摘要
干热岩型地热作为一种大储量的清洁能源，在日趋严峻的环保形势下，正在逐渐影响着世界能源格局，并成为学术界、政府和企业关注的焦点。开发花岗岩型干热岩需要建立增强型地热系统（EGS），其核心是向储层钻井并压裂形成一定规模的裂缝网络，构建注入井和生产井的循环回路来提取热能发电。从瑞士Basel EGS工程、韩国Pohang EGS工程等花岗岩型干热岩EGS压裂工程案例可以发现，诱发地震已成为制约花岗岩型干热岩开发的关键因素，其原因在于未明确大尺寸高倾角结构面的具体位置，无法预测压裂液在压裂过程中的流动方向，导致压裂液进入此类结构面造成结构面滑移从而诱发地震。本文将针对此问题通过查明干热岩所在储层的信息对开发花岗岩型干热岩控震压裂人工热储建造方法进行介绍。
随着气候变暖等全球性挑战的加剧，能源的短缺正在变得更加突出，是影响我国经济和社会发展的关键性障
干热岩（Hot Dry Rock，缩写为HDR）是储量巨大的新型能
开发干热岩有三大关键步骤，分别是钻井，压裂，循环发电或供暖。增强型地热系统（Enhanced Geothermal Systems， EGS）是开发干热岩资源的具体工程手段，在注入井和生产井中循环地热水，通过热交换提取裂缝中的地热能，从而达到地热发电和综合供暖利用的目
近年来，研究人员发现，EGS开发过程中，如果进行了热储改造和注水操作，就有引起小规模地震的可能。少数EGS工程的注水操作与3级及更高级别的地震有相关性，必须加以重
Troiano
本文旨在通过对瑞士Basel EGS和韩国Pohang EGS等花岗岩型干热岩压裂工程的分析研究，探讨控震压裂人工热储的开发方法，并详细阐述其实施方式和步骤。
在2006~2007年间，由于EGS工程的持续实施，瑞士Basel发生了多达3500次的微震事
Pohang EGS项目包括2口钻井，井深>4000 m，井口径距6 m，井底延伸约600
通过对上述EGS项目的分析发现：诱发地震已是限制花岗岩型干热岩开发的重要因素。在开发过程中，虽然开发过程中诱发的地震震级没有断层活化诱发的地震震级大，但在压裂过程中由于压裂液的进入，孔隙压力效应会使较大尺寸的天然结构面发生滑移，导致地层能量急剧释放，这可能诱发具有潜在破坏性的地震。因此，在花岗岩型干热岩压裂的基础上，如何在岩体中压裂形成一定规模的裂缝网络，同时又能最大限度的防止因地层能量急剧释放而诱发的有感地震，已成为开发花岗岩型干热岩的关键。
为了实现这一目的，需要先查明花岗岩型干热岩储层信息，即查明是否存在大尺寸高倾角的结构面，其方法如下：
利用三维地震勘探技术，在花岗岩型干热岩的有利区域进行勘探，在断层不发育区域开发靶点并钻直井到达目的层。直井开展成像测井，选择发育层段作为压裂段，采用组合管柱完井。为了更准确地测试储层压裂情况，开展小液量储层压裂测试，通过微地震技术来监测岩石破裂所产生的能量波，并使用矩张量反演来获取岩石破裂的准确位置及“沙滩球”。随后检测判断压裂段中是否存在未被发现的大尺寸高倾角的自然结构面，如果存在，就使用石英砂进行封堵，并对位于致密层段的无孔套筒予以射孔。配合压裂材料，通过多液性压裂液开展水力压裂。根据储层岩性的不同，干热岩型地热可以分为花岗岩型、碳酸盐岩型和砂岩型干热岩，其中，花岗岩型干热岩的分布范围最广，在相同埋深下，温度也最高。本方法旨在针对花岗岩型干热岩进行设计，而花岗岩型干热岩开发有利区是指通过野外地质调查，并结合已有钻探、物探等技术手段初步筛选出的场区，在此场区内开展三维地震勘探主要是为探明花岗岩型干热岩储层内的断层发育情况。在花岗岩型干热岩开发有利区中，最重要的评估参数是：岩石温度高于200 ℃，埋深低于4500 m。断层不发育区域是指花岗岩型干热岩储层中没有断层的区域。三维地震勘探是本领域的已有常规地球物理勘探手段。成像测井是一种已经成熟的本领域技术，它可以通过声成像或电成像来获取测井结果，这些结果能够帮助我们解释花岗岩型干热岩储层中的天然裂隙，并借此区分发育层段和致密层段等。在花岗岩型干热岩储层中，天然裂隙（天然裂缝）较为发育的部分为发育层段，反之为致密层段。在自然界中，天然结构面是自然形成的天然裂缝，而通过人类利用水力作用，水力压裂形成的裂缝，为水力压裂裂缝。通过上述方法即可查明花岗岩型干热岩储层中结构面的位置信息从而进行压裂设计。
在查明花岗岩型干热岩储层中结构面的位置信息后，进行控震压裂人工热储建造，详细实施步骤如
图1 控震压裂人工热储建造方法的实施步骤示意
1—天然裂隙；2—花岗岩型干热岩储层；3—无孔套管；4—出水孔；5—打孔管；6—直井
