干热岩地热储层钻井和水力压裂工程技术难题和攻关建议

干热岩地热资源是清洁能源的一种,也是国家能源战略优化的关键措施之一.对干热岩储层的开发是通过钻井和水力压裂建立人工热储构造,利用地热水循环提取热量,达到地热发电和供暖综合利用的目标.其中干热岩储层钻井和水力压裂施工是开发成功的关键.但是国内对于干热岩地热储层的开发才刚刚起步,针对干热岩的钻井和水力压裂技术还处于探索阶段,相关研究也还不成熟.本文综合前期研究基础和国内外实地调研,从干热岩地热储层地质条件、岩石物理和化学性质以及目前的施工手段等总结了钻井与水力压裂工程技术难题和前期的经验教训,并提出了今后的理论研究方向和技术攻关建议.以便尽快实现我国干热岩储层钻井和水力压裂配套工程技术,促进干热岩资源的有效利用.     

干热岩钻探关键技术及进展

 干热岩资源是一种储量巨大的可再生清洁能源,开采干热岩资源的方法是钻开储层、建立增强型地热系统(EGS)。干热岩地层通常为火成岩,研磨性强、可钻性差,温度高于200℃,对钻探工艺、设备、材料要求极高。本文在分析干热岩高温钻探特点和难点的基础上,介绍了高温钻井液、井下钻具、高温井控、火山岩压裂、分布式测温等关键技术及其进展,提出了中国干热岩高温钻探技术研究的重点和方向。     

干热岩水力压裂实验室模拟研究

 地壳中干热岩所蕴含的地热能量巨大,已成为世界各国重点研究开发的新能源。干热岩资源开发的增强型地热工程的场地试验研究投资大、周期长、风险大,在现场压裂和人工热储层建造示范工程前,实施干热岩水力压裂实验室研究很有必要。为此,吉林大学深部地热和干热岩研究团队建设了大尺寸高温高压下干热岩水力压裂实验室模拟系统,为现场压裂工艺设计和储层改造提供参数和技术支持。本文介绍模拟系统的实验设备、实验条件和初步的实验研究成果。     

干热岩发电发展现状与挑战

我国干热岩资源丰富,发电潜力巨大,理应在以新能源为主体的新型电力系统中占据一席之地。然而,目前国内干热岩开发利用程度较低,尚无干热岩发电项目成功运行并网。为此,该文回顾了国内外干热岩发电技术的发展现状及存在问题,进而探讨了未来干热岩发电应重点突破高温钻井、大型储层构造及高效换热等技术难题,最后提出我国应通过加大政策扶持与研发投入、加强国际交流合作等途径来促进干热岩发电在我国碳中和进程发挥重要作用。     

福建漳州干热岩资源选址与开发前景分析

 由于干热岩具有传统化石能源不可比拟的优势,越来越多的国家将干热岩的勘探开发列入了国家能源发展计划。中国干热岩相关研究尚处于起步阶段。在分析研究目前各国干热岩开发利用工程的基础上,阐述了干热岩开发的地热地质学指标,针对福建漳州的干热岩科学钻探,从区内酸性岩体分布、盖层情况、深部热异常及区域稳定性等方面分析了福建漳州干热岩钻探选址的原则与指标,建立了钻孔位置地区的概念模型,并对福建漳州干热岩资源的开发前景做出分析。     

考虑热流固耦合干热岩储层热提取解析模型

干热岩储层热开采是一个典型的多物理场耦合问题,基于离散裂缝网络模型建立考虑热流固耦合干热岩储层解析模型,其中离散裂缝网络中只考虑裂缝中水的流动,水通过热对流方式进行热交换,基岩通过热传导对裂缝中的水进行加热;其次考虑水的黏度、裂缝的开度随温度及压力发生改变,利用Laplace变换求解得到离散裂缝网络模型下干热岩储层解析解;在此基础上总结复杂裂缝网络系统各裂缝的压力温度求解过程,并与TOUGH2数值结果对比,验证方法的正确性,分析不同影响因素对干热岩热提取过程的影响。结果表明:随着冷水注入,各裂缝水的黏度逐渐增加,出口端流量减小并趋于黏度不变时流量;而裂缝开度逐渐增加,出口端流量增加迅速;随着注入速度线性增加,生产井出口端温度逐渐减小,且减小幅度变缓,因此在干热岩热提取过程中,须综合考虑生产井出口端流量及温度的影响。     

