第1章 概述
随着现代科技的不断发展，人们对于能源的需求量越来越大，寻找可替代传统化石燃料的新型能源的任务越来越迫切，地热资源(geothermal resources)作为一种可持续利用的清洁能源进入了人们的视野。
1.1 干热岩地热资源基本概念
根据国家能源局2018年10月发布的《地热能术语》，地热能(geothermal energy)是指赋存于地球内部岩土体、流体和岩浆体中，能够为人类开发和利用的热能[1]。地热资源是指地热能、地热流体及其有用组分。根据地热能的埋藏深度、热量储存特征和产出方式等可将地热资源划分为浅层地热资源、水热型地热资源和干热型地热资源[2]。
浅层地热资源是指从地表至地下200m深度范围内，储存于水体、土体、岩石中的，温度低于25℃，采用热泵技术可提取用于建筑物供热或制冷等的地热能。
水热型地热资源是赋存于天然地下水及其蒸汽中的地热资源。水热型地热资源可分为高温、中低温型。
干热型地热资源即干热岩(hot dry rock， HDR)，是不含或仅含少量流体，温度高于180℃，其热能在当前技术经济条件下可以利用的岩体。干热岩为致密高温岩体，其开发通常需要借助工程手段，在高温岩体内建造一定规模的裂隙网络储层，为载热工质的运移和热交换提供空间，形成增强型地热系统(enhanced geothermal system，EGS)[3]。将水通过井注入人工产生的、张开的连通裂隙带中，水与岩体接触被加热后通过生产井返回地面，形成一个闭式回路以提取热能。
干热岩的形成离不开地球的内部结构与传热。地球地核是由铁和镍等金属在7000多摄氏度下形成的炽热熔浆，地核蕴含的热量由内而外传导，穿过地幔接近地壳，而地壳不含流体或流体极少的岩石层就会获得高温能量，从而形成干热岩。任何地区达到一定深度都会有干热岩存在，但受目前开发利用水平的影响，国家能源局把温度高于180℃，埋深数千米，其热能在当前技术经济条件下可以利用的岩体定义为干热岩。
干热岩分布广泛，其开发利用对环境影响小，几乎能做到零排放，且资源储存量大，具有巨大的开发潜力。据康玲等[4]和许天福等[5]的研究估计，地球上可供人类开发利用的干热岩提供的资源量是地球上所有石油、天然气和煤炭资源量的30倍，且相较化石燃料的排放污染和不可再生，干热岩具有清洁、可持续开发的优点。基于国家高技术研究发展计划(简称863计划)项目和中国地质调查局调查项目，以及中国地质科学院2012年的调查表明，中国大陆3～10km深处干热岩资源量总计2.52×1025J，是我国目前年度能源消耗总量的2.6×105倍；其中，仅3.5～7.5km深处，温度介于150～250℃的干热岩资源总量为6.3×106EJ，即使仅将其中2%的干热岩储量进行开发，获得的热能就相当于2010年我国能源消费总量的1320倍[6，7]。
1.2 国内外研究现状
干热岩地热资源开发在世界上已有近50年的研究历史，但以往主要局限在美国、英国、法国、德国、瑞士、日本、澳大利亚等少数国家[5]。截至2020年底，国外累计建设EGS示范工程40余项，干热岩资源的优越性和开发可行性逐渐得到国际认可。目前，EGS产业化面临的*大技术挑战是如何实现经济可持续开发，这主要受限于现有的储层改造和维护技术难以成功建立大规模、经济可持续的地下热交换系统。国际上针对这些技术难题，开展了一系列前沿研究计划。
