深部超临界地热资源研究进展及开发前景展望

许天福 汪 禹 封官宏

吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室

1 超临界地热资源研究概况

地热能是蕴藏在地球内部的热能，按照埋藏深度大致可以分为浅层水热型、中深层水热型、干热型及深部超临界型。据估算，世界范围内5 000 m 以浅深度地热资源量约为15.5×1025J，相当于4 948×1012t标准煤[1]。中国是地热资源大国，资源潜力占比接近全球的8%。

水的临界点为（374 ℃、22.1 MPa），当温度和压力均达到临界点之上时，水以超临界态存在（图1）。超临界水（流体）具有较低的密度、动力黏度，以及较高的比焓及压缩系数（图2），这些性质决定了超临界地热流体作为载热工质进行地热能开发具有极大的潜力。Cladouhos 等[2]的数值模拟计算结果表明，在60 kg/s 的质量流速下，400℃热储温度提热效率达50 MW，是200 ℃传统热储的10 倍左右。由此可见，超临界地热资源具有极大的潜力，有可能作为国家重要的战略资源和清洁能源加以开发利用。

图1 水的相态与温度和压力的关系图

超临界地热资源的开发目前在世界范围内仍处于初步探索阶段，全球目前仅有20 余口地热井钻遇超临界条件[3-4]，包括冰岛的Krafla、Reykjanes，美国的Newberry、SaltonSea，意大利的Larderello，日本的Kakkonda，以及墨西哥的LosHumeros。其中冰岛和意大利由于具有良好的条件，在钻探及场地实验方面进展较快，但目前尚未实现商业开发。

我国目前尚未开展超临界地热资源的开发工作。西藏羊八井地热田是我国目前已知热储温度最高的地热田[5]，具有开采超临界地热能的潜力。羊八井深部含有2 个高温热储层，其中第一层热储层深度介于800 ～1 300 m，温度介于250 ～278 ℃；第二层深度在1 800 m 左右，温度超过300 ℃，最高达329.8 ℃。由此可见，羊八井区域地热资源条件十分优越，在1 800 m 以下深度有望达到超临界条件。其良好的地热资源推测与岩浆活动有关，根据已有钻孔及念青唐古拉山体南缘发现的距今10 ～70 Ma 花岗岩侵入体，表明岩浆活动较为活跃。根据人工地震所获得的资料，在羊八井地热田深部5 km 处发现了一套电阻率为5 Ω·m 的低阻层，推测为正在冷却的岩浆房，深部22 km 处存在着一套低速层，有可能为地下岩浆熔融体。

实际上，在超临界钻探工程中以目前技术很难应对钻井时的恶劣条件，比如高温高压条件以及地壳深部可能存在的高腐蚀性酸性流体。此外，对于超临界条件下的化学反应及力学特性研究目前仅限于室内试验，而在实际场地中往往更为复杂，而且现有的软件无法很好地处理高温高压条件的数值模拟，热力学反应数据库也满足不了要求，无法为数值模拟提供数据，程序校正的实验进行得也相对较少。因此，超临界地热能的开发是困扰地质工程界的一大难题。笔者在回顾国际上存在的超临界场地的钻探及测试过程的基础上，归纳总结钻进、完井技术经验和教训以及数值模拟的发展历程，提出超临界地热开发所面临的挑战、潜在的解决方法和未来前景，以期为超临界地热能的研究和未来开发提供一些思路。

图2 不同温压条件下水的物理性质图

2 超临界地热工程与场地

超临界地热资源在全球的分布情况如表1 所示。

2.1 冰岛IDDP 系列工程

目前在超临界地热开发研究方面最具有代表性的就是冰岛深部钻探系列工程（Iceland dEep Drilling Project, IDDP）。冰岛地域上存在100 多座火山，早在21 世纪初便开展“冰岛深部钻探工程”，试图在地下3.5 ～5.0 km 处寻找450 ～600 ℃的适宜场地以实现超临界地热能经济性开发[6]。该工程规划Krafla、Reykjanes 和Hengill 共3 个场地，目前除Hengill 外均已完成钻探工程。Krafla 地热田的IDDP-1 井于2009 年首先开展，在2 104 m 处钻遇岩浆，由于剧烈的侵蚀性而停钻，最终完井为2 072 m[7]。经过测试，出口压力为14 MPa，温度为452 ℃，由于井口压力较低，生产流体为蒸汽相而非超临界态，流量介于10 ～12 kg/s。其中含有大量酸性气体（HCl、HF、H2S等），HCl约为100 mg/kg，在蒸汽凝结时形成盐酸，井筒及大量地面设备均受到腐蚀。另外约62 mg/kg的SiO2溶解在蒸汽中，在井口随着压力降低而大量沉淀[8]。经过2 年的生产测试后，在对地面设备修复时，由于套管坍塌，IDDP-1 井最终废弃。

