各國(guó)干熱巖壓裂開(kāi)發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀及前景

1國(guó)內(nèi)外干熱巖賦存現(xiàn)狀及利用前景

 

    具體來(lái)說(shuō)，干熱巖是一種沒(méi)有水或蒸汽的熱巖體，主要是各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖類(lèi)巖體，埋藏于地下2000～6000m深處，溫度為150～650℃。干熱巖的應(yīng)用過(guò)程是先形成注采井網(wǎng)，一般先將注入井進(jìn)行壓裂改造，形成裂縫系統(tǒng)。將高壓水從加壓井向下泵入，水流過(guò)熱巖中的人工裂隙而過(guò)熱(水、汽溫度可達(dá)到150～200℃)，并從生產(chǎn)井泵上來(lái)，在地面用于發(fā)電，發(fā)電后尾水再次通過(guò)高壓泵注入地下熱交換系統(tǒng)，進(jìn)行循環(huán)利用。該系統(tǒng)通常稱為增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(enhancedgeothermalsystem，簡(jiǎn)稱EGS)。

 

    干熱巖發(fā)電的整個(gè)過(guò)程都是在一個(gè)封閉的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，既沒(méi)有硫化物等有毒、有害物質(zhì)，也無(wú)任何環(huán)境污染物質(zhì)，其采熱的關(guān)鍵技術(shù)是在不滲透的干熱巖體內(nèi)形成熱交換系統(tǒng)。干熱巖蘊(yùn)藏的熱能十分豐富，比蒸汽型、熱水型和地壓型地?zé)豳Y源大得多，比煤炭、石油、天然氣蘊(yùn)藏的總能量還要大。

 

    有關(guān)研究表明，世界各大陸地下都有干熱巖資源。地下熱巖的能量能被自然泉水帶出的幾率僅有1%，而99%的熱巖是干熱巖，沒(méi)有與水共存，因此干熱巖發(fā)電的潛力很大。2005年美國(guó)能源部地?zé)峒夹g(shù)項(xiàng)目辦公室發(fā)起了對(duì)“增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)”地?zé)崮艿脑u(píng)估，由麻省理工學(xué)院提交的《地?zé)崮艿奈磥?lái)》認(rèn)為，“在50年內(nèi)，增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)能提供1億kW或更多的成本上有競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)電容量”。

 

    我國(guó)火山活動(dòng)、地震活動(dòng)頻繁，美國(guó)提出的增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)的設(shè)想可供我們借鑒。事實(shí)上，我國(guó)高溫巖體干熱巖地?zé)豳Y源儲(chǔ)量豐富，地殼深層巖體溫度高。東部地區(qū)地殼薄，有利于開(kāi)發(fā)傳導(dǎo)型地?zé)?，東部沿海地區(qū)如廣東、福建等省區(qū)位于太平洋板塊邊緣，是地?zé)崂玫挠欣貐^(qū)。除了廣東沿海地區(qū)，我國(guó)西藏南、滇西、川西屬喜馬拉雅地?zé)釒?，有資料介紹鉆井2000m即可獲得200℃的高溫?zé)崴堑責(zé)嵊欣貐^(qū)。松遼盆地與渤海灣盆地也是地?zé)豳Y源的有利地區(qū)，另外河南、青海、陜西等地一些大型盆地都具有豐富的地?zé)豳Y源。

 

    根據(jù)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)，中國(guó)大陸3000～10000m深處干熱巖資源總計(jì)相當(dāng)于860萬(wàn)億t標(biāo)準(zhǔn)煤，是中國(guó)目前年度能源消耗總量的26萬(wàn)倍。按照廣東省面積所占中國(guó)大陸比例，可粗略估算出廣東省擁有干熱巖資源約16萬(wàn)億t標(biāo)準(zhǔn)煤，約是2015年廣東省能源消費(fèi)總量的53075倍。廣東南部沿海地?zé)峄顒?dòng)明顯，巖體時(shí)代較新，出露面積巨大，有利于形成干熱巖系統(tǒng)。

