本篇内容源自金正纵横《干热岩勘探开发核心技术及研发攻关方向专题报告》
干热岩（Hot Dry Rock-HDR）指地层深处（一般指地下3～10km）存在的没有水或蒸汽的致密的热岩体，是地热资源的重要赋存形式之一。干热岩分布广泛，是未来地热开发的主要方向。
一、干热岩勘探开发流程概述
干热岩的勘探开发流程主要包含如下八个方面：选址评价、地质勘探、干热岩钻井工程、干热岩固井工程、干热岩完井工程、干热岩开发压裂、压裂裂缝监测以及干热岩开发地面工程。
1、选址评价
采用 EGS 技术开发干热岩地热资源，首先需要明确 EGS 项目的勘探方向，在针对性地开展地质风险分析和资源、技术与经济研究评价的基础上，选出目标区，适时进行现场试验，并进一步探讨进行规模化资源开发的可行性。EGS 项目选区选址恰当与否是关系到项目能否取得成功最关键的环节之一。如何选出有代表性、适合 EGS 项目开展的试验有利区带和靶区，对于未来能否早日实现中国干热岩资源规模化商业开发具有举足轻重的意义。
通过调研公开文献，国外EGS 项目的选址方法体系报道的很少。国内有些科研单位针对地热资源，依据自己的研究特点，开始提出选址的评价方法和体系。例如中科院，地调局水环所，中石化。因此，在借鉴国外 EGS 研究和现场试验经验和教训的基础上，分析干热岩资源的特点，建立一套干热岩 EGS 目标选址评价方法体系并据此优选出有利区，是干热岩研究关注的重点。
2、地质勘探
根据干热岩 EGS 目标选址评价方法体系优选出有利区后，下一步则是对干热岩EGS目标进行深入的地质勘探评价，主要是从区域地质概况、水文特点、构造发育特征、地层发育特征、地热分布特点等方面研究出发，最后进行资源评价及勘探方案设计。
其中采用的勘探方法与技术主要为重力、电法和磁法勘探技术，2D/3D地震勘探技术，重、磁、电勘探技术精度较低，主要解决大的基底构造、地层分布特征；地震勘探技术，尤其是3D地震勘探精度较高，能够精细描述构造及地层特征；4D地震是时延地震方法的一种应用，分析随时间变化的地震相应的变化，解释岩性及流体特征，以及储层正在发生的变化及其历史，是目前正在推广使用的一种先进的勘探技术，总体而已无论是重、磁、电勘探还是2D/3D/4D地震勘探技术均已经比较成熟。
针对储层描述的3D地质建模、钻井设计、开发方案、油气数模模拟技术都是比较成熟的方法，但是干热岩EGS中针对裂缝的3D裂缝建模技术、换热模拟技术目前正处于研发及测试阶段。
另外，目前还没有一种方法能够直接探测地热异常区带。
3、干热岩钻井
对干热岩项目进行详细的地质勘探，井位设计后，则要开始进行钻井工程设计。在满足工艺的前提下，合理优选井身结构，钻井参数设计、钻井液设计，达到钻井施工安全、经济的目的。
由于干热岩等深部硬岩地层具有硬度大，研磨性弱，可钻性差和钻进难度大等特点，目前使用的PDC+牙轮钻头，钻速约2米/小时，使用寿命50-60小时，技术成熟，各钻头公司均可定制，但是其成本随深度指数增加。
一种经济又高效的深钻井创新技术是人心所向，目前正在研究的主要是如下三种：
①特殊钻头水锤，钻速10-20米/小时，目前国内正处于示范阶段；
②高能量钻头电脉冲钻井，钻速>20米/小时，处于研究阶段；
③高能量钻头等离子距，钻速>21米/小时，也正处于研究阶段。
4、干热岩固井
固井设计包括但不限于套管柱设计、套管强度校核、扶正器设计、水泥浆类型、注水泥要求、固井方式及主要井段的封固要求。根据实际需求，对干热岩注水井和开采井进行套管柱设计、水泥浆体系设计等工作。
干热岩层固井面临井底静止温度高（>150℃），封固段温差大（>60℃），生产期间井筒温压波动等一系列复杂工况，造成水泥石底部强度衰退，顶部强度发展缓慢，水泥环微裂隙发育等固井难题，严重制约了井筒完整性与长效密封能力。
干热岩井对固井质量有着较高的要求，除了需要固井质量优良，还要求热传导率小0.28W/m·K。固井需要调试出满足干热岩井需要的高温水泥浆体系，并根据井下工况，优选耐高温的分级箍和裸眼封隔器保障了固井施工安全。
5、干热岩完井
