一种干热岩地热人工热储的建造方法技术领域
本发明属于干热岩地热人工热储建造领域，特别涉及一种沿火成
岩相形成的天然弱面和软弱夹层进行超临界二氧化碳压裂产生主裂
缝，进而在主裂缝内进行大排量的水力压裂产生二次破裂，干热岩体
在循环压裂下发生体积破裂或者丛式破裂的形式来建造人工热储的
方法。
背景技术
地热作为绿色的、可再生的资源，被世界各国确定为维系社会可
持续发展的新的“绿色能源”，地热资源可分为两种类型：天然热水资
源和干热岩地热资源(HotDryRockGeothermalEnergy(HDR))。全世界
地壳10km以内的干热岩地热资源量为40-400Mquads(1quad＝1019J)，
是化石能源的100-1000倍，几乎可以说是无限的资源量，而且分布
相当普遍。干热岩地热一般是指温度在200℃以上的岩体中蕴藏的地
热能资源，可以经过人工开采从岩体中直接提取出过热水蒸气而直接
用于发电和热水利用。在干热岩地热开发和利用中，在两井或者群井
之间一定深度的岩层内形成的热交换面积较大且裂隙发育的裂缝带
或者裂隙群就是人工热储。人工热储的建造是高温岩体地热开发最关
键的步骤，人工热储建造的好坏，直接关系到干热岩地热开发的成败。
人工热储建造所在的岩层具有以下特点：(1)埋藏较深，一般在
火成岩或变质岩中，深度在地下3000m以上；(2)火成岩体具有明
显的岩相，在不同岩性的岩体交界面处容易形成天然弱面或软弱夹层，
其力学特性异于正常状态的火成岩；(3)岩层内温度较高，温度在
200-650℃；(4)干热岩体原生孔隙度极低，渗透率极差。因此，干
热岩人工热储的建造非常困难。目前，建造人工热储的技术和方法有
水力压裂法、爆炸法、热应力法等，但是为大家公认的方法为巨型水
压致裂法。然而巨型水力致裂法建造人工热储时仍然面临很多困难，
由于岩体应力高，所以岩体破裂压力大，难于形成理想结构的裂缝群
或裂缝带，建成的人工热储层的流量低于商业运行的参数要求。
超临界二氧化碳是指二氧化碳流体的温度、压力均超过流体临界
温度31.1℃和临界压力7.4MPa的一种状态。超临界二氧化碳具有气
体的低粘度和易扩散、液体的高密度和易溶解的特点，且二氧化碳资
源充足，成本低，化学惰性，无毒无腐蚀性，临界状态容易实现，这
为超临界二氧化碳流体的应用提供了很好的物质保障。超临界二氧化
碳压裂技术被越来越多的应用于低渗透性岩体的渗透性改造方面。
2013年我国首次采用纯液态二氧化碳在“延页7井”现场压裂试验成
功，也为使用超临界二氧化碳压裂提供了现场的可行性案例。综合实
验室研究结论可知：超临界二氧化碳压裂，岩体破裂压力较水力压裂
低；高温状态火成岩遇水产生热破裂，渗透性增强。
因此，利用火成岩岩相处容易形成软弱面或夹层的特点，结合超
临界二氧化碳压裂岩体破裂压力低，高温状态火成岩遇水容易产生热
破裂，运用超临界二氧化碳压裂可诱使干热岩体产生主裂缝，沿着形
成的主裂缝进行水力压裂可使干热岩体产生二次破裂，反复循环进行，
干热岩体在温度差和压裂压力共同作用下形成体积破裂或丛式破裂，
可保证载热流体和干热岩之间有足够大的热交换面积，所建人工热储
具有较长的使用寿命与较大的出力。
发明内容
本发明目的在于克服水力压裂在干热岩地热人工热储建造中存
在的缺点与不足，根据火成岩地质结构中存在由岩相形成的天然弱面
和软弱夹层的结构特征，公开一种充分利用该地质结构特征来建造干
热岩地热人工热储的方法。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种干热岩地热人工热储
