馮 波 柯尊嵩 劉彥廣 上官拴通 李 翔 崔振鵬

1.吉林大學新能源與環(huán)境學院 2.自然資源部地熱與干熱巖勘查開發(fā)技術創(chuàng)新中心 3.河北省煤田地質局第二地質隊

0 引言

能源問題一直是影響和限制人類文明發(fā)展的最主要因素[1-2]。地熱能由于具有成本低、運行穩(wěn)定、分布廣泛、可持續(xù)性強等特點，現(xiàn)已成為世界各國爭相研究開發(fā)的新能源[3-4]。

干熱巖一般是指賦存于地下3～10 km，沒有水（或含有少量水），溫度超過180 ℃，具有經(jīng)濟開發(fā)價值的高溫巖體[5-6]。增強型地熱系統(tǒng)（簡稱EGS），即采用人工形成地熱儲層的方法，從干熱巖低滲透巖體中經(jīng)濟地采出深層地熱能的地熱系統(tǒng)[7-8]。EGS持續(xù)運行過程中，循環(huán)流體會與干熱巖體發(fā)生化學反應，降低儲層滲透率，從而制約地熱能的可持續(xù)開發(fā)[9]。目前，國際上采用的解堵方法主要是借鑒油氣田領域的經(jīng)驗，采用化學解堵試劑，但是油氣田儲層與深部地熱儲層有著明顯的差別：①增強型地熱系統(tǒng)人工儲層的巖性大部分是花崗巖，其主要礦物組成為石英、堿性長石、斜長石、角閃石及云母等，而油氣田儲層多為沉積巖，礦物組成以方解石、白云石、黏土礦物為主，因此解堵劑的作用機理完全不同；②增強型地熱系統(tǒng)的埋藏深度遠大于油氣田，地層溫度更高，配方不適宜的解堵劑往往與周圍巖體反應過快而不能對目標位置進行解堵；③油氣田堵塞物大多是井內形成的黏土礦物、油氣藏內的飽和酚、芳香酚、膠質、瀝青質，特定儲層含有的非晶質硅、石英、碳酸鹽巖石顆粒等，堵塞尤其以大分子物質發(fā)生的締結聚合現(xiàn)象最為明顯，而增強型地熱系統(tǒng)針對的主體是破碎花崗巖裂隙內充填的黏土礦物以及凝膠、鹽垢、井內壁滑移顆粒等物質[5]?，F(xiàn)有化學解堵劑包含酸性解堵劑和堿性解堵劑，堿性解堵劑以NaOH和Na2CO3為主，但是堿性解堵劑主要針對巖體（SiO2）溶蝕，對引發(fā)裂隙堵塞的典型礦物（方解石、云母、綠泥石、伊利石、高嶺石、蒙脫石等）溶蝕效果不理想，堿性解堵劑的可行性現(xiàn)依舊處在實驗室理論階段，因此本文將探討重點集中在酸液解堵體系。

針對上述問題，為更好地總結增強型地熱系統(tǒng)開發(fā)過程中的解堵技術，筆者詳細回顧了國內外典型增強型地熱系統(tǒng)的儲層堵塞機理和解堵技術，對比了常用化學酸液解堵體系的解堵效果，總結了酸性解堵技術研究的最新進展和場地應用的經(jīng)驗教訓，以期為中國正在開展的深部地熱儲能可持續(xù)開發(fā)提供參考和借鑒。

1 增強型地熱儲層的堵塞類型及機理

1.1 物理堵塞

物理堵塞是指堵塞物以固體自然態(tài)的形式存在于井筒和儲層造成的堵塞現(xiàn)象[10]。發(fā)生在增強型地熱儲層中的物理堵塞主要包括5種情況。

1.1.1 礦物顆粒運移堵塞

包括儲層內部結構顆粒脫落運移、裂隙原生礦物顆粒、破碎的巖屑、換熱流體與裂隙巖體產(chǎn)生的次生礦物顆粒。進行人工儲層建造時，鉆頭和壓裂流體作用后未對結構顆粒進行及時有效的固定，加之生產(chǎn)流壓在井內變化，促使黏土礦物顆粒在人工裂隙中出現(xiàn)運移、膨脹、再沉積等過程，是造成儲層內部結構顆粒脫落運移的主要原因[11]。瑞典Fj?llbacka[12]、德國Insheim[13]等EGS中出現(xiàn)的礦物顆粒脫落運移堵塞現(xiàn)象造成人工裂隙滲透率下降20%以上，嚴重影響EGS系統(tǒng)的持續(xù)運行。

1.1.2 工程殘余物堵塞

包括殘留在人工裂隙內的鉆屑、鉆井液、防漏堵漏材料。成井洗井時，井內沒有完全洗凈，注水水速超過抽水換水的水速，將施工殘渣攜入儲層，容易發(fā)生殘余物堵塞[14]。美國Acord-1[15]工程采用新設計的返排系統(tǒng)，對泥漿殘余物進行清洗，保證了后期平均1.8 L/s的換熱流體注入速率。

1.1.3 鐵銹剝落堵塞

包括換熱井筒的脫落鐵銹。換熱井筒與高溫換熱流體相互作用引起鐵銹脫落，是深部地熱儲層中鐵離子最主要的來源[16]。在日本Ogachi[17]EGS初期的返排實驗中，較多鐵銹固體和紅色絮狀物被返排到地面蓄水池，但鐵銹剝落堵塞對裂隙滲透率的影響效果遠小于次生礦物垢。鐵銹剝落造成的堵塞，也可以通過應用新型耐腐蝕井筒套筒材料得到解決。

1.1.4 團聚體堵塞

包括回灌水體懸浮顆粒形成的聚集體。富含懸浮顆粒配伍性差的回灌水體在高溫下與換熱巖體發(fā)生化學反應，使懸浮顆粒表面帶有電荷，懸浮小顆粒相互吸引團聚成的聚集體也能造成堵塞[18]。法國Rittershoffen[19]、中國馬頭營凸起區(qū)[20]等干熱巖項目，均對回灌水體成分造成的裂隙閉合規(guī)律進行了室內模擬，結果表明團聚體堵塞主要受到回灌水體懸浮顆粒的影響，采用良性配伍或低離子濃度的回灌水體，能夠顯著降低團聚體形成概率。

1.1.5 氣體堵塞

包括回灌水初期，熱儲層裂隙殘存氣體、回灌水攜帶氣體、生物化學反應生成的氣體。這些氣體在裂隙內運移，當氣孔兩端壓力接近時，易發(fā)生氣鎖現(xiàn)象，將氣體駐留在裂隙介質中，形成氣體堵塞[21]。氣體堵塞也是深部地熱堵塞的常見型，主要表現(xiàn)為水力循環(huán)時，裂隙流體循環(huán)壓力的往復性。氣體堵塞現(xiàn)象在英國Rosemanowes[22]干熱巖場地被監(jiān)測到，導致生產(chǎn)井（RH15）內的阻抗由0.61 MPa顯著增加至0.82 MPa，流體漏失量也明顯增加。

