增强型地热系统水力压裂和储层损伤演化的试验及模型研究

【摘要】：能源是整个社会经济发展和正常运转的驱动力,为了保证国家能源安全,各国都在积极开发各种类型的能源品种。深部地热能是一种储量巨大、分布广泛、可再生的清洁能源,相比于浅部地热能,深部热储虽然温度很高,但由于岩体致密、天然孔隙度和渗透率低的原因,必须通过人工改造才能获得经济的地热流体。增强型地热系统(Enhanced Geothermal Systems,EGS)是一种通过改造低孔、低渗的干热岩储层,增大其导流能力,然后采用水或CO2等介质循环开采地热能的系统工程。目前世界上的EGS工程尚处于现场试验的研发阶段,其商业性开发还面临着技术、资金、政策和民众接受程度等诸多方面的挑战。其中,研发和改进关键技术,如地质勘查技术、深部钻探技术、储层改造技术和储层数值模拟技术等,是整个EGS开发中的重点和难点。这些关键技术的突破,可降低开发成本、减少环境影响和增加开发安全性,进而推动EGS的发展和商业化开发。EGS最关键的两项技术是储层改造技术和热开采技术。EGS储层改造技术最主要的手段是水力压裂,掌握水力裂缝的起裂及扩展规律,对于研究不同地质条件和压裂条件下水力裂缝的几何形态和渗透性质有重要作用。EGS示范工程设计年限很长(20年以上),这种长期的热开采过程涉及到温度-渗流-应力(THM)的多场耦合问题,长期注入低温水使储层的温度场和应力场一直在发生变化,储层岩石在这种长期温压变化下会逐渐发生损伤甚至破裂,使储层的渗透性质和规模发生二次改变,进而影响最终的产能。针对以上两个EGS开发中的关键问题,本文依托国家863项目子课题“干热岩靶区工程测试及人工压裂工艺技术研究”(项目编号:2012AA052801),开展了“增强型地热系统水力压裂和储层损伤演化的试验及模型研究”,采用室内试验、模型建立及程序开发、工程实例应用相结合的方法展开问题的研究。首先,根据压裂试验和岩石损伤试验结果开发了水力裂缝起裂、扩展程序和岩石损伤程序。然后,将编制的程序以模块的形式嵌入TOUGHREACT-FLAC3D多场耦合框架中,针对研究区(徐家围子)建立三维地质模型,进行了EGS储层改造和开采的数值模拟研究并评价了储层损伤对EGS产能的影响。最后,针对徐家围子地区又进行了支撑剂型压裂结合水平井技术进行干热岩开采的潜力评估,给出了最优的压裂策略和开采策略。具体开展了以下研究工作:(1)采用课题组自主研制的干热岩大尺寸水力压裂试验装置(300 mm×300 mm×300mm)进行了均质岩样和预设天然裂缝岩样的压裂试验。为研究低温注入对高温干热岩体压裂的影响,同时进行了均质样的常温压裂与高温压裂对比试验。根据破裂压力曲线和实时声发射监测结果,对试验结果进行了解释分析,研究得出裂缝沿着垂直最小水平主应力的平面延伸;高温压裂会形成多条裂缝,增大延伸压力和流动阻抗;天然裂缝网络对水力裂缝的延伸有很大影响;随着天然裂缝密度的增加,破裂压力和延伸压力会随之降低。(2)对于EGS水力裂缝起裂及扩展问题,利用弹塑性理论得出裂缝起裂判别模式及起裂压力,采用断裂力学的应力强度因子作为裂缝延伸准则,采用塑性理论表征水力裂缝的开度变化,采用平行板立方定律修正裂缝渗透率,利用FISH和FORTRAN语言编制了水力裂缝起裂及扩展程序,运用该程序建立数值模型与水力压裂试验结果进行了对比,研究结果表明所编制的水力压裂程序可以较好地模拟水力压裂过程,能够直观显示水力裂缝的几何形态和渗透率变化。(3)针对EGS储层开采中,因温度和压力变化而造成储层岩石损伤的问题,以25块印支期花岗闪长岩为例,进行了不同温度和围压下的岩石三轴压缩试验,主要对岩石的弹性模量和泊松比随温度和压力的变化规律进行了归纳总结。根据试验结果结合损伤力学,得出花岗岩弹性模量和泊松比在不同围压下随温度变化的损伤方程。