综述：地热与非常规储层刺激技术：当前实践、挑战与未来展望的综述

《Energies》：Stimulation Technologies for Geothermal and Unconventional Reservoirs: A Review of Current Practices, Challenges, and Future Perspectives

　　

储层刺激在增强型地热系统（EGS）和非常规储层中是必不可少的，在这些系统中，低渗透率、不足的裂缝连通性或近井筒损伤限制了商业注入或生产。本综述评估了水力压裂、热刺激、等离子体脉冲刺激以及选定的动态刺激技术。它比较了它们的物理机制、裂缝网络发育、储层应用、渗透率增强、操作成熟度、部署挑战和未来前景。水力压裂仍然是储层规模裂缝创建、裂缝导流能力和储层连通性最成熟的方法。然而，在增强型地热系统（EGS）中，性能取决于热交换面积、分布流动、热波及、长期能量回收和诱发地震活动控制，而不仅仅是渗透率增强。热刺激是地热储层开发不可或缺的一部分。冷流体注入产生热弹性应力重新分布，扩大裂缝开度，激活天然裂缝，促进热辅助裂缝扩展，并影响热突破。等离子体脉冲刺激，也称为脉冲功率等离子体、电液或冲击波刺激，提供了一种低水耗的方法，用于近井筒渗透率增强、损伤旁路、裂缝重新激活和重新刺激。其更广泛的部署仍然受到有限处理半径、放大不确定性、能量传递效率、工具耐用性、完井完整性和不足的现场验证的限制。液态CO₂相变、推进剂和爆炸刺激提供了额外的动态加载选项，具有不同的裂缝响应、可控性、安全性和技术准备状态。因此，应根据主导储层限制选择刺激技术，并使用持续注入性或产能、有效储层接触、分布流动、延迟热突破、处理耐久性、井筒完整性和可控的地质力学响应进行评估。未来的进展需要混合刺激、耦合热-水-力学-化学（THMC）建模、集成监测、自适应控制、物理信息人工智能、数字孪生、标准化现场验证以及技术经济和生命周期评估。

1. 引言
在低自然渗透率、裂缝连通性差或近井筒流动能力限制商业注入或生产的地热、非常规油气、致密气、致密油和天然裂缝性储层中，需要储层刺激。地热系统中热量提取依赖于注入井和生产井之间的有效水力连通性，使循环流体能接触大量热岩体积，而增强型地热系统（EGS）需要刺激来创建或重新打开裂缝、增加渗透率并实现热低渗透地层的循环。刺激需求取决于储层结构，因为水热系统可能包含足够的自然渗透率，而干热岩系统通常因流体含量和连通裂缝路径有限而需要人工渗透率增强。在这些情况下，水力、热和动态刺激可改善注入性、激活天然裂缝、增加热交换面积并建立井间连通，但刺激必须视为耦合的水力、力学、热和结构过程，因为天然裂缝激活取决于岩石性质、原位应力、注入速率、流体温度和粘度以及裂缝填充材料。水力压裂是低渗透地热和非常规储层最成熟的刺激技术，因其能创建导流裂缝、改善注入性和产能，并将井筒连接到更大的储层体积。然而，水力压裂不一定总能提供有效的储层接触：在非均质或天然裂缝性地层中，注入流体可能优先进入弱面、断层或高渗透带，导致不均匀刺激、簇贡献差、热交换面积有限、早期热突破、应力阴影、裂缝干扰或裂缝重定向。它还引入了水需求、地层损伤和导流能力损失问题，由流体-岩石相互作用、支撑剂嵌入、裂缝闭合、微粒运移、矿物沉淀以及热或化学改变引起，尤其是在高温、高地应力地热条件下。此外，水力压裂和高压注入可扰动断层附近的孔隙压力和应力，产生诱发地震活动风险，该风险可能在关井后持续存在，因为压力扩散、孔隙弹性应力变化、热收缩和断层带压力重新分布；因此，EGS刺激需要在刺激、循环、关井和运行后阶段进行地震风险评估。由于水力压裂可能无法提供足够的裂缝几何形状、储层接触或操作灵活性，需要替代和补充刺激技术。热刺激可通过冷却诱导的热收缩降低局部应力、协助裂缝张开或扩展、激活天然裂缝并增强渗透率，使水力和热效应在地热循环中不可分割。动态刺激方法，特别是等离子体脉冲刺激，通过利用电液冲击波加载产生拉伸和剪切破坏、创建多个近井筒裂缝并以有限水耗运行，为近井筒渗透率增强提供了另一条途径。尽管重复等离子体脉冲可增强渗透率、激活天然裂缝并增加裂缝网络复杂性，但性能取决于岩石类型、约束、脉冲能量、脉冲持续时间、重复次数、完井设计和天然裂缝分布，并且该技术仍需放大、现场验证、能效评估和部署优化。在本综述中，术语“等离子体脉冲刺激”一致地指代文献中也描述为电液、脉冲功率等离子体或冲击波刺激的方法。本综述综合了关于水力、热和等离子体脉冲刺激在增强型地热系统（EGS）和非常规储层中应用的文献，围绕刺激机制、储层应用、性能比较、部署挑战和未来机遇组织讨论。综述首先考察压力加载、热应力加载和冲击波加载如何生成或重新激活裂缝，然后比较它们在增强型地热系统（EGS）、非常规储层、天然裂缝激活、注入增强和重新刺激中的作用。特别强调热-水力效应，因为冷却诱导的应力重新分布控制地热储层性能，以及等离子体脉冲刺激，因为其裂缝几何形状、实验室证据、数值模拟、现场成熟度和部署约束不同于常规水力压裂。评估使用功能性储层性能标准，包括裂缝几何形状、渗透率增强、水和能量需求、操作成熟度、部署风险、混合刺激潜力、现场验证需求和自适应刺激设计。概括而言，刺激技术应根据主导储层限制选择，而非作为可互换的解决方案。水力、热-水力和等离子体脉冲刺激各自针对不同的工程挑战，应视为互补方法，改善储层性能的不同方面。