2006年，受美国能源部(U.S. DOE)资助，由麻省理工学院(MIT)组建的*立专家评估委员会对EGS进行了综合分析研究，以全面评估地热能作为美国未来主要能源的潜力。评估结果显示，实现干热岩地热资源的产业化开发将革新全球能源结构。2015年，美国能源部启动“地热能前沿观测研究计划”(FORGE)，累计投入超过2亿美元，旨在促进和鼓励全球地热研究团体对EGS的革命性研究，*终为地热行业提供一系列可复制的EGS技术解决方案及产业化路径。2016年，美国能源部启动了为期3年的EGS合作实验室项目(EGS Collab)，投入900万美元，利用可进入的浅部地下实验室提高对岩体压裂响应规律的认识，提供中等规模(10m尺度)的实验平台来验证和发展热-水-力-化(THMC)模拟方法，并开发新型压裂监测工具。另外，为了降低干热岩开发成本，美国提出基于现有水热型地热系统的边缘和深部进行储层建造，可快速实现经济效益，并不断发展和积累地热储层建造技术。为此，美国能源部近几年资助了几个相关的EGS示范项目[如沙漠峰(Desert Peak)EGS工程、盖瑟斯(Geysers)EGS工程、拉夫特河(Raft River) EGS工程等]，这种方式可快速增加现有水热田的地热发电能力。美国FORGE的实施，旨在填补EGS现今面临的重要科学认识空白，突破限制EGS产业化开发的挑战性技术，*终形成可复制、具有商业推广潜力的干热岩地热工程开发模式。该计划已完成包括高温钻井工具、新型储层刺激改造和完井技术、裂缝网络的监测和管理、诱发地震的预测、应力管理和数值模拟等关键技术的前期研发工作。目前，工程现场已完成大斜度水平井钻井，并准备开展水平井分段压裂技术现场测试，有望取得较好的干热岩储层裂隙缝网建造效果。
2013年，欧盟委员会启动了“地平线2020”(Horizon 2020)计划。该计划资助的地热相关项目共11项，总预算达1.34亿欧元，皆在推动欧洲更为全面地开发利用地热资源。2018年，欧洲深部地热技术与创新平台(ETIP-DG)发布了欧洲深部地热能实施计划，投入9.36亿欧元用于支持深部地热资源开发所需的相关前沿技术和装备研发，皆在推动地热资源开发利用以满足欧洲大部分的热力和电力需求。
下面对1973年以来各国EGS研究情况进行详细介绍。
1.2.1 美国典型EGS工程
1. Fenton Hill EGS工程
始于1973年的美国新墨西哥州芬顿山(Fenton Hill)干热岩开发试验项目是*早的EGS示范工程项目[8]。Fenton Hill干热岩开发试验*次尝试从低孔隙低渗透性的岩石中开采地热。Fenton Hill地热田具有较高的地温梯度和大量的均一、低渗透性结晶基底岩石。尽管该工程并不是具商业规模的干热岩地热开发工程，但其证实了人工建造水热储层所需地质工程和钻探技术的可行性。
从Fenton Hill干热岩试验项目中发现节理系统的特性具有高度不确定性：**阶段中储层节理扩张压力只是第二阶段中储层节理扩张压力的一半。这一压力受相互连接的节理构造控制，但无法通过井孔观测或地表进行辨别。只有通过微地震观测才能确定诱发地震的部分，这与可作为流动通道的节理地张开相关。但是在大多数情况下，水力激发不仅会产生新裂隙，也会通过剪切作用使与局部应力场主方向一致的自然节理(总体上被矿物沉积所封闭)重新张开。
2. Geysers EGS工程
Geysers EGS工程在美国西北部实施，钻探部分项目的**阶段(前刺激)于2011年8月完成。从圣罗莎Geysers补给管道(Santa Rosa Geysers recharge pipeline，SRGRP)到P-32提供高度处理过的城市废水的管线作为一阶段的一部分也已完成。EGS示范项目二期(刺激或储层改造)于2011年10月开始，向P-32井注入SRGRP水，在地表以下1.5～4km井附近发生了一系列微地震活动。此前工作均在注入井附近，此后工作会横向拓展。P-32井附近井口压力变化和微地震活动性可协助确定流体流动的途径。地震事件的发生频率在特定的注入速率下随着时间降低。刺激阶段早期监测还表明，在本领域一部分储层压力在注入开始大幅增加。2011年10月～2012年1月，P-32井注入产生一个静态的井口压力，与PS-31井处相比从2.3 MPa增加为3.3MPa。P-32井的刺激也造成了不凝性气体(NCG)的浓度降低，NCG的总浓度从3.9wt%①下降至约0.3wt%。PS-31井蒸汽腐蚀的氯离子浓度没有与NCG浓度同步减少。PS-31井从2012年12月5日开始生产一直到2013年2月13日因为近表面腐蚀产生泄漏必须把井关闭，直到安装上高合金或钛合金材料，以防止未来的腐蚀。