2015 年12 月，IDDP-2 井 在Reykjanes 地 热 田原有钻孔（RN-15）的基础上加深[9]。2017 年1 月，IDDP-2 井完成钻井，井深4 659 m。在3 000 m 以下钻遇几个高渗带，分别位于3 400 m、4 375 m 和4 550 m，在3 648 ～4 658 m 取得岩心，这也是世界首次在超临界条件下获取的岩心。岩心来自一个片状岩脉复合体，普遍遭受流体的侵蚀。在孔隙内发现Cl、Fe、K 等盐分，岩心表面发现赤铁矿及石英沉淀等包裹体，这些对超临界地热资源和海底热液系统化学条件的研究具有巨大的科学价值，对提高成矿过程的认识具有重要意义[10-11]。该井钻完井后，以40 kg/s 的注入速率进行注入能力测试，6 天后，井底温度恢复至427 ℃，压力34 MPa（380 ℃条件下校准的K-10测井仪）。根据冰岛科学顾问组（Science Application Group of Advisors, SAGA）2018 年3 月18 日 的 报告，井底温度目前稳定在535 ℃。根据2019 年8 月SAGA（System for Automated Geoscientific Analyses）的最新报告，大型的流动测试计划在2020 年展开，但网站数据在2019 年8 月之后并未更新。

2.2 意大利DESCRAMBLE 工程

意大利中部Tuscany 地区的Larderello 地热田是世界上开发最早的地热田，距今已有百年历史，目前仍具有极大的开发价值。欧盟在此设立了“欧洲大陆深层超临界环境钻探工程”（Drilling in Deep Super-Critical AMBient of continentaL Europe，DESCRAMBLE）[12]。项 目2015 年5 月 开 始，至2018 年4 月完成。主要目的是尝试在大陆地壳极高温度条件下进行钻探，探测地热资源新型钻探技术，同时增强对深部超临界条件下物理、化学条件的认识。

几十年来大量的地震勘探数据证明该区存在一个重要的深部高地震阻抗层，称为K 层（K-horizon），埋深约3 000 m，在整个Tuscany 南部均可识别。高地震阻抗可能由岩浆或变质流体形成。1979 年的San Pompeo 2 钻井在接近K 层时，意外遇到高压流体，诱发井喷，大量石英角砾岩喷出，这是Tuscany 地区花岗岩侵入体顶部存在高温岩浆热液系统的典型特征。

此次钻探所选的Venele-2 井是一口干井，先前已钻到2 200 m 深、350 ℃，此次加深至2 850 m，根据现有测温曲线，可判断在井深约2 750 m 处，地温梯度有一个明显升高，笔者推断可能是钻遇K 层。利用其现有测井工具确定了井深2 815 m 地层温度约为504 ℃[12]。根据测温曲线以及相应的静水压力判断，在井深2 300 m 以下流体以气相形式存在。在2 800 m 处，压力约为21.5 MPa，接近超临界条件。

2.3 其他超临界地热工程

2.3.1 美国

美国有多个深部超临界钻探研究工程，例如Newberry 的深部钻探工程（Newberry Deep Drilling Project）。其目标是钻进美国俄勒冈州中部Newberry火山带的脆性塑性过渡区（Brittle-Ductile Transition,BDT）。项目的主要研究重点是考虑到自然灾害和地热资源的利用，研究地壳内的热量传递。Newberry火山带是美国西部最大的地热储层之一，在地下3 000 m 左右温度为320 ℃[13]。2017 年9 月，在俄勒冈州立大学举行的国际大陆钻井项目（International Continental Drilling Program）研讨会上进行相关讨论，确定借助Newberry 地热田已存在的NWG 46-16 井继续钻进1 000 ～1 300 m 以达到井底500 ℃的目标，其中NWG 46-16 于2008 年成井，完井深度3 500 m，井底温度340 ～374 ℃[14]，接近超临界状态。

Geysers 地热田及其周边的数口井均测得了较高

温度。1981 年的Wilson-1 井在地下3 672 m 温度达到325 ℃，由于深部流体的侵入，预测更深部可达400 ℃[15]。在井底钻遇高压区，并且观测到深部蒸汽涌入。随后由于井壁垮塌导致井最终被废弃。2010 年，Geyser 地热田西北的Prati-32 井加深至3 352 m 时，温度高达400 ℃，导致钻进困难，最终井深3 396 m[16]。

