從不同角度進行了熱-流-固-化多場耦合數值模擬研究[24-31]，其中以熱-流-固三場耦合模擬研究為主。吉林大學還將TOUGHREACT軟件與FLAC3D軟件進行搭接，開發了EGS多相多場耦合數值分析軟件。通過數值模擬研究，主要得到如下認識：

1）高溫花崗巖的熱破裂效應形成的微裂隙和地層中已經存在的裂縫共同擴展，形成較大的裂縫網絡，使巖體滲透率增加；

2）高溫巖體開發過程中，注入冷水使圍巖溫度下降，巖體最小主應力降低，裂縫寬度隨地熱的提取而增加，滲流阻力下降；

3）在后期的注采過程中，若載熱流體采用CO2，其溶解會降低地層水的pH值，使得裂隙通道中方解石發生微溶解，較清水作為載熱流體對裂隙通道物性的影響要小。

3 國內干熱巖壓裂技術攻關建議

3.1 國內干熱巖開發面臨的形勢與壓裂技術難點

我國大陸3～10 km深處干熱巖資源量總計為2.52×1025J，相當于 860×1012t標準煤，其中，溫度150～250 ℃的干熱巖儲量巨大，約為6.3×1024J，按2%的可開采儲量計算，相當于2010年我國能源消費總量的1 320倍[32]。藏南地區、云南西部（騰沖）、東南沿海（浙閩粵）、華北（渤海灣盆地）、東北（松遼盆地）和鄂爾多斯盆地東南緣的汾渭地塹等地區，都是干熱巖的有利目標區[33-35]。目前，我國對生態文明建設和綠色發展高度重視，地熱開發利用面臨歷史性的發展機遇，地熱發展的春天即將到來，而干熱巖作為一種地熱資源，其高效開發利用對于我國能源結構的清潔化意義重大。

干熱巖壓裂不僅要求換熱空間體積足夠大，還要連通性好，不能出現短路現象，因此，很難直接應用砂巖、頁巖和碳酸鹽巖等儲層的成熟壓裂技術。干熱巖壓裂面臨的關鍵技術難點為：

1）要求巨大的換熱體積。若利用干熱巖資源來發電，有學者計算后認為其壓裂改造后裂縫網絡體積應不小于2×108m3[36]，這是一個巨大的換熱體積，常規壓裂技術難以達到。

2）不需要優勢通道。干熱巖壓裂后生產井不僅要有較高的流體產量，而且產出流體要具有較高和穩定的溫度（＞150 ℃），這就要求壓裂后熱儲層中不能存在優勢通道，以避免出現因注入水沿優勢通道突進而大大降低產出流體溫度的問題。

3）壓裂后滲透阻力小。為保持生產井穩定的流體產量，熱儲層壓裂后的流體滲透阻力要不大于0.1 MPa/(kg·s)，這對壓裂裂縫系統滲透空間分布的均勻性和保持恒定的導流能力提出了挑戰。

4）水損耗要小。干熱巖高效開發要求注入水損耗≤10%，因此，要嚴格控制壓裂裂縫走向，避免裂縫與斷裂溝通，造成嚴重的注入水損失。

3.2 干熱巖壓裂技術攻關方向

為促進國內干熱巖的高效開發利用，干熱巖壓裂技術主要有以下幾個攻關方向：

1）開展系統基礎研究。按照非常規資源儲層壓裂要求，進行巖石力學特性和壓裂裂縫特性等基礎研究，包括：高溫高壓下干熱巖楊氏模量、泊松比、斷裂韌性、三向應力狀態及兩向應力差異等力學特性；EGS溫度-滲流-應力-化學等多場耦合（THSC）研究，重點是化學場耦合研究；不同熱應力和不同流體類型條件下縫網形成機制；裂縫長期恒定導流特性。

2）干熱巖壓裂裂縫特性研究。人工熱儲層裂縫形態直接影響著熱量提取效率，它對主裂縫和分支裂縫的形態要求比較苛刻，如果裂縫系統中僅有少量主裂縫，熱流體很容易發生短路，冷流體觸及的熱流體面積有限，會很快耗盡通道附近巖石的熱量，使生產井的產出液體溫度大幅度下降。主裂縫太短，熱導流體得不到充分的換熱，主裂縫過長，流體漏損及抽取難度增加。因此，建造一個既有主縫、又有分支縫或微裂隙的裂縫系統，還是一個無主縫僅有微裂隙的熱儲系統，或者是有少量的一定長度的主縫，以微裂隙為主的裂縫系統，以獲取熱量最大化，是一個值得深入研究的課題。要以換熱體積大、連通性好、注入水不突進以及生產井產水量大、溫度高為目標，開展干熱巖壓裂裂縫特性研究。

3）耐超高溫分層/分段壓裂工具及材料研制。干熱巖壓裂要獲得巨大的換熱體積，依靠單一層段的壓裂改造是不可能實現的，而直井分層或水平井分段壓裂技術能大幅度增加干熱巖換熱體積，這需要用暫堵材料或工具來實現不同壓裂井段之間的封隔。鑒于干熱巖儲層的超高溫條件和裸眼完井方式，且國內暫堵材料和裸眼封隔器或水力噴射工具耐溫均低于200 ℃的現狀，研制耐溫超過200 ℃的暫堵材料和裸眼封隔器或水力噴射壓裂工具勢在必行。

4）高溫硬地層縫網壓裂新工藝及軟件開發。以滲透阻力小、導流能力保持穩定和熱效率高等為目標，開展有別于油氣領域的壓裂新工藝研究，并開發配套的壓裂裂縫優化設計軟件。

5）裂縫長期實時監測技術與評估方法研究。干熱巖壓裂過程中，微裂隙張開程度、走向、改造體積范圍嚴重影響生產井的產水量和溫度，因此，必須研究裂縫長期實時監測技術、裝備與評估技術。

4 結束語

干熱巖是一種資源量巨大的清潔能源，其經濟開發利用技術全球關注，欲將其變成可利用的能源必須進行壓裂改造，但其縫網壓裂模式不能簡單從油氣領域復制。國外干熱巖壓裂技術研究雖然已有40多年，但尚未完全成熟，仍在投入巨資攻關。我國干熱巖壓裂技術還處在探索階段，基礎理論研究薄弱，注采試驗還未開展，因此，需要加強系統基礎理論研究，攻關縫網壓裂新模式，研制耐超高溫的分層/分段壓裂工具及材料，通過現場試驗不斷改進完善，形成適合我國干熱巖儲層特點的縫網壓裂關鍵技術及配套工藝，為推動我國干熱巖資源的高效開發利用提供技術支撐。