 

    從全國(guó)來(lái)說(shuō)，油氣資源都屬于一次性資源，油氣枯竭后，人們必須尋找新型能源以滿足經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展；而且油氣資源利用還存在環(huán)境污染問(wèn)題，尋找并利用清潔的非常規(guī)能源是當(dāng)務(wù)之急。

 

2國(guó)內(nèi)外干熱巖熱能開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

 

    經(jīng)過(guò)多年研究與探索，美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本和英國(guó)等科技發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)在干熱巖發(fā)電的基本原理和基本技術(shù)方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。美國(guó)人莫頓和史密斯于1970年提出利用地下干熱巖體發(fā)電的設(shè)想。據(jù)KeithEvans于2010年的資料，美國(guó)在FentonHill(1972～1996年)，淺部?jī)?chǔ)層(2.8km)及深部?jī)?chǔ)層(4.2km)，水損失分別為10%、16%。

 

    英國(guó)在Rosemanowes地區(qū)(1978～1991年)，儲(chǔ)層深度2.2km，采用3井系統(tǒng)循環(huán)測(cè)試200天，溫度70℃，水損失21%。

 

    日本在Hijiori地區(qū)(1985～2002年)的淺層儲(chǔ)層(1.8km)循環(huán)3個(gè)月，溫度165℃，水損失23%；在深部?jī)?chǔ)層(2.2km)運(yùn)行了10個(gè)月，溫度180℃，水損失64%。

 

    法國(guó)的Soultz項(xiàng)目(自1987年至今)，于淺部?jī)?chǔ)層(2.9～3.5km)運(yùn)行4個(gè)月，溫度135℃，水損失為0。發(fā)達(dá)國(guó)家的干熱巖研究及開(kāi)發(fā)已經(jīng)有40多年的歷史，而我國(guó)在干熱巖開(kāi)發(fā)利用方面尚處于探索階段。

 

    2010年，國(guó)土資源部啟動(dòng)了干熱巖高溫鉆探技術(shù)方面的研究，包括鉆探工藝、器具及設(shè)備配套研究和孔底連通技術(shù)預(yù)研究；2012年，吉林大學(xué)、清華大學(xué)、中科院廣州能源研究所先進(jìn)能源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目，開(kāi)啟了國(guó)內(nèi)專(zhuān)門(mén)針對(duì)干熱巖工程的研究；2013年，國(guó)土資源部在青海共和盆地中北部鉆成了井深2230m、井底溫度達(dá)153℃的干熱巖井，對(duì)干熱巖地?zé)衢_(kāi)發(fā)進(jìn)行了探索試驗(yàn)，未壓裂；國(guó)內(nèi)第一口干熱巖綜合科研鉆井已于2015年5月正式開(kāi)鉆。

 

3干熱巖熱能開(kāi)發(fā)的井網(wǎng)選擇技術(shù)

 

    干熱巖采熱的關(guān)鍵技術(shù)是在不滲透的干熱巖體內(nèi)形成熱交換系統(tǒng)，也就是說(shuō)，要形成注入井與采熱井之間的連通。根據(jù)已經(jīng)公開(kāi)的資料，干熱巖的井網(wǎng)結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單。

 

3.1一注一采系統(tǒng)

 

3.1.1美國(guó)芬頓山

 

    美國(guó)芬頓山井底溫度200℃，井深約2000m。較初設(shè)計(jì)對(duì)井GT-2和EE-1，而后因?qū)β?lián)系較差，GT-2井加深鉆至2500m成為GT-2A井，經(jīng)反復(fù)壓裂，仍未能與EE-1井形成對(duì)井系統(tǒng)。重新鉆新井GT-2B井(第三口井)，鉆入EE-1和GT-2A壓裂形成的裂隙系統(tǒng)中，較終GT-2B與EE-1井形成較好的對(duì)井系統(tǒng)，回灌循環(huán)產(chǎn)生熱流功率為3～5MWt，試驗(yàn)性地驅(qū)動(dòng)了一個(gè)60kW發(fā)電機(jī)。

