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5200米华南深地逐梦 188摄氏度琼北找热突破

来源:中国石化报 时间:2024-05-27 08:34

福深热1井钻井施工现场。魏 巍 摄

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地热能是重要的可再生能源之一,地热资源的综合开发利用,在经济发展中已显现越来越重要的作用。作为我国首口超5000米深层地热科学探井,中国石化福深热1井成功钻探至5200米,实现了华南火成岩地区深层高温地热资源新突破,引领我国深层高温地热资源勘探开发技术走向世界前列。本版详细介绍了福深热1井从部署到实施的过程,敬请关注。

□张 英

作为我国首口超5000米、亚洲最深的地热科学探井,福深热1井从部署到实施都备受关注。探索华南深层地热资源,从“拔剑四顾心茫然”到“一朝功成天下知”,这其中蕴含了无数科研人员的辛勤付出。

福深热1 井位于海南省海口市,是国家重点研发计划项目“深层地热资源探测评价关键技术研究”的配套工程。中国石化石油勘探开发研究院非常重视地热研究,经过十余年攻关与理论技术积累,形成了一支多专业结合的地热专家团队,代表中国石化牵头负责深层地热国家重点研发计划项目研究及福深热1井部署与实施。该井的成功实施,初步落实了目标区10亿吨级标准煤的地热资源潜力,验证了对华南火成岩地区深层地热成因模式和富集规律的认识,试验和测试了探测评价关键技术体系,圆满完成了各项科研任务,书写了华南深层地热勘探开发的新篇章。

■ 明确方向 ■

地球深部高温地热在哪里

海南、广东、福建三省地表温泉显示丰富,有大量深1000米左右的地热井用于地热水开采,还拥有我国1970年首次建成运行的第一座地热电站。但华南深层地热勘查程度极低,三省范围内超过3000米深的地热井仅有3口,而且只有1口井钻遇超过150摄氏度高温地热,但未发现花岗岩热储。

“这是由于华南地区自显生宙(编者注:指‘看得见生物’的年代,从距今5.7亿年到现在,也有说法认为从距今5.41亿年到现在。显生宙包括古生代、中生代和新生代。)以来经历了漫长的地质历史,多期构造活动及5期区域性角度不整合,造成了深部地质结构复杂,既为优质热储形成及高温地热资源富集提供了有利条件,又增加了深层地热资源的探测评价难度。”国家重点研发计划项目“深层地热资源探测评价关键技术研究”项目长郑和荣说,明确区域范围深层地热资源形成机理与富集规律,是确定深层地热勘探方向的基石。

在区域构造背景分析的基础上,攻关团队展开华南地区深层地热地质条件研究,分析控制深层地热系统形成的源(热源、水源)、通(水热通道)、储(地热储层) 、盖(地热盖层)条件,结合典型地热系统实例解剖与实验室数值模拟,建立不同类型深层地热系统形成模式,明确地热资源富集主控因素。

面对深层地质资料缺乏的现状,攻关团队收集整理了区内所有地质、地球物理、地球化学数据与研究成果,建成项目资料库,并每年组织1~2次课题联合地质考察和研究进展研讨。经过4年的努力,华南深层地热研究数据库资料日渐丰厚,研究人员对该地区深层地热资源的认识也愈加清晰。他们发现,华南深层地热富集受控于源、储、盖的有效配置,也就是强大的热源、规模化的优质储层和较大厚度的隔热层最好同时具备,“3套热源+花岗岩热储+3000~5000米厚度盖层”是最优组合。

■ 瞄准目标 ■

在34万平方千米中选中1平方米

勘探方向明确了,如何才能在福建、广东、海南三省34万平方千米的范围内选出一个不足1平方米的钻探靶点呢?这就像在茫茫大海中寻找一颗珍珠,难度可想而知,可以依靠的“武器”就是科学的方法和专业的技术。

针对华南地区工区范围广、深层地热整体勘查程度低的特点,为满足不同勘查开发阶段资源评价任务需求,攻关团队构建了基于多尺度地质建模和建模数模一体化技术的深层地热资源评价方法,建成了多尺度地热系统构造建模软件平台(包括板块和盆地尺度、热储尺度、热田尺度)、自研软件与商业软件相结合的数值模拟软件平台,为深层地热静态资源量和动态可采资源量的计算提供了技术保障。

