干热岩测井技术方案

##1 干热岩与增强型地热系统（EGS）

干热岩（Hot Dry Rock，简称HDR）是一种没有水或蒸汽的热岩体，主要是各种变质岩或结晶岩类岩体。干热岩普遍埋藏于距地表3～10km的深处，其温度范围很广，在150～650℃之间，热源主要来自于火成岩或地球深部热传导[1]。现阶段，干热岩地热资源是专指埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的热岩体，保守估计地壳中干热岩（3—10km 深处）所蕴含的能量相当于全球所有化石能源（包括石油、天然气和煤炭等）所蕴藏能量的30倍。

干热岩在地球上的蕴藏量十分丰富。若将它开采出来加以应用，可以满足人类长期使用。干热岩通常采用增强型地热系统（Enhanced Geothermal System，简称EGS）进行开发[2]，其开采原理为：通过深井（注水井）将高压水注入深部岩层，使其渗透进入岩层的缝隙并吸收地热能量，再通过另外一个深井（开发井）将岩石裂隙中的高温水、气提取到地面，通过热交换及地面循环装置用于发电及综合利用。冷却后的水再次通过高压泵注入地下热交换系统循环使用。

干热岩开发利用从上世纪70年代提出至今，已经取得了一定的研究成果，从技术层面已经探索了干热岩热能利用的可行性。2006年至2008年，美国能源部组织编订了著名的地热能三大报告——《地热能的未来》、《地热能技术评估》、《地热能市场评估》，从能源、技术和市场三个方面对干热岩开发提出了系统的论述。根据麻省理工学院所编《地热能的未来》中的估算，开发美国3～10km深度的干热岩储量的2%就可开发能量200×1018EJ，能够满足美国2800年的能源消耗需求（依据美国2005年能耗数据）[2]。

我国干热岩的资源潜力巨大，2012年国土资源部、中国地质调查局启动了我国干热岩资源的研究、普查工作，当年公布了我国3—10km深度范围内干热岩地热能资源总量为20.9×106EJ，相当于714.9万亿t标准煤，若其中2%可被利用，就可达到传统水热型地热资源量的168倍，相当于2010度全国能源总消耗量的4400倍[3]。2013年，国家能源局、财政部、国土资源部住房和城乡建设部出台《关于促进地热能开发利用的指导意见〔2013〕48号》文件指出，密切跟踪国际增强型地热发电技术动态和发展趋势，开展增强型地热发电试验项目的可行性研究工作，初步确定项目场址并开展必要的前期勘探工作，为后期开展增强型地热发电试验项目奠定基础。2017年，国家发展和改革委员会、国家能源局、国土资源部出台《地热能开发利用“十三五”规划》，要求，在“十三五”时期，开展干热岩开发试验工作，建设干热岩示范项目。通过示范项目的建设，突破干热岩资源潜力评价与钻探靶区优选、干热岩开发钻井工程关键技术以及干热岩储层高效取热等关键技术，突破干热岩开发与利用的技术瓶颈。

近两年我国已经在东西部分别开展了干热岩调查、研究工作，尤其是苏北盆地和青海共和盆地已经完成了干热岩前景区域的圈定，在进行相关技术研究的同时已经开始逐步推进干热岩利用示范性的建设[4–8]。青海省共和盆地干热岩资源勘查开发示范已于2018年启动实施，项目将在已有超200℃干热岩的基础上进行机理、热储探测、储层改造等一系列研究工作[9]，并进行综合评价、场地勘查、环境影响监测和室内综合模拟等技术的攻关，推动我国干热岩勘查开发理论与工程技术进步，实现干热岩勘查开发与技术装备自主创新，有力服务支撑国家能源结构调整。

2 EGS开发技术流程

技术的可靠性与经济性决定一个EGS项目是否具备开发价值，时至今日国内外干热岩开发仍以科学研究和示范探索为主要目的，未能进入商业化利用阶段，其主要原因就是目前与EGS开发相关的各领域技术的成熟度尚未达到商业化开发的程度。自1972年美国Fenton Hill首次开展干热岩项目以来，全球已建立47个EGS试验项目[10]，在近50年的发展中，相关技术也在逐渐发展和进步。根据《地热能技术评估》（2008）报告预测，通过技术进步全球有望在50年内实现100GW的EGS发电装机量[11]。不过在2017年，地热界的主流学者已经将这一目标下修到70GW[12]，可见技术的发展并不如人们预期中那样快速。但专家们们仍然认为，在2050年之后，全球地热发电装机量将主要集中在EGS上。