表1 超临界地热井温度、压力和渗透率表

Salton Sea 地热田的IID-14 地热井在2 073 m时，温度高达390 ℃[17]，虽然超过了纯水的临界温度，但由于盐度高达20%～30%，根据Driesner 和Heinrich[18]计算，此时咸水对应的临界温度应高达550 ℃，因此并未达到超临界状态。并且由于在深部遇到高压区，最终废弃。

夏威夷Puna 地热田的KS-2 井在1982 年成井，井深2 440 m，成井过程中遇到钻井液流失、固井困难以及井筒堵塞无法测温等问题[19]，推测井底温压已达到超临界条件。2005 年完成的KS-13 井在2 488 m 钻遇岩浆[20]，由于岩浆的强烈腐蚀性，最终完井2 124 m，根据井底附近经复原的玻璃质英安岩成矿分析其温度高达1 050 ℃；1981 年，临近Puulena 火山口的Lanipuna-1 井钻进至2 557 m 也达到超临界条件，其导热方式自1 830 m 以下均为热传导，井底温度为363 ℃（已达测温仪器上限）[21]。

2.3.2 日本

日本的超脆性岩项目（Japan Beyond-Brittle Project）通过科学手段对脆塑性转换带（BDT）进行深入了解，对该层位的地热系统进行可行性的研究[22-23]，目标靶区为本州岛北部的Tohoku。通过地球物理方法测定该区域地震波速度及电导率异常，表明该地区浅部岩浆广泛分布。对该区及日本其他地区相似的地层隆起的研究，均发现因深部岩浆侵入后冷却造成的天然裂缝，证明在地下3 ～5 km 存在400 ～500 ℃的超临界条件。

2.3.3 新西兰

新西兰开展的“Hotter and Deeper”项目研究Taupo 火山带深部（5 ～7 km）地热资源潜力，估计其深部温度将超过400 ℃，发电潜力大于10 GW[24]。研究团队正在对Taupo 火山带进行综合性的区域地球物理调查，以确定浅部水热型地热系统与更深部岩浆热源之间的联系。Newman 等[25]利用3D 大地电磁探测该地区，认为超临界热源为系统下部的岩浆侵入体。Bertrand 等[26-27]对该地区进行了一次地震调查，综合成像以更清晰地了解3 ～8 km 地壳形态结构，进而识别潜在的深部钻探目标区。

2.3.4 墨西哥

GEMex 是墨西哥基于欧洲Horizon 2020 计划下启动的第一个联合地热研究项目，于2016 年开始。目的是评价墨西哥两处非常规地热场地的资源量。其中一处是位于Los Humeros 的超临界地热资源。该项目目前仍处于初步勘探阶段，根据目前至少7 口深钻（超过2 100 m）估计，底部稳定温度将高于380℃[7,28]。其中2 口钻井（H-26、H-12）钻遇近代岩浆侵入。大部分井的温度—压力曲线位于水的相变线附近，深部热储层大部分渗透率极低。该项目将采用最新的技术与方法进行储层描述、数值模拟与室内试验，第二阶段将进行钻进工程，但目前尚未有钻进的相关报道。

2.3.5 肯尼亚

肯尼亚Menengai 地热田的MW-04、MW-06 井分别在2 080 m、2 172 m 钻遇火成玻璃碎屑，表明地热田下方存在侵入热源——岩浆[29]，钻进过程中岩浆将钻杆顶起导致钻具荷载下降，最终卡钻并导致循环液堵塞现象。成井一个月后MW-04 井进行了生产实验，结果表明1 600 ～1 800 m 为主要含水层，1 400 m 存在较小储层。实验结束11 d 后在2 050 m处测得温度390 ℃、压力14 MPa[30]。目前Menengai地热田的开发由于钻井问题被推迟，卡钻问题占总钻井时长的12%，并且钻具的不耐高温问题也是阻碍Menengai 地热田开发的一大难点[31]。

2.3.6 希腊

1982 年，希腊Nisyros 岛Nisyros-1 井成井深度1 816 m，井底温度达到400 ℃。Nisyros-1 井含有2套储层，较深处储层含盐量较高（溶解度为100 g/kg）。经首次生产测试，120 ～1 240 m 处套管遭严重破坏，并且井筒中出现沉淀堵塞。随后进行抢修重钻，但在1 258 m 处再次出现套管坍塌弯曲事故[32]。其事故原因主要是经开采及压井操作，井筒受冷热流体刺激受损。

3 关键科学问题及研究现状

3.1 超临界地热资源的形成和分布

超临界地热资源的形成往往与浅成岩浆的侵入存在密切联系，主要分布在火山区域。受侵入体的热量传递，周围岩体的力学性质由脆性变形向塑性变形变化，形成脆性—塑性转换带，热量继续向上传递，形成超临界的水热—岩浆系统。

