地熱能，一種來自地球深處的可再生能源，雖然“小眾”但其發(fā)展?jié)摿s備受期待。經(jīng)過多年研究，地熱能開采技術不斷取得突破，干熱巖、增強型地熱系統(tǒng)、超臨界流體等非常規(guī)地熱技術逐漸走入大眾視野，吸引投資者的目光。
不久前，美國大型研究機構R&M發(fā)布了《2018年地熱能分析》報告，報告指出，目前多種勘探、獲取地熱能的研發(fā)活動正在活躍建設中，對一些地熱資源豐富的國家來說，該技術有望滿足未來幾代人的能源供給需求。
報告也肯定了地熱是一種簡單、安全的化石燃料替代方法。但為了可持續(xù)利用地熱資源，減少地熱利用帶來的災害，地熱開采怎么“鉆”至關重要。
鉆井提速是追求目標
目前，學術界一般將地熱分為淺層地熱和中深層地熱兩種地熱資源。中深層地熱包括地下深度200～3000米的地熱能以及地下深度3000米以上的干熱巖所具有的熱能。
中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室教授宋先知給出的數(shù)據(jù)顯示，我國淺層地熱儲量約95億噸標煤，中深層地熱儲量約1.37萬億噸標煤，干熱巖儲量約860萬億噸標煤。由此可見，中深層地熱及干熱巖開采前景可期。
就像水電開發(fā)一樣，基于地熱越深，資源量越大，開發(fā)難度也就越大，在宋先知看來，鉆井、完井與開采技術是地熱資源經(jīng)濟高效開發(fā)的關鍵，而鉆井提速則一直是鉆井人不懈追求的目標。
在近日召開的第八屆中深層地熱資源高效開發(fā)與利用國際會議上，宋先知介紹了多種鉆井提速技術，其中，自振空化射流提高鉆井速度就極具可行性。
據(jù)介紹，空化（汽蝕）危害巨大，流體局部壓力低于飽和蒸汽壓產(chǎn)生空泡，空泡潰滅時沖擊壓力可達上千兆帕，破壞力極強?？栈淞鲃t能實現(xiàn)變害為利，國內(nèi)外提出將空化極強破壞力引入水射流，可不提高地面泵壓的同時大幅度提高射流破巖效率。而風琴管諧振原理調制自震空化射流方法，射流破巖能力可提高1.3～2.3倍，射流壓力脈動增強24%～37%。
“在勝利、遼河等十多個油田試驗的1700多只自振空化射流鉆頭，在相同條件下，鉆速提高12.1%～23.1%。”宋先知表示，“相比油田鉆井，地熱鉆井圍壓低、溫度高，更加有利于空化發(fā)生。”
除此之外，鉆井液脈沖射流加高頻震動沖擊聯(lián)合破巖，誘發(fā)巖石共振，在交變應力的作用下，也可進一步提高破巖效率。
不過，除了提高鉆速，鉆井的過程中需要克服的挑戰(zhàn)還有很多，業(yè)內(nèi)專家表示，為確保鉆井的結構和質量，還要謹慎考察地層的條件以及鉆孔方位，選擇合適的鉆頭，這樣不僅能確保工程的順利進展，還能提升工作效率，降低工程成本。
科學計算回灌井井距
隨著地熱開發(fā)利用的不斷發(fā)展，地熱井的數(shù)量和抽水量都逐年增加，有的地方已達到甚至超過資源評價所限定的抽水量極限。只抽不灌，不但不利于保護地熱資源，同時也將含有某些有害成分的地表水體滲透到地下，造成不同程度的環(huán)境污染。
當前，回灌開采在內(nèi)的新型地熱開采方法逐漸被采用并獲得良好的效果，特別是由開采井和回灌井組成的增強地熱系統(tǒng)，在實踐中得到廣泛應用。
中國地質大學能源學院教授李志平表示，增強地熱系統(tǒng)通過對地下水的抽取和回灌，完成熱量交換過程，由于回灌井與地下含水層初始溫度存在差異，如果抽水井和回灌井之間距離較近，在短時間內(nèi)回灌行為就會影響到抽水井水溫，出現(xiàn)熱貫通現(xiàn)象，且抽水井水溫也很難達到用戶要求。
李志平指出，抽水井與回灌井距離過大、過小都有利弊。如果距離大，回灌水在儲層中可以充分加熱，保持儲層熱水溫度的穩(wěn)定性，這樣采出的水的溫度也是恒定的；但與此同時，如果儲層滲透率低，回灌井遠，可能需要增加灌注泵，從而增加了成本。而如果抽水井和回灌井距離小，雖然能降低灌注成本，但由于距離近流速快，回灌水在儲層很可能形成大的通道，造成采出水溫度不達標。
因此，在李志平看來，通過科學的計算方法，合理確定回灌井井距非常重要?；毓嗑啻_定要遵循多項原則，包括盡量降低回灌的成本，不增加回灌泵；回灌造成的井底壓力不能破壞儲層，把儲層壓裂；回灌流體要在儲層中充分加熱，避免井距太近，造成回灌水很快流到采出井底，使得水溫降低。
為此，李志平也提出了諸多確定回灌井井距的計算方法，包括管流—滲流協(xié)調法，即根據(jù)采出井口壓力和地層滲透性能確定回灌井井距；地層破裂壓力法，即回灌井流入儲層不能產(chǎn)生裂縫，以不產(chǎn)生裂縫的距離為合理井距；地層熱傳分析法，即回灌井注入儲層后，流體到采出井時，加熱到原來流體的溫度時，人為距離是合理的。另外，同時滿足以上三個方法的井距也是合理井距。
地熱回灌是一項非常復雜的技術，在業(yè)內(nèi)專家看來，在大規(guī)?；毓嘀叭匀恍枰M行回灌試驗，示蹤試驗是回灌試驗中非常重要的一種手段，對于研究回灌引起地熱田冷卻的可能性具有重要的意義。
