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深层高温地热开发基础研究国际合作探索与实践

发布时间:2018年08月13日
来源:地热能在线(2018-08-12)

文章作者信息

黄中伟,李根生,宋先知,石 宇,张逸群

(油气资源与工程国家重点实验室,北京 102249)


要:钻完井技术是实现深层高温地热开发利用的关键手段。调研了国内外高温地热钻完井技术现状,对比了国内高温地热钻完井与国外技术存在的差距。寻求国际合作、引入国外深层高温地热资源开发的先进技术与经验,是促进我国深层高温地热资源发展的可行途径。借助我国地热能开发“十三五”规划契机,中国石油大学(北京)获批了教育部和国家外国专家局的“高等学校学科创新引智计划”(即 “111计划”),与英、美、德、法4国11个学术团队开展合作研究,旨在解决高温地热钻完井面临的钻完井周期长、成本高、安全风险系数较大和完井压裂难、效果差等问题,探索适用于我国实际的深层地热资源开发利用新技术,加快我国在地热能源领域的研究进度。

关键词:深层高温地热;钻完井;引智计划;国际合作


0引言

随着经济的持续快速增长,我国能源需求量日益扩大。同时,传统化石能源带来的资源枯竭和环境污染问题日益严重,开发清洁可再生资源逐渐成为共识[1-3]。地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生清洁能源,具有储量大、分布广、稳定可靠等特点,大力开发这一能源符合国家重大战略需求。

我国地热资源丰富,据国土资源部2015年数据显示,全球5km以内地热资源量约4 900万亿t标煤,中国约占1/6。其中,埋深200~4 000m的中深层地热资源储量约为13 700亿t标煤,埋深3~10km的干热岩地热资源储量达860万亿t标煤,开发利用潜力巨大[4-6]“十三五”规划已将大力发展清洁能源作为今后节能减排的重要途径,2017年2月发布的《地热能开发利用“十三五”规划》也强调,应积极推进地热供暖和地热发电工程。因此,地热工作者应借此机遇,积极探索地热能高效低成本开发利用技术,加快推动我国地热能行业发展。

1 国内外地热开发技术发展现状

深层高温干热岩资源是地热能中潜力最大的资源,被认为是地热能未来发展的重点目标[7-9]。增强型地热系统(EGS)是开发干热岩体地热资源的有效方法,其利用水力压裂方法在干热岩内造出裂缝系统,通过在注入井、人造热储和生产井之间循环工质开发地热能。目前,干热岩开发利用正处于工程建设到商业化应用过渡阶段,世界上许多国家已开始进行EGS工程试验。美国能源部专门启动了地热能源前沿监测站建设工程(FORGE),重点研究干热岩压裂改造技术、高效低成本钻井技术、地质数据监测方法和储层渗流传热机理等,旨在推动干热岩资源开发利用进程。但目前国内还未开展过具体的EGS工程试验,只有部分科研机构与高校在干热岩流动换热模拟方面进行了初步探究[10-13]

通过EGS系统实现高温地热能的有效利用,钻达地热储层、形成稳定的地面-地下通道(钻井井眼)是首要且必不可少的关键环节。近年来,国外高温钻井技术已实现较大突破,其中钻井液在地热钻井应用中最高温度已达371℃;哈里伯顿公司的抗高温固井水泥浆适用温度达到316℃[14];斯伦贝谢公司研发的CDE钻头已成功应用于美国Geysers地热田钻井,机械钻速可达4.0~8.0m/h,并且单个钻头进尺有显著提高[15]。国内高温地热钻井技术以中国石油长城钻探公司较为突出,其在肯尼亚利用泡沫钻井技术成功完钻温度高达350℃的地热井,初步形成了高温地热开发技术体系[16]。为解决高温地热钻井成本高问题,学者探索了高效低成本钻完井新技术,包括可膨胀管技术、套管钻井技术、多分支井眼技术、热力射流钻井技术、SC-CO2射流钻井技术和液氮压裂技术等[17-21]。但这些技术仍处于研发阶段,尚未进行商业化应用,若成功开发其中任何一种技术,势必会引起地热钻完井领域重大变革,有助于大幅提高钻完井效率、降低地热开发成本。