的建造方法：在圈定的地热异常区选定干热岩地热开发区域，利用钻
井施工所获得的岩层地质结构资料，通过地质识别和分析，确定火成
岩相形成的天然弱面和软弱夹层结构的位置，并绘制地质剖面图，然
后沿着火成岩相形成的天然软弱面结构进行超临界二氧化碳压裂产
生主裂缝，待群井间的主裂缝贯通后，应用大排量的水力致裂方式在
群井间的主裂缝内进行二次压裂，高温岩层在温度差和水压的共同作
用下，产生体积破裂或者丛式破裂，火成岩层内或火成岩层间裂缝互
相搭接形成裂隙网络，形成一个渗透性较强、热交换面积较大的裂缝
群或裂缝带，实现高温岩体地热人工热储的建造。
其具体实施的步骤为：
(1)在圈定的地热异常区选定干热岩地热开发区域进行井组布
置，井组的布置方式呈四边形、五边形或六边形，一般由5到7口钻
井组成；
(2)首先施工中心位置的注入井，当钻井施工到温度为180℃
以上的岩层时，开始取岩芯，继而依次施工生产井，测试温度并钻取
岩芯；
(3)对取得的岩芯进行地质识别和分析，确定由岩相形成的软
弱结构面或软弱层在岩层中的位置和厚度，并绘制其地质剖面图；
(4)根据所绘制的地质剖面图，沿井组间的软弱结构面或软弱
层进行超临界二氧化碳分段压裂，直到群井内所有钻井之间都产生主
裂缝；
(5)采用大排量的水力压裂方式在群井间主裂缝内进行二次压
裂，由于流量大，会在主裂缝周围的岩体内形成温度差，主裂缝在温
度差和水压共同作用下产生二次破裂区，岩体内逐步形成体积破裂或
者丛式破裂；
(6)对群井内所有钻井进行超临界二氧化碳压裂和水力压裂反
复循环压裂，直到岩层内的主裂缝和二次破裂产生的裂隙互相搭接连
通，形成一个渗透性较强、热交换面积较大的裂缝群或裂缝带；
(7)从注入井注入大量的低温水，经过裂缝群或裂缝带热交换
后，从生产井得到源源不断的过热水蒸气或高温水用于发电。
上述一种干热岩地热人工热储的建造方法，所述步骤(1)中，
井组中心为注入井，生产井均等的布置在以注入井为圆心、L为半径
的圆周上，注入井至生产井的距离L＝500-1000m。
上述一种干热岩人工热储的建造方法，所述步骤(3)中，在对
取得的岩芯进行地质识别和分析，确定岩层的种类、软弱结构面或软
弱层的位置及其厚度，并绘制地质剖面图后，通过岩石力学实验，测
定压裂段岩石的垂向抗拉强度σt。
上述一种干热岩人工热储的建造方法，所述步骤(4)中，在沿
着软弱结构面或软弱层处进行超临界二氧化碳分段压裂时，分段高度
根据其岩层厚度来确定，一般为2-4m。
上述一种干热岩人工热储的建造方法，所述步骤(4)(5)(6)
中，进行超临界二氧化碳压裂和水力压裂时，注入的二氧化碳的温度
为常温，水的温度为常温或常温以下，压裂压力P控制在压裂地层垂
直地应力σv和压裂地层垂直地应力σv与岩石的垂向抗拉强度σt之和
之间，即σv﹤P﹤σv+σt，本领域中常温一般指20℃。
上述一种干热岩人工热储的建造方法，所述步骤(6)中，所建
成的渗透性较强、热交换面积较大的裂缝群或裂缝带的体积v＝πL2H，
形成的人工热储的有效体积为V＝nπL2H，式中H为压裂段高度，n为
人工热储的有效系数，L为生产井与注入井之间的距离。
本发明一种干热岩人工热储的建造方法的优点在于：充分利用超
临界二氧化碳的低粘度和易扩散，以及火成岩在超临界二氧化碳压裂
下破裂压力低，易于形成裂缝的特征，结合火成岩具有明显的岩相结
构，易于产生热破裂的特点，解决目前水力压裂在深部岩体人工热储