由于深层地热选区评价指标复杂、量化难度大,攻关团队建立了多属性决策评价方法,并对不同级别的评价单元进行排序,按照“有利战略区-有利区带(块)-有利目标”顺序,层层递进、逐步聚焦。他们还建立了针对华南地区深层地热资源和资料特点的物化探技术组合,在收集整理、重新处理解释已有地球物理探测资料并形成新成果的基础上,对优选的有利区带(块)和有利目标补充必要的实物工作量,进一步深化了对深部地质结构和地热资源特征的认识。

“西秀目标”是优选出的3个深层地热有利目标之一,位于海南省海口市,面积为50平方千米。在这个范围内 ,攻关团队根据区域地质与重磁电震、钻井资料联合分析,预测了花岗岩埋深与分布,并结合工程技术条件和用能需求向,经过多番验证,最终确定了钻探井位。

■ 顺利实施 ■

安全高效穿越3300米未知井段

福深热1井井位部署所在地是此次攻关研究中新划分的地质单元,并非传统油气勘探区。该井60%的进尺在未知层段钻进,没有邻井资料可参考,井身结构设计和钻井参数优化,以及塌、漏、卡等井下风险预测和防护难度极大。同时,由于福深热1井探索的是深层高温花岗岩热储,高温和高硬会造成钻井效率低,井下工具、仪器设备、井筒流体等都面临极大挑战。为此,攻关团队围绕成井核心难题展开针对性研究。

考虑到福深热1井以深部高温花岗岩热储为目标,为满足未来可能开发水热型地热资源的需求,研究人员采用水热和干热结合的探采一体化设计思路,构建了“导管+三开次”逐级悬挂的井身结构,研发了混合布齿钻头与轴扭耦合冲击破岩工艺,设计了全花岗岩层段PDC(聚晶金刚石复合片)钻头钻进方案,并采用自主研发的抗高温井筒工作液体系、随钻测量仪器、悬挂器、提速和取芯等井下工具。

2023年8月31日,福深热1井开钻。地质和钻井工程技术人员长期驻守现场,在做好安全督导的同时,紧盯钻遇地层与岩性变化、钻进机械速度与井斜状况、试剂在钻井中的科学试验等情况。经过7个多月的不懈努力,在攻关团队与钻井施工队伍紧密协作下,4月17日,福深热1井顺利完井。该井在3900米附近钻获150摄氏度高温地热资源,在4615米深度钻遇海西-印支期花岗岩,在5131米深度钻获188.71摄氏度地热储层,实现了华南深层高温找热突破,完成了预定勘探任务。

“依托福深热1井,可建设深层地热产学研一体化现场试验研究平台和开发利用示范平台,探索形成适用于我国华南火成岩地区深层地热资源勘探开发的理论方法和关键技术体系,对于我国华南深层地热规模化开发利用、促进区域能源绿色低碳转型具有重要意义。”郑和荣说。

(作者为中国石化石油勘探开发研究院专家)

产学研一体化攻关 推动深层地热资源高效开发


华南火成岩地区地热资源研究在理论和实践上存在哪些挑战?福深热1井的最终场址是如何确定的?

华南火成岩地区地理上涵盖了福建、广东及海南三省,区内地热资源非常丰富,但以往研究主要针对3000米以浅的资源。近年来,区内实施了多个干热岩科研探井(阳江新洲千米钻井、福建漳州干热1井、广东惠州惠热1井等),但测温结果显示4000米深度不超过130摄氏度,所以对研究区深层(3000 ~5000米)是否发育高温地热资源,包括其类型、空间分布和控制因素的认识还不清楚。这主要涉及两个难点:一是壳内(特别是中上地壳)是否发育熔融体或岩浆房类附加热源?二是什么样的地热地质条件有利于形成高温地热资源?针对第一个难点,我们基于研究区重力、航磁、地温场等信息,选择重点区块开展大地电磁探测及多物理场联合反演、构造热演化模拟和热储温度评价,提出了琼北地区深层具备发育高温地热资源的基础热源条件。针对第二个难点,我们则选择从地热系统关键要素中的储层和盖层入手。高品质地热资源的形成通常需要一个好的储盖组合,即温度高、渗透性好的储层及能起到隔热作用的盖层。盖层就像是给储层盖了床棉被一样,隔热效果越好,越有利于热量的聚集。区内大规模沉积盆地中更容易有好的盖层,如三水盆地、雷琼地区所属的北部湾盆地陆区等,中新生界中的泥岩层就是非常好的盖层,累计厚度可达3000米以上,对热量的聚集起到了很好的作用。