1.2 化學堵塞

化學堵塞是指地熱系統(tǒng)運行過程中發(fā)生化學反應并生成堵塞物的堵塞現(xiàn)象，主要包括3種類型。

1.2.1 次生礦物堵塞

在高溫高壓的環(huán)境下，換熱流體會與儲層巖體發(fā)生反應，并造成換熱流體的pH值、總溶解固體（TDS）、化學組分變化，從而在換熱循環(huán)過程中，生成次生礦物堵塞儲層。次生礦物堵塞是EGS中發(fā)生概率最高的堵塞類型，在法國Soultz、Le Mayet、日本Hijiori、澳大利亞Cooper Basin等均有發(fā)生，在這些EGS中，井筒內壁均形成了厚度大于10 cm的礦物垢，并使人工裂隙不同區(qū)域的滲透率降幅均超過13.5%，嚴重破壞水力連通性[23-25]。這些次生礦物的轉化規(guī)律受換熱流體影響明顯。我國河北馬頭營干熱巖的室內試驗研究結果表明：地下水與干熱巖反應會導致石英、鉀長石、白云石、鈣長石溶解，生成綠泥石、高嶺石沉淀；海水與干熱巖反應會導致方解石、鈉長石、鈣長石、綠泥石溶解，生成白云石，沸石沉淀[20]。這些次生礦物的物化性質也對裂隙閉合產(chǎn)生影響，如：伊利石能夠形成多種晶體結構，以不規(guī)則纖維狀結構在孔隙中生長，封堵孔隙；重碳酸鈣在換熱流體（水）中是不穩(wěn)定鹽，一旦外界壓力溫度降低就會導致重碳酸鈣發(fā)生化學還原反應溢出二氧化碳，還原成不溶于水的碳酸鈣，造成垢體堵塞[26-27]。

1.2.2 酸敏堵塞

包括酸性人工儲層刺激劑和次生礦物引起的堵塞。在深層地熱儲層利用化學刺激方法構造人工裂縫時，化學試劑會與儲層巖體發(fā)生反應。堵塞類型與注入的刺激劑性質相關[28]。采用酸性刺激劑，反應生成物保留在地層中，與地層無機離子不配伍，會生成沉淀，這些沉淀包括：①氟化物沉淀，人工儲層中必然存在鈣、鉀和鈉長石，會導致儲層的產(chǎn)出水中也含有大量的鈣、鈉、鉀離子，這些離子與土酸會生成氟化鈣、Na2SiF6和K2SiF6等沉淀物；②氫氧化物沉淀，這種堵塞現(xiàn)象的產(chǎn)生還與次生礦物性質相關。綠泥石是強酸敏性，酸處理后同鐵的化合物作用生成沉淀，使低滲透儲層出現(xiàn)水敏或酸敏現(xiàn)象[11]。為增強人工儲層的構建效果，所使用的酸性刺激劑常會在裂隙中留有殘酸，導致酸敏堵塞容易發(fā)生。延長返排液返排周期或借助低離子濃度的回灌水體清洗殘酸，能有效降低酸敏的發(fā)生概率。

1.2.3 特殊金屬離子堵塞

包括 Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe2+、Fe3+等，尤其以鐵離子為主。一方面，酸液注入會對注酸鋼管產(chǎn)生腐蝕，帶入鐵離子；另一方面，地層中含有鐵礦物，溶解后在殘酸作用下，遇地層顆粒間的膠結物，均會生成氫氧化鐵凝膠絮狀沉淀，堵塞孔隙喉道[29]。金屬離子形成的絮狀沉淀在日本Hijiori和法國Soultz注水井和抽水井近井地區(qū)的垢體中被發(fā)現(xiàn)[30-31]，但生成量較少，對EGS人工裂隙的影響有限。

1.3 生物堵塞

生物堵塞是指由于細菌新陳代謝產(chǎn)生氧化還原反應，生成堵塞物的現(xiàn)象。在井筒中主要是鐵細菌、硫酸鹽還原細菌新陳代謝產(chǎn)生的沉淀。Fe2+在鐵細菌作用后生成Fe3+，F(xiàn)e3+易導致絮狀膠液形成。Fe2+與水中SO42-在硫酸鹽還原菌作用下生成不溶于水的黑色膠體硫化亞鐵，增加地熱水流動阻力。法國Soultz工程由于鉆井穿透了淺部的油儲，將淺層的有機物攜帶入了人工熱儲，產(chǎn)生了較明顯的生物堵塞效果，使注入井阻抗增加，流體注入流速降低了0.13 kg/s[32]。但在一般的EGS中，熱儲溫度和壓力都較高，循環(huán)水體流速大，能直接抑制微生物活動，故非特殊地質構造，生物堵塞不作為深部熱儲解堵的考慮類型。

綜上所述，干熱巖開發(fā)中的解堵研究，應該重點聚焦物理堵塞（礦物顆粒運移堵塞、工程殘余物堵塞、氣體堵塞、團聚體堵塞）和化學堵塞（次生礦物堵塞、酸敏堵塞），尤其是礦物顆粒脫落運移堵塞和次生礦物堵塞，這兩種堵塞類型分布廣，對裂隙閉合的影響最明顯。鐵銹剝落堵塞、特殊金屬離子堵塞和生物堵塞，產(chǎn)生幾率低，堵塞物生成量少，對人工裂隙的水力聯(lián)系影響小，增強型地熱系統(tǒng)研究可以減少對這些方向的投入。另外由于換熱流體會將裂隙內的黏土礦物、非晶質硅、石英、長石等在整個儲層內重新分布，最終形成涵蓋換熱區(qū)和近井地帶的橋堵或淤積堵塞，因此兼顧近井與遠井效果并能保證足夠的穿透距離的解堵劑體系的研發(fā)，也應作為解堵技術研究的關鍵點。

2 常用酸液解堵體系種類及作用原理

對儲層進行化學解堵，就是注入化學解堵劑以疏通或擴大流道，提高井換熱流體的抽注能力，增加和恢復場地產(chǎn)能[33]。針對上述化學、生物堵塞，化學解堵體系可以起到很好的作用效果。目前常用的化學解堵主要是酸液解堵體系，包括：土酸酸液體系、氟硼酸酸液體系、有機酸復合酸酸液體系、螯合酸酸液體系、可控酸酸液體系等（表1）?，F(xiàn)對常用的酸液解堵液體系的作用原理及研究現(xiàn)狀總結如下。

表1 常用酸液解堵液體系表

2.1 土酸酸液體系

目前，增強型地熱系統(tǒng)儲層解堵所采用的解堵劑主要是3%～10%的鹽酸（HCl）和1%～5%的氫氟酸（HF）配合而成的土酸。其解堵機理為：HCl溶解干熱巖裂隙中的碳酸鹽類礦物，同時維持裂隙內足夠的酸濃度，防止反應生成物的沉淀析出，而HF分子會與礦物晶格鍵之間產(chǎn)生化學吸附，溶解長石[34]，土酸酸液體系不僅能溶蝕堵塞物，也會造成地層裂隙壁的溶蝕，起到擴大裂隙通水斷面，增大換熱流體通量的作用。

土酸由于其兩種組分酸工業(yè)成本較低，簡單易獲取，且在溶蝕效用方面，溶蝕強度大，因此得到了最為普及的應用。但土酸也存在許多弊端如：①引起脫砂，造成井壁與儲層失穩(wěn)坍塌；②酸液的穿透距離短，重復酸化并不能有效地解除儲層堵塞，解堵效果也會越來越差；③土酸腐蝕性較強，還會對設備造成損壞。并且，土酸與裂隙堵塞物的反應是復雜多樣的，常會生成新的次生礦物（表2），這些次生礦物也會導致裂隙發(fā)生閉合。

表2 土酸與常見裂隙礦物反應方程表[35-36]