Scott 等[45]通过模拟，考虑侵入体和上覆地层之间的水热运移。将超临界地热系统的形成主要概括为3 个阶段：初期阶段，受侵入体加热后，流体受热膨胀压力不断升高，驱使其向上流动，向上的高温流体在压力降低到一定程度后会发生相变，出现气液分离；中期阶段，在流体密度差异的驱动力下，底部高温低密度的蒸汽向上运移同时顶部低温高密度的流体向下流动[46]；衰退阶段，侵入体温度降低，整个系统趋于平衡稳定。

Fournier[47]建立的模型更为复杂，除侵入体和上覆地层的水热运移外，考虑了化学和力学的作用。认为侵入体冷却结晶后，高盐卤水和气体析出，以水平透镜体聚集在塑性岩石中。在上部地层和下部高温热液之间存在一个自封闭的区域，而岩浆多期次的侵入可能会破坏自封闭区域，使得下部卤水和气体从高温高压的塑性区域向上涌入脆性区域，形成热液岩脉。自封闭带反复破裂又闭合，直到侵入体压力和温度与上覆静水压力及温度基本平衡为止。

Scott 等[45,48]研究发现，超临界地热资源的形成与分布受较多因素的影响，如侵入体温度、埋深和形状、岩体岩性和渗透率等。随着侵入体温度的升高，超临界资源分布区域增大，资源量增加。而侵入体的横向面积越大，超临界资源分布区域同样增大，而且中期对流阶段时间更长。另外，岩性对岩体BDT 温度影响较大，例如硅质岩石的BDT 转换温度为360℃，非玻璃质玄武岩可达800 ℃，这对于系统的衰退阶段持续时间具有一定影响。

岩体渗透率决定了传热的主要方式，影响着超临界资源的区域分布，在渗透率较高的系统中，主要靠对流传热；而在渗透率较低的系统中，主要传热方式是热传导，相对而言传热较慢，上部超临界资源区域较小。对于低渗透率岩体，可以考虑利用储层压裂造缝技术进行超临界资源的开发。

3.2 超临界水热流动规律

过往的研究更多聚焦于水热系统的形成与岩浆侵入之间的关系，而对于形成或开采过程中热流体流动的相关研究较少。超临界地热在开采过程中，伴随着温度和压力降低，必然存在着一个复杂的相态变化过程。对于传统的两相流动，一般采用多相流达西定律，利用相对渗透率和毛细管压力模型，刻画两相流动。但传统的相对渗透率模型，一般面向包气带土壤（水/空气两相）或油藏（水/油或油/气两相）领域开发。例如Van Genuchten 模型、Corey 模型以及三相的Stone 和Parker 模型。上述模型，在介质参数给定的情况下，为相态饱和度的一元函数，忽略了温度、压力、盐度等因素可能导致流体特征的变化，存在较大误差及数值不连续问题，可能并不适用于超临界水热流动系统。

在此以相对渗透率为例进行分析。达西定律的基本假设是忽略孔隙度，认为整个断面过水。对于多相流动，流体无法占有整个断面，而只能占据一定的比例，近似于相态饱和度（体积分数）。但实际上，除过水断面的减小外，两种相态之间仍存在一个相互阻滞作用，也就是所谓的相对渗透率。

当温度压力沿相饱和线向临界点移动时，两相物理性质逐渐接近，在超临界点处，两相合二为一。因此，随着温度升高，表面张力降低，两相阻滞作用削弱，相对渗透率应趋近于相态饱和度。与此同时毛细管压力应逐渐趋近于0。

在多相流动的数值模拟方面，对于传统的两相流动，质量通量一般按照相态分别计算。而对于超临界与亚临界之间的相态流动还并未有较为成熟的算法。前人多为延续传统的两相流动的计算方法，将两相饱和线延长至超临界条件下，而将饱和线两端依旧按照液相和气相进行处理，但笔者通过研究发现。由于延长的饱和线两侧流体的物理性质是连续的，因而在计算过程中，可能出现在相变线两侧反复，导致计算的不稳定，难以收敛。由于超临界与亚临界之间的物理性质连续，笔者提出了将超临界作为“可转换的”第三相方法，即当处于超临界的计算网格与处于亚临界的网格相邻时，超临界转化为相应的亚临界条件进行通量的计算。这样可以更好地保证计算的稳定，而且更具物理意义。

另外在注入和生产过程中，流体在井筒中的流动也极为复杂而重要。井口至井底温度及压力变化较大，必然存在流体的相态变化、Joule-Thompson 效应、机械能和内能的转化以及与围岩的热交换等。流体流动应遵循多相流动量守恒方程，难以求解。井筒内可简化为一维流动，需要两相流体共同建立一套动量方程。由于气体密度低，受浮力作用，流速更快。气液两相的速度差称为漂移速度，其受控于流体的流型，可近似看作流体相态饱和度的函数。

