地大熱能：在全球向多元化“新能源時代”轉型的大趨勢下，中國作為能源消費大國和負責任大國，肩負著促進地區能源轉型、實現綠色低碳可持續發展的重任。作為巴黎氣候協定的締約方，中國積極應對氣候變化，提出了2030年碳達峰、2060年碳中和的遠景目標。國家“十四五”規劃明確提出“推動能源清潔低碳安全高效利用”，并在中央財經委員會第九次會議上把“雙碳”目標納入了我國生態文明建設整體布局，大力開發清潔可再生能源，契合我國能源重大戰略需求。

地熱能作為一種重要的清潔可再生能源，具有低碳環保、穩定高效等特點，與風能、太陽能等能源相比，不受季節、氣候、晝夜等外界因素干擾，發電利用效率(Capacity factor)達73%，約為太陽能的5.2倍、風能的3.5倍，是一種現實并具有競爭力的新能源。

地熱能主要包含水熱型(含水)和干熱巖型(不含水)兩類，目前我國地熱能開發仍以水熱型為主，中低溫地熱直接利用居世界首位，而高溫干熱巖地熱開發尚處于起步階段。

干熱巖增強型地熱系統

增強型地熱系統(Enhanced Geothermal Systems，簡稱EGS)是目前開發干熱巖的主要手段，原理如圖2所示，即通過水力壓裂等方法在高溫地層中人工造儲，形成裂縫網絡溝通注入井和生產井，之后循環工質取熱，進行發電和綜合利用。干熱巖EGS已成為國際能源領域的研究熱點，美、英、日、法、德等相繼實施了大規模EGS地熱項目。我國干熱巖地熱資源分布廣泛，近年來在藏南、滇西、川西、東南沿海等地區相繼取得了重大勘探突破，并開始著手建立我國首個干熱巖EGS示范工程。

 全球主要地熱資源分布

我國干熱巖地熱研究起步較晚。2012年初，在中科院組織起草的《科技發展新態勢與面向2020年的戰略選擇》報告中，“深層地熱能將成為主要可再生能源之一”被列入其中，成為“十二五”和“十三五”期間著重突破的重大科技問題之一。同年，國家高技術研究發展計劃(863計劃)啟動了“干熱巖熱能開發與綜合利用關鍵技術研究”項目。

2013年，制定了《全國干熱巖勘查與開發示范實施方案》，在青藏高原、東南沿海、華北平原和松遼盆地開展了干熱巖資源調查，初步擬定了我國干熱巖地熱勘察開發的關鍵技術體系。2016年開始實施“全國地熱資源調查評價與勘查示范工程”，先后在青海共和、海南瓊北、福建漳州等地區鉆遇優質干熱巖體，干熱巖資源潛力得到驗證。

然而，根據國際地熱協會(IGA)數據，截至2021年，全球累計地熱發電裝機容量為15.85 GW，而中國地熱發電能力約為45.46 MW，占比僅為0.29%，亟需形成干熱巖高效鉆采與調控技術，推動我國深層高溫地熱開發利用進程。為此，2021年國家自然科學基金委啟動了地熱領域首個重大項目“干熱巖地熱資源開采機理與方法”，項目由中國石油大學(北京)牽頭，旨在借鑒油氣行業成熟的鉆采理論和技術，超前部署，開展多學科交叉和綜合性研究，提升我國干熱巖地熱基礎研究的源頭創新能力。

 干熱巖增強型地熱系統示意圖

重大挑戰與技術現狀

快速鉆達地熱儲層(建井)、形成穩定的熱儲通道(造儲)以及循環工質高效取熱(開采)是干熱巖EGS的3大技術關鍵。然而，相比于油氣和中低溫地熱儲層，干熱巖儲層地質條件復雜，具有典型的“四高”特征：