EGS开发实际上被视为一个多步骤的决策过程，在这个过程中每一个环节都将作为后续环节的输入条件和决策依据。为了建设一个EGS项目，通常需要依序完成3个主要环节的工作，分别是：靶区定位、创建储层和运行储层。图 1为EGS项目开发流程图示，展示了EGS项目开发流程中需要完成的各项工作及其顺序。如果需要建立一个商业化运行的EGS项目，每一个环节都必须达到一定的指标后才能进入项目的下一个环节。这些指标通常取决于EGS储层条件和预期的运行效果。在理想情况下，指标可以用模型对储层进行模拟而先行给出[13]，但是目前还没有能够实现精细评价模型工具。

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图 1 EGS开发环节示意图[2]

2.1 靶区定位

2.1.1 靶区特征描述

EGS项目建设的第一步是找到合适的靶区。实际操作中，要通过大量收集靶区及其周边的相关信息、参数来判断靶区是否“合适”。通过构建相关的参数库，可以获得与拟开发靶区有关的技术或非技术的信息，用以决策该靶区是否具备开发价值/可行性。

应当考虑的靶区特征参数主要包括如下几方面：地温梯度和热流、压力场、岩性及岩层、构造与断层、储层流体和地球化学特性、地质历史、地震活动、传热距离、地面可用性、人口统计等。

如果前期已经在靶区实施了钻孔并做了数据采集，那么部分靶区参数就是已知的了。在缺乏钻孔数据的情况下，需要通过地面调查/勘查的方法收集靶区特征参数，如物探反演、地质测绘等。这些地表勘查手段同样可以提供靶区特征参数，但是随着深度的增加这些信息可信度会大幅降低。

目前除了预测激发潜能等技术尚未成熟外，与靶区储层特性相关的参数收集基本可以直接使用石油/天然气工业中已经成熟应用的技术实现。这里单独说明一下，为何要将“人口统计”纳入储层特性收集范畴。EGS试验和页岩气开发的经验和研究表明，压裂技术有一定的几率诱发地震。2017年11月5日，韩国浦项发生了里氏5.5级地震（USGS数据），造成135人受伤，1700多人紧急撤离，直接经济损失7500万美元。经研究，该地震由位于当地的韩国首个EGS项目所进行的水力压裂引起[14]，因此韩国政府紧急叫停了该项目。美国西海岸的多个EGS项目，也曾因周边居民抗议而中止或流产。因此了解靶区周边居民情况，做好工程风险控制和前期沟通，对EGS项目能否顺利开展十分重要。

2.1.2 探井与储层参数

由于在地表获取的靶区信息无法给出深部储层的开发可行性，因此需要部署探井完成储层特性参数的收集。通常来说，探井可以是小井眼探井，也可以是全尺寸的注入井。该探井实施的主要目的是测量（或者验证）储层参数，且不一定将其作为EGS系统的一部分。通常来说，小井眼探井实施成本低，而常规井径的井眼可以直接应用于激发构建最后的EGS储层。选用哪种探井形式，主要取决于开发人员在实施项目时的信心和资金充沛程度。如果利用现有的井孔，通过加深、变相、开窗等方式实施探井，也能节约钻探成本。

取芯和测井是探井钻探的重要组成部分，可以对储层岩性进行充分描述。因为应力场的方位特性可以在实际钻井中指导后续的钻井作业，所以在储层岩石内进行一个小型的水压裂（测试压裂）以获得原位应力场是必要的。岩层和井眼之间的流体测试也可以作为储层激发之前预测储层生产力的一种手段。虽然目前微型压裂测试、高温封隔器等技术尚有待完善，但随着高温钻探设备的不断发展[15]，应用于高温地热开发，尤其是干热岩开发的钻探技术也已日趋成熟。

