水平井+多段水力壓裂技術(shù)應(yīng)用于干熱巖開發(fā)獲突破

干熱巖發(fā)電是重要的地?zé)崮芾眯问街唬蚱渖a(chǎn)過程基本全程無排放，在能源轉(zhuǎn)型的當下更被視為彌補太陽能和風(fēng)能發(fā)電穩(wěn)定性不足的最佳解決方案。用于開發(fā)干熱巖的系統(tǒng)被稱為增強地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS），其基本原理是通過注入井將高壓水注入地下2 ～ 6 km 深的人工熱儲內(nèi)，使其通過滲透循環(huán)而吸收熱能，再通過生產(chǎn)井將高溫水、汽抽出地表用于發(fā)電，冷卻后的水再次注入地下循環(huán)使用，整個過程都在一個封閉的系統(tǒng)內(nèi)進行。

干熱巖開采與油氣開采有許多共同之處，如都需要鉆井至目的層，都有注入和采出過程，因此將油氣開采工藝技術(shù)用于干熱巖開采是十分常見的思路。但二者不同之處也很明顯：干熱巖儲層的溫、壓都極高，對勘探開采設(shè)備的材質(zhì)和性能的要求都更高，對油氣開采技術(shù)工藝的應(yīng)用形成了巨大挑戰(zhàn)。截至2020 年底，全球累計建設(shè)的示范性EGS 工程項目已逾60 項，但多數(shù)項目的儲層改造效果都不理想，儲層改造方法和注采井溝通方案不成熟，面臨諸如巖石強度大、起裂壓力高、極可能誘發(fā)地震、難以形成縫網(wǎng)、裂縫延伸方向不可控及注采井溝通困難等問題。近年來，國內(nèi)外都在嘗試將頁巖油氣開采的成功經(jīng)驗，即水平鉆井和多段壓裂技術(shù)應(yīng)用于干熱巖開采，已取得了一定進展。近期美國Fervo能源公司的現(xiàn)場試驗更是取得了階段性的成功，為EGS的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用帶來了希望。

Fervo 能源公司的EGS 系統(tǒng)由注水井、生產(chǎn)井和監(jiān)測井組成，注、采井均為水平井，監(jiān)測井為直井，注、采井水平段的垂直深度約為2 347 m，水平段長度均約為991 m。3 口井的鉆井順序依次為：監(jiān)測井73-22 井、注水井34A-22 井和生產(chǎn)井34-22 井。之所以在注水井完井后才開始鉆生產(chǎn)井，是為了確保生產(chǎn)井的井眼軌跡能與注水井增產(chǎn)處理后的熱儲相交。兩口水平井都采用了非常規(guī)油氣開發(fā)常用的橋塞射孔水力壓裂完井技術(shù)。水平井的段間距為100～300 ft，各段分別設(shè)有幾個獨立的射孔簇。注水井的水平井段共進行了16 段壓裂作業(yè)，每段長度約為150 ft。除第12 段和第13 段設(shè)計了9 個射孔簇外，其他每段均為6 個射孔簇。射孔簇為有限射孔設(shè)計，目標射孔摩擦壓力約為1 500 psi。每段泵入約16 000 bbl 壓裂液和540 000 lbs 支撐劑，注入速度為100 bpm；壓裂液為含有低濃度減阻劑的滑溜水，攜帶由100 目和40/70 目硅砂混合而成的支撐劑；泵送濃度為0.25～1.50 ppg，每段壓裂時間持續(xù)約3 h。壓裂產(chǎn)生了100多個離散裂縫區(qū)，實現(xiàn)了兩口水平井的水力連通，獲得了從地層提取熱能所需的傳熱表面積。

在37 d的長期生產(chǎn)性能測試中，在商業(yè)運營所需的操作條件下，將液體從注入井循環(huán)到生產(chǎn)井，實現(xiàn)了高達63 L/s 的流量，相當于3.5 MW 的峰值總電力輸出。在錯流生產(chǎn)測試中獲得的流量和輸出功率均超過了全球其他EGS 項目。在穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)過程中沿水平段測得的流體流動數(shù)據(jù)表明，流動分布相對均勻，未見明顯的局部流動通道。在整個錯流測試過程中，產(chǎn)出液的溫度不斷升高，也表明壓裂作業(yè)并未產(chǎn)生嚴重的熱短路通道。在整個錯流測試過程中，整個系統(tǒng)內(nèi)的流體完全由地面注入泵驅(qū)動，證實該生產(chǎn)系統(tǒng)為密閉系統(tǒng)，無需通過人工舉升來維持生產(chǎn)井的流量。根據(jù)安裝的井內(nèi)光纖傳感器提供的數(shù)據(jù)可知，無論射孔簇所在井段的巖性如何，射孔簇100%都實現(xiàn)了裂縫起裂，且流體在所有壓裂段均勻分布，表明此類控流完井工藝能有效降低地?zé)徙@完井的成本。

Fervo 能源公司的試驗表明，在高溫、硬巖環(huán)境中通過水平井開發(fā)地?zé)崴媾R的技術(shù)障礙并非高不可攀，雙水平井EGS系統(tǒng)具備商業(yè)可行性，其經(jīng)驗或?qū)ξ覈壳罢谶M行的干熱巖項目具有較大的借鑒意義。