2. 刺激机制
2.1. 水力压力加载
水力刺激主要由压力加载控制。当流体以足以提高局部流体压力的速率注入井筒或预先存在的非连续面时，作用在岩石或裂缝平面上的有效正应力减小。如果拉伸应力集中超过岩石的拉伸强度或断裂韧性，则可引发水力裂缝。一旦引发，裂缝扩展取决于流体压力、原位应力、岩石韧性、弹性变形、粘性压力损失和向周围地层的滤失之间的平衡。在经典水力压裂中，注入流体沿裂缝表面传递压力并迫使裂缝以I型模式张开。裂缝开度控制所创建路径的水力导流能力，因为裂缝流动强烈依赖于宽度。随注入继续，当裂缝尖端应力强度因子达到岩石断裂韧性时裂缝扩展。所得几何形状通常理想化为一个主导平面裂缝或两翼裂缝，尽管与层理、纹层、弱界面和天然裂缝的相互作用可产生更复杂的扩展路径。压力驱动的变形也影响裂缝表面以外的周围岩石。孔隙压力扩散降低近裂缝区域的有效应力，而裂缝的弹性张开重新分布局部应力场。这些耦合的水力和力学效应影响裂缝宽度、裂缝路径、应力阴影、裂缝相互作用以及附近天然裂缝的潜在激活。在增强型地热系统（EGS）储层中，水力压力加载不应解释为单一拉伸裂缝机制。渗透率增强可通过新创建的拉伸裂缝、现有裂缝的张开、天然裂缝的剪切膨胀或水力裂缝与预先存在的非连续面之间的相互作用发生。描述了四种刺激模式：纯张开模式、纯剪切模式、具有剪切刺激滤失的主压裂以及混合机制刺激。这一区别很重要，因为相同的注入操作可根据压力主要是创建新裂缝表面还是重新激活现有裂缝网络而产生不同的储层响应。主导机制取决于储层传导率、裂缝储集能力、断层带发育、注入速率和井底压力。近井筒低传导率有利于压力累积和拉伸裂缝引发，而水力连通的裂缝网络可在较低压力下促进剪切滑动和膨胀。高储集能力的断层带也可能接受大量流体并通过剪切激活变形，而非创建简单的水力裂缝。因此，增强型地热系统（EGS）中的水力刺激应视为由储层结构和水力可达性控制的机制选择问题，而不仅仅取决于注入压力是否超过破裂压力。