目前土酸在EGS儲層解堵中的實驗及理論研究，已初見成效。

郭清海等[37]研究對比了氫氧化鈉、鹽酸和土酸對花崗閃長巖的作用效果，表明土酸可以與其他酸液復合，產(chǎn)生的作用效果較單一體系更理想。酸性解堵試劑較堿性解堵試劑解堵效果更理想。這是由于氫氧化鈉主要溶解石英，在溶蝕后的堿性環(huán)境作用下，溶液中的Si和金屬元素極易形成非定形態(tài)二氧化硅或鋁硅酸鹽蝕變物，這些蝕變產(chǎn)物能導致巖石滲透率降低。

莊亞芹等[38]選用青海共和花崗巖樣與土酸（10%HCl+3%HF）反應，進一步探究土酸作用花崗巖的溶蝕規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在石英、長石溶蝕的同時，伴隨正方體狀氟硅酸鉀（K2SiF6）、片狀氟鋁酸鉀（K3AlF6）、片狀氟鋁酸鈣（3CaO·3Al2O3·CaF2）、球狀石英（SiO2）等蝕變礦物產(chǎn)生；土酸的改造以長石類礦物溶蝕為主。進一步研究表明，土酸對花崗巖滲透率的改良方式主要集中在花崗巖表面形成溶蝕坑和溶蝕裂隙，對深部解堵效果不佳。

趙海建等[39]研究表明，蝕變產(chǎn)物的形成與組分酸配比相關性明顯，土酸解堵時AlF2+和SiF4是最基本的產(chǎn)物；產(chǎn)物生成受酸液pH和溶液F-影響明顯，HCl與HF體積比小于6∶1時，AlF3沉淀大量生成，大于6∶1時，黏土膨脹現(xiàn)象更易發(fā)生[40-41]。

Zhao等[42]的研究表明，采用土酸外加無機鹽如AlCl3等，將有助于防止土酸體系的二次沉淀生成。同時Al3+的弱電離特性，能夠減緩強酸電離速度，避免過度溶蝕，延長酸液作用距離，實現(xiàn)深部解堵的目的。

吳永東等[43]的研究從土酸酸液濃度與注入速率方面探討了土酸增強解堵效果的可行性。結果表明，在凝灰?guī)r為主要的EGS系統(tǒng)中，低濃度的土酸能夠有效減少二次沉淀的生成和顆粒脫落現(xiàn)象的產(chǎn)生；該過程會生成氟硅酸并附著在礦物表面，影響HF的進一步反應，保證了酸液作用的持久性；同時土酸的注入速率越大，離子的強迫對流作用越強，H+的傳質速度越大，對儲層裂隙礦物的溶蝕能力越強，解堵效果越好。

土酸解堵劑在世界范圍應用最廣泛，但土酸解堵效果集中在近井區(qū)，并且容易造成巖石顆粒脫落運移，可能嚴重影響生產(chǎn)[44]。為提高土酸的遠井解堵效果，減輕近井溶蝕，可以降低酸液濃度，加快注入速率，加入少量弱電離性的無機鹽或緩蝕劑形成緩釋酸。當HCl與HF體積比維持在6∶1以下，采用復合酸液體系也將有效降低次生礦物的生成概率。

2.2 氟硼酸酸液體系

氟硼酸酸液體系一般是由氟化氫胺、硼酸和鹽酸共同混合而成[45]。該酸能夠深穿地層，是一種酸性較強的酸液體系，其作用原理是，依賴氟硼酸緩慢電離出氫離子并生成氫氟酸（HF），利用HF對地層黏土礦物和膠結物等進行溶蝕，恢復或提高儲層滲透率[46]。這種酸液體系是針對常規(guī)土酸反應過快、有效穿透距離短、酸鹽反應后沉淀物堵塞地層、泛酸不易排出、鈣鹽容易二次沉淀、地層的酸敏性導致鐵鹽沉淀造成堵塞等問題而研發(fā)的緩速酸液體系。這種酸液還是一種具有“解堵—防砂”雙重作用的高效復合解堵劑，氟硼酸與水反應后能不斷地緩慢生成 BF3（OH）-、BF2（OH）2-、BF（OH）3-，形成的羥基氟硼酸具有將小片黏土礦物溶解在一起的能力，從而阻止其分解與運移，起到穩(wěn)定黏土顆粒，使地層水敏性降低，黏土礦物收縮[47]。加之氟硼酸自生氫氟酸也能產(chǎn)生化學融化，融化的微粒在添加劑下原地膠結，在裂隙上形成晶質硅和硼硅玻璃涂層，從而阻止流體流動產(chǎn)生的微粒運移，能顯著減少物理堵塞[48]。

汪竹等[49]的研究結果表明，氟硼酸體系具有良好的緩沖性能，較強的溶蝕巖石的能力，良好的緩釋性能、高界面活性、高助排能力、能起到穩(wěn)定地層顆粒，低傷害、遠距離解堵的功能。并且研究中對磷酸/氟硼酸/醋酸進行了組合，研發(fā)了以氟硼酸/醋酸為基礎，無需添加防淤渣劑的酸液體系，說明有機酸的緩蝕潛力比無機酸更好。

Song等[50]的研究結果表明，有機氟硼酸解堵劑對于黏土礦物多的儲層解堵增產(chǎn)效果良好，在作業(yè)中配合含有有機解堵劑的入井液和有機解堵助劑能夠有效顯著提高解堵效果。

氟硼酸酸液體系能夠避免土酸體系反應過快的問題，尤其是針對于碳酸鹽、泥質含量高，堵塞遠、非均勻性強的儲層能有良好的解堵性能[51]。合理選用外加添加劑能增強氟硼酸酸液體系的高界面活性、高注排能力，改善解堵效果。

2.3 有機酸復合酸體系

傳統(tǒng)土酸中HF在地層中與石英、黏土、長石均發(fā)生反應，HF往往會過早消耗而不能有效解除深部堵塞，過高濃度的土酸又會使得脫砂、地層失穩(wěn)、越解越堵等現(xiàn)象頻發(fā)。有機酸復合酸體系能彌補常規(guī)土酸的不足。有機酸復合酸體系是由土酸（鹽酸和氫氟酸）與有機酸（甲酸、醋酸）按一定比例及配伍性配制成的酸液體系[52]。在這種體系中，有機酸是弱酸，電離常數(shù)要比鹽酸小得多，因此在鹽酸足量時，有機酸幾乎不參與反應；當鹽酸與裂隙礦物反應持續(xù)進行，鹽酸有效濃度較低時，有機酸才與儲層礦物緩慢反應，使氫氟酸的反應活性進一步延長，顯著地增加了酸液的穿透距離。

李峰等[53]研究表明，有機酸—土酸的復合體系能解決完井作業(yè)等造成的儲層損害，實現(xiàn)改善滲透率，達到解堵的目的。同時醋酸—鹽酸和醋酸—土酸兩種體系，在高溫井層處理半徑均達超過3.7 m，加入醋酸的土酸體系還能夠有效解除泥漿的污染，恢復巖心的滲透率[44]。但這種酸液需要外加添加劑才能達到理想的解堵效果。

古正富等[54]的研究結果表明，有機酸體系在酸敏性地層有一定的解堵優(yōu)勢，但對酸液的注入量上要求較大，而過大注入酸液量又會加大酸液返排難度。

現(xiàn)今，有機酸—土酸復合酸體系已經(jīng)有了不少的室內試驗，考慮到混酸體系中有機酸濃度過高會增加井筒金屬內壁的腐蝕，因此實際工程中采用的有機酸（醋酸或甲酸）濃度多為1%～5%，但從現(xiàn)場返排液研究分析發(fā)現(xiàn)，甲酸/HF、乙酸/HF體系用于現(xiàn)場常會有氟化鋁沉淀產(chǎn)生[55]，因此也需要對有機酸的種類和配比進行調整，抑制二次反應。