基于以上两个重要认识,结合后续的开发利用前景等,我们将福深热1井的场址定位在琼北地区,构造上属于北部湾盆地陆区的福山凹陷,具体的井位选择则依托综合物化探技术的应用。福深热1井的成功实施,以及在3000~5200米深度范围获取的温度和储层数据,也佐证了我们的研究成果。

福深热1井在钻探过程中遇到了哪些难点?为确保高效成井采取了哪些措施?

福深热1井高效成井的主要难题有两个:一是该井是一口风险探井,没有邻井参考资料和深部物探数据,全井60%的进尺在未知地层钻进,井身结构设计和钻井参数优化难度大,塌、漏、卡等井下风险预测和防护难度大;二是该井是我国最深的深层地热井,高温和高硬地层钻井效率低,工具、仪器设备、井筒流体的功能和寿命难以满足安全高效的钻井需求。

我们通过技术攻关,形成了基于高温岩石力学参数求取的深层地热井优化设计方法,评价了坍塌和破裂风险,选取了必封层位,优化构建了考虑水热和干热结合的探采一体“导管+三开次”逐级悬挂井身结构,并采用“井场数据→云计算→远程决策中心→现场支持→钻井施工”的技术支持与决策模式,依托中国石化石油工程技术研究院OptDrilling优化钻井软件和PEAdviser远程决策支持系统,实现了风险探井钻井参数优化闭环持续优化,以及实时钻井风险的识别与防护。

针对深层高温花岗岩,中国石油大学(北京)高压水射流钻井与完井创新团队研发了新型轴扭耦合冲击螺杆和个性化混合布齿PDC钻头,突破了PDC钻头在深层高温花岗岩破岩领域的禁区,形成了全花岗岩层段PDC钻头钻进工艺,有效保证了钻井效率和井下安全。全井采用了我国完全自主研发的抗温200摄氏度高温环保井筒工作液体系、耐高温井筒悬挂器、耐高温防衰退水泥浆体系、随钻井下测量仪器、取芯工具等,成功实现了深部地热开发钻井技术关键工具与材料的全面国产化应用,有力保障了我国最深干热岩井钻探成功。

在华南火成岩深层地热资源勘探过程中应用了哪些先进的物探技术,起到了什么作用?

深层地热资源勘探难度大,可借鉴的案例很少。当前,对华南火成岩深层地热资源富集规律、成因机制及优质资源分布情况认识不足,开发利用面临巨大挑战,需要我们摸清地热资源分布、富集和品质等信息,才能有效提升地热资源开发的成功率和经济性。

高效勘探,物探先行。石油物探技术研究院充分发挥物探领域技术优势,聚焦深层超深层地热勘探中的物探关键问题,紧密联系中南大学、山东大学等各方力量,联合开展研究工作,完成了研究区大量重磁电、广域电磁、地震等数据处理与综合解释,以及针对性的岩石物理、地球化学实验分析,为项目提供了坚实的数据基础。我们创新研发了智能化重磁反演与岩性解释技术、地震数据成像特色技术、电磁信号高信噪比采集技术等,明确了华南火成岩区深层地热探测机理及识别模式,建立了华南深层热储表征的物化探综合技术体系,支撑了该地区深层地热选区评价与钻井部署,并持续跟踪钻井过程,为地热高效勘探提供技术支撑和保障。

如何安全高效完成福深热1井的储层改造?技术上有哪些创新突破?