(4)从地质角度出发,对松辽盆地的地质、地球物理、地热特征进行了调查研究,评价了松辽盆地徐家围子地区作为干热岩靶区的地质适宜性,得出适宜进行干热岩开采的目标层位,并对该目标层位的地应力、地层裂缝发育情况、岩石力学参数和热物性参数等进行了概括,为数值模拟评价该目标层的干热岩发电潜力提供数据支撑。(5)将水力压裂程序和岩石损伤程序编制成模块,嵌入TOUGHREACT-FLAC3D程序框架,以中国的干热岩潜力靶区—松辽盆地徐家围子场地为例,进行了目标储层—营城组的水力压裂和开采的数值模拟研究,研究得出由于营城组流纹岩断裂韧度以及闭合应力很高,生成的裂缝较短只有230 m左右,裂缝高度约40 m,最大开度为1.8 cm。对于EGS发电来说,最适宜注入流速为1 kg/s,20年间发电量为35.0 kw~6.8 kw,储层流动阻抗为0~2.9 MPa/(kg/s),水平井裂缝间不受干扰的裂缝间距应大于320 m。另外,通过损伤修正前后的对比,可以看出考虑损伤的出水温度和发电量比不考虑损伤的要低,因此在EGS的储层改造中,采用长期低温水的剪切刺激更有利于张开裂缝,增强改造效果,但在水流循环中,采用低温水虽然会进一步改造储层,但发电量会进一步降低。(6)以往基于支撑剂型水力压裂的EGS工程供暖和发电问题的研究很少,大部分研究仅仅是基于假设的水力裂缝进行EGS发电能力的研究。由于供暖和发电对产出温度的要求不同,加之储层条件、压裂策略和热开采策略组合的多样性,如何选择最优的策略对提高EGS的成功率和降低成本有重要意义。针对该问题,本文根据徐家围子真实地质资料,完成了以下工作:(1)进行了水力压裂施工参数的敏感性分析,包括地应力、支撑剂粒径、支撑剂浓度加载方式等对压裂结果的影响;(2)进行了基于水力裂缝的供暖和发电能力的参数敏感性分析;(3)根据水热耦合结果评价得出徐家围子营城组储层进行干热岩开采的最大发电量和最大供暖热量,以及它们分别对应的压裂储层条件、最优压裂施工策略和最优热开采策略。 【关键词】：增强型地热系统 干热岩 水力压裂 储层损伤 水热耦合 最优策略
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE357.1
【目录】：

• 中文摘要5-8
• Abstract8-15
• 第一章 绪论15-35
• 1.1 研究背景与选题依据15-18
• 1.1.1 研究背景15-17
• 1.1.2 选题依据17-18
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势18-29
• 1.2.1 EGS示范工程国内外研究现状18-22
• 1.2.2 水力压裂国内外研究现状22-27
• 1.2.3 岩石损伤的国内外研究现状27-29
• 1.3 EGS数值程序的国内外研究现状29-30
• 1.4 研究内容与技术路线30-32
• 1.4.1 研究内容30-32
• 1.4.2 技术路线32
• 1.5 本文创新点32-35
• 第二章 干热岩水力裂缝起裂及扩展规律研究35-61
• 2.1 引言35
• 2.2 干热岩大尺寸水力压裂试验研究35-50
• 2.2.1 干热岩大尺寸水力压裂试验系统介绍35-38
• 2.2.2 试样设计及制备38-40
• 2.2.3 圆柱样物理力学性质测定40-43
• 2.2.4 大尺寸水力压裂试验方法43-44
• 2.2.5 均质混凝土样的压裂试验结果44-48
• 2.2.6 天然裂缝混凝土样的压裂试验结果48-50
• 2.3 干热岩水力裂缝起裂及扩展程序的开发50-59
• 2.3.1 裂缝起裂模式判别及起裂压力确定51-54
• 2.3.2 裂缝的扩展准则54-55
• 2.3.3 地层在水压下的力学变形55-56