2.4 螯合酸液體系

螯合酸液體系是在原酸液（土酸、有機酸—土酸復合酸、多氫酸、生酸主劑、有機酸等）的基礎上添加螯合劑（螯合解堵液、鋇鍶垢解堵劑、鈣鎂垢解堵劑）形成的酸液體系[56]。常規(guī)土酸和氟硼酸酸液體系中含有大量的氟離子，易遇酸巖反應產(chǎn)物中的硅、鈣、鋁等金屬離子生成二次和三次沉淀，因此對解堵體系的抑垢性能要求也很高。配合的特定螯合酸液體系能夠解決這些問題，并且螯合劑解堵體系返排液pH值也較高，能夠免去地面中和環(huán)節(jié)，提高作業(yè)時效[57-58]。

王寶峰等[59]的研究結果表明，有機酸—土酸混合酸液體系較土酸體系已經(jīng)擁有明顯的返排優(yōu)勢，加入螯合劑LDA-2后，能進一步避免氟硅酸鹽或硅膠的二次沉淀；這是由于LDA-2酸液體系具有很強的螯合氟化鋁的性能，促使平衡發(fā)生轉移，預防AlF3沉淀的形成；其本身反應速率較慢，能在不引起地層出砂的情況下，解除深部堵塞。

Hertrampf等[60]的研究結果表明，螯合酸液體系比常規(guī)酸液對于由黏土礦物引起的堵塞，解堵效果更加明顯。是由于微觀上螯合劑能“置換”出黏土礦物中高價金屬離子，發(fā)生廣義上的“陽離子交換”。在不破壞晶格的條件下，使水化膨脹的黏土礦物體積減小，恢復液相的有效滲透率，除去黏土溶解析出的多價金屬陽離子，生成水溶性螯合物，抑制硅酸鹽等二次沉淀的產(chǎn)生。

趙立強等[61]的研究結果表明，螯合酸復合解堵體系還具有更好的緩蝕效果，能有效避免氟硼酸（12%HCl+6%HBF4）和標準土酸（12%HCl+3%HF）造成的地層失穩(wěn)問題。通過配伍實驗研制出的5%A+3%B（A為復合多羧基螯合物，B為含氟絡合物）螯合酸液解堵效果突出，這種體系中的氟絡合物與H+結合后生成中間物質再多級電離生成HF，能對碳酸鹽類礦物和硅酸鹽類礦物進行溶蝕，又由于H+是緩慢釋放的，保證了體系的緩速性能，有效抑制了二次和三次沉淀產(chǎn)生[62]。

通過加入不同垢物絡合劑能使螯合酸液體系具有針對性的不同離子絡合能力。Schaefer等[63]的研究表明鋇鍶垢絡合解堵劑能通過斷鏈劑進行斷鏈，把鋇鍶離子絡合到選擇的絡合劑活性基團位置，讓鋇鍶離子絡合成為易溶解于水的小分子化合物，達到除去硫酸鋇鍶垢的目的；鈣鎂垢解堵劑能夠有效地對碳酸鹽垢、鐵銹進行絡合，減少鈣垢、膠體和鐵銹引起的堵塞。

螯合酸液體系由于采用的螯合劑多為有機化合物，對其無公害化處理和反排工藝復雜，對環(huán)境生態(tài)也有負面影響，所以目前應用面還比較單一，常用于富含鈣、鎂、鋁、鐵等金屬離子的中潛部地熱儲層解堵。

2.5 可控酸體系

常規(guī)酸液注入后，容易導致所需注酸量過大、難以到達溶蝕位置、還往往對連通良好區(qū)域也產(chǎn)生不良影響，可控酸體系結合新型材料技術可以解決上述問題，主要包括泡沫酸液體系和轉向酸液體系。

2.5.1 泡沫酸液體系

泡沫酸酸液體系是在復合酸液體系中加入起泡劑和穩(wěn)定劑，通過泡沫發(fā)生器與氣體（一般為N2或CO2）混合，形成的以酸為連續(xù)相、氣泡為分散相的泡沫體系，使得配制的酸液體系既有泡沫流體的性質又有酸化解堵能力[64]。泡沫酸酸液體系注入井筒后能夠有效清除地層近井酸溶型結垢物[65]。這種體系的核心是泡沫與酸液聯(lián)合使用所起到的酸液分流效果。泡沫酸液體系中的泡沫流體具有密度低、方便調節(jié)、動切力大攜砂強、兩相流體無固相、低濾失，視、黏度、壓縮系數(shù)大、便于助排等性質，流體中的泡沫能夠在喉道中產(chǎn)生氣阻效應，暫時堵塞住高滲部位，使起泡酸進入低滲透裂隙，與堵塞礦物及巖石反應，形成更多的溶蝕通道，最后注入泡沫排酸液，保證了殘酸被排盡。泡沫酸液體系較復合酸液布酸更均勻，能防止局酸液過多造成地層坍塌[66]。

王豐[67]的研究結果表明，泡沫酸對于固體滑移顆粒造成的堵塞具有較好的解堵效果。由于泡沫酸體系具有極強的自生氣泡性質，因此體系能懸浮并攜帶固體顆粒。結果顯示，泡沫酸體系對于0.45～0.56 mm石英顆?；静怀两?，但對于0.63～1.25 mm砂粒均有沉降作用，并且泡沫酸體系腐蝕速率低，對鐵離子穩(wěn)定性強，防膨性能好，酸渣含量低，對儲層傷害較小。

泡沫酸在相對常規(guī)水基酸酸液體系具有更好的返排能力。陶磊等[68]的研究表明泡沫酸結合水基酸液的反排效率穩(wěn)定接近98%，場地試驗效果十分突出。但如果泡沫酸在孔喉內產(chǎn)生氣阻效應，在后期返排過程中未能完全取消，將會引入新的氣體堵塞類型，增加解堵工序，另外在EGS高溫高壓的人工裂隙中，要研制出能產(chǎn)生較多氣泡，并且具有高返排效率的起泡酸，是需要攻克的問題。

2.5.2 轉向酸液體系

轉向酸酸液體系的主體酸為鹽酸，是在鹽酸中加入清潔自轉向劑等添加劑形成的自轉向酸液體系。轉向酸酸液體系運用的是一種無傷害的轉向酸化技術，能在解堵過程中自動轉向低滲透區(qū)[69]。自轉向酸轉向的關鍵是依靠黏彈性表面活性劑在pH值上升及Ca2+、Mg2+存在的環(huán)境下，其膠束形態(tài)發(fā)生變化來實現(xiàn)的，在酸濃度較低時，轉向劑分子締合形成的膠束，內部為烴核，外層親水基團分散在水中，疏水基被包在膠束內，不與水接觸，導致自轉向酸變黏[70]（圖1），并具備黏彈性，對高滲孔隙實現(xiàn)暫時性的堵塞，導致注酸壓力上升，迫使其進入次低滲或損害堵塞嚴重區(qū)域，隨解堵的繼續(xù)進行，酸液黏度會繼續(xù)上升，迫使酸液進入更低滲透或損害堵塞更嚴重區(qū)域。