不久前，美國大型研究機構R&M發(fā)布了《2018年地熱能分析》報告，報告指出，目前多種勘探、獲取地熱能的研發(fā)活動正在活躍建設中，對一些地熱資源豐富的國家來說，該技術有望滿足未來幾代人的能源供給需求。
報告也肯定了地熱是一種簡單、安全的化石燃料替代方法。但為了可持續(xù)利用地熱資源，減少地熱利用帶來的災害，地熱開采怎么“鉆”至關重要。
鉆井提速是追求目標
目前，學術界一般將地熱分為淺層地熱和中深層地熱兩種地熱資源。中深層地熱包括地下深度200～3000米的地熱能以及地下深度3000米以上的干熱巖所具有的熱能。
中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室教授宋先知給出的數(shù)據(jù)顯示，我國淺層地熱儲量約95億噸標煤，中深層地熱儲量約1.37萬億噸標煤，干熱巖儲量約860萬億噸標煤。由此可見，中深層地熱及干熱巖開采前景可期。
就像水電開發(fā)一樣，基于地熱越深，資源量越大，開發(fā)難度也就越大，在宋先知看來，鉆井、完井與開采技術是地熱資源經(jīng)濟高效開發(fā)的關鍵，而鉆井提速則一直是鉆井人不懈追求的目標。
在近日召開的第八屆中深層地熱資源高效開發(fā)與利用國際會議上，宋先知介紹了多種鉆井提速技術，其中，自振空化射流提高鉆井速度就極具可行性。
據(jù)介紹，空化（汽蝕）危害巨大，流體局部壓力低于飽和蒸汽壓產(chǎn)生空泡，空泡潰滅時沖擊壓力可達上千兆帕，破壞力極強?？栈淞鲃t能實現(xiàn)變害為利，國內(nèi)外提出將空化極強破壞力引入水射流，可不提高地面泵壓的同時大幅度提高射流破巖效率。而風琴管諧振原理調制自震空化射流方法，射流破巖能力可提高1.3～2.3倍，射流壓力脈動增強24%～37%。
“在勝利、遼河等十多個油田試驗的1700多只自振空化射流鉆頭，在相同條件下，鉆速提高12.1%～23.1%。”宋先知表示，“相比油田鉆井，地熱鉆井圍壓低、溫度高，更加有利于空化發(fā)生。”
除此之外，鉆井液脈沖射流加高頻震動沖擊聯(lián)合破巖，誘發(fā)巖石共振，在交變應力的作用下，也可進一步提高破巖效率。
不過，除了提高鉆速，鉆井的過程中需要克服的挑戰(zhàn)還有很多，業(yè)內(nèi)專家表示，為確保鉆井的結構和質量，還要謹慎考察地層的條件以及鉆孔方位，選擇合適的鉆頭，這樣不僅能確保工程的順利進展，還能提升工作效率，降低工程成本。
科學計算回灌井井距
隨著地熱開發(fā)利用的不斷發(fā)展，地熱井的數(shù)量和抽水量都逐年增加，有的地方已達到甚至超過資源評價所限定的抽水量極限。只抽不灌，不但不利于保護地熱資源，同時也將含有某些有害成分的地表水體滲透到地下，造成不同程度的環(huán)境污染。
當前，回灌開采在內(nèi)的新型地熱開采方法逐漸被采用并獲得良好的效果，特別是由開采井和回灌井組成的增強地熱系統(tǒng)，在實踐中得到廣泛應用。
中國地質大學能源學院教授李志平表示，增強地熱系統(tǒng)通過對地下水的抽取和回灌，完成熱量交換過程，由于回灌井與地下含水層初始溫度存在差異，如果抽水井和回灌井之間距離較近，在短時間內(nèi)回灌行為就會影響到抽水井水溫，出現(xiàn)熱貫通現(xiàn)象，且抽水井水溫也很難達到用戶要求。
李志平指出，抽水井與回灌井距離過大、過小都有利弊。如果距離大，回灌水在儲層中可以充分加熱，保持儲層熱水溫度的穩(wěn)定性，這樣采出的水的溫度也是恒定的；但與此同時，如果儲層滲透率低，回灌井遠，可能需要增加灌注泵，從而增加了成本。而如果抽水井和回灌井距離小，雖然能降低灌注成本，但由于距離近流速快，回灌水在儲層很可能形成大的通道，造成采出水溫度不達標。
因此，在李志平看來，通過科學的計算方法，合理確定回灌井井距非常重要?；毓嗑啻_定要遵循多項原則，包括盡量降低回灌的成本，不增加回灌泵；回灌造成的井底壓力不能破壞儲層，把儲層壓裂；回灌流體要在儲層中充分加熱，避免井距太近，造成回灌水很快流到采出井底，使得水溫降低。
為此，李志平也提出了諸多確定回灌井井距的計算方法，包括管流—滲流協(xié)調法，即根據(jù)采出井口壓力和地層滲透性能確定回灌井井距；地層破裂壓力法，即回灌井流入儲層不能產(chǎn)生裂縫，以不產(chǎn)生裂縫的距離為合理井距；地層熱傳分析法，即回灌井注入儲層后，流體到采出井時，加熱到原來流體的溫度時，人為距離是合理的。另外，同時滿足以上三個方法的井距也是合理井距。
地熱回灌是一項非常復雜的技術，在業(yè)內(nèi)專家看來，在大規(guī)?；毓嘀叭匀恍枰M行回灌試驗，示蹤試驗是回灌試驗中非常重要的一種手段，對于研究回灌引起地熱田冷卻的可能性具有重要的意義。
責編：lj
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