盡管我國地?zé)豳Y源利用的歷史悠久，地?zé)崮荛_發(fā)利用總量居世界首位，但仍主要以中淺層地?zé)岬闹苯永脼橹鳎畈扛邷氐責(zé)豳Y源探測、評(píng)價(jià)、選區(qū)、鉆完井、人工熱儲(chǔ)建造和開發(fā)技術(shù)起步較晚，深部地?zé)豳Y源勘探開發(fā)亟待培育壯大。

目前，我國埋藏深度在3000米以淺的中深層水熱型地?zé)豳Y源總量相當(dāng)于1.25萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，埋藏深度在3000~10000米的深層地?zé)豳Y源規(guī)模相當(dāng)于856萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。相較中深層地?zé)豳Y源，深層地?zé)豳Y源量更大、溫度更高、資源稟賦更好、應(yīng)用場景更廣，一旦攻克關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)端牢能源飯碗、綠色低碳發(fā)展具有重要意義。

產(chǎn)學(xué)研用一體化協(xié)同創(chuàng)新加快推進(jìn)深部地?zé)豳Y源勘探開發(fā)

嘉賓： 石油勘探開發(fā)研究院專家 張 英

問：我國地?zé)崮荛_發(fā)利用總量居世界首位，但主要以中淺層地?zé)岬闹苯永脼橹?。有專家認(rèn)為，深部地?zé)豳Y源雖然開發(fā)難度極大，卻是地?zé)崮苡糜诠I(yè)領(lǐng)域、真正替代化石能源最有前景的方向。那么，與中淺層地?zé)豳Y源相比，深部地?zé)豳Y源有什么特點(diǎn)？

答：地?zé)崮苁琴x存于地球內(nèi)部巖土體、流體和巖漿體中的熱能。根據(jù)埋深不同，地?zé)豳Y源分為淺層、中深層、深層三大類，對(duì)應(yīng)深度范圍為200米以淺、200~3000米和3000米以深。對(duì)于深部的定義，業(yè)界并沒有明確的概念。有專家認(rèn)為，深部與淺層相對(duì)應(yīng)，200米以深都可以稱為深部，中深層和深層地?zé)岫紝儆谏畈康責(zé)帷Ｎ覀€(gè)人更傾向于將深部與深層相關(guān)聯(lián)，依托現(xiàn)在的鉆井技術(shù)，目前主要指3000~10000米埋深范圍的地?zé)豳Y源，現(xiàn)階段重點(diǎn)關(guān)注的深度為3000~6000米。對(duì)地?zé)豳Y源的深度界定也有一個(gè)變化的過程。20世紀(jì)80年代認(rèn)為2000米以深就是深層，現(xiàn)在一般認(rèn)為3000米以深為深層，未來隨著勘探開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，深層的界限還可能向下延伸。

深部地?zé)豳Y源有兩種賦存形式。一種是水熱型，賦存于地下水及其蒸汽中，通過開采天然地下熱水采出地?zé)崮?；另一種是巖熱型，賦存于固體巖石中，利用人工采熱工質(zhì)進(jìn)行換熱采出地?zé)崮?。根?jù)地?zé)崮芴攸c(diǎn)和用能需求，可以采用單井換熱、對(duì)井注采循環(huán)取熱、多井群采群灌取熱等方式。采出的地?zé)崮馨凑铡捌肺粚?duì)口”的思路，根據(jù)不同溫度，用于發(fā)電、制冷、供熱等，還可以進(jìn)行梯級(jí)利用，如先發(fā)電再制冷或農(nóng)業(yè)干燥，尾水還可用于居室供暖、制生活熱水等。

問：當(dāng)前，我國能源體系面臨穩(wěn)定供應(yīng)與清潔低碳轉(zhuǎn)型的雙重挑戰(zhàn)和節(jié)能減排、新能源替代的重大需求。在此背景下，加強(qiáng)我國深部地?zé)豳Y源勘探開發(fā)有何積極意義？

答：地?zé)豳Y源作為五大非碳基能源之一，具備資源量大、可再生、運(yùn)行穩(wěn)定持續(xù)、碳排放量低、利用方式多樣等優(yōu)勢，近年來受到國家及能源行業(yè)的高度重視。規(guī)模有效開發(fā)地?zé)豳Y源，可在碳減排與清潔能源替代領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

