探秘“能源新星”——干热岩

干热岩是近些年逐渐发展起来的清洁能源,指埋藏于地球表面3000 m以深,不含或含少量水或蒸汽等流体,温度在180℃以上且渗透率极低的岩体。对干热岩的应用主要是建立增强型地热系统进行发电。目前对干热岩的研究尚处于起步阶段,干热岩的热源、热储、形成机理、埋藏机制等都未形成完整的理论体系,干热岩的开发过程也面临诸如储层改造、高温钻探以及随钻监测等一系列的技术"瓶颈"。干热岩资源储量大,开发利用过程低碳环保、节能高效,是国际社会公认的优质清洁能源,但是干热岩研究程度低,开发难度大,需要不断的知识积累和技术积累。本文从科普的角度列举了干热岩的相关研究现状及存在的问题,以期能让更多的人对这一"能源新星"加深了解。     

花岗岩型干热岩储层信息获取方法及控震压裂技术介绍

干热岩型地热作为一种大储量的清洁能源,在日趋严峻的环保形势下,正在逐渐影响着世界能源格局,并成为学术界、政府和企业关注的焦点。开发花岗岩型干热岩需要建立增强型地热系统（EGS）,其核心是向储层钻井并压裂形成一定规模的裂缝网络,构建注入井和生产井的循环回路来提取热能发电。从瑞士Basel EGS工程、韩国Pohang EGS工程等花岗岩型干热岩EGS压裂工程案例可以发现,诱发地震已成为制约花岗岩型干热岩开发的关键因素,其原因在于未明确大尺寸高倾角结构面的具体位置,无法预测压裂液在压裂过程中的流动方向,导致压裂液进入此类结构面造成结构面滑移从而诱发地震。本文将针对此问题通过查明干热岩所在储层的信息对开发花岗岩型干热岩控震压裂人工热储建造方法进行介绍。     

漳州岩体放射性生热率特征及干热岩资源潜力

分析了漳州岩体地表钻孔岩石样品的密度以及铀、钍、钾含量,并进行了放射性生热率计算及生热率特征分析。在此基础上,对漳州岩体放射性生热率进行比较、干热岩地热地质特征分析和干热岩资源量估算,结果表明:漳州岩体具有较高的放射性生热率、良好的干热岩地热地质背景、较大的干热岩资源储量,总热能为3.244×1021J,折合标准煤约110.71亿t,提取2%折合2.21亿t标准煤,提取20%折合22.14亿t标准煤,提取40%折合44.28亿t标准煤,且主要以高温形式存在,占总资源量的91.37%,干热岩资源潜力较大。上述研究成果可为福建地区干热岩资源勘查评价及开发利用提供依据。     

陕西关中盆地干热岩资源远景展望

地热资源是指能够为人类经济开发利用的地球内部的地热资源,而干热岩作为一种新型的可再生的地热资源,已经引起了世界的普遍关注,并在一些发达国家进入了开发利用阶段。我国干热岩资源勘查开发利用尚处起步阶段,目前仅在个别省份地区开展了干热岩钻探、研究工作。而陕西省关中盆地目前尚未开展干热岩资源的相关勘查、研究工作。从地热地质角度对关中盆地干热岩资源的可能赋存展开探讨,对关中盆地干热岩资源远景进行展望。     

干热岩长期开采过程中水岩作用的研究进展

干热岩资源是一种储量巨大的可再生清洁能源,我国的干热岩资源储量丰富,高效稳定开采干热岩是我国实现“双碳”战略目标的途径之一。干热岩开发主要是通过增强型地热系统完成。在干热岩开发时,岩石长期处于高温高压的水环境中,会出现岩石中不同矿物溶解/沉积的现象,造成裂缝堵塞或者管道结垢等问题。同时,在水与干热岩进行接触换热的过程中,水岩作用还会对岩石的力学性质产生影响,诱导岩石微孔隙生成、裂隙扩展,使岩石劣化损伤程度加剧,力学性能下降。本文分析了干热岩开发过程中高温高压条件下水岩作用引起的问题,阐述了水岩作用的机理,总结了当前水岩作用的实验方法以及数值模拟方法,最后对未来干热岩开发中水岩作用的研究方向进行了探讨,为今后干热岩长周期高效安全开发提供一些理论参考。     