2.2. 热应力加载
热刺激由温度变化及由此产生的热弹性或热-孔隙弹性应力重新分布控制。当冷流体接触热岩石时，冷却的岩石倾向于收缩。如果这种收缩受到周围较热地层的机械约束，则产生拉伸热应力。这些应力可降低作用于裂缝上的压缩应力，增加裂缝开度，促进拉伸开裂，并修改沿天然裂缝的剪切应力。在地热储层中，热加载通常与水力加载耦合，因为注入流体同时改变压力和温度。当注入流体与地层之间的温差较大时，热分量可能显著。在这些条件下，冷却诱导的收缩可能比单独的压力扩散更强烈地降低局部压缩应力。这可以改变裂缝周围主应力的量级和方向，并促进热辅助裂缝张开或二次裂缝发展。热应力加载不同于水力压力加载，因为它不要求裂缝处处直接加压。相反，应力变化通过冷却岩石体积中的热传导和热收缩发展。因此，刺激效果取决于热扩散率、岩石热膨胀系数、温差、注入持续时间、裂缝表面积以及冷流体与岩石交换热量的速率。

2.3. 等离子体脉冲冲击加载
等离子体脉冲刺激受动态冲击加载而非准静态压力加载控制。在该方法中，电能被储存并快速释放在流体填充的井筒中的电极之间。放电电离周围流体或线材，形成等离子体通道，并产生高压脉冲。该压力脉冲作为冲击波向外传播，在极短时间间隔内加载井筒壁和周围岩石。快速加载速率产生与常规水力压裂不同的力学响应。在近井筒处，高幅值压缩波和反射拉伸分量可同时产生剪切和拉伸破坏。因此，裂缝模式通常由多个短裂缝或井筒周围的径向裂缝组成，而非单个长而平面的两翼裂缝。生成的裂缝网络取决于峰值压力、脉冲持续时间、上升时间、重复脉冲次数、岩石刚度、拉伸强度、剪切强度、约束和完井配置。近期电液冲击波研究表明，损伤机制强烈受压力脉冲如何到达岩石控制。在射孔完井中，冲击波可通过射孔隧道以及沿井筒传播，因此拉伸损伤在这些波路径相互作用处发展，而非均匀分布在钻孔周围。数值结果还表明，相同总能量下，重复较小能量放电可产生比更少较大能量放电更分布式的岩石损伤，同时增加管理水泥环损伤的需求。重复等离子体脉冲可扩展现有裂缝并产生额外损伤，但响应并非无限。在特定脉冲次数后，额外能量可能产生有限的裂缝扩展，同时增加近井筒损伤风险。因此，机制不仅受总能量输入控制，还受脉冲时序、加载速率、压力分布以及动态波场与演化裂缝网络之间的相互作用影响。

2.4. CO₂相变加载
液态CO₂相变压裂是一种无水动态刺激方法，其中液态CO₂存储在密封井下管柱中，加热或以其他方式激活，并快速转化为高压气体。当内部压力超过校准破裂盘强度时，气体通过排放口释放并产生短持续时间压力脉冲。裂缝引发最初由钻孔附近的动态应力波驱动，随后通过高压气体膨胀维持裂缝张开和扩展。该机制不同于常规液态或超临界CO₂水力压裂，后者中连续泵送的CO₂通过裂缝系统传递压力。实验和现场研究表明，裂缝发展取决于释放压力、CO₂装填量、排放几何形状、围压、岩石强度、弹性模量、现有裂缝和处理重复次数。更高的释放压力和更大的CO₂体积通常增加裂缝数量和范围，而增加围压和岩石强度则限制扩展。该技术主要应用于低渗透煤层以增强瓦斯抽采和煤层气回收，近期研究已考察其在干热岩近井筒刺激中的应用。其主要优势是低水耗、无化学爆炸产物、可控释放压力以及产生多个径向裂缝的潜力。然而，刺激半径通常局部化，裂缝几何形状对设备配置和储层约束敏感，且煤储层以外的现场证据仍然有限。因此，CO₂相变压裂最适合作为近井筒或补充动态刺激方法，而非储层尺度水力压裂的直接替代品。