(1)高溫度：干熱巖溫度高于180℃，美國大部分干熱巖儲層溫度基本都在200℃以上，美國Geysers以及冰島的EGS示范項目部分儲層甚至高達400℃;(2)高硬度：干熱巖資源主要賦存于高溫堅硬的花崗巖和變質巖中，埋深大部分超過3000 m，部分地層巖石單軸抗壓強度在200 MPa以上，可鉆性達10級，研磨性極強；

(3)高應力：因構造運動活躍，最大水平主應力當量鉆井液密度超過2.8 g/cm3，是常規泥頁巖的2倍以上；

(4)高致密：地層巖石密度大(2.8～3.1 g/cm3)、孔隙度和滲透率極低(<10-3 m D)。上述復雜地質條件，使得干熱巖地熱開采在鉆井建井、壓裂造儲和流動取熱等關鍵環節面臨重大難題和技術挑戰。

鉆井建井

鉆達地熱儲層、形成穩定井眼是實現深部地熱資源開采的先決條件。鉆井是干熱巖資源開發的主體技術(約占總投資的35%～60%)，在超高溫、異常堅硬的儲層中建成可靠的循環注采井筒通道，是地熱資源勘探、提高產量、降低成本最主要的工程環節。然而，由于深部地熱儲層巖體高溫、高強度、耐研磨等特點，干熱巖鉆完井面臨以下幾方面的技術挑戰：

(1)干熱巖硬度高、耐研磨，地層可鉆性極差，導致鉆頭磨損嚴重。青海共和盆地進尺2497 m消耗鉆頭50余只，單只鉆頭平均進尺不足40 m，美國Geysers地熱田花崗巖地層單只鉆頭甚至不足30 m。

(2)機械鉆速低，建井周期長、成本高，嚴重制約了干熱巖的商業化開發。美國芬頓山EE-2井(4660 m)建井周期410天，冰島IDDP-1井(2096 m)鉆井周期402天，我國青海共和GH01井中鉆進花崗巖井段平均鉆速僅1.43 m/h，建井周期長達430天。

(3)鉆井液體系在高溫下流變性和穩定性發生劣化，高溫井眼清潔效果差，護壁和攜巖能力降低，加之地層裂縫和斷層發育，導致鉆井液漏失嚴重，容易誘發井下安全事故。

(4)高溫引起水泥漿固結緩慢和水泥石強度衰退，造成套管擠壓變形和密封失效，影響成井安全，如肯尼亞OW-36A井和法國Soultz干熱巖項目，均出現了水泥環高溫失效導致的套損問題。此外，傳統水泥漿體系未考慮隔熱作用，導致EGS注采過程中井筒沿程熱損失嚴重，影響地熱能發電和綜合利用效率。

高溫硬地層高效破巖及鉆井提速技術

巖石可鉆性評價是實現鉆頭選型和個性化設計的基礎。現有可鉆性評價主要針對砂巖或泥頁巖等常規沉積巖地層，鮮有關于高溫花崗巖可鉆性等鉆井關鍵參數的評價報道，缺乏高溫高壓(>200℃)條件下硬巖可鉆性等鉆井參數的評價方法和體系，鉆頭選型及參數設計缺乏理論依據。

 世界典型EGS工程井深與熱儲溫度

鉆頭作為破巖的主要工具，是實現干熱巖優快鉆井的關鍵。為適應干熱巖井下高溫環境，國內外對鉆頭進行結構優化和材料升級，貝克休斯牙輪鉆頭最高耐溫能力達到288℃，國民油井Reed-Hycalog超硬熱穩定PDC可鉆穿抗壓強度達到280 MPa的硬地層，并具有很強的耐磨性和抗沖擊性[干熱巖鉆井需求，但高溫高壓下軸承壽命問題無法解決，在干熱巖井中工作時長和穩定性得不到保障，掉牙輪情況頻發，井下風險高，且提速效果不理想。