笔者通过研究发现，对于超临界地热资源的开采，在生产井中一般会存在两相共存段，但不会太长。另外，由于温压条件较高，两相的物理性质差异很小，可近似忽略两相之间的漂移速度。通过与冰岛Reykjanes 地热田大量钻孔的注采试验数据拟合，结果发现，相较于传统油气行业的漂移流模型，在忽略漂移速度的条件下，拟合效果更好。

3.3 超临界地热水与岩石的化学反应

目前关于超临界条件下的水岩化学反应的研究较少。在超临界条件下，化学反应更为剧烈，比如岩石孔隙渗透性的变化、矿物溶解沉淀以及流体流动和热传递之间的相互作用仍很难量化分析。

以往研究多数聚焦于超高温条件下的石英溶解沉淀。SiO2的溶解度随温度升高而上升，在350 ～450 ℃区间达到最大值，再之后，将随温度升高而急剧下降。Scott 等[49]通过数值模拟分析得出超临界系统上部岩层的孔渗变化规律。在初期阶段，温度逐渐升高至350 ℃，硅发生溶解随之孔渗增加。随着温度的继续升高，石英沉淀导致渗透率降低。经计算基岩原生孔隙度大于0.05 时，石英的溶解沉淀对渗透率的变化影响不大，但在原生孔隙度小于0.025 的基岩中，渗透率降低一个数量级以上。在超临界地热系统衰退阶段，随着侵入体的温度降低，石英沉积带也将下移。而根据Watanabe 等[50]的研究，在超临界地热开发过程中，当保持孔隙水的浓度与石英溶解度满足一定关系时，渗透率可以保持稳定甚至增强。

超临界流体水化学成分的研究可以揭示其形成过程中的水文地球化学作用。许多学者认为超临界流体由岩浆侵入加热原位亚临界流体形成[51]。Heřmanska 等[52-54]通过分析流体的地球化学特征判断超临界地热流体的起源。通过室内实验，发现流体自亚临界等压加热至超临界后，流体中的挥发性元素（B、C、S、F 等）浓度与初始亚临界流体相似，而非挥发性元素（Si、Na、K、Ca、Mg、Al 等）的浓度明显降低。推测是由于在形成超临界的过程中，产生大量的矿物沉淀（主要为SiO2及硅铝酸盐等），冰岛IDDP-1 工程场地的流体特征与上述实验相符，并且验证了超临界流体的生成是受到侵入体的加热而形成。

在随后的研究中Heřmanská[55]通过实验和模拟手段开展超临界流体形成过程中生成次生矿物的研究以便对储层进行深入了解，探究流体的pH 值、相变温度和流体组分对次生矿物的影响。在低NaCl 含量的地热系统中，在超临界流体形成时发生矿物蚀变生成Fe-Mg-Al 硅酸盐（黏土或亚氯酸盐）、Na-K 长石、硅灰石、石英和少量的盐。当流体相变温度高于250℃时，矿物沉淀量比沸腾温度低于200 ℃的地热系统高20 倍。而当流体中NaCl 浓度较高时，生成的次生矿物是沸腾温度低于200 ℃的地热系统的60 倍。

对于超临界地球化学过程的模拟方面，目前常用的地球化学模拟软件的温度上限一般均为300 ℃，例如PHREEQC[56]、TOUGHREACT[57]等。无法考虑超临界条件的需要。至于高温条件下的热力学反应数据库，Reed 和Palandri[58]利用HKF 模型计算了大量离子和矿物在高温条件下的平衡常数、Debye-Huckle模型参数等。其温度上限为600 ℃，溶液密度高于350 kg/m3。另外，Cleverly 等[59]同样利用了HKF 模型，扩展了GWB 系列程序的模拟温度上限。

3.4 超临界条件下岩石的力学特征

高温的岩浆侵入使岩体由脆性向塑性转化。Hayba 等学者[51,60-61]均提出塑性岩体在应力作用下会导致渗透率显著降低。因此一般认为，在基底为玄武岩的情况下，超临界资源可能会更易开采，因为玄武岩的BDT 温度（约800 ℃）较花岗岩的（约360 ℃）更高[15,51,62-63]，因此孔渗条件可能更好。由于花岗岩更为普遍，目前多数力学性质分析仍基于花岗岩展开。

但实际上，塑性条件下，花岗岩体的渗透率可能并不像预想那样大幅降低。Watanabe 等[63]在350 ～500 ℃、100 MPa 有效围压条件进行花岗岩破裂过程的渗透率变化研究。经实验观测高温高压条件下花岗岩的原生裂隙表面发生塑性变形，但并不会引起渗透率值的大幅度变化。