2.2 储层创建

2.2.1 注入井施工

储层的特性确定之后，EGS开发就可以进行第一口注入井的钻井。前述获得的储层岩石的物性参数（如温度、压力、岩性和构造）有助于更好的规划钻孔。EGS地热钻井工作和油气井钻井相似，同时也存在一些实质上的不同，最显著的一点就是EGS项目中的地热井是在高温的硬岩体上钻凿的大井径井。相比于油气行业，地热产业的规模较小，因此未能带动地热钻井技术的快速发展。尽管存在诸多不利因素，但是地热钻井技术仍在不断进步[16]。

2.2.2 储层激发

在完成注入井施工之后，就可以进行储层激发作业。储层激发通常需要在贯穿目的层的裸眼井段试试，目的层由测井、取芯和收集到的靶区特征参数决定。

目前对地热系统进行储层激发的理论基础仍然有限。一些专家认为成功的储层激发需要利用现有裂隙或者薄弱层位。此外，他们主张只应用一定的压力来使现有的岩层薄弱区域发生剪切裂隙，而不是使用更高的压力来引发拉伸性裂隙。油气行业中的水力压裂，通常是在压力远远超过岩石强度的情况下进行的，同时包括了剪切和拉伸断裂。

储层激发的目的是在注入井和生产井间构建大量的流体流动通道。这些流动通道应当具备低流阻以减少循环泵的能耗，但同时又需要足够的滞留时间和接触面积以保证热交换效果和维持热流体的产出。

2.2.3 生产井施工

一旦通过现有裂隙、创建新裂隙或者同时包括两种方式激发出一定体积的储层，就可以通过在裂隙储层区域钻生产井的方式建立循环。钻井时必须注意，定向钻井的轨迹需要与注入井（初始井）激发产生的裂隙相交。通过接收储层激发产生的声信号可以测量和描绘裂隙区域范围。受到技术局限性的影响，目前裂隙判断和描述只可以定位目标区域。目前的策略是使生产井穿过声音信号或微震云的边缘区域[17]，而不是信号集中的区域，这样可以最大限度地增加井间换热距离。

生产井将遵循与注入井相同的钻井流程。另外，注入耐温支撑剂[18]，也可以用来保持井间流体的流动性。

2.3 运行和储层维护

EGS项目的经济性取决于能否在不新增计划外的钻井等昂贵补救措施的情况下，在较长时间内持续、稳定生产。开发阶段可能会遇到影响储层性能的关键问题包括：流体通道的冷突破，矿物溶解或沉淀导致流体通道堵塞，在循环流体中形成溶解固体和气体，热量回收效率降低，诱发地震活动，以及储层的流体损失。当下，在缺乏EGS储层工作经验的情况下，对这些问题的应对尚未有完整的可供因循的方案。

从运行上来讲，不管是注入井还是生产井均需要在高压和高流量下工作多年。为了达到满足预期的循环流速，需要保持流体泵送效率。因此可靠的高温潜水泵在地热项目开发运行中，仍是极为重要的一项技术，Soultz项目所使用的循环潜水泵单个造价就超过了100万欧元。

储层管理和运行严重依赖于储层的模拟和仿真，能精确预测和模拟储层水热过程的软件目前是行业开发重点。为了达到EGS最优化运行，耦合水-热-力-化学（HTMC）的模型和仿真模型将是预测流体流动、热提取、温度下降、岩石力学过程和化学过程的必要条件。

3 干热岩测井服务方案

在增强型地热系统（EGS）开发中，测井技术服务可以为储层创建、运行和储层维护等工艺过程提供完善的技术服务。中国石油集团测井有限公司（简称“中油测井”，海外简称CNLC）可以在常规完井测井、温度专项测井、裂隙描述、压裂预测、射孔、微地震监测、储层描述与解释、旋转地质导向、生产监测等技术方面，为EGS开发提供全系列测井技术服务。

中国石油集团测井有限公司，成立于2002年12月6日，是中国石油天然气集团公司独资的测井专业化技术公司。公司主要从事国内外油气田测井、录井、射孔、测试等完井技术服务和技术咨询，钻井测控、压裂测控、注采测控等工程技术服务和技术咨询，测井数据、测井解释、油藏评价等技术服务和技术咨询，与上述相关的仪器设备、配件、应用软件、专用工具的开发、物理实验、试验、制造、销售、租赁、检测、维修等业务。

