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武漢岩土所在幹熱岩熱儲改造技術研發方面取得進展
2020-09-21    打印 關閉

  我國相關政策爲地熱能産業發展提供了有利支持,使得地熱能産業進入了發展的快車道。2018年,我國出台了首部地熱能開發利用十三五規劃,規劃指出2015-2020年能源消費比重中非化石能源增長3個百分點,這裏面地熱能占1/3,呈現了三分天下有其一的良好局面。 

  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幹熱岩型。傳統的水熱型地熱能開發相關技術已經很成熟,目前公認的卡脖子技術難題在于砂岩熱儲的自然回灌效率較低。幹熱岩與天然氣水合物並稱爲中國具有戰略意義的未來能源,據估算3-10 km的幹熱岩資源量約爲856萬億噸標准煤,以2%的可采量來計算,單純依靠幹熱岩即可滿足中國幾千年的能源消耗需求。但是實現幹熱岩中的能源高效開發是一項極具挑戰性的工作,國際上開展了30多項示範工程項目,盡管逐漸積累了幹熱岩熱儲建造和開發經驗,但由于地質條件的複雜性和差異性等,每個項目的技術經驗都無法直接複制應用到下一個項目中,且幹熱岩工程項目初投資巨大,目前的經濟性較低,使得幹熱岩的開發進展十分緩慢。 

  幹熱岩的成功開發取決于建立大體積人工熱儲(>1 km3)的能力,這就需要産生大規模的裂隙網絡,既要保證有大面積的換熱通道來進行長期的熱能提取,又要避免采熱井發生過早的熱突破導致采熱效率降低。在深井(約>5000米)、高溫(>150°C)和高地應力的硬岩(即花崗岩)中建造複雜的裂縫網絡,既取決于壓裂前地層中天然裂縫分布、地溫場、應力場和岩石物性等特征,又取決于熱儲激發技術和激發方案。 

  水力压裂改造前干热岩储层中裂縫系统分布和地温场的合理表征影响着热储激发中裂縫的扩展和裂縫网络的构建,中國科學院武汉岩土力学研究所利用基于多源数据(包括地震、测井、钻井等)融合的地质建模和参数随机反演相结合的方法,提出了强边界约束的区块尺度热储预测方法(图1),爲熱儲的水力壓裂改造提供了可靠的地質模型。 

  針對現有水力壓裂商業軟件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,基于擬連續介質理論,考慮複雜縫網擴展、井--孔多重介質多相滲流、傳熱傳質和熱--固多場耦合響應等物理過程,與重慶大學合作開發了基于FLAC3D平台的裂隙岩体多物理场耦合的水力裂縫扩展三维数值仿真模拟程序,可实现在不同级别天然裂縫和非均质性地层中水力裂縫的扭转、相交和穿越等的数值模拟,开发的基于CPUGPU异构的并行计算程序,可实现多物理场强耦合条件下百万级自由度数值仿真计算的高效和精确求解,已经应用于复杂天然裂縫存在条件下干热岩和页岩等的水力压裂储层改造二维和三维数值模拟研究中(图2和圖3),並實現了幹熱岩水力壓裂儲層改造效果快速産能評價的仿真模擬(圖4)。 

  针对传统单一水力压裂技术难以在干热岩内建立有效的裂縫网络的难题,提出了冷水交替热刺激-基質化學刺激-水力压裂联合的复合热储体积改造技术,揭示了热刺激、化学刺激对干热岩微观损伤的破坏机理,热刺激和基質化學刺激可使干热岩的渗透能力提高5個數量級以上,且力學強度有不同程度的損傷(圖5)。在复合刺激工艺流程方面,可先冷水交替循环注入刺激使得压裂井段周围产生热破裂,低温下注入土酸进行酸化刺激来扩大微破裂的区域,继而开展高压水力压裂改造形成主裂縫和次级裂縫区,进一步开展长时间的低压水力压裂,以增大刺激裂縫和微裂縫通道。干热岩复合热储刺激工艺目前处于实验室研发阶段,下一步将在场地开展实验研究。 

    相关研究成果已发表于SCI期刊Geothermal EnergyJournal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering等,第一作者为武汉岩土所刘贺娟副研究員,研究成果主要由中科院百人计划项目、国家自然科学基金项目(51809259)、岩土力學與工程國家重點實驗室開放基金、深地科學與工程教育部重點實驗室開放基金等資助。

图1. 不同底边界约束条件下区块尺度含复杂裂縫的热储层热模拟与实测数据的比较

图1. 不同底边界约束条件下区块尺度含复杂裂縫的热储层热模拟与实测数据的比较

图2. 不同水力压裂改造方式在含天然裂縫岩体中产生的二维裂縫网络

图2. 不同水力压裂改造方式在含天然裂縫岩体中产生的二维裂縫网络

图3. 含天然裂縫岩体中地应力对水力压裂改造形成的三维裂縫网络形态的影响

图3. 含天然裂縫岩体中地应力对水力压裂改造形成的三维裂縫网络形态的影响

图4. 不同水力压裂改造形成的裂縫网络系统的地热开采温度场变化

图4. 不同水力压裂改造形成的裂縫网络系统的地热开采温度场变化

图5. 热刺激和化学刺激引起的干热岩渗透性能变化和力学强度损伤特征

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