一种新型单水平井增强型开式地热系统：液态氮激励提升采热性能

《Renewable Energy》：A novel enhanced open-loop geothermal system with a single horizontal well: Heat extraction performance improved by liquid nitrogen stimulation

　　

•提出了一种单井水平增强型开式地热系统（EOLGS）与液氮（LN2）压裂技术相结合的方案。•液氮循环在高温下可将裂隙渗透率提高高达96%。•基于离散裂隙网络（DFN）的模型量化了裂隙连通性对热提取的影响。•热提取强烈受裂隙连通性的控制，存在一个临界阈值。•液氮显著改善了连通性较差储层的热提取性能。

**引言**

干热岩（HDR）通常以花岗岩为主[1]，这是一种致密且渗透率低的岩体，不含流体或仅含极少量流体[2]。其温度范围为150-650°C[3]，通常埋深为3至10 km[4]，[5]。保守估计表明，干热岩地热资源蕴含高达2.52×10^25 J的能量，是全球所有煤炭、石油和天然气总储量的30倍[6]，[7]。这些特征突显了干热岩资源在大规模可持续能源供应和碳中和目标方面的巨大潜力[8]。

然而，由于干热岩储层原地应力高、硬度高、孔隙度差、渗透率低，很少能形成有效的天然流体流动通道，因此需要进行人工压裂改造。目前，开发干热岩地热资源的主要技术方法为构造增强型地热系统（EGS）[9]，[10]。在传统的EGS中，需要至少钻探两口主井：一口生产井和一口注入井（如图1所示），并且需要通过水力压裂来提高储层渗透率[11]，[12]。然而，两口主井的钻井成本约占EGS总建设成本的60%，这显著降低了EGS的经济效益。为了提高EGS的经济性，人们提出了一种单井开式地热系统（OLGS）（如图2所示）[13]。通过将注入和生产集成在同一井筒内，OLGS能够实现储层内的开式流体循环。与闭环系统相比，OLGS允许流体与岩石直接接触，提高了热传递效率[14]。它还在单井中完成注入和生产，降低了钻井成本[15]，改善了整体经济性[16]，[17]。然而，大多数OLGS设计采用竖直井，限制了储层接触面积和热提取效率。

Qiao等人[18]研究了以超临界CO2为工质的OLGS热提取性能。结果表明，超临界CO2作为工质具有泵功消耗低和热输出稳定的优点。Cai等人[19]对不同井型设计的OLGS进行了数值模拟研究。结果表明，出口温度、系统热功率和储层热提取效率主要受注入速率的影响。Wang等人[20]开发了一种单井开式地热模型，结果表明渗透率在热产出中起着显著作用。Liu等人[21]研究了OLGS与热泵耦合的集中供热系统的技术经济性，并理论分析了系统中热泵、板式换热器和终端散热器最优尺寸的选择。这些研究表明，单井地热系统在减少井数和提高热提取性能方面具有巨大潜力。然而，现有的OLGS研究主要集中在竖直单井配置以及运行条件、工质和系统参数对系统性能的影响上。该配置的一个潜在局限在于，竖直井轨迹所能实现的有效储层接触面积受到限制。同时，流体循环仍然高度依赖于储层渗透率和裂隙连通性。相比之下，单水平井配置可以增加井筒与储层之间的有效接触长度，同时保留单井系统的基本钻井优势。然而，水平井的注入段与生产段之间通常存在较大的间距，这使得有效的流体循环更加依赖于周围储层裂隙网络的连通性。因此，对于单水平井系统而言，仅仅增加储层接触面积可能不足以保证良好的热提取性能。足够的储层渗透率和良好的裂隙连通性也是实现长期有效热提取的必要条件。

鉴于上述挑战，本研究提出了一种新颖的增强型开式地热系统（EOLGS），采用单水平井并耦合液氮（LN2）压裂技术，如图3所示。通过大幅扩展工质与储层之间的接触面积，水平井配置改善了经济性能和热提取效率。同时，与传统的多井EGS相比，单井设计降低了钻井成本。然而，由于注入段和生产段之间的间距较大，系统性能强烈依赖于储层裂隙网络的连通性。在裂隙发育较差的储层中，有限的连通性会阻碍流体循环，导致流动阻力增大和热提取效率降低。为克服这一局限性，引入液氮压裂技术作为一种有效手段，通过诱发强烈的热冲击并促进裂隙的扩展和连通来提高储层渗透率。因此，本研究提出了一种将EOLGS与液氮压裂技术相结合的耦合开采方法，以同时改善干热岩储层中的流体循环能力和热提取性能。