3.1 干热岩测井方案总体思路

开发干热岩资源进行地热发电，其核心技术难点为储层的激发与构建[11]。随着测井技术的不断发展，目前中油测井公司已经具备了为干热岩开发提供全套测井、监控技术服务的技术能力。依据EGS开发各个环节的技术需求，可将干热岩开发过程中涉及的测井、监测服务策划如表 1。

表 1 干热岩测井、检测服务方案策划

3.2 工程建设测井方案

3.2.1 探井/注入井常规完井测井

干热岩通常位于深部火成岩地层，与沉积岩储层测井不同，火成岩测井更加侧重于裂隙和岩性识别[19–22]。因此，EGS系统探井和生产井施工中，选用的完井测井方案应与砂泥岩、碳酸盐岩储层测井有一定的区别。

推荐的测井方案为：自然伽马+自然电位+井径；补偿声波+补偿密度+补偿中子；双侧向+微球型聚焦；地层倾角。该方案可提供常规测井参数，可以满足EGS开发完井测井的基本需求。

中油测井现有装备可以满足完井测量需求，可以采用“15米一串测快速测井系列”或“高温高压小直径测井仪器系列”实施测井采集施工。

15米一串测快速测井系列

15米一串测通过探测器复用、电路共用、一体化设计等技术手段，进一步缩短了仪器长度，提高了可靠性，打造成为集成化快测系列。一次下井可以测量深、中、浅三电阻率，密度、中子、声波三孔隙度，以及自然伽马、自然电位、井径、井温、井斜等18条常规测井曲线。可在175℃/140MPa井眼环境下连续工作8h，在155℃/100MPa井眼环境下连续工作20h。

仪器组成：仪器包括遥测/井径/连斜/泥浆电阻率/自然电位/伽马能谱/补偿中子/微球/岩性密度/感应/侧向/数字声波等，如图 2。

图 2 15米一串测快速测井系统仪器图

15米一串测快速测井系列仪器技术参数如下表：

表 2 15米一串测快速测井系统技术指标

高温高压小直径测井仪器系列

高温高压小直径测井仪器系列以EILog常规系列为基础，通过重点解决探测器集成和电路复用、高温连续工作稳定性、线路小型化和低功耗等关键问题，研制出了高精度、高稳定、长度短的高温高压小直径测井仪器系列，能够满足深井、超深井及复杂储层勘探开发需求[23]。

仪器组成：高温高压小井眼测井系列包括遥传、伽马、侧向、声波、密度、补偿中子、光纤方位测井仪、阵列感应，如图 3。

图 3 高温高压小直径测井仪器系列仪器

高温高压小直径测井仪器系列仪器技术参数如下表：

表 3 高温高压小直径测井仪器系列技术指标

3.2.2 温度专项测井

储层温度的精确获得对干热岩的开发至关重要，关系到EGS储层构建方案的确定和地热电站的整体设计。目前，常规石油测井的井温参数通常不会对温度传感器进行标定，同时其选用的热敏电容分辨率较差，无法获得较为精确的温度数据[24,25]。

在探井/注入井完成了完井测量后，应该部署多次温度专项测井，待井内流体与地层温度平衡后可以获得较为准确的井温。使用高温地热专用的350℃高温存储式三参数测井仪，可以完成该项目的测井工作。

350℃高温存储式三参数测井仪

存储三参数测井仪器主要对温度、压力、伽马三个参数进行采集和曲线处理，它由井下三参数测井仪、地面钢丝绞车、地面深度系统、地面处理软件构成。该仪器通过电池供电，保温瓶技术，在测井之前，地面深度采集系统与井下仪器进行时间同步，同步完成后井下仪器依靠地面钢丝绞车把仪器放入目的层位。测井完成后，通过数据线把井下测井数据和地面绞车深度数据读出，软件以时间为介质把井下温度数据和地面深度数据合并成测井曲线。