2.5. 机制比较
水力、热和等离子体脉冲刺激通过不同物理途径向储层输送能量。水力刺激通过流体压力输送能量，主要通过降低有效正应力并驱动I型裂缝扩展来促进裂缝张开。热刺激通过热交换间接输送能量；冷却诱导的收缩重新分布应力，并可协助裂缝张开、剪切滑动或二次开裂。等离子体脉冲刺激通过电放电产生的短持续时间冲击波动态输送能量，在近井筒处产生快速拉伸和剪切破坏。三种机制的特征时间尺度也不同。水力压力加载通常作用于泵送时间尺度，从处理期间的分钟到小时，以及更长注入期间。热加载在对流和传导热传递时间尺度上演化，可从处理时间延伸至长期循环。等离子体脉冲加载作用于微秒到毫秒级压力瞬变，在近井筒处引起高应变率变形。预期的裂缝几何形状反映了这些不同的加载模式。水力刺激倾向于创建由压力分布、应力各向异性和流体滤失控制的长裂缝。热刺激倾向于通过改变开度和局部应力状态来修改现有水力或天然裂缝。等离子体脉冲刺激倾向于创建由动态波传播、岩石强度、约束和脉冲设计控制的多个近井筒裂缝。因此，这些机制应视为互补而非可互换：水力加载提供储层尺度扩展，热加载在冷却期间修改应力和裂缝导流能力，而等离子体脉冲加载针对近井筒裂缝创建和渗透率增强。

3. 储层应用
3.1. 地热储层与增强型地热系统（EGS）
地热储层是储层刺激最重要的应用领域之一，因为热量提取需要足够的注入性和循环流体与热岩石之间的有效接触。在水热系统中，自然渗透率可能足以生产，但在增强型地热系统（EGS）中，需要刺激来创建或改善注入井与生产井之间的水力路径。EGS的主要刺激目标是增加注入性、扩大热交换表面积并改善储层尺度连通性。对于EGS，储层连通性本身并不足够。刺激还应创建足够的热交换表面积以支持长期热回收。单一高导流能力裂缝可改善注入性，但可能将流动集中到狭窄路径，减少与周围热岩石的接触。相反，更分布式的裂缝网络可能提供更好的热性能，即使单个裂缝具有更小开度。这一区别使EGS刺激不同于常规油气刺激，后者中水力导流能力通常是主导性能目标。水力刺激常用于EGS以打开现有非连续面、创建新裂缝并连接孤立的裂缝组。该应用的成功取决于所创建或重新激活的裂缝网络能否支持长期循环而不发生快速热突破。长裂缝可增加接触的热岩石体积并改善井间连通，而多个短裂缝若未贡献于主流路径则可能效果较差。数值结果表明，对于建模的EGS配置，水力裂缝长度对地热能量回收的影响强于简单增加裂缝数量。现场证据也表明，EGS刺激结果高度依赖于具体场地。裂缝网络结构、附近断层、原位应力、井位、注入方案、储层传导率和井间水力连接均可控制刺激是否改善有用循环或创建低效流动路径。因此，相同刺激方法可导致不同结果，取决于储层是倾向于拉伸裂缝创建、天然裂缝剪切膨胀还是水力与天然裂缝之间的混合相互作用。近期现场尺度研究强调了这一复杂性。在犹他州FORGE，2022年水力刺激在深部花岗岩储层中产生了近平面地震云，解释倾向于拉伸裂缝张开，尽管断层滑动和地震变形不能完全排除。EGS Collab实验也表明，水力刺激可在结晶岩中创建连通流动系统，但所得流动路径可能保持分布、动态且难以控制。这些结果表明，裂缝创建、地震响应和有用流动连通性是相关但不等效的EGS性能指标。热效应在地热刺激中也是固有的，因为注入流体通常比储层岩石更冷。这种冷却可修改局部应力、协助裂缝张开并在循环期间影响裂缝导流能力。因此，地热刺激不应仅评估为水力过程；它应视为耦合的热-水力-力学应用，其中压力扩散、热传递和岩石变形共同控制注入性和储层连通性。