干熱巖地層中鉆速低的主要原因是常規破巖手段能量不足，對于花崗巖等硬地層鉆頭齒吃入深度有限，難以形成體積破碎，同時鉆頭工作狀態不穩定，持續處于黏滑和振動等不利工作環境中，牙齒崩裂磨損嚴重。異形齒PDC鉆頭在高強度、高研磨性地層鉆井中展現出良好的適用性，可通過采用新材料增強其耐溫和抗沖擊性能，近年來引起了各大油服公司和國內外學者的廣泛關注。針對錐形齒、斧型齒、三棱齒等異型齒破巖機理開展了大量研究，實驗結果表明：錐形齒等異形齒破巖性能和吃入巖石能力均優于常規PDC齒，可大幅降低破巖比能、提高機械鉆速。因此，基于異型齒混合布齒的個性化自適應PDC鉆頭，配合耐溫耐沖擊增強型材料，有望為干熱巖硬地層破巖效率低的問題提供解決思路。

在動力鉆具和提速方法方面，螺桿鉆具在高溫下橡膠部件老化，導致在干熱巖中應用受限，我國高溫螺桿鉆具耐溫一般不超過180℃。貝克休斯正在研發耐高溫300℃動力鉆具系統，包括Kymera鉆頭、全金屬螺桿鉆具、螺桿用金屬間潤滑劑等。相比于螺桿鉆具，渦輪鉆具由于其全金屬的結構特點，耐溫能力普遍可以達到260℃，配合孕鑲金剛石鉆頭，可大幅提高機械鉆速。對于隨鉆測量等含電子元件工具，目前耐溫能力普遍不超過180℃，特別是對于空氣鉆井或泡沫鉆井，工具抗高溫性能尚難以滿足干熱巖高溫環境。

旋轉沖擊器和扭力沖擊器在油氣井中提速效果好，采用金屬密封結構能夠適應260℃以上高溫環境，但目前未規模化應用于干熱巖鉆井工程。旋沖鉆井和扭沖鉆井利用了硬巖脆性強、沖擊易碎的特點，實現切削與沖擊破巖的結合，提高了PDC齒吃入地層的深度，同時增大了巖屑破碎體積，有望有效提高硬地層的機械鉆速。建議后續加強高溫高應力下軸扭耦合破巖機理研究，探索多維沖擊耦合破碎干熱巖方法的可行性。

壓裂造儲

壓裂造儲是干熱巖EGS開發的核心步驟，直接決定著干熱巖地熱開采的成敗及整體經濟效益。干熱巖造儲要求形成大規模連通的復雜立體縫網(圖6)，造縫要求高、改造難度大，注采井溝通困難，油氣行業傳統的水力壓裂技術無法照搬到深層地熱。截至2020年底，全球累計建設示范性EGS工程項目逾60項，但目前實施的EGS項目中儲層改造效果仍不理想、儲層改造方法和注采井溝通方案仍不成熟，主要面臨以下難題：

巖石強度大，起裂壓力高，存在誘發地震風險。澳大利亞Habanero和韓國Pohang干熱巖EGS儲層改造中地層破裂壓力均超過了100 MPa，其中2017年11月韓國Pohang發生的Mw5.4級地震，被認為由干熱巖壓裂所導致，2006年瑞士的巴塞爾干熱巖試驗項目也因誘發地震而被迫關停。

裂縫單一，難以形成縫網，容易引起熱短路。大規模的復雜立體縫網是EGS高效換熱的基礎，然而日本Hijiori、德國Gro?Sch?nebeck、英國Rosemanowes等EGS項目表明，干熱巖儲層人工壓裂形成的裂縫通常較為單一、換熱面積有限，注采井間容易形成高滲通道，發生熱短路，導致造儲失敗。

裂縫延伸不可控，注采井溝通困難。干熱巖儲層改造過程應力擾動復雜，強溫差熱應力和天然裂縫綜合影響下水力裂縫擴展預測難度大，美國Fenton Hill項目在3個階段的儲層改造工作中，經歷8次鉆井、5次壓裂才實現發電，但最終仍由于人工裂縫未有效溝通注采井、循環工質嚴重流失等原因而被迫終止，此外英國的Rosemanowes和日本的Hijiori干熱巖項目中也出現過注采井無法連通的問題。