地?zé)豳Y源按照溫度分為低溫（＜90攝氏度）、中溫（90~150攝氏度）和高溫（>150攝氏度）三大類。溫度越高，可利用的方式越多、經(jīng)濟(jì)價(jià)值越大，品位就越高。以地?zé)岚l(fā)電為例，高溫地?zé)岚l(fā)電效率最高，其次為中溫，而低溫地?zé)岚l(fā)電效率很低，基本不具有經(jīng)濟(jì)效益。發(fā)電之后的尾水還可用于干燥、制冷，以及進(jìn)一步的居室供暖、溫泉洗浴和種養(yǎng)殖等，打造完整的地?zé)崽菁?jí)利用產(chǎn)業(yè)鏈。低溫地?zé)豳Y源一般只能用于居室供暖、溫泉洗浴和種養(yǎng)殖等，相對(duì)而言經(jīng)濟(jì)性較差。

地球的地表向深部延伸是一個(gè)逐漸增溫的過程，一般地溫梯度為3攝氏度/100米左右，即每向下100米左右，溫度增加3攝氏度。按此地溫梯度推算，3000米以深巖石地層溫度一般都超過90攝氏度，有些存在地下高溫?zé)岙惓５牡貐^(qū)，甚至可以超過150攝氏度，形成高溫地?zé)豳Y源，再向下延伸，溫度會(huì)更高。前期研究認(rèn)為，我國陸區(qū)3000~10000米埋深蘊(yùn)含地?zé)嵴酆蠘?biāo)準(zhǔn)煤715萬億~856萬億噸。即使只有一部分獲得有效開發(fā)，都可以獲得顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

問：地?zé)崮艿拈_發(fā)利用不會(huì)直接排放二氧化碳，已經(jīng)并必將在世界新能源版圖中穩(wěn)占一席之地。目前，國內(nèi)外深部地?zé)豳Y源的勘探開發(fā)狀況如何？

答：受全球大地構(gòu)造的影響，深部地?zé)豳Y源分布并不均勻。同樣3000米埋深下，位于板塊邊緣的冰島、美國西海岸等地區(qū)溫度可能超過300攝氏度，而地處板塊內(nèi)部的我國準(zhǔn)噶爾盆地可能不足80攝氏度，但向深部進(jìn)軍是一致的方向。在全球范圍內(nèi)，地?zé)豳Y源開發(fā)正不斷向更深地層、更高溫度挺進(jìn)。目前，最深的地?zé)峋挥诘?，達(dá)到6000多米；最高溫的地?zé)峋挥诒鶏u，直接鉆遇巖漿，溫度超過400攝氏度。

除了深度、溫度增加，深層地?zé)豳Y源開發(fā)的技術(shù)手段也在不斷創(chuàng)新。隨著埋深增加，深層地?zé)豳Y源中干熱巖資源所占比例不斷增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)的水熱型地?zé)豳Y源，因此成為研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

干熱巖，顧名思義，指不含水或只含有少量水、溫度大于150攝氏度甚至180攝氏度的巖石。需要通過創(chuàng)建開放人工水熱系統(tǒng)，或采用封閉井筒換熱方式，將其中富含的熱能采出。近50年，美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)陸續(xù)開展增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced Geothermal System或Engineered Geothermal System，簡稱為EGS）研究和現(xiàn)場試驗(yàn)，希望解鎖干熱巖地?zé)豳Y源的規(guī)?；?jīng)濟(jì)開發(fā)。目前，歐洲、美國的少量項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化或準(zhǔn)商業(yè)化運(yùn)行，但距規(guī)模化推廣還有較大差距。

我國地?zé)豳Y源直接利用規(guī)模連續(xù)多年居世界首位，其中，中深層地?zé)峁┡娣e達(dá)到5.9億平方米，也位列全球第一。近年來，我國也從國家和地方等多個(gè)層面設(shè)立現(xiàn)場試驗(yàn)項(xiàng)目，探索深部地?zé)?，尤其是干熱巖資源開發(fā)利用，但尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化突破。

問：多年來，中國石化積極順應(yīng)全球能源綠色低碳發(fā)展趨勢，持續(xù)深耕地?zé)犷I(lǐng)域，目前總體發(fā)展情況如何，取得了哪些成效？

答：作為我國地?zé)岙a(chǎn)業(yè)發(fā)展的領(lǐng)軍企業(yè)，中國石化多年來不斷推動(dòng)地?zé)崮芤?guī)?；⑿б婊l(fā)展，已成為國內(nèi)最大的地?zé)崮荛_發(fā)利用企業(yè)。2023年9月，中國石化代表中國承辦第七屆世界地?zé)岽髸?huì)，引領(lǐng)我國逐漸形成以供暖（制冷）為主的地?zé)岚l(fā)展路徑，為國際地?zé)岚l(fā)展提供了新思路。