基于热弹性理论的含结构面的干热岩井筒变形破坏规律研究

井壁稳定性控制技术是干热岩地热开发的前提条件。以青海共和GR1~#钻干热岩段遇结构面后井筒失稳为工程背景,基于热弹性理论,推导出三维应力状态下干热岩损伤破坏判断表达式,并运用COMSOL有限元软件建立热力耦合作用下干热岩井筒围岩稳定力学模型,研究温度、结构面厚度和倾角对含结构面的干热岩井筒变形破坏规律的影响。研究表明:干热岩井壁的变形量随温度、结构面厚度和倾角的增大而变大,且最大变形量发生在结构面的中部。同一条件下,结构面处的损伤大于花岗岩处,且温度和结构面厚度这2个因素对干热岩损伤影响较为严重;结构面为井筒围岩的弱面,钻井工程施工中应重点关注。     

地热储层单裂隙岩体渗流传热数值模拟研究

研究地热储层裂隙岩体中的渗流传热过程对干热岩地热资源的开采具有重要的意义。本文以干热岩地热工程为背景,采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件对地热储层单裂隙岩体中渗流传热机理进行了研究,并分析了流体注入速度和温度对岩体温度场的影响及其对干热岩地热工程的影响。研究发现流体参数对岩体温度场的影响主要体现在2个方面:一方面是对岩体温度场受扰动区域以及幅度的影响,另一方面是对岩体温度场达到稳态所需要时间的影响。流体注入速度的提升会降低系统的寿命和寿命期的出口法向总热量值,当考虑出口法向总热通量时,存在最佳流体注入速度,本研究中最佳流体注入速度为0.011 m/s。流体注入温度的提升会增加系统的寿命和系统的出口法向总热通量和总热量。研究为干热岩自热资源的开发与利用提供了理论依据,为工程运行参数的设计提供了参考依据。     

河北省柏乡县干热岩地热资源初探

在充分分析柏乡地区地热地质特征的基础上,搜集和分析了研究区大地热流值、地热增温率、钻孔测温、参考温度、岩石热导率和岩石生热率等地热参数数据。首先计算出柏乡地区干热岩150℃时埋深以及3~10 km深度处的地温,再通过体积法计算出各层段的干热岩地热资源量,最后初步探讨了干热岩在平面和剖面上的分布特征,进而圈定干热岩勘查远景区。     

干热岩资源特征及开发利用研究进展

随着传统化石能源的日渐短缺,干热岩作为一种清洁的可再生地热资源,符合现代化工业社会的需求,对干热岩资源特征及开发利用研究越来越得到人们的重视,成为新能源开发和研究的热点。文中分析了中美干热岩资源特征,岩石裂隙在热传输过程中的重要作用,总结了优化钻孔布局的方法、地热资源钻井成本估算,高温地热钻探技术与干热岩地热资源的利用等方面的研究进展。根据中国干热岩资源特征及开发利用现状,建议高度重视干热岩赋存特征与开采条件的研究,加强压裂贯通技术的研发,大力提升现有的钻探设备水平。     