（1）利用三维地震勘探技术，在花岗岩型干热岩的有利区域进行勘探，以此更好地了解花岗岩型干热岩储层的断层发育情况，并在断层不发育的区域进行精准的靶点开发，最终实现对目标层的精准钻探。
（2）通过对直井进行成像测量，可以根据此结果获得井周围的自然裂隙发育状况，进而在花岗岩型干热岩储层中选取最具发展潜力的层段（天然裂隙较为发育的发育层段），作为压裂段，其他层段则被看作致密层段，最后采用组合管柱完井，其中：组合管柱由上下拼接成一体的几个打孔管和几个无孔套管构成，管道的宽度与直井的井径相匹配，以便顺利下放入井，打孔管、无孔套管的长度、数量应分别根据发育层段的长度、个数合理设计，合理地调整打孔管和无孔套管的尺寸和比例，以便使打孔管与压裂段相对，而无孔套管则与致密层段相对。
（3）通过改变排量的方法，开展小液量储层压裂测试，同时利用微地震技术监测在小液量储层压裂测试过程中岩石破裂事件（微地震事件）伴随产生的能量波，并利用这些获得的能量波波形数据（用于描述地层破裂产生的含有能量的波形）进行矩张量反演（矩张量反
图2 反演事件震源机制“沙滩球”及其信息获取过程示意
微地震技术是监测小液量储层压裂测试过程中储层岩石破裂信号的有效方法，它可以检测出岩层裂缝产生时形成的能源波信号。通常，这种技术是在地面或地表浅层（深度<20 m）的井中安装检波器，并在邻近的井（深度>1500 m）安装检波器，检波器包括地面星型排列测线检波器、浅井检波器台站和深井阵列检波器，检波器用于接收储层岩石破裂所产生的能量波。矩张量为包含了6个独立分量的矩阵，通过矩张量反演，借由各个独立分量可以推断出岩层裂缝的机理和裂缝的形态参数等信息。例如，可以根据震源半径来确定裂缝面长度，而震源半径通过矩张量的某一个独立分量计算获得。
在实际设计中，矩张量反演是一种用于研究地质构造的技术，矩张量反演的具体步骤为：首先，对采集到的能量波波形数据滤除岩石破裂信号频率域之外的噪声信号，并通过人工拾取信号波形初至的方式，依据声波时差准确定位岩石破裂事件发生的位置，然后，针对已定位的岩石破裂事件，利用格林函数综合波形位移、振幅和极性参数，基于P波振幅和极性的震源机制矩张量反演，获得包含破裂机制信息（张性、剪切、压缩）和裂缝面形态参数信息（走向、倾角、开度等）的反演事件震源机制“沙滩球。“沙滩球”为反演事件震源机制的常见表示方式。
（4）根据相邻的连续多个岩石破裂事件所对应的“沙滩球”，检测判断压裂段中是否存在未被发现的大尺寸高倾角的自然结构面：若不存在，则进入步骤6；若存在，将使用石英砂进行封堵此天然结构面所对应的打孔管上的出水孔，防止水力压裂时压裂液喷向此天然结构面，然后进入下一步骤。
（5）为弥补由于压裂段缩短所导致的热储规模减小，对致密层段的无孔套管进行了射孔。
（6）通过使用特定的压裂材料（如暂堵剂等），采用控排量的泵注方法，通过多液性的压裂液开展水力压裂（水力压裂是在花岗岩型干热岩储层中建造人工热储的主要手段），继而水力压裂在花岗岩型干热岩储层中产生水力压裂裂缝，以完成人工热储建造。
在实际实施中，花岗岩型干热岩深部储层中的部分大尺寸、高倾角天然结构面难以通过三维地震勘探手段进行识别，但这类天然结构面在压裂作用下发生的滑移仍可能诱发有感地震，本方法采用了“沙滩球”的判断机制来解决。具体来说，在步骤4中，如果观察到相邻的连续多个岩石破裂事件对应的“沙滩球”所指代的天然结构面走向、倾角非常接近，且各岩石断裂的强度超过了预期的阈值，则判定储层深部（深度通常大于3500 m，即通过三维地震勘探未探明的深部）压裂段存在三维地震勘探未探明的大尺寸（长度>100 m）、高倾角（倾角>50°）的天然结构面。
通过分析瑞士Basel EGS和韩国Pohang EGS等花岗岩型干热岩压裂工程可以发现：开发干热岩诱发地震的问题是阻碍其发展的主要因素之一，是因为在干热岩开发的过程中由于压裂液的进入，大尺寸高倾角的结构面上方的应力会发生明显变化导致滑移，由于结构面滑移而诱发地震。故在开发干热岩时应该查明此类结构面的位置，使用该花岗岩型干热岩控震压裂人工热储建造方法通过“沙滩球”模型即可查明干热岩储层信息，在泵注压裂液时使用暂堵剂等工艺封堵大尺寸高倾角的结构面出水孔进行压裂，既可在花岗岩型干热岩储层中水力压裂形成所需规模的裂缝网络，又可在水力压裂花岗岩型干热岩过程中极大减小诱发有感地震风险，可为花岗岩型干热岩地热开发提供可靠保障，完善干热岩开发技术，从而有望推动干热岩开发进程，进而推动能源结构优化、实现“双碳”战略目标、地热能商业化开发和规模化利用进程。
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