油田完井的主要任务是使井眼与储集层有良好的连通，使井能高产，同时保持井眼的长期稳定，使井能稳产较长一段时间。目前国内外常见的完井方式有：射孔完井、裸眼完井、衬管完井、砾石充填完井等。
干热岩完井有所不同，对于EGS 项目注水井水平段完井方式，可以设计为裸眼与套管固井相结合的方式。另外，由于目的层高温高压，注水井生产套管和套管头的压力级别需要满足大规模分段压裂的需要。
干热岩生产井在完井和固井环节要考虑深井泵安装、热应力导致井筒抬升、以及分段压裂等因素。一般深井泵会安装在井筒600-800m 左右的深度，泵的直径决定泵的排量。生产井固井前需要预测或模拟热应力对井筒抬升的影响，需要使用耐高温专用水泥体系，合理预留井口补偿高度，并使用导热系数低的套管。考虑到如果生产井不能与注水井压裂裂缝连通，还需要对生产井进行水力喷射压裂，所以需要套管抗压级别满足需求。
6、干热岩开发压裂
深层 EGS 的热交换系统主要是靠大规模的水力压裂来建立，目前世界上的EGS 项目主要以笼统压裂为主，笼统压裂产生的裂缝很难形成能连通注采井的多条有效裂缝进行热交换，因此系统的流量和功率会受到限制。
EGS 压裂工程需要实现分段压裂，创建多条裂缝，提高系统流量和功率。但是，在高温高压的深层干热岩实现分段压裂，无论是压裂工程设计还是压裂封隔工具和材料会受到很大的挑战。
首先压裂工程设计上需要考虑技术可行性和经济性的问题，通过压裂模拟计算，对压裂施工进行合理设计，目前EGS压裂模拟计算、工艺设计还处于研究阶段。
另外，在常规压裂过程使用的压裂材料和压裂工具如低温酸液、低温暂堵剂、砂和射孔枪、封隔器都比较成熟，但是干热岩压裂所需的高温暂堵剂（大于165°）和高温封隔器市场上难以找到成熟的产品。
7、干热岩压裂裂缝监测
现阶段干热岩压裂裂缝监测手段主要采用直流电法监测和微地震监测。
直流电法是通过井中套管向目的层供电，在目的层和地表形成电场，水力压裂过程中，地下导电体的电阻率发生变化，引起地面电位发生变化，从而可监测地下裂缝扩展情况。分为2D和3D直流电法监测方法，2D直流电法监测精度较差，仅仅2D展示，无法描述裂缝空间展布，目前也只是在试验和初步验证阶段；3D直流电法采用三维电法反演方法精度高，三维立体展示，精细描述裂缝空间展布，能计算裂缝的倾角、方位、长度、开度、密度等关键要素，目前市面上还没有应用。
采用微地震监测手段，实时监测压裂裂缝的延展情况，同时要监测压裂过程中产生的微震震级，按照地震防控的要求，随时采取调控措施，避免产生有害地震。无论是微震地面监测还是微震井下监测得到结果均是微震点的定位（微震云），该定位技术比较成熟，但是应用比较杂乱。更深一步的综合考虑地层应力形变破裂与微震事件关系的微震点成像解释技术还在研发阶段。
分布式光纤传感技术（DAS），利用光纤本身作为传感器进行信号采集，在井中地震勘探、井中—地面立体勘探、油气藏长期动态监测和微地震监测等方面开始应用，凭借重量轻、高密度、全井段、高效率、低成本、灵敏度高、耐高温耐高压等优势，近年来得到快速发展，但是整体还是处于试验阶段。而利用3D光纤地震仪进行微地震监测目前则处于实验室研究阶段。
8、干热岩开发地面工程防腐防垢
干热岩开发地面工程主要技术方案包括深层地热井、地面注水和换热系统，以及锅炉等设施。
根据项目规模及模拟计算结果，确定合理的注水工艺设计。地面系统中换热工程部分主要包括换热系统工艺，水质处理工艺、防腐要求等内容。其中防腐防垢措施对延长系统使用寿命，减少维修次数，降低运行成本，保证项目设施长期安全有效的运行非常重要。目前地源热泵技术已经是比较成熟，但是井中防垢直流技术国外已经研发，国内需要引进代理，后期进一步研发；另外，将防结垢剂是加入运行中的锅炉水里，在长时间的运行中，也会和老水垢发生化学反应，使老水垢从锅炉上脱落下来，从这个意义上它又起到了除垢的作用，这种方法简便实用。
二、干热岩勘探开发难点问题
1、勘探评价方面