另外，由于熔融体的侵入往往伴随着强烈的地质作用，塑性岩体在一定的拉伸作用下也会出现脆性断裂的现象，在南极洲地表出露的BDT 下方地壳中发现了侵入体驱动的张性断裂[64]。此外，一些针对地壳的渗透率与埋深关系的研究表明在BDT 附近并没有发生明显渗透率降低现象[65]。并且，2011 年，日本Tohoku-Oki 地震诱发侵入体附近的塑性岩体渗透率短暂升高[66]。因此潜在的超临界可开发资源可能比想象中更为丰富[63]。

对于超临界系统中基岩渗透率较低的问题，可以利用传统地热田的人工水力压裂的方法提高岩体渗透率，但目前对于超临界地热资源的水力压裂可能性、机理以及在塑性岩体中的增渗效果尚不明确。Watanabe 等[67]开展了高温压室内水力压裂模拟实验，在低温条件下，岩体的破裂压力较大超过围压，并且裂隙走向呈直线分布，产生的主裂缝渗透率较大，未产生裂缝的基质位置渗透率基本没有变化。随着温度的升高，岩体内会产生更多致密小尺度裂隙构成的裂隙网络[68]，其分布呈高度复杂且遍布岩体，而由于裂隙网络的产生整个岩石样品的渗透率也显著提高。在高温条件下产生复杂裂隙网络的主要原因在于压裂液体的注入会导致注入位置附近温度的降低。一方面由于温度的降低会导致岩石基质的收缩，一些原生细观裂隙张开，增大了注入点附近的孔隙度；另一方面不均匀的温度降低会产生的热应力场导致岩石整体强度的下降，产生次生裂隙，其会进一步连通原生裂隙。此外，较高的温度会降低水的黏度，从而增加水在裂隙中的传播距离，进一步增大裂缝的延伸长度和裂隙网络的复杂程度[50]。

4 关键技术挑战

4.1 超临界条件的钻完井技术

超临界地热流体的赋存岩体大多为坚硬的火山岩且呈高度破碎地层，导致钻井过程中易引起钻井液流失、井眼轨迹曲度增加、钻具磨损及钻井效率低等问题。此外，世界上已有的超临界钻井工程大多钻遇高温腐蚀性的酸性流体，易对套管材料、井壁以及地面设备造成破坏，进而诱发钻井故障，甚至最终弃井。由此可知，超临界地热资源开发很大程度上依赖于钻完井技术，因此需要对高温钻井和完井技术进行研发和提升。

目前，常规的钻井工具可耐180 ℃高温，特定的钻探系统可在225 ℃条件下运行[69]，但很难满足超临界和高腐蚀性条件下的钻探。世界上许多机构都在研发新型金属密封钻头、混合钻头等。与此同时，德国、奥地利等国也在进行无磨损、无接触的钻探技术可行性研究，包括火力、喷射、等离子通道、激光、电子脉冲等钻井技术。

对于超临界地热井套管的使用更倾向于耐酸性腐蚀和承受循环荷载的材料[70-71]。最近，大多数研究人员提出了使用金属镀层的套管，可以很大程度上降低成本，并且提高套管的质量。Geo-Coat 国际项目正在进行地热田基础设施部件以及套管等镀层方面的研究，主要新型镀层材料有高熵合金、金属陶瓷等。套管连接与套管材料要承受高温引起的应力作用，目前GeoWell 和DEEPEGS 项目正在进行高焓地热田套管连接的研究[71]，使套管柱在井中轴向运动，解决了系统运行时高低温交互情况下套管连接处的损坏难题。

固井及泥浆浇筑的方法也是目前面临的难题之一。在钻井液的流失和高地温梯度的条件下，反循环连续固井法可以降低极端条件的影响[10]。泥浆形成的水泥环长时间暴露在极端条件下，强度下降。余夫等[72]通过建立地层—水泥环—套管的力学模型进行数值模拟研究，认为固井应选择高强度、低弹性模量、小泊松比的水泥浆体，这可以提高井筒完整性。目前国际地热中心正在进行结合井筒声学测量和地层—水泥环—套管耦合系统中水泥环应力分析模型的研究，以降低水泥环的损伤问题[4]。

钻井过程中钻井液起到保持井壁稳定性、降低井中设备温度以及清理岩屑的作用。意大利DESCRAMBLE 工程的主要目的在于探索高温极端条件下的钻进能力，该工程Venelle-2 井的钻探成果表明，选取以钛铁矿和海泡石作为悬浮剂的水基钻井液可以尽量消除高温影响及钻井液流失等问题[12]。目前对于钻井液的研究较少，尤其在钻井液的环保及可降解问题上难度较大。