自1998年介入地?zé)岙a(chǎn)業(yè)，中國石化率先在河北雄縣成功打造了我國首個(gè)地?zé)峁┡盁o煙城”，并推廣至河北容城、陜西武功、河南清豐等10座城市，推動(dòng)地?zé)峁┡叱鲆环N技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)可行的新模式。目前，中國石化累計(jì)建成地?zé)峁┡芰?億平方米，在河北、陜西、山西、山東4省建成地?zé)峁┡芰f平方米，建成多個(gè)數(shù)百萬平方米規(guī)模的區(qū)域性地?zé)峁┡?xiàng)目，為全國70余個(gè)市縣的百萬余戶居民提供清潔供暖服務(wù)，年減排二氧化碳約470萬噸。

圍繞我國地?zé)豳Y源富集規(guī)律、鉆井工程和高效開發(fā)面臨的關(guān)鍵理論和技術(shù)難題，中國石化成立地?zé)豳Y源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，攻關(guān)形成了中深層水熱型地?zé)豳Y源開發(fā)“兩項(xiàng)基礎(chǔ)理論、六大核心技術(shù)”，促進(jìn)了地?zé)岙a(chǎn)業(yè)快速高質(zhì)量規(guī)模化發(fā)展。

依托牽頭承擔(dān)的國家深地重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，中國石化布局深部地?zé)豳Y源探測評(píng)價(jià)，在海南省?？谑胁渴鹆藝鴥?nèi)最深的地?zé)峥茖W(xué)探井——福深熱1井。目前該井鉆進(jìn)深度超過5100米，井底溫度超過180攝氏度，發(fā)現(xiàn)了以花崗巖為熱儲(chǔ)的深部高溫地?zé)豳Y源，實(shí)現(xiàn)了我國華南地區(qū)深層找熱突破，為開展干熱巖資源開發(fā)利用研究和現(xiàn)場試驗(yàn)提供了平臺(tái)。

問：受基礎(chǔ)理論研究欠缺、勘探開發(fā)技術(shù)不足等限制，我國在深部地?zé)崛岚l(fā)電和梯級(jí)綜合利用等方面與發(fā)達(dá)國家仍存在差距。未來，應(yīng)如何立足現(xiàn)實(shí)加快推進(jìn)深部地?zé)豳Y源開發(fā)利用？

答：實(shí)現(xiàn)深部地?zé)岙a(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，離不開科技創(chuàng)新的有力支撐，離不開全產(chǎn)業(yè)鏈的整體聯(lián)動(dòng)。今年1月23日，經(jīng)國務(wù)院國資委批準(zhǔn)，中國石化牽頭，聯(lián)合11家中央企業(yè)、10家高校、1家科研機(jī)構(gòu)，組建了深部地?zé)犷I(lǐng)域創(chuàng)新聯(lián)合體，致力于深部地?zé)崮芸碧皆u(píng)價(jià)、高效開發(fā)、綜合利用等全流程關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)學(xué)研用一體化協(xié)同攻關(guān)，加強(qiáng)創(chuàng)新鏈、人才鏈、產(chǎn)業(yè)鏈深度融合，打造國家級(jí)研發(fā)平臺(tái)，高效推進(jìn)未來空間產(chǎn)業(yè)深部地?zé)崮荛_發(fā)與利用。這表明我國深部地?zé)峥碧介_發(fā)已經(jīng)進(jìn)入了新階段。未來，隨著研究和現(xiàn)場試驗(yàn)、示范工作不斷推進(jìn)，深部地?zé)豳Y源勘探開發(fā)理論與技術(shù)將取得快速進(jìn)步，有望實(shí)現(xiàn)“方向準(zhǔn)、找得到、采得出、用得好”，使深層地?zé)豳Y源成為社會(huì)用能供給的重要組成部分。

在開發(fā)地?zé)岬倪^程中，還可以耦合鋰等多種礦產(chǎn)資源開發(fā)、CCUS、儲(chǔ)能等，形成多種能源資源協(xié)同勘探開發(fā)利用模式，為我國能源綠色低碳轉(zhuǎn)型和新型能源體系建設(shè)提供更有力支撐。