美国能源部地热钻井技术研发最新部署及干热岩开发示范创新实践

与其他主要的可再生能源相比,地热能是唯一能够提供基本负载电力的能源。干热岩是指不含原生水或含少量水的高温深部岩体,可通过水力刺激改造形成增强型地热系统储层,从而提取数量可观的地热能。干热岩型地热资源的开发面临两方面主要技术挑战,一是花岗岩和玄武岩等极坚硬岩石对机械钻速的限制,二是钻井所处地层温度超过随钻测量和旋转导向等工具电子设备的运行温度上限。近年来,美国能源部资助的FORGE计划犹他州项目为测试新的钻头技术和优化钻井作业流程提供了机会,以逐步提升机械钻速并降低钻井成本。本文综述了美国能源部地热技术办公室近年发展规划中对地热钻井技术研发的部署,重点分析了犹他州项目在钻井实践过程中对基于物理限制因素重新设计的工作流程的应用,总结了美国能源部围绕地热钻井技术开展的多次规划编制以及部署实施的相关项目涉及的主要领域,以及犹他州项目在探索和实践钻井作业流程优化方面取得的认识。     

《地热工程学》正式出版

正[本刊讯]我国是世界上最早利用地热资源的国家,地热资源十分丰富。目前我国地热资源勘探开发的技术落后于生产的需要,在地热开发特别是干热岩开采方面的研究还没有形成核心技术,在地热工程领域没有可供参考的教科书。《地热工程学》是由中国地质大学(武汉)工程学院窦斌教授主编,中国地质大学出版社出版的第一部地热开采利用方面的教材。该书汇集了国内外现有地热勘探与开发的相关技术和地热能利用方式,定义了地热工程学的概念,介绍了地热资源概况、地热利用现状及发展趋势、地热资源的成因及其分类、地热资源勘查方法与评价、     

测斜仪监测技术在共和盆地干热岩井压裂中的应用研究

地热是典型的非常规能源,我国具有丰富的地热资源,开发地热对缓解我国能源对外依存度不断增长的被动局面很有必要,开发利用前景广阔。测斜仪压裂监测技术可以监测裂缝发育形态,尤其在监测裂缝延伸方向,对指导井网布置、压裂工艺及施工规模方面具有重要的指导意义,目前在油气开发中获得了广泛的应用。青海共和盆地的X1井是国内干热岩首次压裂井,需要克服岩性致密坚硬、施工不确定因素多、施工排量小等监测难点问题,利用测斜仪压裂监测技术成功地监测地热井压裂改造过程,探索和丰富了地热井压裂监测方法,拓宽了测斜仪监测的应用范围,获取了X1井压裂裂缝的重要参数,为该区井网布置提供了基础数据,为测斜仪监测施工提供了重要的借鉴。     

干热岩储层裂隙准确识别关键技术探讨

干热岩资源是一种储量巨大的可再生清洁能源,干热岩的开发需通过深井将高压水注入深部岩层,使其渗透进入岩层的缝隙并吸收地热能量。裂隙网络作为流体的运移通道,在干热岩热能的开采与利用方面至关重要。储层裂隙因其分布的高度非均质性、控制和影响因素的多样性等,研究工作存在难点。本文在采用物探技术和地震探测进行靶区圈定和钻孔定位、钻井过程中进行裂隙垂向精准定位、综合测井判断热储层位置以及热储质量评价、微地震判别压裂过程中的裂缝空间展布等方面,系统总结分析干热岩储层裂隙准确识别的关键技术,对提高干热岩的开采和利用效率具有指导意义。     

深部岩石高效破碎方法研究

随着油气需求量的增加和浅部油气资源的日益减少,深层油气资源和深层干热岩的勘探开发将是我国未来研究的重点。深部岩石硬度大、研磨性强、可钻性差,为提高深井、超深井地层、地热井的破岩效率,国内外学者提出了多种高效破岩方法。着重介绍当前一些主要的高效破岩方法,如激光破岩、等离子体破岩、微波破岩和粒子冲击破岩等,分别综述各种高效破岩方法的作用机理、优缺点、发展趋势及当前应用情况。分析发现,大部分破岩方法依靠热应力裂解或高温熔化来破碎岩石。因此对岩石热作用机理深入研究对推动这些破岩技术的发展至关重要。分析结果表明:粒子冲击破岩可能首先实现商业应用,等离子体液电冲击破岩因其可控高效等特点可显著提高深层油气资源和干热岩开发的钻井速度。     