热压裂技术作为提高EGS储层渗透率的主要手段，近年来受到了广泛关注[22]。通过将低温流体引入高温储层，热压裂技术会导致储层岩石收缩和变形。干热岩储层与低温流体之间存在显著的温度差异[23]。这种显著的温度差会产生巨大的热应力，从而导致干热岩的"淬火效应"并产生复杂的裂隙网络[24]，从而大幅提高储层渗透率[25]，[26]。该方法可用于EOLGS以减少流体在储层中的流动阻力。Zimmerman等人[27]通过理论模型指出，岩石（如花岗岩，α≈8×10/°C）的热膨胀系数和温度梯度共同决定了裂隙扩展的阈值。Watanabe等人[28]确认了水力压裂对花岗岩渗透率变化的影响：单次热冲击可将花岗岩渗透率提高1-2个数量级，而周期性热-冷交替循环（5-10次循环）可进一步扩大裂隙张开度。上述结果表明，热压裂技术可以显著提高储层渗透率。然而，由于冷水与干热岩储层之间的温差相对较小，所诱导的热应力有限，这在一定程度上限制了储层改造的有效性[29]。一些学者创新性地引入了液氮作为热压裂技术的介质。液氮是一种极低温度（-196°C）流体，当它与温度为346-846°C的干热岩接触时，温差达346-846°C，将产生更大的热应力，从而在干热岩储层中形成更加密集和复杂的裂隙网络，显著提高储层渗透率[30]，[31]。此外，在循环冷却冲击作用下，损伤不断累积，导致岩石强度降低，更容易形成密集的裂隙网络[32]。值得注意的是，液氮制备过程简单，原料来源于空气，不受干旱地区水资源匮乏的限制，具有显著的超低温效应、良好的挥发特性和环境友好性。在提高干热岩储层渗透率方面具有广泛的潜在应用前景[33]，[34]。考虑到EOLGS注入-生产井间距大且对裂隙连通性高度依赖，提高储层渗透率对其热提取性能的提升至关重要。尽管液氮冷却已被广泛认为是提高裂隙连通性和渗透率的有效热压裂方法，但大多数现有研究是在非实时高温高压条件下进行的。这种实验设置无法准确重现深部干热岩储层的原位热力学环境。因此，关于在实际液氮压裂条件下储层渗透率如何变化以及它如何影响EOLGS的热提取能力，目前知之甚少。

为解决这些空白，本研究提出了一种新颖的增强型开式地热系统（EOLGS），采用单水平井并耦合液氮压裂技术。通过一系列实时高温条件下的三轴渗流试验，研究了循环液氮对裂隙花岗岩渗透率的影响。基于实验结果，开发了一个包含离散裂隙网络（DFN）的三维数值模型，以模拟EOLGS中的流体流动与热量传递耦合过程。建立了裂隙渗透率演化与系统热提取能力之间的可量化关系。本研究的创新之处如下：(1) 针对裂隙型干热岩（HDR）储层，我们研究了一种基于单水平井耦合液氮压裂的增强型开式地热系统（EOLGS），该方案结合了水平井大储层接触面积和单井配置的简便性。(2) 在实时高温高压条件下进行了三轴渗流试验，实验表征了循环液氮压裂下裂隙花岗岩的渗透率演化，从而为储层尺度数值模拟提供了实验依据。(3) 开发了离散裂隙网络（DFN）模型，建立了液氮诱导的渗透率演化与裂隙网络内的流体循环及长期热提取过程之间的联系，以评估液氮压裂技术能够增强增强型开式地热系统热性能的条件。

**章节片段**

**样品制备与试验设备**
本研究所用的花岗岩岩样采自山东省济宁市（如图4a所示）。根据国际岩石力学学会的规范，对岩石样品进行切割和抛光，制成直径50 mm、高度100 mm的标准圆柱形试样。通过巴西劈裂法，岩样沿长度方向劈裂，制成单裂隙花岗岩试样。岩样裂隙表面相对……

**模型描述**
EOLGS模型如图6所示。为了使数值模拟更加方便，将模型理想化为一个尺寸为500 m × 500 m × 2000 m、埋深约4 km的三维立方体域。通过定向钻井技术构建了一条长距离水平井。注入段和生产段分别位于水平井的两端。由水力压裂在两井段之间形成的裂隙网络建立了有效的……

**结果与讨论**
为了更清楚地阐明储层温度的变化，在模型上设置了观测线"ab"和"cd"，以及位于Z=250处的观测面（图9）。

**主要发现**
本研究开发了一个耦合实验-数值框架，以研究液氮（LN2）压裂对裂隙型干热岩储层中单井开式地热系统（EOLGS）热提取性能的影响。将实时高温三轴渗流试验中获得的渗透率演化规律纳入三维离散裂隙网络（DFN）模型中。结果表明，裂隙网络强烈控制着……

**CRediT作者贡献声明**
Hongwei Ma：数据整理。Housheng Jia：数据整理。Guoying Wang：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，方法论，资金获取，概念化。Fangchao Zhou：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿。Shuai Heng：监督指导。Zhazha Hu：监督指导。Shaowei Liu：资源提供。Chuanliang Yan：项目管理。Norbert Klitzsch：调查研究。Lei Wang：调查研究。Gan Feng：资金获取。

**利益冲突声明**
我们声明，我们与其他人或组织不存在任何可能不当影响我们工作的财务或个人关系，我们不会因任何产品、服务和/或公司的任何专业或个人利益而被认为影响了本稿件的立场或评审。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（52104128，52274078，52104143，52374099）、国家重点研发计划（2019YFA0705501）、河南省重点研发及推广项目（252300420035）、河南省科技研究项目（252102320320，252102320330）、教育部实验教学与教学实验室建设项目（SYJX2024-131）的资助。

Fangchao Zhou|Guoying Wang|Housheng Jia|Hongwei Ma|Gan Feng|Lei Wang|Norbert Klitzsch|Chuanliang Yan|Shaowei Liu|Zhazha Hu|Shuai Heng