 

    1978年，美國(guó)芬頓山設(shè)計(jì)對(duì)井EE-2和EE-3，熱儲(chǔ)構(gòu)造位于地下3000m深的片麻巖和片巖之中。EE-3井經(jīng)水力壓裂未能與EE-2井形成較好的水力聯(lián)系。于是根據(jù)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在井深2830m處側(cè)向開(kāi)鉆，形成EE-3A井，較終井深4018m，進(jìn)入EE-2井和EE-3井壓裂形成的裂隙系統(tǒng)中。EE-2和EE-3A之間的生產(chǎn)回灌試驗(yàn)顯示，回灌水回收率在66%左右。

 

3.1.2日本雄勝(Ogachi)

 

    項(xiàng)目始于1990年，注入井OGC-1井深1000m，井底溫度230℃，于井底和井深710m處兩次壓裂。生產(chǎn)井OGC-2井深900m，井底溫度240℃。注水試驗(yàn)顯示回收率只有3%，OGC-2井經(jīng)壓裂后回收率提高到10%，OGC-1和OGC-2再次進(jìn)行壓裂，回收率達(dá)到25%。

 

    為了改善這一情況，項(xiàng)目組通過(guò)微震監(jiān)測(cè)估計(jì)出裂隙系統(tǒng)的位置，并使新井OGC-3鉆入裂隙系統(tǒng)中。OGC-1和OGC-3井之間的水力聯(lián)系有了很大改善，注入水回收率大幅提高。Ogachi項(xiàng)目表明，將后鉆井鉆入已有裂隙系統(tǒng)，遠(yuǎn)比同時(shí)鉆進(jìn)而后通過(guò)水力壓裂建立聯(lián)系的方法有效。

 

3.1.3法國(guó)Soultz項(xiàng)目

 

    法國(guó)蘇爾茨項(xiàng)目較初試驗(yàn)為一注一采。GPK1井完井于1992年，較終井深3590m。根據(jù)GPK1鉆進(jìn)和壓裂過(guò)程的微震監(jiān)測(cè)，GPK2井定位、鉆進(jìn)、完井于1995年，井深3876m，井底距GPK1井650m。在壓裂GPK2井的過(guò)程中，GPK1井的壓力反應(yīng)明顯，顯示出較好的水力聯(lián)系。雙井注入生產(chǎn)試驗(yàn)流量達(dá)到25kg/s(1.5m3/min)，流體溫升94℃，回收率接近100%。

 

蘇爾茨較初試驗(yàn)為一注一采，2009年采用二注二采，2011年兆瓦級(jí)發(fā)電時(shí)為減少誘發(fā)地震而采用二注一采。

 

3.1.4澳大利亞Habanero

 

    Habanero-1井完井于4421m深處，并使用鹽水進(jìn)行水力壓裂，主裂隙于4136m深處形成，呈水平方向伸展，覆蓋面積約3km2。隨后Habanero-2井失敗，Habanero-3井爆炸，2012年又鉆Habanero-4井，與Habanero-1井組成一注一采系統(tǒng)。注水生產(chǎn)試驗(yàn)中流量達(dá)到25kg/s，生產(chǎn)井口溫度210℃。

 

3.2干熱巖一注三采系統(tǒng)

 

    肘折干熱巖的母巖為花崗閃長(zhǎng)巖，平均每米有10～20條裂縫。Hijiori項(xiàng)目始于1989年，位于Hi-jiori火山南坡。該項(xiàng)目有1口注水井SKG-2和3口生產(chǎn)井HDR-1、HDR-2和HDR-3。井距較短，注水井距3口生產(chǎn)井的距離分別為40m、50m和55m。SKG-2完井后進(jìn)行了水力壓裂，注水試驗(yàn)顯示有超過(guò)70%的注入水流失。為提高回收率，3口生產(chǎn)井加深后重新壓裂，回收率提高到50%左右。在注水試驗(yàn)?zāi)┢?，HDR-2井出現(xiàn)熱突破，溫度由163℃驟降至100℃，項(xiàng)目終止。日本Hijiori項(xiàng)目是因?yàn)橛龅蕉搪番F(xiàn)象而終止。