福深热1井成功钻探至5200米,再次刷新了我国地热科学探井的最深纪录,并在多个地层获得地热资源,标志着华南地区深层地热勘探取得新突破。该井下一步计划通过高压水力压裂技术,对地热储层进行改造,以形成具有高效储水能力的人工储层,为后期地热开发利用创造有利条件。

福深热1井目标储层是花岗岩,硬度高,叠加180摄氏度以上的高温,给安全高效储层改造带来了较大的挑战,主要表现在复杂缝网扩展与有效连通难以控制、大体积改造效果难以实现。我们通过热储改造理论创新、工程创新及评价方法创新,建立了火成岩地区深层热储改造与评价关键技术系列,揭示了“低排量、低黏度、低温冲击”的高温火成岩裂缝扩展机理,建立了基于地震预测的工程动态评价方法,并研发了抗高温达到180摄氏度的压裂液体系,综合考虑1000千瓦发电需求,最终形成了非均质热储体积改造技术,将研究成果进行示范应用,完成了福深热1井的压裂工程设计。这些成果对于探索形成适用于我国华南火成岩地区深层地热资源勘探开发的理论方法和关键技术体系,以及我国东南沿海高热流区地热资源勘探开发,具有重要意义。

施工者说

中原石油工程钻井二公司副经理 赵国喜:

接到福深热1井施工任务后,我们立即成立现场运行团队,对钻前准备、钻井工程、环保治理等工作进行统一协调,安排专家驻井指导,针对海南省北部湾盆地福山凹陷区块地层易出水、垮塌、井漏、井温高等施工难题,充分做好防溢、防塌、防漏、钻井液高温稳定性等预案,细化完善施工方案,最终实现了多个地层获得地热资源的钻探目标,刷新了我国地热科学钻探最深纪录。

福深热1井目的层井温高且环保要求严格,钻井液处理剂选择较为困难,常规抗高温三磺材料无法使用。面对高温流变性与高温高压滤失量不能兼顾的难题,钻井液技术人员通过上百组实验数据对比分析,优选出抗高温、降滤失及防塌效果好的环境友好型处理剂,确定出最优配比,研制出在195摄氏度条件下性能稳定、流变性好、高温高压滤失量少的抗高温环保钻井液体系,为解决风化壳破碎地层取芯难题提供了支撑。同时,我们采用“低速螺杆+直径215.9毫米钻头”等取芯方式,顺利完成11次取芯,取芯总进尺77.58米,总芯长73.83米,收获率95.17%。

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地热能作为一种清洁、可再生的绿色能源,在全球范围内被广受关注。地下埋深3000~10000米的深层地热,具有温度更高、分布更广、资源潜力巨大的优势,但探测评价难度更大,目前尚未实现规模化商业开发,是全球地热研究的前沿和热点。欧美等国家和地区近50年来持续开展攻关研究和现场试验。业内认为,以干热岩为代表的深层地热资源规模化开发技术已进入突破前夕,《麻省理工科技评论》评出的“2024年十大突破性技术”中就包括用于干热岩资源开发的EGS(增强型地热系统)技术。

我国近年来也开始进行深层地热研究和勘探,尤其关注大量中新生代火成岩分布的华南地区。华南火成岩区主要包括海南、广东、福建三省的陆域,地质构造上属于华南板块华夏地块,前期初步评价整体热背景值高、深层地热资源潜力大,但深部高温花岗岩热储迟迟未获突破。2019年,中国石化石油勘探开发研究院、石油工程技术研究院、石油物探技术研究院和新星石油有限公司,联合中国科学院地质与地球物理研究所、中国石油大学(北京)、中国地震局地质研究所、中南大学、吉林大学等10家单位,组成产学研联合攻关团队,成功立项国家重点研发计划项目“深层地热资源探测评价关键技术研究”,围绕华南深层地热资源探测评价中涉及的关键科学和技术问题开展创新性研究。今年4月17日,项目配套工程福深热1井钻至5200米顺利完井,在4615米深度钻遇深部花岗岩热储、5131米实测温度达到188.71摄氏度,实现了华南深层高温找热突破。

(责任编辑:王莹)