圖1 自轉向酸轉向機理圖

Mao等[71]的研究結果表明高酸含量的轉向酸酸液體系，其酸蝕裂隙導流能力要高于低酸含量的轉向酸酸液體系，但當酸液體積大于20%，對裂隙導流能力起到抑制作用，酸液濃度過高時，還會造成酸液腐蝕性增強，不利于管道養(yǎng)護。

轉向酸的轉向凝膠技術已在英國Rosemanowes、德國Insheim等場地中實現(xiàn)應用，其中在Rosemanowes應用時，針對酸液中的黏彈性表面活性劑（黏性凝膠）和水，采用脈沖循環(huán)的水力解堵方式進行解堵，取得了一定的解堵效果[22]，但完全基于轉向酸技術的場地實驗依舊缺乏，如何避免Rosemanowes凝膠支護引起的儲層不可逆損傷，降低凝膠的回收難度，是影響轉向酸解堵應用的關鍵因素。

3 現(xiàn)有EGS解堵技術

對現(xiàn)有的解堵技術類型進行總結，可按基本原理分為物理水力解堵、化學—試劑解堵、物理—化學混合解堵三大類，各項技術的適用條件和優(yōu)缺點見表3。

表3 現(xiàn)有EGS解堵技術表

物理—水力解堵主要以水為載體，通過地面的流體泵送機，將外附壓力由地面?zhèn)鬟f到發(fā)生堵塞的區(qū)域，按流體泵送的方式可以分為：單向循環(huán)、雙向循環(huán)和脈沖循環(huán)。單向循環(huán)常應用于形成時期較新且僅輕微蝕變的花崗巖體。輕微蝕變的花崗巖的巖體顆粒結構穩(wěn)定，在流體換熱過程中不易脫落，能避免礦物顆粒運移造成堵塞，但這種條件理想的地層較少，礦物顆粒及完井過程中的巖屑難以徹底清除，因此單向循環(huán)的水力解堵技術常與構建人工裂隙過程中的水力壓裂技術混合使用，以確保構建的人工裂隙的良好滲透性。雙向循環(huán)是在單向循環(huán)技術的基礎上將原有的注入井和抽出井按一定周期（2～5 d）調換功能，即在對注入井和抽出井作業(yè)一段時間后，將注入井作為抽出井，抽出井作為注入井，逆向泵送流體。雙向循環(huán)能避免單向循環(huán)將可移動礦物顆粒運移至裂隙喉道引起的細微裂隙堵塞，雙向循環(huán)，更利于將可移動礦物顆粒運移至近井區(qū)域的大裂隙中，由抽水井抽離地層，達到解堵的目的。脈沖循環(huán)，是在注入井內放入低頻水力脈沖發(fā)生器（圖2），將水作為介質，多次瞬間升降壓，以恢復儲層滲透率的重要先進技術。應用脈沖循環(huán)技術解堵時，一定頻率的脈沖壓會依靠流體傳遞到人工裂隙內，經(jīng)多次重復增壓，會對裂隙內的物理堵塞類型產(chǎn)生脈沖作用（凈化作用），并對地層產(chǎn)生強烈拉伸—壓縮（疲勞擴展作用），進一步疏通流道，擴大裂隙過水面積。物理—水力解堵使用的流體為凝膠+水。這類凝膠主要以耐高溫含硅有機黏性凝膠為主，由地面泵機預先泵入裂隙后，凝膠會先到達較大裂隙，依靠自身的高黏性，能暫時封堵具有良好水力連通性的裂隙，再通過循環(huán)技術，利用水力循環(huán)將堵塞位置進行疏通，在滲透率恢復后，使用溶劑溶解有機凝膠，并完成回收。物理—水力解堵已在瑞典Fj?llbacka[12]、德國Insheim[13]等EGS應用，并成功將產(chǎn)流率提升50%以上。但物理—水力解堵應該加大對易于回收的黏性凝膠的研發(fā)，英國Rosemanowes在注入凝膠解堵后，造成了儲層不可逆的損傷，直接導致一階段中生產(chǎn)井的產(chǎn)量減半，失水量加倍[22]。

圖2 低頻水力脈沖發(fā)生器示意圖[72]

化學—試劑解堵主要依靠流體對堵塞礦物產(chǎn)生化學溶蝕，再通過水力循環(huán)過程，將溶解的組分由抽水井抽出。化學—試劑解堵按所使用的試劑類型可分為：低礦化度流體解堵、酸液解堵和堿液解堵。低礦化度流體解堵按流體組分和來源，可以分為超純水、低礦化度水（地下水或地表徑流）、去離子海水。超純水是采用人工濾膜將換熱流體凈化得到的純水，一般不含離子（或含微量離子）。超純水由于具有較低的礦化度，與堵塞礦物接觸后，化學勢差會促進礦物溶解進入純水，加之在高地應力的環(huán)境中，固相物質的活度可有效提高，從而加速礦物溶解的動力學速率，溶液再由循環(huán)過程攜帶至地面。由于制備超純水的設備價格高昂，礦物在超純水中的溶解量也十分有限，所以依靠超純水進行礦物解堵的試驗，還停留在實驗室階段。低礦化度水及去離子水，是將場地周圍水體進行簡單凈化，降低礦化度或去除特殊離子（Cl-、Ca2+、Fe2+）后，以獲得的水體。其解堵原理和超純水相同，效果沒有超純水明顯，但低礦化度水及去離子水的解堵技術，是在考慮原料簡單易獲取，成本低廉的基礎上提出的，能顯著提高操作可行性。酸液解堵技術是目前最具前景的解堵技術之一，其關鍵在于新型酸液解堵體系的研發(fā)。

根據(jù)主體酸和功能的不同，可以分為：土酸、氟硼酸、有機復合酸、螯合酸液、泡沫酸、轉向酸酸液體系（各類酸液特征和研發(fā)方向已在上文論述，這里不再贅述）。堿液解堵技術是以NaOH做主要成分，包括NaOH解堵液和Na2CO3解堵液，Na2CO3在水中溶解成弱堿性，生成NaOH，能對礦物顆粒進行溶蝕，從而恢復滲透率。但NaOH幾乎不能溶蝕次生礦物，如：含鈣礦物（方解石）和綠泥石等，對高嶺石、伊利石和蒙脫石的溶蝕率也較低，因此對人工裂隙閉合后的解堵效果也不明顯[38]。

物理—化學混合解堵是物理—水力解堵技術與化學—試劑解堵技術的有機組合。將物理—水力解堵技術中的黏性凝膠和水替換為溶蝕解堵效果明顯的化學試劑，形成了許多被應用的混合解堵技術，該技術保留了水力解堵和試劑解堵的優(yōu)點，又規(guī)避了兩種單一解堵技術的不足。應用最多的物理—化學混合解堵是脈沖循環(huán)技術+土酸酸液體系相結合的技術，這是由于脈沖過程中具有高剪切的內、外交替流動，加劇了注入的解堵試劑與裂隙內礦物的接觸，提高了酸反應程度。壓力脈沖也能有效抑制竄槽，使解堵試劑更加均勻地分散到裂隙內部。另外液體脈沖振動剝蝕下來的堵塞物，在解堵劑中的溶蝕或溶解程度更強，在上沖程時隨射孔回流及時返排，將大大提高脈沖振動的解堵效果。物—化混合解堵技術在美國Fenton Hill[73]和法國Soultz[74]都被應用過，注入指數(shù)均提升了20%以上。