4.2 超临界条件的测井技术

温度和压力是从地热井中获取的重要参数。然而，目前并未开发出在超高温条件下正常工作的可靠的测温系统，因此世界上许多项目正在研发极端条件下的测井工具。HITI（High-Temperature Instruments for Supercritical Geothermal Reservoir Characterization and Exploitation）项目研发出适用于超临界条件下温度测量的仪器[73]。意大利DESCRAMBLE 工程钻探过程中也随之开展了测井工具的研发工作，并研制出可以在450 ℃高温下工作超过6 h的温压测井工具，其金属密封元件最高可承受650 ℃的高温，测量精度为5 ℃、0.05 MPa[12]。

此外，对于超临界地热资源的探索其测温方法因井而异，可以通过直接（电缆测井）与间接（流体包裹体、熔融物及估算岩浆温度）的方法进行温度测量。某些情况下，温度的测量是在钻井液循环过程中完成，或流体生产过程中进行井口测温，其弊端是无法进行压力的测量。未来很长一段时间可能难以实现超临界热储的实时测温监控，因此也可借鉴以往的测温方法，利用不同的测量技术进行数据评估，提供温度压力等基础数据。

4.3 超临界多相流模拟程序

超临界流体的数值模拟工具方面，由于水在超临界附近物理性质的剧烈变化，常规模拟器无法满足模拟需要，目前已有多个研究团队尝试了超临界地热流体模拟程序的开发工作。其中包括HOTH2O[74]、HYDROTHERM[51]以及基于TOUGH 系列程序开发的一系列模型[75]，例如AUTOUGH[76]、iTOUGHEOS1sc[77]等。 其 中，HOTH2O 和HYDROTHERM作为STAR 模拟器的扩展，采用压力和流体内能作为模拟过程中的基本变量，虽然可以满足超临界条件的模拟需求，但在网格剖分上不够灵活，仅接受径向或矩形网格剖分。Croucher 等[76]更新了TOUGH2中采用的热力学方程，从IFC-67 更新为IAPWSIF97，可以计算超临界条件下水的物理性质，随后，研究团队将模块继续完善，将状态方程扩展到超临界水—空气两相[78]，并添加到AUTOUGH2[79]。随后，Magnusdottir 等[77]将Croucher 和O'Sullivan 的方法应用至iTOUGH2，开发了一个新的状态方程模块（EOS1sc），并优化程序提高计算效率。

目前关于超临界地热资源的力学响应模拟主要围绕水热以及岩体形变进行研究，但对于T-H-M-C（温度场—水力场—力学场—化学场）的四场耦合模拟目前还未进行，不能准确地刻画出流体运移过程中具体的孔渗条件在应力及化学反应中的详细变化。虽然Driesner 等[80]基于C++语言开发了一个新的数值模拟平台Complex System Modeling Platform（CSMP++），可以模拟流体流动和传热等地质过程以及岩土力学和地球化学过程。涵盖超临界地热形成和开采多个过程，但目前具体功能尚未有详细报道。

目前还未见成熟的超临界温度场—水力场—化学场（T-H-C）耦合模拟器。Reed 等[58]一定程度上扩展了高温条件下的热力学反应数据库，但尚不完全。适用于超临界流体运移过程中力学过程的模拟同样程序较少，资源开采过程中的塑性岩体的力学响应机制需要借助数值模拟的方法进行深入了解。以及对于地热系统中最为重要的孔渗条件在化学和力学影响下的变化机制，同样借助T-H-M-C 耦合模拟进一步研究。

另外，井筒内部的温度和压力变化较大，水热流动和相态变化过程较为复杂。冰岛大学开发了FloWell 软件，程序基于MATLAB 和动量方程，考虑了水气两相漂移[81]，但无法考虑流体在储层介质中的流动。LedaFlow 是一款主要应用于石油和天然气领域管道流多相模拟软件，同样只能模拟井筒，该软件可以细致刻画井筒的各个部分。Morin 等[82]采用LedaFlow 模拟了意大利DESCRAMBLE 工程Venelle-2井的开井和关井过程。Battistelli 等[83]基于TOUGH2程序，扩展了EOS2 状态方程模块的温压范围，使之适用于超临界条件，并与T2Well[84]相耦合，可以考虑超临界条件下CO2与水在井筒内的多相流动[85]。

5 未来研究方向和前景展望

目前传统地热资源的开发已相对成熟，超临界地热作为一种新兴的地热能源，开发潜力大，正处于起步阶段，面临较多挑战，并且相关研究并未形成完善的体系。在钻探、完井、测试、储层建造以及生产等过程中，均面临一系列问题和挑战。未来研究和发展方向包括如下。