图 4 350℃高温存储式三参数测井仪

350℃高温存储式三参数测井仪技术指标见。

3.2.3 成像测井

干热岩开发需要首先通过人为激发形成储层[26]，因此在压裂之前对地层现有裂缝的发育及走向有一定的认识十分重要，对后期决策储层激发方向、压裂规模有参考意义。

可以采用超声成像测井仪与多极子阵列声波测井仪分别对井眼及其周边区域的裂隙分布于走向进行探测。

超声成像测井仪

UIT超声成像测井仪（Ultrasonic Imaging Logging Tool）由扶正器、电子线路、声系三个部分组成。利用超声波反射原理，向井壁发射超声波，接收由井壁反射回来的声波信号，经过信号处理得到井壁图像，能直观、全井眼覆盖地反映井眼几何形状，识别裂缝、孔洞、层理等，检测套管腐蚀、变形等状况和射孔效果。通过测井或的井壁图像，可以清晰的看到裂隙分布和走向信息。

仪器组成：UIT5640超声成像测井仪由电子线路短节、声系短节和扶正器短节3部分组成，与电缆遥传系统组合使用，。

图 5 超声成像测井仪

UIT超声成像测井仪技术参数，见表 4。

表 4 超声成像测井仪技术参数

多极子阵列声波测井仪

MPAL多极子阵列声波测井仪（Multipolar Array Acoustic Logging Tool）具有单极子、正交偶极子和四极子等多种声波测井模式，可以在任意地层中直接进行地层横波测井。声系由一组单极子发射、一组四极子发射和两组相互正交的偶极子发射换能器及8组多极子接收站组成。用于评价地层各向异性、岩性识别、产能预测、岩石机械特性预测、井壁稳定性预测、超压地层预测、压裂效果评价、孔隙流体类别评价和地层渗透率估算等。在火成岩地层，该测井方法可以获得井眼周边30m以内（条件好的情况下可达到80m）的裂隙分布情况。

仪器组成：下图是井下仪器结构图，主要包括发射电路短节、发射声系短节、隔声体、接收声系短节和接收电路短节5部分，见图 6。

图 6 多极子阵列声波测井仪

MPAL多极子阵列声波测井仪技术指标见表 5。

表 5 多极子阵列声波测井仪技术指标

3.2.4 压裂预测

压裂（储层激发）施工前通过偶极声波测井、放射性测井、核磁共振测井、岩性识别测井等技术获得地层多种参数，由此计算地层弹性参数、岩石强度因子、岩石断裂韧度及岩石脆性指数等关键参数，可精确指导射孔设计、预测压裂裂缝延伸高度。

3.2.5 定方位射孔

储层激发需要人为诱导裂隙走向，使用定方位射孔技术可以对定向压裂的实现提供基础。定方位射孔是公司特色射孔技术，根据陀螺测量方位、重力定方位成功开发了陀螺定方位射孔、动力旋转定方位射孔、重力自定方位射孔以及定方位定射角等多种定方位射孔技术。

该技术的主要优点是：1.控制射孔方位，使射孔弹可以在0°～360°的指定方位上射孔；2.压裂时强制初始裂缝沿孔眼方位，裂缝转向后沿最大主应力方位延伸，最终形成平行且独立的多条裂缝。

3.2.6 压裂监测

干热岩的压裂与油田开发压裂不同，其主要作业方式是通过一定程度的水力压裂，使地层发生剪切裂隙，并诱导其向某些固定方向发育。进行水力压裂时，井筒压力超过岩石抗压强度后，岩石破坏，形成裂缝。裂缝扩展时，将产生一系列向四周传播的微震波。微震波被布置在压裂井周围的多个监测分站接收到，示意图见图 7。根据各分站微震波的到达时间，会列出一系列的方程组。求解这一系列方程组，就可确定微震震源位置。从而计算出裂缝分布的方位、长度、高度及地应力方向等地层参数。结合井口压力监测可获得闭合压力、液体滤失系数、液体效率、裂缝宽度等参数。

图 7 微地震压裂监控系统示意图

3.2.7 旋转地质导向

在充分分析了解储层激发的效果后，可以通过定向井、从式井、水平井等方式完成开采井（生产井）施工，使开采井经过裂隙发育区域。通过旋转地质导向可以有效引导钻井作业，完成开采井的施工。旋转地质导向井下工具在旋转状态下工作，其井眼净化效果更好，井身轨迹控制精度更高，位移延伸能力更强，适合超深井、高难定向井、丛式井、水平井、大位移井、分支井及三维复杂结构井等特殊工艺井。