松辽盆地干热岩地热资源潜力初探

在充分调研松辽盆地地下地质特征的基础上,搜集和分析研究区大地热流、地温梯度、井底温度、地表温度、岩石热导率、岩石生热率等地热参数数据。首先计算出松辽盆地深部的温度,再通过体积法计算出松辽盆地各构造单元的干热岩潜力,最后探讨了干热岩在平面和剖面上的分布特征,进而选出有利区。研究表明:松辽盆地干热岩地热资源潜力巨大,确定的资源量将对今后研究区干热岩的开发利用提供借鉴。     

GRY-1型超高温干热岩地层钻孔测斜仪研制及应用

干热岩地层钻孔测斜技术是干热岩勘探和开发不可缺少的关键技术,然而现阶段地勘钻孔测斜技术已不能满足干热岩地层的钻孔测斜要求。其中孔底的高温高压是核心问题。为此,设计承压探管加无磁保温瓶的双层外管结构,采用先进的硬磁校准方法、选用耐高温元件、采用低功耗电路设计,研制了GRY-1型干热岩地层钻孔测斜仪,以满足高达280℃高温、孔深3000 m的超高温干热岩地层钻孔轨迹测量的要求。通过试验应用,证明其在干热岩地层中具有良好的适用性,可助力干热岩资源的勘探和开发。     

山西干热岩GR1井高温固井技术研究与实践

固井质量对干热岩后期开发利用具有重要意义。针对山西大同盆地干热岩勘查井GR1井温度高、高温固井水泥浆技术体系不完善等问题,通过研究勘查区地质特征,提出了高温固井水泥浆技术体系开发思路。研究表明：干热岩高温固井水泥浆水胶比控制为0.45,优选添加剂高温降失水剂CG82L、高温缓凝剂H40L、高温稳定剂CF40L、消泡剂GX-1、硅粉及HV-PAC,形成一套适用于山西干热岩井的高温固井水泥浆技术体系。该水泥浆体系在GR1井成功应用,现场固井质量良好,研究成果为今后同类型高温固井工作提供了宝贵经验和技术支撑。     

超高温高压地层钻孔测斜仪研制及应用

干热岩地层钻孔测斜技术是干热岩勘探和开发不可缺少关键技术,然而现阶段地勘钻孔测斜技术已不能满足干热岩地层的钻孔测斜要求。这其中,孔底的高温高压是核心问题。为此,设计承压探管加无磁保温瓶的双层外管结构,采用先进的硬磁校准方法、选用耐高温元件、采用低功耗电路设计,研制了GRY-1型干热岩地层钻孔测斜仪,以满足高达280℃高温、孔深3000m的超高温干热岩地层钻孔轨迹测量的要求。通过试验应用,证明其在干热岩地层中具有良好的适用性,可助力干热岩资源的勘探和开发。     

复合动力钻进工艺在干热岩钻井中的应用研究

2011年山东省地矿局在山东省利津县实施了国内第一个干热岩调查评价项目,采用转盘回转钻进,但钻效低、能耗高.为提高在高温硬岩条件下的钻进效率、缩短钻井周期、降低生产成本,2015年在福建省漳州市实施的中国地质调查局东南沿海深部地热HDR-1干热岩科学钻探工程井(井深4000.86 m,孔底温度109℃)和2017年在青...     

河北省乐亭—昌黎一带存在干热岩的可能性探讨

干热岩型地热资源作为一种清洁可再生能源,以其分布的普遍性和高热储温度而更具开发潜力与前景。按照成因机制和赋存条件可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四种类型。唐秦地区乐亭—昌黎一带隶属于我国所划分的干热岩开发有利靶区——华北(渤海湾盆地),重点论述了区域地热地质背景、地球物理等特征,综合分析认为乐亭—昌黎一带具有较好的寻求沉积盆地型干热岩资源的潜力。