【前沿】多级分段压裂技术可能改变地热能产业

作者

Mark McClure博士，于2015年成立了ResFrac公司，以帮助作业者通过应用先进的地质力学和储层模拟来实现最大价值。在创建ResFrac之前，他是德克萨斯大学奥斯汀分校石油和地球系统工程系的助理教授。他拥有斯坦福大学的化学工程学士学位、石油工程硕士学位和能源工程博士学位。他的学术研究集中在水力压裂、裂缝诊断测试（DFIT）、诱发地震和增强型地热系统（EGS）。

前言

美国能源部在犹他州的FORGE项目正在花岗岩斜井中进行多级分段压裂。Fervo Energy公司将很快开始试点商业规模的多级地热系统(multistage geothermal systems)。加拿大的DEEP项目最近对沉积地层中的地热生产进行了多级分段压裂。流量是地热发电面临的一个主要挑战。然而，在页岩中使用的多级分段压裂技术可以直接应用于地热。如果我们能在地热水平井或斜井周围形成成百上千条裂缝路径，那么我们就会真正“改变游戏规则”。

加拿大萨斯喀彻温省的DEEP项目最近对沉积地层中的地热生产进行了分段压裂（来源：DEEP项目） 

地热能开发

地热能是当前很热门的能源。几十年来，它一直是全球能源组合的一部分，但其增长由于地质条件最佳的地点数量相对有限而受到限制。石油和天然气领域开发的技术有潜力克服这些限制，并释放美国和全球显著增加的地热产量。成功远非确定，但随着对这些技术的热情、创造力和资金流动，我们有可能取得突破性的成功。

地热能有很多种类，从用于住宅供暖和冷却的浅层热泵系统到用于发电的深部热井。虽然在这一范围内都存在机会，但本文仅涉及用于发电的深部高温热储。

流量是地热发电面临的一个主要挑战。一桶热水的能量含量远低于一桶油的能量含量。因此，为了实现盈利，地热井每天必须产生相当于数万桶的水或蒸汽。在美国西部的大部分地区，温度热到足以在合理的钻探深度内生产地热发电。然而，在缺乏来自水热系统的特殊地质条件的情况下，井通常不能产生足够的速率。

水力压裂

可以追溯到20世纪70年代，水力压裂技术已经被测试作为一种增加每口井流量的方法。通常的开发设计利用注入和生产井组，通过井间循环对流体加热。如果工程师能够利用压裂来持续实现高流量，大量的资源将被解锁。美国能源部(DOE) 2019 年GeoVision报告估计，到2050年，美国地热开发可能生产超过60GWe的电力。

到目前为止，水力压裂的成功一直是有限的。传统上，地热井是垂直钻孔的，然后通过只向单个裸眼段注水（不含支撑剂，并且不是多个压裂段）来的方式压裂储层。工程师们希望注入的水能剪切刺激密集的天然裂缝网络，这些天然裂缝具有较大的表面积和导流能力。这些设计可以取得适度的成功，因为地热井通常在结晶基底的高强度岩石（例如花岗岩）中钻孔，因此裂缝具有相当大的自支撑能力。然而，流体流动更倾向于在少数主要流动路径中局部化，而不是继续流动以创建高密度的裂缝网络。由于没有大量的流动路径，热储就缺乏维持高速流量的能力，并且容易发生热短路，从而过早地降低了生产温度。

幸运的是，页岩气行业也遇到并解决了类似的问题。沿水平井应用多级水力压裂解锁了页岩革命。机械封隔允许连续向井段注入。在每个压裂段，射孔压降迫使流体沿着井筒流入多个通道。射孔簇间隔紧密，通常在3-15m之间。最近的取芯研究证实，多级分段压裂会沿着水平段产生成百上千条具备导流能力的的裂缝。

早期的页岩设计使用了大间距的射孔簇或裸眼可膨胀封隔器系统，并使用了相对较小体积的支撑剂。与地热行业的传统思想类似，人们希望注水自然会形成一个高密度且连通性良好的裂缝网络。

但在过去的十年里，现场经验和诊断已经改变了该行业的思维。取芯研究和邻井分布式光纤监测显示，相同方位的水力裂缝在相对较窄的范围内扩展。生产结果导致工业界放弃裸眼设计，转而采用限流设计。工程师们倾向于利用技术合理分配流体并形成大量的裂缝，而不是通过一次注入自然地形成一个复杂的裂缝网络。

页岩中防止流动局部化（flow localization）的技术可以直接应用于地热。这是件大事。如果我们能在水平井或斜井周围创造成百上千条具备导流能力的裂缝路径，那么我们将真正改变游戏规则。

地热要想充分发挥其潜力，还需要许多其他改进，并不懈地专注于降低成本。我们需要更好的钻井技术、高温井下工具、储层工程和建模等等。如果公司能够在产生足够的流量和换热领域方面取得成功，这将证明通过资本投资来改进支持技术是合理的。

在不久的将来，对地热的多级分段压裂进行试验。美国能源部在犹他州的FORGE项目正在花岗岩斜井中进行多级分段压裂。Fervo Energy公司将很快开始试点商业规模的多级地热系统(multistage geothermal systems)。加拿大的DEEP项目最近对沉积地层中的地热生产进行了多级分段压裂。

深部热储多级分段压裂风险 

首先，这些设计依赖于实现足够的裂缝导流能力。通过数百甚至数千条裂缝循环液体将减轻这种风险，但是，在这些系统进行测试之前，我们将不会获得关于维持良好的长期导流能力的现场尺度数据。应测试支撑剂以提高导流能力。

第二，当岩石冷却时，它会收缩，从而降低应力并提高裂缝导流能力。这有可能产生反馈回路，导致注采井之间出现短路。

第三，高温使一切的作业更加困难。该行业需要开发更稳定的高温井下工具，并需要提高地热井中机械封隔所需的大直径桥塞的可靠性。

诱发地震也是一个关键问题。液体注入会导致断层发生滑移。有几个地热项目因地表诱发地震而被取消。美国能源部组织制定了一项最佳实践诱发地震协议，制定了解决诱发地震活动性的流程体系，包括使用“交通灯”系统。对于使用水力压裂的地热项目来说，遵循该方案的最佳实践是至关重要的。如果他们这样做了，那么这项技术就可以安全有效地使用。

在我看来，地热成功的最可靠之路将是适用在页岩领域非常成功的技术。大胆的企业家、科学家和工程师正在把这些想法转化为实地试点，如果它们成功了，它们将产生巨大的积极影响。

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