 

4壓裂改造技術(shù)在干熱巖開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

 

4.1裂縫形態(tài)決定井網(wǎng)模式

 

    地應(yīng)力決定裂縫形態(tài)，當(dāng)較小主應(yīng)力位于水平方向時(shí)，裂縫為垂直裂縫，一般采用一注一采模式，比如美國(guó)芬頓山(2000m、4018m)、日本Ogachi項(xiàng)目(1000m)、法國(guó)Soultz項(xiàng)目(3590m)。當(dāng)較小主應(yīng)力位于垂直方向，裂縫呈現(xiàn)水平狀態(tài)，此時(shí)裂縫為圓盤(pán)狀，可以采用一注一采模式布井，也可以采用一注三采。如澳大利亞的Habanero熱采項(xiàng)目采用一注一采模式(井深4421m)，肘折干熱巖采用一注三采模式(1800m/2200m)。

 

4.2壓裂技術(shù)普遍適用于注采井的連通

 

    從已經(jīng)取得成功的干熱巖開(kāi)采項(xiàng)目來(lái)看，壓裂技術(shù)普遍適用于干熱巖的開(kāi)發(fā)，只是與油氣藏壓裂改造略有不同。由于注采井的連通非常重要，而要保證連通，注入井與采出井一般都需要適當(dāng)規(guī)模的壓裂，在地層中制造出一定規(guī)模的裂縫，造成井與井之間裂縫的連通。尤其是注入井，一般要進(jìn)行壓裂，通過(guò)裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)獲得裂縫的延展情況以后，在裂縫的延展處鉆成采出井，注采連通有較大的把握。

 

    對(duì)于事先布好的成對(duì)的注采井，由于布井位置與裂縫延展方位的不理想，有可能在初期運(yùn)行階段注采不連通。此時(shí)需要加大注入井的壓裂規(guī)模，采用技術(shù)手段觀察壓裂形成的裂隙系統(tǒng)的區(qū)域方位，然后于此區(qū)域方位內(nèi)鉆新井，新井將與老井形成良好的溝通。比如美國(guó)早期的芬頓山項(xiàng)目，GT-2B井(第三口井)鉆入老井壓裂形成的裂隙系統(tǒng)中，新井與老井之一形成較好的對(duì)井系統(tǒng)；1978年，美國(guó)芬頓山設(shè)計(jì)對(duì)井EE-2和EE-3，EE-3井經(jīng)水力壓裂未能與EE-2井形成較好的水力聯(lián)系，EE-3井側(cè)鉆形成EE-3A井，進(jìn)入EE-2井和EE-3井壓裂形成的裂隙系統(tǒng)中，EE-2和EE-3A之間連通良好。

 

    日本Ogachi項(xiàng)目也是這樣，注入井OGC-1與生產(chǎn)井OGC-2初期不連通，注水試驗(yàn)顯示回收率只有3%，注采井經(jīng)過(guò)壓裂，回收率達(dá)到25%。項(xiàng)目組通過(guò)微震監(jiān)測(cè)估計(jì)出裂隙系統(tǒng)的位置，并使新井OGC-3鉆入裂隙系統(tǒng)中，獲得成功。Hijiori項(xiàng)目有1口注水井和3口生產(chǎn)井，注水井完井后進(jìn)行了水力壓裂處理，注水試驗(yàn)顯示有超過(guò)70%的注入水流失。3口生產(chǎn)井加深后重新壓裂，回收率提高到50%左右。

 

4.3天然裂縫在裂縫延展方面具有控制作用

 