要建成安全、經濟、高效的人工熱儲并非易事，如何采用“柔性造儲”的方式有效溝通注采井，避免純粹靠提高壓力改造儲層是構建EGS系統的重大難題與需求。柔性造儲是指通過熱力交變、壓力/排量振蕩以及化學刺激等相結合的方法，誘導巖體疲勞損傷和裂縫剪切滑移，溝通天然裂縫，在降低起裂壓力、提升縫網尺度和復雜度的同時，有效降低誘發地震的風險。

以構建復雜立體縫網、降低地震風險為目標，近年來學者從傳統水力壓裂造縫和造儲新方法兩方面開展了大量研究，探索了剪切壓裂、循環/疲勞壓裂、化學刺激、徑向井壓裂以及超臨界二氧化碳和超低溫液氮壓裂等干熱巖熱儲改造新思路，但總體上技術仍不成熟，尚未形成一種“可復制”的干熱巖高效造儲方法。

 干熱巖人工造儲難題示意圖

流動取熱

高效取熱、合理優化是深部地熱經濟高效開采的重要保證。干熱巖開采涉及多場(溫度、應力、位移/應變)、多相(氣、液、固)、多過程(滲流、熱傳導、應力演化、水巖反應等)耦合，氣液運移、熱傳導和化學反應會影響干熱巖熱儲變形和巖體強度特征，取熱過程受控于其在多場多過程耦合作用下跨尺度的物理/力學/化學機制，EGS取熱面臨以下2方面挑戰：

(1) 多場耦合傳熱機制不清，熱儲取熱優化難、效率低。熱儲內工質高效取熱是干熱巖開發的根本目標。然而不同于油氣儲層，地熱開采伴隨著劇烈的溫度場擾動和水巖反應(礦物溶解/沉淀)，涉及熱—流—固—化四場耦合，多場耦合作用下地層滲流和熱交換機制復雜，為取熱效率預測和優化帶來挑戰。

(2)注采參數難匹配，開采調控缺乏依據、壽命短。合理的開采制度是干熱巖長效開發的重要保證。然而，熱儲長期注采過程中多場時空演化規律復雜，目前缺乏多目標優化設計方法，導致注采參數難匹配，開采過程容易形成“優勢通道”，如法國Soultz的GPK-3井中單條裂縫控制了70%的流量，為熱儲長期均衡取熱帶來挑戰。美國Fention Hill的EE-1井和GT-2井在為期75天的注采試驗中生產溫度從175℃下降到85℃，日本Hijiori也因開采過程中溫度驟降，出現熱短路，導致項目終止，運行時間不足一年。

熱儲取熱過程熱—流—固—化四場耦合關系

干熱巖地熱資源分布廣、潛力大，是傳統化石能源轉型的新機遇，也是國家綠色低碳發展的潛在著力點之一。盡管國內外自上世紀70年代以來針對干熱巖EGS已經開展了數10項示范性探索，僅有法國Soultz地區成功實現了商業化運行，“可復制性”較低、難以大規模推廣。

因此，強化干熱巖開采相關基礎理論與應用技術研究，突破建井、造儲和取熱3大關鍵難題，是尋求干熱巖經濟高效開發的根本途徑。首先，要以經濟性為導向，針對干熱巖鉆井建井成本較高的問題，重點探索適用于干熱巖地層的高效破巖和鉆井提速方法，縮短鉆井周期和成本；

其次，以構建復雜縫網、降低誘發地震風險為核心，大力發展EGS柔性造儲技術，根據裂縫性干熱巖儲層特點，以激活和溝通天然裂縫為突破口，形成裂縫性地層復雜縫網造儲技術，突破干熱巖復雜縫網造儲理論與方法；

最后，以資源利用和長效開發為目標，重點突破熱儲內熱—流—固—化多場耦合換熱機制，構建干熱巖開發方案優化設計和調控方法，為干熱巖地熱經濟高效開發奠定理論基礎，推動國家能源轉型和綠色低碳高質量發展。