3. Desert Peak EGS工程
作为美国奥巴马政府全方位能源战略的一部分，美国能源部于2013年4月12日宣布Desert Peak项目作为美国**个成功的商业化EGS工程可向电网提供电力。Desert Peak EGS示范项目位于内华达州里诺(Reno)市东北部。
为了增加目标井周围区域的渗透率和建立该井与已有水热田生产部分间的连通性，奥玛特(Ormat)公司设计了由4个*立阶段组成的储层改造激发方案。2010年8月，在Desert Peak场地开始了改造激发作业，流体被注入深度在914～1005m的流纹岩地层的底部。经过8个月的多级改造(激发)，井的注入能力增加了几个数量级，流量增加了几百加仑/分。这表明井附近区域的渗透性得到了显著改善。
4. Milford FORGE EGS工程
2015年起，美国能源部启动FORGE。目标是创建一个地下实验室以开展EGS领域前沿理论和钻完井技术等方面的研究，形成能够促进干热岩产业发展的严谨的、可复制的方法技术体系。除现场作业之外，FORGE同样致力于数据收集、前沿设备研发并且即时共享相关研究数据，在开展EGS领域前沿研究的同时，也努力构建创新合作平台与管理体系。
截至2024年，FORGE已完成前三阶段的主要工作：①2015年4月27日，美国能源部公告投资200万美元进行干热岩地热场地初选，工作任务包括：地质模拟，数据公布，知识产权、环境、健康和安全信息等项目整体规划；②2016年8月31日，在干热岩场地评估的基础上，优选内华达州的法伦(Fallon)场地和犹他州的Milford场地进行第二阶段任务，主要包括：环境影响评估，地面微地震监测网部署，基于地质结构、钻井测孔、地球物理信息的储层建模，诱发地震风险评估预测等；③2018年6月4日，美国能源部宣布米尔福德(Milford)场地作为FORGE第三阶段的研究场地，专注于增强型地热系统、人工建造储层等领域前沿技术理论的研究，广泛吸引了来自工业界、学术界及不同国家实验室的合作者。
自FORGE项目执行以来，对Milford区域进行了大量的钻探测井工作，已有大量地热测井资料表明FORGE干热岩场地具有极高的地热潜力：在地下2km处钻获175℃干热岩体，计算平均地温梯度可达50～65℃/km。除此之外，区域重力、大地电磁等地球物理数据解译结果表明，4km深度以浅、温度175℃以上的干热岩体分布面积大于100km2，体积超过100km3，是理想的干热岩开发利用研究场地。作为FORGE项目计划的一部分，Milford场地已经完成钻进多口地热深井的钻探工作，目前场地的监测井有：58-32井、68-32井、78B-32井、56-32井、78-32井等(图1.2.1)，其中58-32井*初为一口地热示范井，用于收集垂直井开发干热岩所涉及的遥感、地热地质、地球物理、地球化学数据，并探索高温坚硬岩石垂直井钻进、水力压裂等技术的工程可行性，现主要用于微震事件监测工作。
2021年初完成钻进的16A(78)-32井是FORGE场地钻的**口大角度近水平斜井，与56-32井位于同一地热目标层，作为干热岩开发的注入井。16A(78)-32水平井全井长度为3289.55m，其中水平井根部造斜点位于地下1809.91m处，初始造斜梯度为5°/100ft①，当井身倾斜角达到65°时停止造斜，随后以65°的井身倾斜角继续钻进。该井趾部垂向深度为2584.3m，垂向落差774m，近水平段长度为1260m。2022年4
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