    天然裂縫有大天然裂隙、不規(guī)則天然裂縫等多種賦存狀態(tài)，各種狀態(tài)的天然裂縫在壓裂過(guò)程中的作用機(jī)理不同。當(dāng)存在大的天然裂隙時(shí)，由于天然裂縫在地下呈現(xiàn)開(kāi)啟的狀態(tài)，人工裂縫可能沿著天然裂縫延伸，也可能穿過(guò)天然裂縫而延伸。此種影響與水力壓裂過(guò)程中天然裂縫的影響一致。

 

    人工裂縫的延伸途徑與天然裂縫發(fā)育角度、原地應(yīng)力場(chǎng)、壓裂過(guò)程中采用的液體及技術(shù)、施工參數(shù)的選取密切相關(guān)。因此，當(dāng)人們要達(dá)到某一目的時(shí)，往往需要裂縫沿著天然裂縫延伸，此時(shí)就需要詳細(xì)掌握天然裂縫的發(fā)育方位及地應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)要采取合理的壓裂泵注參數(shù)，保證人工裂縫的延展方位。此時(shí)，只需要裂縫發(fā)生剪切破壞，其優(yōu)點(diǎn)是，巖體形成的裂隙面足夠大而隙寬維持較小，流體在裂隙面中穿過(guò)時(shí)流速不會(huì)過(guò)快，這樣就可以使流體在從注入井到生產(chǎn)井的流動(dòng)過(guò)程中充分地與儲(chǔ)層換熱，從而達(dá)到理想的開(kāi)發(fā)溫度。

 

    同時(shí)，也可以通過(guò)減少短路循環(huán)和過(guò)早形成熱突破而延長(zhǎng)儲(chǔ)層壽命。成功的EGS工程項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)表明，大多數(shù)項(xiàng)目的水力壓裂儲(chǔ)層改造的主要機(jī)制是熱儲(chǔ)中已有裂隙或斷裂發(fā)生了剪切破壞而互相連通，形成大流量長(zhǎng)流徑的熱儲(chǔ)裂隙系統(tǒng)。當(dāng)?shù)貙又写嬖趲讞l大的天然裂縫條帶時(shí)，其作用類(lèi)似上述天然裂隙。

 

    當(dāng)天然裂縫處于雜亂無(wú)章的狀態(tài)下，在地層中均勻分布，沒(méi)有主流的延展方向時(shí)，地層可視為天然裂縫發(fā)育地層，此時(shí)地應(yīng)力狀態(tài)引導(dǎo)決定人工裂縫的發(fā)育方向，壓裂工藝合適時(shí)，可形成體積壓裂條帶與較好發(fā)育的分支裂縫。此時(shí)，裂縫的延展形態(tài)有利于注采井的溝通，高滲透條帶的存在有利于流體的注入及采出井溫度的提高。

 

4.4微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在判斷新鉆井位置方位方面具有關(guān)鍵作用

 

美國(guó)芬頓山、日本雄勝項(xiàng)目、日本肘折干熱巖、澳大利亞Habanero項(xiàng)目等都利用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)并反演出人工裂縫的形態(tài)，用以指導(dǎo)新井的鉆井，獲得了成功。

 

5干熱巖開(kāi)發(fā)的獨(dú)特機(jī)理

 

5.1造縫機(jī)理

 

    干熱巖壓裂過(guò)程中裂縫的產(chǎn)生至少包括三種機(jī)理：其一是水壓致裂，地下壓力達(dá)到一定程度后產(chǎn)生剪切縫或張性裂縫，即常規(guī)的水力壓裂致裂；其二是熱激發(fā)，即溫差導(dǎo)致巖體爆裂，微破裂是由溫度差異引起的(研究認(rèn)為100℃溫差有效)，微破裂基本存在于沿著裂縫面的位置，有向垂直于裂縫面擴(kuò)展的趨勢(shì)；其三是化學(xué)激發(fā)。

 

5.2注采井裂縫連通性要求

 