4 國內外典型EGS場地儲層解堵技術

自美國麻省理工學院提出增強型地熱系統(tǒng)理論以來，EGS技術已受到了美、英、日、法等發(fā)達國家長達40余年的重視和研究[75-78]。筆者選取了典型EGS場地儲層解堵技術進行分析總結。

4.1 美國Fenton Hill場地

Fenton Hill場地位于美國新墨西哥中北部的Jemez火山口的峽谷主斷裂帶以西3.06 km處。美國于1970—1996年在此建成的新墨西哥州Fenton Hill增強地熱系統(tǒng)（EGS）試驗場地，該場地被認為是世界上第一個真正意義上的EGS[79]。Fenton Hill以寒武紀結晶巖為基底，上覆細粒古生代沉積物作隔熱層，Jemez火山的熔巖和凝灰?guī)r又覆蓋在沉積物層上，形成了一個幾乎沒有水的封閉熱儲，石英填充了內部原生裂隙。

Fenton Hill項目的目標是在 200 ℃的巖層中創(chuàng)建一個帶有兩個能夠灌注循環(huán)水深井的人工儲層，項目分兩個階段完成，第一階段儲層位于2 800 ～ 2 950 m 深度，井底溫度在 180 ～ 200 ℃，改造后得到了 1 300～ 2 170 m3的人工裂隙 ；第二階段儲層深度約為3 500 m，井底溫度約為240 ℃，獲得了體積為8 376 m3的人工裂隙[80]。項目自1972年春至1996年封井期間共鉆獲4口井，包括探測井（GT-1）、實驗井（GT-2、EE-2、EE-3），為實現(xiàn)水利連通，在第二階段中還進行了側鉆（圖3）。該項目最終從儲層中提取出了310 MWT的熱能[81-82]。Fenton Hill項目在人工裂隙增產(chǎn)工藝、裂隙示蹤模擬、定向鉆進等方面都做出了世界矚目的成就。

圖3 Fenton Hill場地第一階段和第二階段儲層深度和地溫梯度示意圖

Brown等[83]的研究揭示了Fenton Hill儲層滲流通道的動態(tài)封閉特性。隨著循環(huán)的進行，滲流通道會逐漸關閉；在穩(wěn)定的儲層中，注入流體后換熱流體中溶解固體會迅速達到3 000～4 000 ppm的平衡水平[84-86]。

Grigsby等[87-88]的研究表明，原生孔隙中的流體與巖石礦物發(fā)生置換和混合作用是引起流體組分變化的主要原因，流體內組分來源于儲層原生礦物與受次生礦物溶解，并彼此影響。次生礦物溶解與重結晶對滲透率造成明顯影響，應力、溫度等是影響這種變化的主要因素，這些因素在生產(chǎn)井近井區(qū)域常發(fā)生明顯降低，因此生產(chǎn)井近井區(qū)域是抽水換熱造成儲層堵塞的重點區(qū)[89-90]。

Fenton Hill增強地熱系統(tǒng)的工程實例中率先采用注堿（Na2CO3、NaOH）的方式，以解決次生礦物引起的裂隙孔隙閉合，但堿性試劑集中于對石英巖壁的溶蝕，生產(chǎn)能力恢復僅有 0.03 L/(s·bar)（1 bar=0.1 MPa），解堵效果不理想[91]。項目后續(xù)對物理—化學混合解堵技術（雙向循環(huán)+土酸酸液體系）進行細致深入的研究，并完成了場地實驗，將生產(chǎn)井生產(chǎn)能力提高到了80 L/s，使二期項目中，泵送流體體積達到了13 000 m3，為世界其他EGS項目利用該項解堵技術來設計井眼完井和儲層建造工程，以提高有效滲透率、采熱率，延長儲層有效壽命，提供了寶貴模板[92]。

4.2 法國Soultz場地

Soultz場地有著世界上最成功的增強型地熱系統(tǒng)。該地熱儲層位于上萊茵河地塹(URG)沉積盆地深部的花崗巖基底上，花崗巖結晶基底為地熱能的利用提供了有利的條件。花崗巖基底由石英、斜長石、鉀長石、黑云母、角閃石基質和少量榍石及氧化物組成（表4）。1987—2005年間，Soultz場地在地熱能開采方面進行了大膽嘗試。在Soultz開發(fā)了由5個鉆孔組成的EGS，其中，GPK-2、GPK-3和GPK-4組成了歐洲地熱試點電站。EPS-1井為2 227 m花崗巖基底的勘探井，GPK-1是一口致力于水力測試的3 600 m 深勘探井，GPK-2 作為深度 5 100 m 的 160 ℃流體生產(chǎn)井，而 GPK-3（5 100 m）和 GPK-4（5 260 m）目前用作回注井（ 溫度為70 ℃）[94]（圖4）。

表4 Soultz場地花崗巖巖石組分表（新鮮相和2種蝕變相）

圖4 Soultz場地各鉆井布設圖[94]

EPS-1井的研究成果顯示由三疊紀石灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖和蒸發(fā)巖組成的蓋層直接覆蓋在上萊茵河地塹用于地熱能源開發(fā)的裂縫性花崗巖結晶基底上 ，是Soultz的地熱梯度非線性的主要原因[93]。Soultz地熱儲層的花崗巖由新鮮花崗巖（長石、斜長石、石英為主）、破碎的蝕變花崗巖（石英為主）、高度蝕變花崗巖3種類型組成，僅破碎的蝕變花崗巖起到流體循環(huán)作用。淺層地層（0～1 400 m）由沉積層組成，包含與正斷層相關的熱液蝕變和破碎帶，在1 400～2 200 m深度段存在3 000條發(fā)育的裂縫[95-96]，花崗巖沿著這些斷層和裂縫產(chǎn)生強烈蝕變，并且在三疊紀[97]時期沉積了粉紅色砂巖、黏土灰?guī)r和蒸發(fā)巖，這些巖石組分導致地層水體中K、Ca、Li、Rb、Cs、As、Sr、Ba、Mn、Nd、U 以 及 Zn、Pb、Cu、Co、Cd、Sb等重金屬的富集[98]。空間上，位于萊茵河地塹西部的深地熱井中存在的深部熱鹵水與下沉的大氣降水進行混合環(huán)流[99]。因此在地熱儲層開發(fā)過程中，順著裂縫延展方向運移的鹵水與未蝕變的巖石表面產(chǎn)生大量地球化學—礦物蝕變，生成以蘇云母、伊利石為主的兩種蝕變相。這個過程發(fā)生的多次脈蝕變改變了花崗巖的巖石學和物化特性，包括本區(qū)原生礦物（斜長石、黑云母、角閃石和局部石英）完全溶蝕和次生礦物包括方解石[100]、黏土礦物（如云母和伊利石）[101]和氧化物的形成。這些在裂縫表面的蝕變產(chǎn)物和礦物反應類型直接對裂縫的滲透性產(chǎn)生重大影響[102]。在井中還發(fā)現(xiàn)存在有來自表層沉積層油源巖的成熟型有機質浸漬，附著在基底巖石表面[93]，進一步降低了儲層裂隙的滲透率。

Soultz的技術人員在總結Fenton Hill場地的成功經(jīng)驗基礎上，應用了大量基于水力與化學的裂隙滲透率改良技術。GPK-2和GPK-4經(jīng)水力改良后，產(chǎn)能提高了20倍，GPK-3經(jīng)有機酸解堵后產(chǎn)能恢復了1.5倍，無負面影響；GPK-4在增產(chǎn)層（500～650 m）采用了土酸改良措施（RMA）后，裸眼井10 m內的裂隙區(qū)得到了清理，注入指數(shù)提高了35%，但地層出砂也逐漸增多[103-104]。許多室內研究也基于Soultz裂隙滲透率恢復的觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)鉆屑、巖心分析，對人工裂隙內可溶礦物的填充機理與解堵原理進行了探究。

