聚焦核心需求打造深层地热开发关键技术链

  [中国石化新闻网2024-03-21]深层地热能储量大、分布广、稳定性强、清洁可再生，是地热资源开发领域的“重头戏”。我国地热开发利用规模已处于世界领先地位，但受勘探开发基础理论与关键技术制约，深层地热资源的规模开发和经济利用仍是难点。
  由于自身赋存特性，深层地热资源的开发面临着“二复杂（地热系统复杂、地质工程复杂）、四高（高温、高硬度、高应力、高致密）”的特征。这些特征带来了一系列开发难题，其中成井效率低和压裂改造难是世界公认的核心技术难题。
  深层地热资源地热系统复杂主要表现为应力场、化学场、渗流场和传热场多场耦合，地质系统的演化机制难以明确，系统的描述和预测较为困难；地质工程复杂主要表现为地层属性多解性强，储层参数预测误差大，钻完井优化设计困难，热储改造成功率低。此外，深层地热储层还具有超过200摄氏度高温、可钻性达到10级的高硬度，以及两倍以上泥页岩地层高应力和高致密的特点。
  多重问题叠加对实际工程实施的每一个环节都带来严峻考验，也给钻井施工造成钻速低、周期长、高温不适应、成本高等问题。同时，深地条件下地应力场、岩石力学参数、天然裂缝展部状态预测困难，复杂缝网扩展与有效连通难以控制，使得大体积热储改造的难度直线上升。如果无法在此极端条件下高效构建大流量的换热通道，就难以实现深层地热能的规模化开发。
  面对深层地热开发各个环节严峻的技术考验，中国石化工程院在研究初期便制定了“聚焦关键节点，各个精准击破”的思路，针对核心难题，先分析“病因症结”，再“对症下药”。
  为提升深部地热成井效率，工程院技术团队首先从机理研究入手，开展了高温岩体力学特性基础研究，搭建了高温岩体力学参数测试系统和试验方法，获取了深部热储岩力学和热物性参数特性，揭示了高温硬岩在成井过程中的抗钻特性、围岩稳定、热破裂特征等演化规律。在此基础上，工程院建立了深层地热钻井钻具动力学动态模拟分析方法，揭示了深层地热井斜变化规律和钻具磨损机理，研发了耐温200摄氏度的全金属结构冲击破岩工具和抗温230摄氏度防衰退水泥浆体系，形成了高温硬地层高效协同破岩工艺方法。
  针对复杂缝网扩展与有效连通难以控制、大体积改造目标难以实现的问题，技术团队从复杂缝网扩展的主控因素入手，物模数模“两手抓”，搭建了高温环境的大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验系统，开展了模拟深层地热储层条件下的裂缝扩展物模实验；建立了深层地热压裂裂缝扩展数学模型，揭示了深层地应力场、高温导致的岩石力学参数改变、天然裂缝强度等因素对水力裂缝扩展的影响。经过大量理论和实验研究，工程院提出了一套深层地热热储改造工艺，研制了高温水力喷射压裂工具、分段压裂工具管柱与工作液，形成了改造前岩性识别与裂缝描述技术、改造过程中裂缝监测技术、改造后评估方法。
  针对深层地热流体温度高、采出井沿程温度损失大的问题，工程院自主研发了保温泡沫固井水泥体系和真空隔热油套管等适用性技术，提出了地热井井筒保温工艺和保温段长度优化设计方法。通过模拟计算，技术团队找准井筒温度高于地层温度的临界深度点，在临界深度点以上采取综合保温措施，为地热井穿上最有效的保温“马甲”。
  科研有了成果，更要在现场落地，才能为深层地热资源勘探开发提供可靠支撑。
  基于自主研发的技术科研成果，工程院积极主导和支撑了多个深层地热勘探开发先导试验，在青海共和盆地、苏北盆地、海南福山凹陷、河北崇礼等地区的深部地热探测工程中进行了成功应用，创造了多项工程新纪录。在青海共和盆地成功实施的GR1井热储压裂改造，取得了国内首口干热岩井压裂试验的突破，完成了GH01井钻井提速、高温固井和测井任务，实现了我国首次200摄氏度以上干热岩热储高温固井和测井施工，后续部分关键技术又支撑了02-05井的钻井施工。工程院还设计了中国石化首口地热科学探井福深热1井的钻井和热储改造方案，目前该井钻进深度已超过5100米。
  随着中国石化承办的第七届世界地热大会成功召开与《北京宣言》的签署，全世界范围地热能和清洁能源发展将再上新台阶，也将为应对全球气候变化、维护能源安全、造福各国人民作出积极贡献。地热开发必然会向更深、更热、利用范围更广的资源领域迈进，必将对深层地热工程技术提出更高、更严苛的要求。中国石化作为地热行业领军者，推动行业健康发展义不容辞。工程院将始终以端牢能源饭碗、保障能源安全为己任，为巩固中国石化地热行业领先地位、构建“一基两翼三新”产业格局提供有力支撑，为推动深部地热资源高质量勘探开发贡献更大力量。
  （作者单位：中国石化石油工程技术研究院）