聚焦核心需求打造深層地?zé)衢_發(fā)關(guān)鍵技術(shù)鏈

□王 磊

深層地?zé)崮軆?chǔ)量大、分布廣、穩(wěn)定性強(qiáng)、清潔可再生，是地?zé)豳Y源開發(fā)領(lǐng)域的“重頭戲”。我國地?zé)衢_發(fā)利用規(guī)模已處于世界領(lǐng)先地位，但受勘探開發(fā)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)制約，深層地?zé)豳Y源的規(guī)模開發(fā)和經(jīng)濟(jì)利用仍是難點(diǎn)。

由于自身賦存特性，深層地?zé)豳Y源的開發(fā)面臨著“二復(fù)雜（地?zé)嵯到y(tǒng)復(fù)雜、地質(zhì)工程復(fù)雜）、四高（高溫、高硬度、高應(yīng)力、高致密）”的特征。這些特征帶來了一系列開發(fā)難題，其中成井效率低和壓裂改造難是世界公認(rèn)的核心技術(shù)難題。

深層地?zé)豳Y源地?zé)嵯到y(tǒng)復(fù)雜主要表現(xiàn)為應(yīng)力場、化學(xué)場、滲流場和傳熱場多場耦合，地質(zhì)系統(tǒng)的演化機(jī)制難以明確，系統(tǒng)的描述和預(yù)測較為困難；地質(zhì)工程復(fù)雜主要表現(xiàn)為地層屬性多解性強(qiáng)，儲(chǔ)層參數(shù)預(yù)測誤差大，鉆完井優(yōu)化設(shè)計(jì)困難，熱儲(chǔ)改造成功率低。此外，深層地?zé)醿?chǔ)層還具有超過200攝氏度高溫、可鉆性達(dá)到10級(jí)的高硬度，以及兩倍以上泥頁巖地層高應(yīng)力和高致密的特點(diǎn)。

多重問題疊加對(duì)實(shí)際工程實(shí)施的每一個(gè)環(huán)節(jié)都帶來嚴(yán)峻考驗(yàn)，也給鉆井施工造成鉆速低、周期長、高溫不適應(yīng)、成本高等問題。同時(shí)，深地條件下地應(yīng)力場、巖石力學(xué)參數(shù)、天然裂縫展部狀態(tài)預(yù)測困難，復(fù)雜縫網(wǎng)擴(kuò)展與有效連通難以控制，使得大體積熱儲(chǔ)改造的難度直線上升。如果無法在此極端條件下高效構(gòu)建大流量的換熱通道，就難以實(shí)現(xiàn)深層地?zé)崮艿囊?guī)模化開發(fā)。

面對(duì)深層地?zé)衢_發(fā)各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)峻的技術(shù)考驗(yàn)，中國石化工程院在研究初期便制定了“聚焦關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，各個(gè)精準(zhǔn)擊破”的思路，針對(duì)核心難題，先分析“病因癥結(jié)”，再“對(duì)癥下藥”。

為提升深部地?zé)岢删?，工程院技術(shù)團(tuán)隊(duì)首先從機(jī)理研究入手，開展了高溫巖體力學(xué)特性基礎(chǔ)研究，搭建了高溫巖體力學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)和試驗(yàn)方法，獲取了深部熱儲(chǔ)巖力學(xué)和熱物性參數(shù)特性，揭示了高溫硬巖在成井過程中的抗鉆特性、圍巖穩(wěn)定、熱破裂特征等演化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，工程院建立了深層地?zé)徙@井鉆具動(dòng)力學(xué)動(dòng)態(tài)模擬分析方法，揭示了深層地?zé)峋弊兓?guī)律和鉆具磨損機(jī)理，研發(fā)了耐溫200攝氏度的全金屬結(jié)構(gòu)沖擊破巖工具和抗溫230攝氏度防衰退水泥漿體系，形成了高溫硬地層高效協(xié)同破巖工藝方法。

針對(duì)復(fù)雜縫網(wǎng)擴(kuò)展與有效連通難以控制、大體積改造目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)的問題，技術(shù)團(tuán)隊(duì)從復(fù)雜縫網(wǎng)擴(kuò)展的主控因素入手，物模數(shù)?！皟墒肿ァ?，搭建了高溫環(huán)境的大尺寸真三軸水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展了模擬深層地?zé)醿?chǔ)層條件下的裂縫擴(kuò)展物模實(shí)驗(yàn)；建立了深層地?zé)釅毫蚜芽p擴(kuò)展數(shù)學(xué)模型，揭示了深層地應(yīng)力場、高溫導(dǎo)致的巖石力學(xué)參數(shù)改變、天然裂縫強(qiáng)度等因素對(duì)水力裂縫擴(kuò)展的影響。經(jīng)過大量理論和實(shí)驗(yàn)研究，工程院提出了一套深層地?zé)釤醿?chǔ)改造工藝，研制了高溫水力噴射壓裂工具、分段壓裂工具管柱與工作液，形成了改造前巖性識(shí)別與裂縫描述技術(shù)、改造過程中裂縫監(jiān)測技術(shù)、改造后評(píng)估方法。