中国干热岩资源主要赋存类型与成因模式

 干热岩资源作为地热资源重要的组成部分,以其清洁、稳定、可再生的资源优势及巨大的高温发电潜力,越来越受到关注。中国自20 世纪90 年代开始对干热岩资源进行调查研究,并在不同地质背景条件预测或勘查到干热岩资源,然而至今仍未对干热岩资源的赋存形式进行分类及开展干热岩资源成因机制研究,阻碍了中国干热岩资源的调查与精细潜力评价。在阐述干热岩资源赋存的指标参数的基础上,通过对国内外已发现干热岩资源的成因模式分析,结合中国地壳结构背景,将中国干热岩资源的赋存类型分为高放射性产热型、沉积盆地型、近代火山型和强烈构造活动带型。并在此基础上研究了不同类型干热岩资源的成因机制,比较不同类型干热岩资源成因机制之间的差别,提出干热岩资源赋存的有利前景区。     

共和盆地增强型地热系统开采过程数值模拟

 干热岩资源是未来重要的清洁型能源,增强型地热系统(EGS)能够实现干热岩资源的开发利用。青海共和盆地干热岩资源储量巨大,可以作为EGS 系统的靶区之一。水在热储层中的运移包含复杂的水-热耦合过程,不同的EGS 运行方案对电厂发电能力有重要影响。本文基于共和盆地深部地质条件,建立了表征EGS 系统水热特征的数值模型,研究了温度场、压力场的时空分布特征,并分析注入流体温度和循环流速两个可控因素对提热过程的影响。结果表明:在设计的运行方案(循环流速20 kg/s;注入温度60℃)下,最大提热速率可达11 MW,储层寿命为22 年。注入温度每降低10℃,系统最大提热速率约增加10%,且对储层寿命没有明显影响;增加循环流速可以得到更大的热提取速率,但会减少储层寿命。     

福建省非常规能源(干热岩、页岩气)学科发展报告

该文阐述了我国非常规能源(干热岩、页岩气)的研究现状和工作进展、发展规划及工作部署,介绍了国内外对干热岩、页岩气勘查开发的关键技术,存在的问题等;总结福建省干热岩、页岩气勘查进展、资源赋存条件及潜力分析,提出了福建省发展清洁能源和能源结构调整的战略任务及对策。     

中国大陆干热岩地热资源潜力评估

 地热资源是一种极具竞争力的清洁可再生能源,按其成因和产出条件可分为水热型和干热岩型,其中,干热岩型地热资源以其分布的普遍性和高热储温度而更具开发潜力与前景。干热岩地热资源潜力评估是干热岩开发的基础工作。本文基于大量热流数据,编制了新版中国大陆地区热流图。进而依据岩石热物性数据库,计算评价了中国大陆地区干热岩地热资源。评价方法主要采用体积法,文中详细介绍了评价方法中各参数选取的原则与数据来源。计算结果表明,中国大陆(3—10km深度)干热岩地热资源总量为20.9×10⁶EJ,合714.9×10¹²t标准煤。若按2%的可开采资源量计算,是传统水热型地热资源量的168倍,相当于中国2010年能源消耗总量的4400倍。但是,囿于干热岩开发的经济性和现有技术条件,近期应着眼于4—7km深度段干热岩地热资源的开发,热储目标温度是150—250℃,干热岩开发的有利靶区包括藏南地区、云南西部(腾冲)、东南沿海(浙闽粤)、华北(渤海湾盆地)、鄂尔多斯盆地东南缘的汾渭地堑、东北(松辽盆地)等地区。最后,指出了现阶段干热岩研究的主要任务。     