建造中不宜实施，破裂压力大，难于形成理想结构的裂缝群或裂缝带，
人工热储层特别难于建造的问题。
附图说明
图1为群井井组“四边形”布置方式图。
图2为群井井组“五边形”布置方式图。
图3为群井井组“六边形”布置方式图。
图4为超临界二氧化碳压裂与大排量的水力压裂循环压裂下人
工热储形成过程示意图。
图中：1-注入井，2-生产井，3-岩相处软弱结构面或软弱层，4-
主裂缝，5-二次破裂区。
具体实施方式
实施方式1：如图1、4所示，在一个圈定的地热异常区，采用
本发明方法，欲想在深度2000m处的干热岩层内建造人工热储，井
组布置如图1所示，注入井1到生产井2的距离为1000m，人工热储
层建成投入使用后，从注入井1注入大量的常温水，经过人工热储层
热交换后，从生产井2得到200℃以上过热水蒸气或高温水用于发电。
具体步骤如下：
(1)在圈定的地热异常区选定干热岩地热开发区域进行“四边形”
井组布置，如图1，井组由5口钻井组成，注入井1位于中心，4口
生产井2均匀分布在以注入井1为圆心的圆周上，生产井1和注入井
2之间的距离为1000m；
(2)首先施工注入井1，当钻井施工到2000m深度时，经精确
测量，确定干热岩层温度为250℃，满足要求，开始钻孔取芯，继而
依次施工生产井2，测试温度并钻取岩芯；
(3)对取得的岩芯进行地质识别和分析，发现在2010m处存在
花岗岩和玄武岩形成的岩相结构，并绘制其地质剖面图，对从此钻孔
段取得的岩芯进行岩石力学试验，发现其力学明显不同于其他段，岩
石的抗拉强度σt＝8-10MPa，厚度有10m；
(4)根据所绘制的地质剖面图，在2010m深度处软弱结构面或
软弱层3进行超临界二氧化碳分段压裂，压裂压力为P
＝50.25—60.25MPa，分段高度为2m，分5段，自下而上进行压裂，
直到群井内所有钻井之间都产生主裂缝4；
(5)采用大排量的水力压裂方式在群井间主裂缝4内进行二次
压裂，压裂压力P＝50.25—60.25MPa，待群井间水力压裂贯通后，在
群井内继续循环5-10天，主裂缝4在温度差和水压共同作用下产生
二次破裂区5，岩体内逐步形成体积破裂或者丛式破裂；
(6)对群井内所有钻井进行超临界二氧化碳压裂和水力压裂反
复循环压裂，直到岩层内的主裂缝4和二次破裂区5的裂隙互相搭接
连通，形成理想结构的人工热储。所建成的渗透性较强、热交换面积
较大的裂缝群或裂缝带的体积为3140万立方米，人工热储的有效系
数取0.8，形成的人工热储的有效体积为2512万立方米，满足设计要
求；
(7)从注入井1注入大量的低温水，经过裂缝群或裂缝带热交
换后，从生产井2得到230℃的过热水蒸气或高温水用于发电。
实施方式2：如图2、4所示，在一个圈定的地热异常区，采用
本发明方法，欲想在深度3000m处的干热岩层内建造人工热储，井
组布置如图2所示，注入井1到生产井2的距离为750m，人工热储
层建成投入使用后，从注入井1注入大量的常温水，经过人工热储层
热交换后，从生产井2得到200℃以上过热水蒸气或高温水用于发电。
具体步骤如下：
(1)在圈定的地热异常区选定干热岩地热开发区域进行“五边形”
井组布置，如图2，井组由6口钻井组成，注入井1位于中心，5口
生产井2均匀分布在以注入井1为圆心的圆周上，生产井1和注入井
2之间的距离为750m；(2)首先施工注入井1，当钻井施工到2900m
深度时，经精确测量，确定干热岩层温度为300℃，满足要求，开始
钻孔取芯，继而依次施工生产井2，测试温度并钻取岩芯；(3)对取