仪器组合：井下旋转导向工具+MWD随钻测量系统+地面井下双向通讯系统；旋转地质导向+电阻率成像测井系统。参见图 8。

图 8 旋转导向测井装备

旋转地质导向的参数，见表 6。

表 6 旋转导向设备参数

3.3 运行和储层维护监测方案

3.3.1 储层模拟与仿真

中油测井公司可开展干热岩储层地质特征精细描述，建立基于勘查和测井资料的储层模型，确定热储层地质构造形态、明确裂隙展布形态、依据单井精细解释和多井对比开展储层流体分布规律研究，构建EGS动态储层模型。通过结合储层运行过程中获得的试试监控数据，可以不断提高注入和生产的预测精度，结合地面电站发电需求的调整，可以为储层运行方式进行预测和仿真分析。

3.3.2 井内温压监控系统

EGS系统运行过程中，需要对井内温度、压力进行实时监测。可以使用高压型光纤温度、压力传感系统，完成系统运行过程中的监控。高压型光纤温度压力传感器基于光学原理，采用全石英材料制成，体积小，耐高温高压，具有优良的重复性和稳定性，抗电磁干扰，无静电累积等问题，可以很好的应用于油井下恶劣的监测环境，其组成的监测系统可实时在线的了解井下温度压力信息，是数字化、智能化EGS开发系统的基本内容之一，对于优化EGS开发工艺、指导采地热电站生产具有重要的意义。

3.3.3 流量监控

LZT-300双探头流量自动测调系统主要用于油田注水井注水量的调配工作。由地面控制系统、流量测调井下仪和可调水嘴三部分组成。仪器不仅适用常规的偏心注水管柱测量又能在桥式偏心管柱中进行测量，仪器具有测量精度高，稳定可靠，故障率低等特点。仪器采用上下双流量计的流量测量方式，能大幅度缩短原来的作业周期，提高工作效率。

仪器在进行水井注水测调时，将原有堵塞器改为可调水嘴，每层仅需投放一次可调水嘴，无需反复打捞和投放。流量测调仪器投入井下后，操作人员根据地面控制系统显示的流量值给井下仪发出命令，对可调水嘴的开度进行增大和减小，以达到调节注水量的目的。

图 9 流量测量仪

3.3.4 套损检测

EGS系统的注入井和开发井在储集层均为裸眼完井，其储集层以上的层位需要下入技术套管。随着地热系统的持续运行，需要定期对套管的损伤风险进行评估。采用电磁感应的原理测量油管的变形和损伤情况。可以探测管内损伤、管外损伤。可以在内层管内测量外层管的情况。还可用来测量套管外扶正器的位置。可在油、气、水井正常生产条件下进行测量，一次下井可过油管探测油管、套管和表层套管的损伤情况。为油、水井井身结构作“时间推移测井” ，对于及时发现井身结构的变形、控制损坏的进一步发生发挥重要的作用。仪器直径42mm；测量管道最大直径324mm；测量双层管柱壁厚之和最大25mm。

4 小结

干热岩资源的开发利用，正在经历从技术验证到商业化实施的转变，随着勘查、钻探、井下作业、发电等领域技术的不断进步，干热岩发电将成为未来50年内成为行业关注的重点。作为地热能开发利用大国，我国地热能直接利用方面高居世界首位，而地热发电却从70年代羊八井地热电站建成后发展缓慢，已经无法跻身世界主要地热发电国家的行列。2023年世界地热大会将在中国召开，随着近几年地热发电政策的不断落实，届时必将迎来我国地热发电又一个快速发展的时期，干热岩的开发利用也会乘此机会获得更多的关注。在此历史关口，中油测井公司也即使提出了应对干热岩开发的测井、监测技术服务体系。

高温干岩体性质的测量和储层激发监控一直是干热岩开发技术的短板。本方案借助中油测井公司目前已经具备高温/超高温测井的能力，可以有效地将现有设备在干热岩开发监测中进行利用，同时针对干热岩探测和开发的特性开发了新的适应性方法，突破了目前干热岩开发过程中测井及储层激发监控的技术瓶颈。

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