智能示踪剂用于绘制注入流动图，促进井间连通，为整个地热田开发做好准备。这种超高精度的纳米颗粒示踪剂，设计耐温性高达2000华氏度(1093摄氏度)，将首次用于绘制多级地热井的井间流动连通图，这是今年晚些时候启动的德克萨斯州南部试点项目的一部分。
首先，在德克萨斯海湾沿岸计划进行多井地热开发，利用超高温示踪技术来绘制注入流体的流动路径，该技术已广泛用于非常规油气井每个井段的流动描述。这将确保注水井与加热产盐水井之间有足够的热传递。这口高温、高压(HTHP)测试井的钻井作业将开启德克萨斯州有史以来第一个商业规模的地热开发。
图1 德克萨斯州的油气井在井深12000英尺处的井底温度，深橙色区域的温度为300至320华氏度。
油气技术正陆续应用于不断发展的地热领域，例如大狗腿角水平井、多级完井和闭路循环系统等常规建井技术，智能纳米颗粒示踪剂的使用也是如此。与油气井一样，通过在井口回收特殊标记的非放射性示踪剂，可精确测量从注入井到生产井的流动路径的流量。
通过数据分析，可以清楚地识别出水量不足的井段，从而避免常规利用猜测来评估地热流动的情况。然而，与多口井的非常规油藏开发不同，为了促进最大的热传递，新型示踪剂的分析结果将用于促进而不是避免井间的直接连通。
Criterion地热系统Water Oak 1 (CGS-WO1)项目的试井与储层管理计划，将结合示踪技术和数据分析，为最优垂直与水平井距、注入排量以及未来的整体开发战略提供最佳参考。如图1，两期地热开发项目中的井，均位于一个大型化学制造设施旁边，正重新利用油气设施进行钻探。
美国能源部(DOE)的地热技术办公室已成立两年，关注到了这些孤立油区的内在潜力，于今年1月拨款840万美元，用于评估废弃油气井的地热机会，以支持拜登政府提出的在2035年前实现无碳电网的宏伟目标。
- 地热无处不在
图2、传统地热项目与新型深层干热岩系统(ESG) 的对比
美国能源部于2021年2月通过犹他大学已开展了7年的地热能研究前沿观察站(FORGE)计划，为地热项目提供了4600万美元的资金。自2015年以来，美国能源部运作的FORGE项目已成为科学家和工程师开发、测试、推动干热岩系统（EGS）技术与工艺突破的专用场所。
与利用深层岩层中的天然蒸汽或高温水的传统地热系统不同，ESG通常被描述为在高压下注水，以重新打开并扩展深层岩石中天然裂缝，使热水或蒸汽流入直径更大的生产井筒，如图2。ESG的主要目标是，建设现场地热发电厂后的发电成本能够与竞争对手的可再生能源相匹配。德克萨斯州南部项目的技术方案旨在将平准化电力成本（LCOE）降低至45美元/兆瓦时，使其未来几年在德克萨斯州等市场上更具竞争力，见图3。
政府推动这些举措的目标是充分利用与开发地热资源，将其扩展到温度梯度非常高且接近地表的区域以外。在全球范围内，地热能在冰岛与环太平洋地区得到了广泛开发，而在美国，商业地热能开发主要集中在加利福尼亚州与内华达州，这些地区的地质条件类似。Water Oak 1试验井被描述为中低焓资源，预计其目标砂岩储层的静态井底温度（BHT）在300至350华氏度（150至180摄氏度）之间，垂深（TVD）约为13500至15000英尺，设计水平位移为3000至4000英尺，该井的斜深（MD）约为17000英尺。
图3、Criterion技术路线图显示，通过对比分析，德克萨斯州南部项目的地热能与储存的平准化成本低于2019年可再生能源的成本。
除了钻进与测试另外几口生产井和注入井之外，德克萨斯州南部项目二期还包括现场建设一座可扩容的20兆瓦(MWe)二元有机朗肯循环(ORC)发电厂，该发电厂具有直接吸热能力，如图4所示。双循环装置利用井底温度高达225至360华氏度(107.2至182.2摄氏度)的储层热量将作业流体煮沸，随后在热交换器中蒸发，用于驱动发电机。
图4、计划要求利用Water Oak地热井的生产井，为二元有机郎肯循环（ORC）发电站提供能量。
项目二期的初步完成目标，包括建设发电厂，将在二期的最终投资决定 (FID) 大约两年后完成。将同步进行延长试井计划与热电设施的测试和调试。
这座ORC设施的预计发电能力达到20兆瓦，将足以为石化设施提供补充电力，并在此过程中减少1类与2类排放。具体而言，该设施的设计目的是在项目全生命周期内实现减排180万吨二氧化碳当量(CO2e)。一旦部署，预计该解决方案将推广至德克萨斯州墨西哥湾沿岸的一些感兴趣的地区，这些地区的工业脱碳影响要大得多。 - 自适应技术
迄今为止，地热研究、设计、开发举措主要集中在提高冶金完整性，研发新技术，改进做法，从而能够在高温下钻井与建井，钻穿抗压强度高达50000psi的易裂岩石。
例如，为了尽可能降低温度对井下工具的影响，WO1 Phase 1井将在钻完井作业期间使用连续循环设备来降低循环温度。此外，设计孔隙压力梯度约为0.7~0.8psi/ft，需要依靠泥浆密度与压力控制设备，来实现平衡或过平衡钻井。在这种过平衡环境下，还可以利用控压钻井(MPD)技术，以提高整体钻井性能。