Andre等[105]采用FRACHEN對Soultz裂隙中水—巖反應過程進行了模擬，結果表明方解石是系統(tǒng)中最活躍的礦物，注水1 800 h后，方解石溶解會提升注水井30%的滲透率，并減低生產(chǎn)井5%的滲透率。

通過對方解石的裂隙封堵微觀機理進行研究，Mcnamara等[106]闡明了方解石發(fā)生的兩種封閉機理：①根據(jù)跨越整個裂縫寬度的單晶、孿晶方解石晶體的存在推斷，方解石發(fā)生不對稱共生生長；②通過化學和晶體方向作圖，推斷葉脈方解石向自由空間發(fā)生了三維聯(lián)鎖生長，形成3D連鎖結構。這兩種封閉機理是裂隙封閉礦物在細小裂隙中生長封閉裂隙，從而在更寬的裂隙中起到裂隙支護作用[107-108]。

Portier等[109]對Soultz場地使用土酸解堵進行熱—水—化學過程模擬，結果表明：酸液解堵體系是解除人工儲層堵塞的有效途徑。酸液解堵可以提高儲層滲透率，尤其是注水井附近，生產(chǎn)能力均恢復到超過0.3 L/(s·bar)，模擬結果與GPK-4觀測數(shù)據(jù)一致。

Farquharson等[110]通過不同濃度、不同溫度下鹽酸的酸滲試驗，研究了酸液在類似于Soultz場地儲層花崗巖巖石的酸誘導恢復滲透率的潛力，結果表明酸液誘導恢復滲透率的潛力與巖性密切相關。酸液在對不同蝕變程度的花崗巖酸蝕后，未蝕變的花崗巖的孔隙度和滲透率均有增加；已嚴重蝕變的花崗巖的滲透率只有較小的提升；中度蝕變的花崗巖裂隙度增加的同時伴隨著滲透率降低，并且滲透率增加或減少的幅度與初始流體流動特性有關[111]。

法國Soultz增強地熱系統(tǒng)工程表明，換熱流體在裂隙型花崗巖儲層中循環(huán)導致巖體的滲透率降低，可以通過混合解堵技術（脈沖循環(huán)+有機酸酸液體系）恢復。儲層性質和地層結構對試劑作用效果具有顯著影響。傳統(tǒng)土酸酸液解堵時，對致密的未蝕變花崗巖和重度蝕變花崗巖儲層增產(chǎn)效果不明顯，對中度蝕變花崗巖儲層的滲透率具有明顯恢復效果，但土酸作用距離短容易造成近井虧空，而采用低礦化度水進行雙向循環(huán)，雖有利于維護裂隙連通性，保證儲層的長期產(chǎn)能，但對裂隙滲透率的恢復效果又較差，結合物—化混合解堵技術（脈沖循環(huán)+有機酸酸液體系）可以彌補土酸酸液的作用距離短、管道腐蝕強和低礦化度水溶蝕率低的問題，保證解堵的高效。Soultz EGS系統(tǒng)井內的堵塞物以碳酸鹽和鋁硅酸鹽沉淀為主，這些礦物容易由近井地區(qū)轉移，向遠井位置積聚，導致注水井近井區(qū)域在長期循環(huán)過程中孔隙度會有輕微提高，而遠井滲透率會逐漸降低，所以EGS解堵研究中應該重點考慮遠井部位的堵塞。當?shù)貙又泻袡C質（油儲）時，人工裂隙內極有可能也會出現(xiàn)有機質造成的堵塞，因此在解堵前，應該對該地區(qū)的地質構造、地層構造、裂隙走向及連通情況、礦物組成等做適當評估，以提高解堵效率。

4.3 日本Hijiori場地

Hijiori處在日本本州島北部的山形縣，所選試驗場地與美國Fenton Hill類似，在日本1.5～2.0 km直徑的Hijiori火山口南緣[112]。Hijiori干熱巖項目于1985年開始，2002年結束。項目共鉆獲（HDR-1、HDR-2a、HDR-3、SKG-2）4口井，構建了2個不同深度的儲層，井的垂直深度達到1 800～2 300 m，均穿透了熱液作用產(chǎn)生過強烈蝕變的白堊紀花崗閃長巖目標基底。

Hijiori共進行了3次不同時長的循環(huán)實驗，包括3個月時長的初期水力循環(huán)、1個月短期水力循環(huán)和從2000年11月—2002年8月進行的長期循環(huán)試驗（LTCT）。LTCT試驗是將Nigamizu河的水作為換熱流體，注入裂隙型結晶巖儲層，再抽出并循環(huán)使用。試驗分兩個階段：①將HDR-2a和HDR-3作為生產(chǎn)井，HDR-1作為注水井，SKG-2作為監(jiān)測井；②將SKG-2增設為注水井，與HDR-1的注射比由1∶1逐漸增至1∶3。對井筒與地面設備進行結垢檢測，發(fā)現(xiàn)HDR-2a沉淀主要為厚重白色垢體，HDR-3沉淀主要為厚重黑色垢體（圖5）。

圖5 Hijiori生產(chǎn)井HDR-2a與HDR-3的井內和地面裝置中的采樣點圖[113]

在EGS系統(tǒng)地面換熱裝置中，不同部位垢體的主要成分差異巨大[114]。HDR-2a井旋轉接頭下部以碳酸鈣垢（方解石和文石）為主，旋轉接頭處以文石為主，井內以方解石為主，含有少量無定形二氧化硅；HDR-3井內以方解石和硬石膏為主，取樣池中以無定形二氧化硅為主。

Jing等[115]基于FRACSIM建立三維換熱評價模型，對比了熱彈性效應和水巖作用對Hijiori儲層裂隙閉合的影響。結果表明，熱彈性效應會導致裂隙高溫巖石結構顆粒脫落，造成裂隙閉合，并且對溫度越高或越深的儲層，影響效果越明顯；水巖作用造成的礦物堵塞主要發(fā)生在生產(chǎn)井附近的儲層裂隙內，長期作用效果也比熱彈性效應影響明顯。

Yanagisawa等[113]的研究結果表明，在具有雙換熱儲層的EGS系統(tǒng)中，水巖作用會導致?lián)Q熱裂隙滲透率減小，但通過控制不同深度儲層的注入水比例，能減緩裂隙儲層堵塞的發(fā)生，提高巖體熱量提取總量。

Hijiori增強地熱系統(tǒng)的工程實例證明，在EGS系統(tǒng)中，堵塞現(xiàn)象發(fā)生的部位包括：深部人工熱儲層裂隙、注水與抽水井、地面管線、蓄水池等。地面部分垢體主要為碳酸鹽垢和硅酸鹽垢，而地下部分主要為礦物顆粒運移堵塞和次生礦物堵塞。在Hijiori項目長時間循環(huán)測試（LTCT）的第二階段[114]，HDR-1、HDR-2a井內及近井區(qū)出現(xiàn)了大量石膏為主的礦物垢，HDR-1 注入速率由 20 kg/s降至 16.7 kg/s，HDR-2a 產(chǎn)能由8 kg/s降低至6 kg/s，采用混合解堵技術（脈沖循環(huán)+土酸酸液體系）解堵作業(yè)后，成功將HDR-2a的產(chǎn)率提升了20%，HDR-1注入速率也恢復至13 kg/s，混合解堵技術在EGS解堵中表現(xiàn)出了巨大潛力。