汝城干热岩地热资源研究

 汝城热水镇出露98℃天然热泉,该地区深部干热岩地热资源相当可观。通过大量钻孔地温测量和大地热流测试等勘探工作,评估了该地区干热岩地热资源的基本情况。勘探结果表明,研究区内平均地温增温梯度为18.7℃/100 m,最高值达35.2℃/100 m,主要高温钻孔的大地热流量介于60~170 MW/m²,地热资源较为可观。该地热田的热源来自深部岩浆余热,热储主要是F₁、F₃断裂带上盘及其他次级断层派生的密集裂隙系统。区内热水河以东花岗岩体为浅部水热热储盖层;热水河以西震旦系的板岩为深部热源盖层。模拟结果表明,研究区地热田热储层下底面温度为260℃,热储层上顶面温度为255℃,热储层以上厚度为3500~4000 m。汝城地区热储埋藏深度较浅,热储温度较高,是较好的干热岩开发靶区。     

岩石导热各向异性对干热岩热量富集的影响

干热岩的勘探开发近年来已成为学术界的研究热点，但相关研究大多是从开发角度进行研究，而对干热岩中热量富集传递的研究甚少。为了解干热岩岩体中热量富集与传导机理，通过对前人研究成果的整理与总结，结合构造地质学、传热学、地热学、矿物岩石学等理论方法，进行岩石三轴热导率的实验。结果表明，岩石的三轴热导率存在差异，使得地下热流在岩石中的传导存在各向异性。因此，提出了岩石导热各向异性指数，及干热岩岩体中的热量传导公式，进而研究分析了干热岩岩体中热量传导规律与聚集特征，并认为“热源-热通道-干热岩储层-盖层”的垂向构造组合有利于干热岩中热量的富集。     

干热岩研究现状与展望

 干热岩蕴藏着巨大的热能,是世界发达国家积极开发的重要资源之一。在干热岩技术基础上提出的增强型地热系统,已经历40 余年的研究,在理论研究和工程实践中取得了重要成果,积累了丰富经验。本文总结世界干热岩的研究发展历程、示范工程中失败和成功的经验,论述开发过程中关键科学技术的重要成就和不足之处,阐明今后的技术发展方向,对包括干热岩在内的高温地热资源开发利用提出了展望。     

2018年地热勘探开发热点回眸

 2018年地热领域研究热点纷呈：世界各国在地热发电领域发展迅猛，中国面临着很大的机遇和挑战，地热勘查逐步走向精细化，地热开发逐步走向集约化，地热利用逐步走向综合化。地热成为地质界真正的热点，封闭式井下换热技术、采灌均衡地热评价技术、地热-太阳能等混合能源开发利用等方面相关技术和规范不断完善，在理论方面，地热开发过程与微地震的发生之间的机制认识更进一步，干热岩开发理论更加深入，此外，围绕地热流体的生态环境、微生物以及油田地热开发方面也呈现出创新性的见解。     

干热岩储层水力压裂改造的电磁法监测评价研究进展

 从岩石受压破裂过程电阻率特性、裂缝型岩石电阻率特性、岩石电阻率与渗透率关系3个方面出发，总结了电磁法水力压裂监测评价相关的岩石物性基础研究，介绍了干热岩水力压裂现场电磁法监测应用案例。基于岩石电性基础研究总结得出：岩石在受压破裂过程中会伴随着显著的电阻率变化，且电阻率变化特征与岩石中的含水饱和度紧密相关；裂缝数量、宽度与粗糙度等都会对岩石的电阻率产生影响，影响趋势与裂缝是否含水有关；可通过修正Archie定律与Kozeny-Carman模型建立特定岩石的电阻率与渗透率关系模型。讨论了电磁法应用干热岩水力压裂监测评价所面临的难点，包括：（1）研究高温高压条件裂缝型致密岩石的电阻率性质；（2）研究高温高压条件裂缝型致密岩石渗透率与电阻率关系模型；（3）研究开发具有更高精度、更小分辨率、更强抗干扰能力及更远探测距离的电磁法探测新理论新方法、新技术新装备。     