2国内地热开发技术革新国际合作

国内在深部地热资源开发方面才刚刚起步,钻完井技术研究尚处于起步阶段。而国际上在对深部地热资源开发利用上正向第二代过渡,美、德、英、日等发达国家都建立了专门研发深部地热资源技术研究的机构,并投入了大量资金研究深部地热资源开发过程中的钻井工程地质特征、井身结构设计技术、高效钻井技术、固井技术及储层评价技术。因此,为改变我国在深部地热资源开发中技术落后的现状,中国石油大学(北京)申请并获批了教育部和国家外国专家局的“高等学校学科创新引智计划”(“111计划”)项目——深部地热资源开发基础研究,邀请英、美、德、法4国11个学术团队开展合作研究,汲取国外先进技术和经验,探索深部地热资源开发利用新技术。

2.1 引智基地

中国石油大学(北京)引智基地涵盖钻井技术、完井技术、储层保护技术、增产改造技术、渗流机理和油藏工程等研究方向。依托油气资源与工程国家重点实验室、石油与天然气工程一级学科、油气钻井技术国家工程实验室及教育部重点实验室等,其在油气钻井领域长期开展基础理论与技术研究,已经积累了丰富经验、取得了丰硕成果,现有中国科学院/工程院院士3人,具备开展深部地热资源研究的有利条件和前期基础。但是,相比于常规油气钻井,深部地热资源有其特殊性,如高温、高围压、岩石高强度等,有必要引进国外智力资源,借鉴其在地热资源的前期开发经验,加快推进我国在地热能源领域的研究进度,尽快实现深部地热资源的工业化应用。

2.2 引智水平

英国帝国理工学院在多相流动和传热数值计算领域处于世界领先水平,为欧洲第一个增强型地热项目(英国Rosemanowes增强型地热储层开发)提供了理论和技术支持。目前,中国石油大学(北京)已联合英国帝国理工学院、中国石化新星石油公司、英国XL Technology公司共同申请了中英研究与创新桥计划合作项目“地热智能井钻完井关键技术与优化设计平台”(牛顿基金)。作为该引智计划的海外首席学术大师,Geoffrey Hewitt教授是英国帝国理工学院从事多相流研究的权威专家,一直致力于多相流动和传热、计算流体动力学、测量方法、驱替、临界热通量、沸腾和冷凝传热、热交换器结垢、多孔介质中流动和扩散、核反应堆安全、蒸馏、多相流化学反应堆、减阻等研究,累积发表的科学期刊论文超过200篇、完成会议论文及报告演讲超过500篇,并撰写了7本专著。Hewitt教授被公认为国际多相流领域的顶尖学者,顺利被推举进入英国皇家学会、英国皇家工程院和美国国家工程院。

美国专家分别来自犹他大学能源与地质科学研究院、科罗拉多矿业学院石油工程系、美国俄克拉荷马大学石油工程系。美国犹他大学能源与地质科学研究院是全球最大的国际性能源上游研究组织,核心研究领域包括地热、油气地质和工程,其在地热方面与美国能源部及地热发电公司长期合作,具备从地热资源勘探到发电系统技术的全产业研究能力。犹他大学能源与地质科学研究院具有丰富的高温地热资源钻完井和压裂改造经验,早在20世纪70年代,就参与了世界第一个干热岩地热资源开发项目——Fenton Hill干热岩地热项目开发研究工作,目前还参与了美国能源部资助的地热能源前沿监测站建设工程(FORGE)。2015年,中国石油大学(北京)就与美国犹他大学能源与地质科学研究院(EGI)签署了合作协议,双方计划在地热资源勘探、钻完井及储层改造方面开展合作研究,并在未来尝试建立国际联合实验室。美国科罗拉多矿业学院和美国俄克拉荷马大学石油工程系具有美国乃至世界一流的非常规储层开发经验,在钻井和水力压裂相关领域的研究和工程经验,现在两所大学受美国能源局和美国新能源国家实验室委托,正承担多个干热岩地热资源开发项目研究工作,内容涵盖高温地热钻井、水力压裂增产、热交换等方面。同时,科罗拉多矿业学院和俄克拉荷马大学与中国石油大学(北京)在人员交流、教学改革和项目研发上已开展了广泛合作。