• 2.3.4 数值方法的实现及计算流程56-57
• 2.3.5 与室内试验对比57-59
• 2.4 本章小结59-61
• 第三章 EGS储层力学性质损伤规律研究61-74
• 3.1 引言61
• 3.2 不同温度和围压下岩石三轴试验61-66
• 3.2.1 试验设计思路61-62
• 3.2.2 试验样品制备62-63
• 3.2.3 试验仪器63-64
• 3.2.4 试验设计及步骤64
• 3.2.5 试验结果及分析64-66
• 3.3 温度-应力作用下的岩石损伤方程66-72
• 3.3.1 研究思路66
• 3.3.2 定义损伤变量66-67
• 3.3.3 不同温压下弹性模量损伤方程67-70
• 3.3.4 不同温压下泊松比损伤方程70-72
• 3.3.5 EGS储层损伤程序72
• 3.4 本章小结72-74
• 第四章 徐家围子场地作为干热岩靶区的地质适宜性分析74-89
• 4.1 引言74-75
• 4.2 松辽盆地地质概况75-78
• 4.2.1 区域地理概况75-76
• 4.2.2 深部断裂分布及地壳热结构76-77
• 4.2.3 区域地球物理特征77-78
• 4.3 徐家围子地质概况78-81
• 4.3.1 徐家围子沉积特征78-79
• 4.3.2 徐家围子地温场特征79-81
• 4.4 徐家围子干热岩资源开发优势分析81
• 4.4.1 徐家围子地热结构分析81
• 4.4.2 EGS工程施工优势分析81
• 4.5 莺深井区地质概况81-84
• 4.6 干热岩开采的目标储层特征84-87
• 4.6.1 地应力特征84-85
• 4.6.2 地层裂缝发育特征85-86
• 4.6.3 地层力学参数86
• 4.6.4 岩石热导率86-87
• 4.7 本章小结87-89
• 第五章 徐家围子清水压裂干热岩开采潜力研究89-106
• 5.1 引言89
• 5.2 EGS数值模拟器89-90
• 5.3 大尺寸模型水力压裂90-93
• 5.3.1 建立大尺寸模型90-92
• 5.3.2 水力压裂模拟结果92-93
• 5.4 小尺寸模型水力压裂93-94
• 5.4.1 网格划分93
• 5.4.2 注入压力曲线变化93-94
• 5.4.3 水力裂缝几何性质和渗透率94
• 5.5 EGS开采模拟研究94-104
• 5.5.1 发电系统的选择95-96
• 5.5.2 开采限制条件96-97
• 5.5.3 水热耦合模拟结果及讨论97-104
• 5.6 本章小结104-106
• 第六章 徐家围子支撑剂型压裂干热岩开采潜力研究106-131
• 6.1 引言106
• 6.2 储层分类106-107
• 6.3 储层力学参数107-108
• 6.4 压裂参数108-110
• 6.5 支撑剂型水力压裂数值模拟110-117
• 6.5.1 压裂模拟器110
• 6.5.2 压裂模型验证110-112
• 6.5.3 压裂模拟参数112
• 6.5.4 水力压裂模拟结果及讨论112-117
• 6.6 水热耦合产出数值模拟117-129
• 6.6.1 水热耦合模拟器117
• 6.6.2 开采设计117-118
• 6.6.3 开采限制条件118-119
• 6.6.4 网格剖分及参数设置119-121
• 6.6.5 水热耦合模拟结果及讨论121-129
• 6.7 本章小结129-131
• 第七章 结论与建议131-134
• 7.1 结论131-133
• 7.2 建议及展望133-134
• 参考文献134-147
• 作者简介及科研成果147-149
• 致谢149

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