最近业内更多的注意力集中在增产与完井策略以及了解目标储层中的流动特性，以推动大规模过渡至多级水平地热井的进程。虽然一些地热开发商计划使用带有分布式声波/温度传感(DAS/DTS)的光纤，来确定流体剖面与布置井位，但该技术成本高且复杂。与其他诊断技术相比，使用纳米颗粒示踪剂是一种成本更低、更精确的替代方法，尤其是对于周期长的地热项目。
经过数百口非常规油气井的验证，FloTrac超高精度纳米颗粒示踪剂能够持续量化单个压裂段的流动特性，而常规井往往无法描述压裂段的流动特征，因为该作业成本极高。事实证明，这种非侵入性纳米颗粒示踪剂与现场诊断相结合，可提供准确且近乎实时的检测，远超传统受温度限制的化学示踪剂与昂贵的光纤测量或DNA测序技术的能力。
这种纳米颗粒示踪剂产品组合拥有直径仅1微米的独有惰性纳米颗粒，专为实现亚原子级检测精度而配制（如图 5），可实现与产量成比例的地面回收率。根据油田诊断数据的差异，该技术在识别非生产段、产量最小井段以及绘制整个油田的井间连通图等方面，表现出很高的精度。
图5、这种非侵入性纳米颗粒示踪剂与常规压裂支撑剂的关系
当与亚原子级测量相结合时，该示踪剂提供了准确、可靠的检测能力。此外，实验室分析结合大数据分析、先进的三维油藏流动可视化、纳米颗粒检测功能，可以提供精确、已校准且经济有效的完井和注入诊断结果。
在该开发项目伊始，确保低成本结构被列为首要标准，从而设计出一种与油、水同样兼容的单一示踪剂配方。 - 地下差异
尽管借鉴了现有的常规油气技术与工艺，但地热项目在许多方面都与油气开采存在很大差异，例如明显不同的生产流体、注入速率与温度稳定性要求等。首先，地热井的井径相对更大，需要产生足够的流量，以弥补烃类和热水或盐水之间巨大的能量密度差异。
这种差异延伸至纳米颗粒示踪剂的应用。当泵入非常规油气井时，该技术的主要目标是检测与表征驱替开采过程，以及作业井（母井）与邻井（子井）之间的压裂连通，从而为选择补救措施提供分析，并可为多井平台的后续水平井的井眼轨迹设计提供指导。
随着这种示踪剂应用于多级地热井，上述目标发生了转变。在这种情况下，实现热量的最大化提取，需要注入井与每口生产井之间拥有最佳、均匀的连通，因为这会影响注入策略与项目经济性。
CGS-WO1完井方案的目的是利用基岩渗透性，而不是完全依靠诱导裂缝。它的特点可能是两者结合，并具有足够的连通来实现压力支持，而且不需要在短时间内循环注入流体或示踪剂。这种先进的示踪技术可提供更多关于储层裂缝的信息，例如裂缝的流动特征、裂缝的导流能力等。
图6显示了德克萨斯南部Eagle Ford页岩气井每个井段的流量剖面透视图，在21天的时间里，每天监测30个井段。与非常规油气井一样，对地热井进行分段流量测绘，可通过消除和/或修复低效井段，显著降低成本与环境影响。 - WO1井的完井策略
可能性最大的完井方案是将封隔器、机械激活式滑套与筛管相结合，以适配高流速的生产环境。滑套将与大直径生产套管串联安装，预计在增加控制短节与接头的情况下，不会对通径造成过多限制。
鉴于计算出的储层渗透率与孔隙度在1至数百毫达西之间，预计地层原有压力将提供足够的输送能力和产能指数，使示踪剂可在整个储层中流动，而无需太多的人工增产措施。
试井目标是在较长的一段时间内，实现地热盐水的持续流速达到或高于目标流速。在确定是否需要人工举升与重新注入生产层之前，将在项目第一阶段进行压力积聚与下降测试，以不断了解储层的体积、限制以及长期产能。
在完井作业期间，以及完井后注入井的注液期间，都会在每个井段注入根据地层温度定制的纳米颗粒示踪剂。总共计划应用多达30种独特配方的示踪剂，设计示踪剂浓度将以每天注入的总体积的百万分之几 (PPM) 为单位。
计划对所有相邻的地热井进行每日取样与亚原子样品分析，以进行井间流动测绘和诊断。直接在各个井口采集样品，这将能够在每口井回收示踪剂时，检测到最佳信号。现场团队在处理高温样品时特别小心，严格遵循采样质量保证/质量控制（QAQC）协议。因此，同时应用智能纳米粒子示踪剂与压力干扰分析，可加深对储层的了解。 - 未来场景
根据当前资源可行性评估的试井结果，该发电厂有潜力扩大规模，以提供数百兆瓦的发电能力。基于对该地热潜力的正面评价，最终可能会钻探超过75口井，为整个德克萨斯州的进一步开发奠定基础。
因此，该纳米颗粒示踪剂可在整个资产开发中发挥关键作用，可为未来的水平井着陆提供精确的诊断分析，并有助于优化后续井的间距、优化注入速率、促进最佳与最有效的井间连通，以及更重要的是，可更有效地提取热量以发电。
应用这种智能示踪技术，结合高级诊断、水平钻井以及多级完井技术，是一种新颖且激进的策略，有助于提高地热开发的经济性与效率，使这种储量丰富、无排放的可靠能源，能够与其他能源形成互补。(2022年7月6日)