3.2. 非常规储层
非常规储层，包括页岩层、致密气储层和致密油储层，是刺激的另一个主要应用领域。这些储层通常包含大量碳氢化合物，但其低基质渗透率阻止了无人工裂缝网络的经济生产。水力压裂是主导刺激方法，因为它创建从井筒进入低渗透岩石的导流路径并增加有效泄油面积。在页岩储层中，刺激设计强烈受地质力学非均质性、层理、天然裂缝、应力各向异性和完井设计控制。水平井多级水力压裂用于沿水平段分布刺激，但生产性能取决于单个簇的贡献以及诱导裂缝与现有非连续面之间的连接程度。天然裂缝可改善复杂性和接触储层体积，但也可能分流流体、阻止水力裂缝或导致不均匀处理分布。致密气和致密油储层有相似的刺激需求，尽管其岩性和流体流动行为可能不同于页岩。在这些系统中，刺激旨在克服低基质渗透率并建立高导流能力流动路径。候选选择、裂缝间距、级设计、应力分层和支撑剂布置仍是成功开发的核心。替代或补充方法，包括无水和动态刺激方法，在水敏感性、流体损伤或低效簇贡献限制常规水力压裂性能时被考虑。煤层气储层是天然裂缝性双孔隙系统，其中甲烷主要通过吸附储存在煤基质中，并通过割理和较大裂缝向井筒输送。商业生产通常需要排水以降低储层压力并促进气体解吸，但低割理渗透率、高应力敏感性、煤基质膨胀或收缩、弱力学行为和微粒运移可限制流动。水力压裂仍是主要刺激方法，因为它连接井筒与割理网络并创建支撑导流路径。然而，煤-流体相互作用、流体回收差、水锁、凝胶残留和煤粉可损害渗透率和气体输送。替代方法包括水力割缝或冲孔、气体注入、低温或热刺激、高压电方法和液态CO₂相变压裂。技术选择应考虑煤阶、深度、割理连通性、应力状态、润湿性、吸附行为以及对水和机械损伤的敏感性。等离子体脉冲刺激最适用于非常规井性能受近井筒损伤、簇贡献不完整、水敏感性或对现有裂缝可达性有限的情况。重复电液冲击波可产生径向微裂缝、重新激活局部非连续面并在不注入大量流体的情况下增加井筒周围渗透率。对致密砂岩的实验室研究证实，渗透率增强取决于放电能量、脉冲重复次数和约束，而现场应用已通过射孔清洁和增强近井筒连通性证明了产能改善。然而，其相对较短的刺激半径和有限的现场验证目前支持其作为选择性预处理或重新刺激方法，而非储层尺度水力压裂的替代品。非常规储层中的热刺激可能涉及冷却诱导的热冲击或有意原位加热。快速冷却可弱化深部页岩，诱导热损伤，并在低温流体注入期间协助裂缝引发。相反，足够高的加热可通过差异矿物膨胀、石英相变以及在有机质丰富岩石中的干酪根转化产生微裂缝并增加渗透率。这些响应强烈受岩性、矿物组成、温度阈值、成熟度和原位约束控制；因此，热刺激最相关于选定的页岩和致密层，其中热损伤可补充水力刺激，而非作为普遍适用的独立处理。