針對(duì)深層地?zé)崃黧w溫度高、采出井沿程溫度損失大的問題，工程院自主研發(fā)了保溫泡沫固井水泥體系和真空隔熱油套管等適用性技術(shù)，提出了地?zé)峋脖毓に嚭捅囟伍L度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過模擬計(jì)算，技術(shù)團(tuán)隊(duì)找準(zhǔn)井筒溫度高于地層溫度的臨界深度點(diǎn)，在臨界深度點(diǎn)以上采取綜合保溫措施，為地?zé)峋┥献钣行У谋亍榜R甲”。

科研有了成果，更要在現(xiàn)場落地，才能為深層地?zé)豳Y源勘探開發(fā)提供可靠支撐。

基于自主研發(fā)的技術(shù)科研成果，工程院積極主導(dǎo)和支撐了多個(gè)深層地?zé)峥碧介_發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)，在青海共和盆地、蘇北盆地、海南福山凹陷、河北崇禮等地區(qū)的深部地?zé)崽綔y工程中進(jìn)行了成功應(yīng)用，創(chuàng)造了多項(xiàng)工程新紀(jì)錄。在青海共和盆地成功實(shí)施的GR1井熱儲(chǔ)壓裂改造，取得了國內(nèi)首口干熱巖井壓裂試驗(yàn)的突破，完成了GH01井鉆井提速、高溫固井和測井任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了我國首次200攝氏度以上干熱巖熱儲(chǔ)高溫固井和測井施工，后續(xù)部分關(guān)鍵技術(shù)又支撐了02-05井的鉆井施工。工程院還設(shè)計(jì)了中國石化首口地?zé)峥茖W(xué)探井福深熱1井的鉆井和熱儲(chǔ)改造方案，目前該井鉆進(jìn)深度已超過5100米。

隨著中國石化承辦的第七屆世界地?zé)岽髸?huì)成功召開與《北京宣言》的簽署，全世界范圍地?zé)崮芎颓鍧嵞茉窗l(fā)展將再上新臺(tái)階，也將為應(yīng)對(duì)全球氣候變化、維護(hù)能源安全、造福各國人民作出積極貢獻(xiàn)。地?zé)衢_發(fā)必然會(huì)向更深、更熱、利用范圍更廣的資源領(lǐng)域邁進(jìn)，必將對(duì)深層地?zé)峁こ碳夹g(shù)提出更高、更嚴(yán)苛的要求。中國石化作為地?zé)嵝袠I(yè)領(lǐng)軍者，推動(dòng)行業(yè)健康發(fā)展義不容辭。工程院將始終以端牢能源飯碗、保障能源安全為己任，為鞏固中國石化地?zé)嵝袠I(yè)領(lǐng)先地位、構(gòu)建“一基兩翼三新”產(chǎn)業(yè)格局提供有力支撐，為推動(dòng)深部地?zé)豳Y源高質(zhì)量勘探開發(fā)貢獻(xiàn)更大力量。

（作者單位：中國石化石油工程技術(shù)研究院）

中國石化地?zé)岚l(fā)展歷程

1998年

● 打出第一口地?zé)峋?span style="text-indent: 2em;">（三普1井，2975米）

2006年

● 成立首家地?zé)嶂型夂腺Y公司（綠源地?zé)崮荛_發(fā)公司）

2009年

● 率先進(jìn)入雄縣勘查開發(fā)地?zé)?/p>

2012年

● 成立國家地?zé)崮苤行?/p>

● 首個(gè)聯(lián)合國地?zé)峁┡鍧嵃l(fā)展機(jī)制（CDM）項(xiàng)目

2016年

● 成立地?zé)崮軐?biāo)委

● 成立首個(gè)國際地?zé)峒夹g(shù)研發(fā)合作中心

2019年

● 首口干熱巖井壓裂成功

● 代表中國競得2023年世界地?zé)岽髸?huì)舉辦權(quán)

2023年

● 成功承辦世界地?zé)岽髸?huì)

● 發(fā)布首個(gè)IGA世界標(biāo)準(zhǔn)

● 實(shí)施首口5000米地?zé)峥茖W(xué)探井

● 牽頭成立深部地?zé)犷I(lǐng)域創(chuàng)新聯(lián)合體