    注入井與采出井通過(guò)裂縫直接連接，形成流體通路是至關(guān)重要的，否則將造成開(kāi)采失敗，注入水無(wú)法采出，達(dá)不到采出熱水的目的。而油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)避免注采井裂縫的直接連通，此時(shí)容易發(fā)生過(guò)早的水竄，導(dǎo)致注水采油的失敗。這是油氣開(kāi)發(fā)布井布縫與干熱巖開(kāi)發(fā)布井布縫的極大不同。

 

5.3注采井之間的距離

 

    采出井要采出具有一定溫度的熱水才能產(chǎn)生效益，因此要求注采井之間要有足夠的距離來(lái)加熱注入的冷水。如果距離過(guò)短，則容易產(chǎn)生短路，導(dǎo)致熱采項(xiàng)目失敗。根據(jù)國(guó)外成功案例，井與井之間的距離一般需要600～800m。日本Hijiori項(xiàng)目(一注三采)在注水試驗(yàn)?zāi)┢?，HDR-2井出現(xiàn)熱突破，溫度由163℃驟降至100℃，導(dǎo)致項(xiàng)目終止，其井距為90～130m。

 

5.4布井先后順序

 

    如果在項(xiàng)目執(zhí)行之初，在地應(yīng)力方位、天然裂縫發(fā)育情況、地應(yīng)力大小等資料尚未掌握或掌握不全面的時(shí)候，事先鉆出注入井、采出井，則可能導(dǎo)致注采井壓出的裂縫不能相互連通。一般要在注入井鉆成并壓裂后，根據(jù)裂縫的走向或裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，在裂縫周?chē)蚋浇@井才能達(dá)到連通的目的。當(dāng)注入井的裂縫為水平裂縫時(shí)，采出井的位置比較容易選擇，注入井與采出井連通的目的容易達(dá)到。以往成功的案例，基本采取了這種工藝方法。

 

6干熱巖開(kāi)發(fā)技術(shù)需求

 

    目前干熱巖在我國(guó)還沒(méi)有進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的EGS壓裂試驗(yàn)階段，廣東地區(qū)地下新能源的勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程也比較緩慢，對(duì)廣東經(jīng)濟(jì)的發(fā)展貢獻(xiàn)有限，主要原因是針對(duì)這些新能源的眾多技術(shù)難點(diǎn)目前還沒(méi)有得到較好的解決。

 

   ①針對(duì)干熱巖的地質(zhì)勘探的認(rèn)識(shí)還存在很多不足，需要加大這些方面的研究；

 

    ②需要結(jié)合熱儲(chǔ)體的特殊運(yùn)行模式與要求，建立一套井筒-裂縫系統(tǒng)流體注入采出進(jìn)行熱采的理論模型，結(jié)合干熱巖壓裂井網(wǎng)及布縫方式，確定裂縫長(zhǎng)度、高度、導(dǎo)流能力；

 

    ③需要建立一套考慮天然裂縫發(fā)育狀況的干熱巖高效開(kāi)發(fā)的建井與布縫原則，確定注采井網(wǎng)模式及布縫方式；

 

    ④要深入研究干熱巖裂縫起裂與造縫機(jī)理，為壓裂改造工藝提供支撐；

 

    ⑤借鑒油氣田開(kāi)發(fā)的儲(chǔ)層改造技術(shù)，建立一套適合干熱巖壓裂(包括直井水平井)的技術(shù)系列或者酸壓技術(shù)系列；

 

    ⑥必須對(duì)流體與巖石的相互作用機(jī)理進(jìn)行研究，用以對(duì)熱儲(chǔ)體裂縫系統(tǒng)的調(diào)整方向、周期提出建設(shè)性意見(jiàn)，流體與巖石的相互作用也會(huì)導(dǎo)致原有裂縫系統(tǒng)變化及注采系統(tǒng)不連通，造成工程失敗。

                                            干熱巖井施工 18875725353

標(biāo)簽: 干熱巖井