得的岩芯进行地质识别和分析，发现在2950m处存在花岗岩和玄武
岩形成的岩相结构，并绘制其地质剖面图，对从此钻孔段取得的岩芯
进行岩石力学试验，发现其力学明显不同于其他段，岩石的抗拉强度
σt＝10-12MPa，厚度有8m；(4)根据所绘制的地质剖面图，在2950m
深度处软弱结构面或软弱层3进行超临界二氧化碳分段压裂，压裂压
力为P＝73.75—85.75MPa，分段高度为2m，分4段，自下而上进行
压裂，直到群井内所有钻井之间都产生主裂缝4；(5)采用大排量的
水力压裂方式在群井间主裂缝4内进行二次压裂，压裂压力P
＝73.75—85.75MPa，待群井间水力压裂贯通后，在群井内继续循环
5-10天，主裂缝4在温度差和水压共同作用下产生二次破裂区5，岩
体内逐步形成体积破裂或者丛式破裂；(6)对群井内所有钻井进行超
临界二氧化碳压裂和水力压裂反复循环压裂，直到岩层内的主裂缝4
和二次破裂区5的裂隙互相搭接连通，形成理想结构的人工热储。所
建成的渗透性较强、热交换面积较大的裂缝群或裂缝带的体积为1413
万立方米，人工热储的有效系数取0.85，形成的人工热储的有效体积
为1201万立方米；(7)从注入井1注入大量的低温水，经过裂缝群
或裂缝带热交换后，从生产井2得到280℃的过热水蒸气或高温水用
于发电。
实施方式3：如图3、4所示，在一个圈定的地热异常区，采用
本发明方法，欲想在深度4000m处的干热岩层内建造人工热储，井
组布置如图1所示，注入井1到生产井2的距离为500m，人工热储
层建成投入使用后，从注入井1注入大量的常温水，经过人工热储层
热交换后，从生产井2得到200℃以上过热水蒸气或高温水用于发电。
具体步骤如下：
(1)在圈定的地热异常区选定干热岩地热开发区域进行“六边形”
井组布置，如图3，井组由7口钻井组成，注入井1位于中心，6口
生产井2均匀分布在以注入井1为圆心的圆周上，生产井1和注入井
2之间的距离为500m；(2)首先施工注入井1，当钻井施工到3950m
深度时，经精确测量，确定干热岩层温度为400℃，满足要求，开始
钻孔取芯，继而依次施工生产井2，测试温度并钻取岩芯；(3)对取
得的岩芯进行地质识别和分析，发现在4000m处存在花岗岩和玄武
岩形成的岩相结构，并绘制其地质剖面图，对从此钻孔段取得的岩芯
进行岩石力学试验，发现其力学明显不同于其他段，岩石的抗拉强度
σt＝10-15MPa，厚度有12m；(4)根据所绘制的地质剖面图，在4000m
深度处软弱结构面或软弱层3进行超临界二氧化碳分段压裂，压裂压
力为P＝100—115MPa，分段高度为3m，分4段，自下而上进行压裂，
直到群井内所有钻井之间都产生主裂缝4；(5)采用大排量的水力压
裂方式在群井间主裂缝4内进行二次压裂，压裂压力P＝100—115MPa，
待群井间水力压裂贯通后，在群井内继续循环5-10天，主裂缝4在
温度差和水压共同作用下产生二次破裂区5，岩体内逐步形成体积破
裂或者丛式破裂；(6)对群井内所有钻井进行超临界二氧化碳压裂和
水力压裂反复循环压裂，直到岩层内的主裂缝4和二次破裂区5的裂
隙互相搭接连通，形成理想结构的人工热储。所建成的渗透性较强、
热交换面积较大的裂缝群或裂缝带的体积为942万立方米，人工热储
的有效系数取0.95，形成的人工热储的有效体积为894.9万立方米，
满足设计要求；(7)从注入井1注入大量的低温水，经过裂缝群或裂
缝带热交换后，从生产井2得到380℃的过热水蒸气或高温水用于发
电。