3.3. 天然裂缝激活
天然裂缝激活是地热和非常规储层中刺激的关键应用。许多储层包含密封、胶结或部分闭合的裂缝，在初始条件下可能对流动贡献不大。流体注入可降低这些非连续面上的有效正应力，导致裂缝张开、剪切滑动或膨胀。一旦激活，天然裂缝可增加渗透率并改善井筒与储层体积之间的连通性。天然裂缝还应按地质成因和成岩演化分类，而不仅仅按力学方向和滑动趋势。构造裂缝通过区域变形形成，而非构造和成岩裂缝可能在压实、超压生成、烃类成熟、矿物转化或抬升过程中发育。其刺激响应取决于开度、间距、连通性、尺度、方向、层理面性质以及矿物填充的类型和程度。开放或弱胶结裂缝可传递压力、接受滤失并在刺激期间膨胀，而强胶结裂缝可能充当屏障、阻止扩展的水力裂缝或要求通过周围岩石重新破坏。Barnett页岩研究识别了与渐进埋藏和不同密封流体相关的多个裂缝世代，而苏北盆地记录了与埋藏成岩作用、构造作用和抬升相关的连续裂缝和脉体形成事件。这些观察表明，刺激设计必须考虑裂缝成因、成岩历史、力学地层和空间连通性，因为几何上相似的裂缝在相同加载条件下可能响应不同。在地热储层中，天然裂缝激活尤为重要，因为剪切膨胀可产生持久渗透率增强，无需所有流动能力来自新创建的拉伸裂缝。然而，相同过程也可能增加诱发地震活动风险，如果刺激激活了临界应力断层或大裂缝区。因此，天然裂缝激活必须作为有益的渗透率增强过程和潜在地质力学危害来管理。一个关键实际问题是有利的裂缝方向本身并不保证成功的剪切刺激。EGS Collab项目表明，当裂缝愈合、水力不可达或未足够接近破坏时，即使结构上有利，目标剪切刺激也可能失败。这意味着天然裂缝激活不仅取决于应力方向，还取决于注入流体能否实际加压裂缝以及裂缝是否具有足够的机械倾向发生滑动或膨胀。激活倾向取决于局部应力状态、孔隙压力增加、裂缝方向、裂缝刚度、内聚力、摩擦角以及与注入区间的水力连通性。研究表明，天然裂缝在致密地层中比在更渗透地层中更容易激活，因为低基质渗透率有利于裂缝中压力累积，降低有效正应力并促进裂缝张开。这一观察对刺激设计很重要，因为相同注入方案可能根据基质渗透率和天然裂缝水力性质产生不同的裂缝激活响应。

3.4. 注入和重新刺激应用
储层刺激也应用于改善注入性能、恢复受损区间和重新刺激欠生产井。注入井可能因微粒运移、结垢、矿物沉淀、近井筒堵塞、裂缝闭合或完井损伤而经历注入性下降。刺激可通过重新打开现有裂缝、旁路受损近井筒区域或创建新的导流路径进入储层来改善注入性。重新刺激用于初始处理未完全接触目标储层体积或生产因裂缝导流能力随时间下降而减少的情况。在非常规井中，重新刺激可能针对表现不佳的簇、未刺激区间或生产后应力状态已变化的枯竭井。目标并非总是创建全新的裂缝系统；在许多情况下，它是改善现有簇的贡献、重新激活部分闭合的裂缝或将刺激重定向到先前未处理的岩石。动态刺激方法，包括等离子体脉冲刺激，可能适用于近井筒重新刺激，因为它们可在井筒附近产生多个裂缝并改善局部渗透率，而无需向地层注入大量压裂液。这使得等离子体脉冲刺激可能对受损区间、水敏感地层以及近井筒连通性而非远场裂缝扩展是主要限制的井有用。然而，其现场尺度应用仍不如水力压裂成熟，在广泛用于商业重新刺激计划之前需要进一步验证。

4. 热刺激与热-水力效应
4.1. 热诱导应力重新分布
当温度变化修改储层岩石的应力状态时发生热刺激。在地热储层中，该过程通常由注入比地层更冷的流体引起。当注入流体从岩石中提取热量时，冷却区域倾向于收缩。由于冷却岩石受周围较热岩体约束，热收缩在裂缝、井筒和注入区间周围产生应力重新分布。该过程可局部降低压缩应力，改变主应力的量级和方向，并改变控制裂缝张开和扩展的力学条件。热应力响应与水力效应和孔隙弹性效应耦合。流体注入增加孔隙压力并改变有效应力，而冷却通过岩石和孔隙流体的热收缩产生额外应力变化。在热-孔隙弹性系统中，压力、温度和变形场共同演化，尽管它们可能在不同空间和时间尺度上作用。短期水力效应通常集中在裂缝或井筒附近，而热效应可在长期循环期间随冷却区域增长而继续演化。热诱导应力重新分布的量级取决于温差、热膨胀系数、弹性刚度、热传递速率、裂缝几何形状、注入持续时间和水力连通性。更大的温差产生更强的热收缩和更大的应力扰动。冷流体注入热地热岩石在裂缝周围产生了孔隙压力、应力量级和主应力方向的明显变化。这些结果表明，热刺激应视为储层尺度地质力学过程