中国干热岩地热能勘探评价发展存在“不充分不协调”的问题。不充分表现在，对干热岩地热能资源勘查评价和科学研究不充分。美国已进行 40 多年研究探索，取得多方面研究成果。德国、法国、英国、日本、澳大利亚等国也开展了卓有成效的工作，而中国才刚刚起步。由于地壳结构复杂，地热成因机理尚不清楚，干热岩资源分布极为不均匀，我国目前尚未形成成熟可靠的干热岩地热资源评价体系和定量化的评价指标。不协调表现在，地热能勘查评价精度与开发利用发展速度不协调。
2、钻井工程难点
目前，钻井是干热岩勘探开发的唯一手段。世界钻井承包商协会（IADC）将220℃以上地层温度钻井称为极高温钻井，而深层高温地热钻井的地层温度普遍高于220℃，因此，干热岩开发首先须要解决极高温钻井技术难题。极高温条件下，井筒工作液性能指标变差，一般的钻井工具与测量仪器的耐高温极限175 ℃，常规的钻井完井液与工具难以满足作业要求。干热岩岩体主要为火成岩或变质岩，具有强度高、硬度大、可钻性差的特点，且钻井时会产生着地层裂隙和断层发育、井壁坍塌、卡钻和井漏等井下复杂事故。
3、干热岩热提取技术
目前，一般采用井网压裂的方式构建大型裂缝型地热储能系统来提取干热岩热，通过注水井将高压水注入干热岩层，注入水充分吸收地层热量后，经生产井将高温水和蒸汽采出，实现干热岩热量开发。当前阶段，干热岩热提取的主流方式仍为利用水力压裂建立地下热储EGS，虽在已有开发项目中取得一定成功，但该系统的缺点较为突出，主要表现：①井下水损现象严重，注入热储层的水流大多通过裂隙流失，干热岩的高效开发应满足水损率低于10%，而多个开发项目中水损严重超标；②地热能量衰减过快，由于水流短路导致生产井出口水温降低速率较快，具有商业开发价值的高温流体难以维持；③存在诱发地震的风险，如瑞士巴塞尔3.4级和韩国浦项5.4级地震均由高压注水水力压裂激活了深部潜在断层导致的。
三、石油企业在干热岩勘探开发上的优势
1、矿区面积广，资源丰富
中国油气田企业分布范围十分广泛，且在自然资源基础、基础设施、用能需求等方面优势明显。地热资源方面，以辽河油田、吉林油田、冀东油田为例，辽河油田地热能总储量相当于340亿吨标煤，目前已在辽河坳陷古近系圈定了多个地热储 层有利区块，经核算叠加面积可达1800平方千米。吉林油田地热资源丰富，以大情字区块为例，地热能有利面积为270平方千米，地热资源量为0.66亿吨标煤，按0.15%可采率计算，每年地热能可采资源达9.9万吨标煤。冀东油田唐山探区内地热异常带地温梯度大于3.0℃/100米，埋藏浅、水量大、水 质好，总资源量为2.05亿兆焦耳，相当于70亿吨标煤，可采资源量为0.32亿兆焦耳，相当于10.8亿吨 标煤。
2 、拥有高温钻井工具及钻井工艺技术
由于传统机械钻井技术（如旋转钻井）的局限性，在干热岩岩体钻进过程中，通常表现出钻头磨损率高、破岩效率低、机械钻速慢等缺点，为了提*干高**热岩钻探过程效率，目前在世界范围内各国开始研究替代传统破岩机制的钻井技术，如气体钻井、激光钻井、化学钻井、液氮射流钻井、热-机械联合钻井等。国内外石油企业在高温钻井技术方面积累雄厚，不仅研发了多款耐高温钻头、高温环保钻井液，还掌握了气体钻井等工艺技术，且具备深井、高温高压井的钻探经验。
目前，国外油服公司研发的部分新型高强度钻头可适用于干热岩坚硬地层。不同类型的钻头适用范围及特点见下表。这些钻头在国内外油田中有重要应用，可以借鉴用于干热岩的钻井工程中。
表1 国外不同类型钻头技术汇总表
3、拥有高温分段压裂工具及成熟技术
在干热岩压裂过程中，分段压裂往往会由于封隔器难以耐 210℃以上的高温而受到限制，因此部分 EGS 工程采用直井压裂。此外，为了避免在压裂过程中出现过高的泵注压力，往往采用较小的排量，促使水力裂缝发生剪切作用，故而干热岩压裂不加或少加支撑剂。干热岩开发压裂主要为清水压裂技术及裸眼封隔器分段压裂技术。
裸眼分段压裂技术是干热岩压裂的关键技术，但是面临着耐高温压裂工具的挑战，经过调研，目前国内外市场上有9家公司的产品压裂工具可以满足耐温177℃，耐压70Mpa，工具最高耐温可达204℃，最高耐压可达103Mpa。我国西南油气田、西北油田在高温高压钻完井、分段压裂方面具备多口井的成熟应用经验，其工具设备及工艺技术可以应对干热岩开发的挑战。
表2 国内外裸眼压裂完井工具调研