武漢巖土所在乾熱巖熱儲改造技術研發中取得進展

2020-09-28 中國能源報

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我國為地熱能產業發展提供有利支持，使地熱能產業進入發展的快車道。我國中深層地熱開發的兩類基本熱儲包括傳統的水熱型和乾熱巖型。傳統的水熱型地熱能開發相關技術已經成熟，目前的技術難題在於砂巖熱儲的自然回灌效率較低。乾熱巖與天然氣水合物被並稱為具有重要意義的未來能源，但高效開發乾熱巖中的能源具有挑戰性，國際上已開展30多項示範工程項目，儘管已逐漸積累乾熱巖熱儲建造和開發經驗，但由於地質條件的複雜性和差異性等，單個項目的技術經驗無法直接複製應用到下一個項目中，且乾熱巖工程項目初期投資大，而目前的經濟性較低，導致乾熱巖的開發進展緩慢。

能否開發乾熱巖取決於建立大體積人工熱儲(>1km3)的能力，其需要產生大規模的裂隙網絡，既保證有大面積的換熱通道進行長期的熱能提取，又避免採熱井發生過早的熱突破而導致採熱效率降低。在深井(約>5000米)、高溫(>150°C)和高地應力的硬巖(即花崗巖)中建造複雜的裂縫網絡，取決於壓裂前地層中天然裂縫分布、地溫場、應力場和巖石物性等特徵和熱儲激發技術和激發方案。

水力壓裂改造前乾熱巖儲層中裂縫系統分布和地溫場的合理表徵，影響熱儲激發中裂縫的擴展和裂縫網絡的構建，中國科學院武漢巖土力學研究所結合基於多源數據(包括地震、測井、鑽井等)融合的地質建模和參數隨機反演，提出強邊界約束的區塊尺度熱儲預測方法(圖1)，為熱儲的水力壓裂改造提供地質模型。

針對現有水力壓裂商業軟體大多無法實現複雜不同級別天然裂縫存在情況下的水力壓裂縫扭轉、相交和穿越等的模擬，基於擬連續介質理論，考慮複雜縫網擴展、井-縫-孔多重介質多相滲流、傳熱傳質和熱-流-固多場耦合響應等物理過程，研究人員與重慶大學合作開發出基於FLAC3D平臺的裂隙巖體多物理場耦合的水力裂縫擴展三維數值仿真模擬程序，可實現在不同級別天然裂縫和非均質性地層中水力裂縫的扭轉、相交和穿越等的數值模擬;開發的基於CPU和GPU異構的並行計算程序，可實現多物理場強耦合條件下百萬級自由度數值仿真計算的高效和精確求解，已應用於複雜天然裂縫存在條件下乾熱巖和頁巖等的水力壓裂儲層改造二維和三維數值模擬研究中(圖2、圖3)，實現乾熱巖水力壓裂儲層改造效果快速產能評價的仿真模擬(圖4)。

針對傳統單一水力壓裂技術難以在乾熱巖內建立有效裂縫網絡的難題，研究人員提出冷水交替熱刺激-基質化學刺激-水力壓裂聯合的複合熱儲體積改造技術，揭示熱刺激、化學刺激對乾熱巖微觀損傷的破壞機理，熱刺激和基質化學刺激可使乾熱巖的滲透能力提高5個數量級以上，且力學強度具有不同程度損傷(圖5)。在複合刺激工藝流程方面，可先冷水交替循環注入刺激使壓裂井段周圍產生熱破裂，低溫下注入土酸進行酸化刺激以擴大微破裂的區域，繼而開展高壓水力壓裂改造形成主裂縫和次級裂縫區，進一步開展長時間的低壓水力壓裂，以增大刺激裂縫和微裂縫通道。目前，乾熱巖複合熱儲刺激工藝處於實驗室研發階段，下一步研究人員將在場地開展實驗研究。

相關研究成果發表在Geothermal Energy和Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering等上，武漢巖土所副研究員劉賀娟為論文第一作者。

圖1.不同底邊界約束條件下區塊尺度含複雜裂縫的熱儲層熱模擬與實測數據的比較

圖2.不同水力壓裂改造方式在含天然裂縫巖體中產生的二維裂縫網絡

圖3.含天然裂縫巖體中地應力對水力壓裂改造形成的三維裂縫網絡形態的影響

圖4.不同水力壓裂改造形成的裂縫網絡系統的地熱開採溫度場變化

圖5.熱刺激和化學刺激引起的乾熱巖滲透性能變化和力學強度損傷特徵

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