德国专家来自6个地热研究机构:德国亥姆霍兹环境研究中心环境信息系、德国地球科学研究中心地热能源系统研究室、德国卡尔斯鲁厄研究中心地热研究室、德国弗莱贝格矿业大学地球科学系、德国达姆施达特工业大学地球科学系、德国基尔大学自然科学系地球科学研究所。德国是欧洲地热资源开发最成功的国家,拥有良好的地热资源开发技术储备。其中,亥姆霍兹环境研究中心是德国最大的地热资源开发研究机构;德国地球科学研究中心地热能源系统研究室和达姆施达特工业大学地球科学系拥有丰富的深部地热资源钻探与开采经验;卡尔斯鲁厄研究中心地热研究室和基尔大学自然科学系地球科学研究所负责地热资源开采过程中经济和环境领域的研究工作;弗莱贝格矿业大学地球科学系主要对增强型地热系统资源水力压裂增产措施和相关岩石力学问题进行了研究。来自上述德国研究机构的专家学者已和中国石油大学(北京)多次开展了互访讲学与技术交流。

邀请的法国专家来自法国巴黎高等师范学院国家科学研究中心,该中心是法国最重要的科学研究机构,对法国第一个增强型地热系统——Soultz-sous-Forets地热资源的成功开发并顺利发电作出了突出贡献。法国巴黎高等师范学院每年接受中国石油大学(北京)访问学者和交流学生,已经在地热资源开发技术方面开展合作。

3合作内容与目标

钻完井技术是实现高温地热开发利用首要且必不可少的关键环节。与油气钻完井相比,地热钻完井在井下工况、所钻地层岩性和完井方式等方面有很大不同,需要克服众多技术瓶颈。特别是高温地热钻井,其所钻地层温度在150~400℃之间,易引起钻具和井下测量工具失效、钻井液稠化和固井水泥强度降低等技术难题,钻完井安全风险系数较高。高温地热钻井钻遇地层以变质岩为主,岩石硬度较大、可钻性较差,因此钻井周期较长、成本较高。在地热钻井过程中,井壁围岩稳定性较差,高温井壁与低温钻井液极易产生热破裂和井眼扩大等问题,引起井壁坍塌和卡钻事故[22]。此外,高温干热岩储层压裂改造难度较大,效果有限。

 

1 牙轮钻头牙轮焊死和牙齿磨损[23]

 

2 PDC钻头牙齿复合片崩落[24]

通过引智计划寻求国际合作,引入国外高温地热资源开发先进技术,以深部地热资源为主要研究对象,围绕高温高研磨地层岩体力学特征与响应机制、钻井载荷与井眼围岩作用机理、渗流机理、循环流动与传热机制等关键科学问题,解决上述高温地热开发面临的钻井周期较长、成本较高、安全风险系数较高、完井压裂难、效果差等难题。通过钻完井工程、流动传热、数学建模、软件开发等多学科交叉协作,开展如下4项研究:①基于地层-井筒-地面流动与传热模型,设定地热井钻井、完井、开采方案一体化设计方案;②揭示高温下岩石物性及破岩机理,探索高温地热储层破岩新方法,研发破岩新工具;③开展地热储层水力压裂机理研究,探索适用于高温环境的完井压裂改造方法;④研究高温地热钻完井过程中井壁失稳机理与控制方法以及高温条件下的固井方法。

国际合作与研究完成后,可有望形成满足我国深部地质条件下地热资源高效开发的技术体系,提高我国地热钻井与压裂技术的自主创新能力。研究成果可推动我国深部地热资源高效低成本开采进程,促进节能减排和低碳发展,改善生态环境和提高人民生活水平,也能为超深井安全高效钻井基础理论和技术研究提供参考和借鉴。

4结语

国内深部高温地热资源开发利用起步较晚,钻完井和压裂改造技术仍处于探索实践阶段。目前,国家正积极推动可再生清洁能源发展,并将地热能开发利用作为可再生能源发展“十三五”规划的重点任务,制定了《地热能开发利用“十三五”规划》。在政府号召下,国内地热行业势必迎来发展的大好时机,地热工作者应该借此契机,积极寻求国际合作,引入国外地热资源开发的先进技术与丰富经验,深入探索适用于我国深层地热资源的高效低成本开发利用技术,为促进我国地热能事业快速发展贡献力量。


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