干热岩钻完井的挑战及技术展望

 干热岩是一种清洁、环保、可循环利用的再生能源,开发潜力巨大,是最具环保性能的未来清洁能源。概述了美国、英国、日本、法国、澳大利亚和中国干热岩工程项目,依据干热岩岩体硬度高、可钻性差、地层温度高等特点,指出了干热岩钻完井工程存在的技术难题,主要包括钻井效率低、地层温度高、井壁稳定性差、井漏现象严重等问题;针对钻完井存在的技术难题,分析了干热岩高效破岩工具、钻井液技术、高温固井技术、控压钻井技术、膨胀套管技术、定向井技术和液氮钻井等关键技术在干热岩中应用的未来趋势。     

五大连池尾山地区存在干热岩资源的可能性探讨

 干热岩被视为未来的清洁能源,是地热资源的重要组成部分,极具研究价值和开发前景。中国现阶段干热岩调查研究应遵循"面上开展,点上突破"的原则。基于"点上突破"原则,本文选取中国最新的火山群--五大连池火山群开展前期研究,通过搜集分析区域地质条件、岩石地球化学、深部CO₂气体,区域地球物理资料,探讨了五大连池尾山地区存在干热岩的可能性。研究结果表明,五大连池火山属于非深源火山,具备存在干热岩的可能,热源机制属于岩浆余热型,第四纪火山岩浆囊所处的深度上限值为3.3~3.4 km。区内深部CO₂气体来源于地幔岩浆冷却成岩过程中的脱排气作用,是幔源岩浆囊中岩浆结晶分异的结果。W8勘探孔及附近供水井发现高浓度CO₂的事实表明,在尾山与五大连池农场七分场之间的地下可能存在正在冷却成岩的岩浆囊。     

浅层地热能与干热岩资源潜力及其开发前景对比分析

 浅层地热能与干热岩是地热能中最具潜力的部分,前者通过给建筑供暖(制冷)减少国家能源需求,后者则通过高温发电增加国家可再生能源供给,两者都具有资源潜力大、清洁环保的优势,其开发技术地源热泵与增强型地热系统也具有原理上的相似性。本文对比分析了浅层地温能与干热岩的基本概念、资源潜力、节能效果、经济效益、环境影响等,讨论了两者间的优缺点及开发前景,针对中国地热资源赋存特征及国家能源发展规划,提出了未来地热向深部发展的建议。     

增强型地热系统热流固耦合模型及数值模拟

增强型地热系统(EGS)利用水力压裂地下高温岩体形成人工热储,通过载热流体循环提取干热岩(HDR)所存储的地热能,其开采过程包含渗流、热能交换及岩体介质变形,为典型的热流固(THM)耦合问题。将裂隙岩体视作基于离散裂隙网络和基质岩体的双重介质,给出THM耦合的数学模型,基于商业有限元软件COMSOL Mutilphysics进行二次开发,实现裂隙岩体温度场、渗流场和应力场的全耦合求解。利用一个已知解析解的算例验证耦合模型和全耦合求解方法的正确性。最后利用随机生成的二维裂隙网络模型模拟EGS的运行过程,分析干热岩储层内渗流、温度、应力及变形的分布规律。计算结果表明,储层内的贯通裂隙构成主要导水区,水的对流传热作用明显;高压水注入和温度变化导致岩体裂隙发生位移,改变储层的传输特性,进而影响地热能的提取;考虑THM耦合作用对于研究增强型地热系统的的利用效率和运行规律非常有必要。