4.4 中國青海共和盆地

青海共和盆地處于秦嶺—昆侖山脈結合部，周邊均為斷裂帶隆起山地。盆地地質構造運動劇烈，印支—燕山期巖漿巖分布于整個盆地形成基底，基底埋深1 000～2 000 m?；讕r石以中粗黑云母花崗巖、中粗二長花崗巖、中粗花崗閃長巖為主[116]。盆地內沉積了700～1 600 m第四系湖相地層和上新統(tǒng)泥巖地層形成的蓋層，起到了隔熱保溫的作用，對共和盆地地熱系統(tǒng)的形成起到了積極的促進作用[117]（圖6）。青海共和地區(qū)干熱巖分布面積達到了3 092.89 km2，折合為 6 303.05×108t標準，該區(qū)地溫梯度為 6.0 ～ 8.8 ℃ /100 m，在 2 000 m 處就達到了150 ℃，開采前景非?？捎^[118]。目前，青海盆地已有5口干熱巖勘探井，包括3 705 m深度的GR-1井，1 852 m深度的DR-2井。這兩口井的觀測數(shù)據(jù)揭示了共和盆地的內部地層構造與各地層礦物組成，為后續(xù)地熱開發(fā)關鍵性技術的突破提供了重要支撐。

圖6 青海共和地區(qū)地熱成因模式圖[117]

馬月花等[119]針對共和盆地及其東西兩側的兩條SN向展布的構造巖漿隆起帶的地熱水化學特征進行研究，結果表明共和地區(qū)水樣以Na-Cl·HCO3及NaCl型水為主，Ca2+、Mg2+相對較少，而SO42-濃度略高，SO42-含量受到石膏溶解與巖石介質中礦物如黃鐵礦氧化的影響。熱儲花崗巖會隨著這些地熱流體對周圍巖石溶濾作用加劇而析出新的礦物，這些礦物以低溶解性礦物為主；初期裂隙中的硅酸鹽礦物受到溶濾，使地熱流體中Al3+濃度升高，形成水鋁礦，隨石英溶解，水鋁礦轉變?yōu)楦邘X石，當陽離子濃度較高時，又會生成對應的云母類礦物，最后進一步生成長石礦物，降低熱儲滲透率[120]。

莊亞芹等[38]進行了酸、堿化學試劑對青海共和盆地的花崗巖型干熱巖的溶蝕效果研究，結果表明土酸、鹽酸和NaOH均能夠提高裂隙滲透率，但由于NaOH更針對巖石結構顆粒進行溶蝕，不宜作為解堵試劑，并且復合酸溶蝕裂隙礦物達到解堵的潛力明顯優(yōu)于單一酸（鹽酸）和單一堿（NaOH）[121]。

青海共和盆地的相關研究結果表明，深部地熱解堵應優(yōu)先考慮復合酸液解堵體系的研究。青海共和盆地EGS已于2022年1月成功實現(xiàn)我國首次干熱巖試驗性發(fā)電并網(wǎng)，中國地質調查局聯(lián)合吉林大學基于青海共和盆地GH01井花崗巖巖心的室內高溫高壓反應釜和巖心流動儀、數(shù)值模擬技術的解堵試驗正在進行中，高效緩蝕的解堵劑配方有待進一步研究開發(fā)。研究成果將有望應用于共和盆地干熱巖可持續(xù)開發(fā)中，這對中國干熱巖的開發(fā)利用具有指導意義。

5 結論

1）在EGS系統(tǒng)中，堵塞類型主要包括物理堵塞和化學堵塞。物理堵塞以礦物顆粒運移堵塞、工程殘余物堵塞、氣體堵塞、團聚體堵塞為主；化學堵塞以次生礦物堵塞、酸敏堵塞為主。解堵研究應該重點關注礦物顆粒脫落運移堵塞和次生礦物堵塞。礦物顆粒脫落運移堵塞主要包括巖體結構顆粒脫落、原生礦物顆粒、完井殘余礦物顆粒，這些礦物顆粒在人工裂隙內發(fā)生重新分布，造成裂隙細小孔喉封堵。次生礦物堵塞主要是水—巖反應過程中的生成物（方解石、石膏、綠泥石、高嶺石、伊利石、蒙脫石、沸石、玉髓等），次生礦物在裂隙中生長并逐漸閉合裂隙，影響水力連通性。這兩種堵塞類型可以通過物理、化學或物理—化學混合解堵技術解除。

2）物理解堵技術對礦物顆粒脫落運移造成的堵塞具有解堵效果，且以水力作用為主，流體回收返排作業(yè)方便，易于操作，但對于礦物類的堵塞作用效果不理想?；瘜W解堵技術對于原生礦物與次生礦物的解堵效果與化學試劑性質直接相關。低礦化度水（超純水、地礦化度地表水、去離子海水）由于溶蝕率低、成本高昂，不適宜作為解堵試劑，但能作為地熱循環(huán)水，以提高EGS使用壽命；堿性解堵試劑主要針對巖體結構顆粒（SiO2）進行溶蝕，會增加裂隙內脫離的礦物顆粒數(shù)量，引發(fā)進一步礦物顆粒運移堵塞，另外堿性解堵試劑對裂隙次生礦物（方解石、石膏、云母、綠泥石、高嶺石、伊利石、蒙脫石、沸石、玉髓等）溶蝕率較低，二次反應生成物也不可避免。而酸性解堵試劑對礦物及巖體均能造成較大溶蝕，且次生礦物生成量少，具有研發(fā)價值。酸液解堵技術的核心在于酸液體系，包括：土酸、氟硼酸、有機復合酸、螯合酸液、泡沫酸、轉向酸酸液體系，土酸、有機復合酸酸液體系的實地應用最多。土酸酸液體系容易造成近井地區(qū)虧空、脫砂，所以針對具有緩釋效果的復合酸液體系（氟硼酸、有機復合酸、螯合酸液）的研究具有必要性。在解堵時，通常還需要避免對現(xiàn)有水力連通性良好的裂隙產(chǎn)生溶蝕，需要將酸液作用到堵塞發(fā)生區(qū)域，減少酸液漏失，故泡沫酸、轉向酸酸液體系也是未來酸液技術發(fā)展的重要方向之一。

3）結合了物理解堵技術和化學解堵技術優(yōu)點的混合解堵技術，能對礦物顆粒脫落運移堵塞與次生礦物均產(chǎn)生溶蝕效果，場地實驗效果也較單一物理或化學解堵技術效果更為理想，混合解堵技術將成為未來最具潛力的EGS解堵技術。其發(fā)展將重點著眼于新型酸液的研發(fā)，為減少次生礦物生成量阻止二次反應進行，可以調整酸液組分（降低鹽酸用量）或加入具有緩釋性的無機鹽（AlCl3）；為提高酸液的緩釋性增加酸液作用距離，可以降低主酸濃度、將主酸強酸替換為緩釋酸或增加緩釋劑；為達到自轉向及易返排的特性，可以借鑒轉向酸液的特性，研發(fā)耐高溫發(fā)泡劑或易于返排的黏性凝膠，減少對現(xiàn)有儲層裂隙及環(huán)境的破壞，降低返排作業(yè)難度，這些發(fā)展方向對酸液解堵劑的普及具有重要意義。