5.1 室内试验

室内实验有助于理解物理过程的机理。在关键科学问题的研究中，对于亚临界—超临界之间的多相流动规律。温度、压力等条件对相对渗透率和毛细管压力模型的影响，均需要通过实验分析。而对于超临界条件下的水文地球化学作用，特别是在酸性气体参与下的作用以及超临界流体的形成过程均需要通过实验加以确定。关于超临界条件下的力学过程，需要通过实验判断高温塑性条件下基岩的力学特性。以及高温条件下水力压裂过程中的裂隙延展。在超临界条件下，无论是化学或是力学过程均变得更加难以预测，实验过程中也需要注意多场耦合作用。室内实验是后续程序开发和场地研究的基础，为程序开发提供数据，为场地示范提供指导。

5.2 理论研究与程序开发

正如上所述，目前没有一款成熟的可用于超临界地热形成过程和开发的模拟程序。对于超临界地热开发的复杂过程，需要同时考虑温度场—水力场—力学场—化学场（T-H-M-C）的多场耦合。需考虑储层和井筒两种介质，需要精确描述流体的相态变化，程序开发难度较大。目前相关程序所能考虑的流体基本为水单组分，少数可以考虑空气或CO2。而以IDDP-2 工程为例，深部热储为海水补给，水中溶质对水状态方程的影响极大，例如海水的临界点为29.8 MPa、407 ℃。目前尚未有可以考虑盐组分及其他多元体系的模拟程序。因此，仍需进行水、盐、酸性气体等多组分的超临界状态方程的理论研究，并开发相应的状态方程模块。

5.3 场地示范工程

场地示范项目是不可或缺的一环，室内试验只能进行微观尺度的研究，无法类推场地尺度的一些性质。场地测井数据和分析测试结果，可以为超临界资源开发的理论和模型提供基础数据，为今后基础地球科学研究和开发利用提供实验基地。与示范工程相关的研究包括以下几个方面。

5.3.1 资源评估和勘探方法

地球物理勘探方法和高温地热温标。地球物理方法在超临界资源勘探和开发各个环节中具有重要作用。可以对储层特征更精准描述并结合高温地热温标进行资源量的评估。

5.3.2 高温钻井与测井技术

高温钻井、测井技术是超临界地热资源开发的先决条件和定量化研究的基础。最近欧洲开展的超临界地热资源调查大大提高了对高温钻井技术、钻井液、固井作业、井口和套管材料以及测井技术的认识，超出了目前地热行业的标准。但目前仍然处于起步阶段，许多困难无法克服。无接触的钻探技术是未来的发展主要方向，不但减少设备损伤而且可以更高地提升钻进速度；虽然在意大利Venelle-2 井选取的钻井液的效果较好，但并没有考虑可能对环境的影响；并且对于固井过程中水泥材料的选用应依据地层—水泥环—套管耦合模拟进行，降低长时间暴露在极端条件下产生抗应力降低及渗透率升高的影响；目前并未研制出可以抵抗高温高压和极酸性条件下测井工具，对于温度压力的测量往往根据多种方法进行估算并不准确。

5.3.3 储层建造技术

对于渗透率较低的高温岩体而言，需要借助储层改造技术激发岩体的渗透性，实现井孔之间的储层连通。可借助干热岩人工储层建造方法，例如水力压裂、热开裂和化学刺激等方法。但对于是否适宜高温高压超临界条件，有待进一步开展研究。

5.3.4 地表系统

超临界地热系统的生产流体大概率为气水两相，并混有大量酸性流体。这对地表系统提出很高要求，需要进行酸性气体的去除，对气水两相进行分离。另外，对于现有的换热系统和冷却系统可能需要进一步改进。

5.4 前景展望

纵观地热能利用的发展历程，热储层由浅入深，温度由低到高。从浅层低温地热能到中深层水热资源，再到干热岩。超临界地热作为新兴能源，可以预见，随着科技进步，在不久的将来超临界地热资源可以实现商业化开发，为我国节能减排和能源结构调整做出巨大贡献。

目前世界范围内适用于超临界的钻完井技术等“硬件”发展相对迅速；而机理研究以及模拟应用等“软件”仍需要进一步加强。另外，诸多超临界开发工程表明，超临界地热资源的开发投资周期长、风险大，因此需要加强国际合作，共同努力，分享数据及实验经验。目前国际上只有冰岛进行了部分场地试验。意大利、美国和日本的场地试验仍在后续规划中，距离超临界地热发电示范工程仍有相当一段距离。更多的场地示范工程，可以为今后超临界地热能开发利用提供实验基地，验证和改善关键技术，探究开发过程中可能面临的一系列问题，有助于未来降低超临界地热能开发过程中的建设和运行成本，最终实现商业化开发。