增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)水力壓裂和儲(chǔ)層損傷演化的試驗(yàn)及模型研究

【摘要】：能源是整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和正常運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力,為了保證國(guó)家能源安全,各國(guó)都在積極開(kāi)發(fā)各種類型的能源品種。深部地?zé)崮苁且环N儲(chǔ)量巨大、分布廣泛、可再生的清潔能源,相比于淺部地?zé)崮?深部熱儲(chǔ)雖然溫度很高,但由于巖體致密、天然孔隙度和滲透率低的原因,必須通過(guò)人工改造才能獲得經(jīng)濟(jì)的地?zé)崃黧w。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(Enhanced Geothermal Systems,EGS)是一種通過(guò)改造低孔、低滲的干熱巖儲(chǔ)層,增大其導(dǎo)流能力,然后采用水或CO2等介質(zhì)循環(huán)開(kāi)采地?zé)崮艿南到y(tǒng)工程。目前世界上的EGS工程尚處于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的研發(fā)階段,其商業(yè)性開(kāi)發(fā)還面臨著技術(shù)、資金、政策和民眾接受程度等諸多方面的挑戰(zhàn)。其中,研發(fā)和改進(jìn)關(guān)鍵技術(shù),如地質(zhì)勘查技術(shù)、深部鉆探技術(shù)、儲(chǔ)層改造技術(shù)和儲(chǔ)層數(shù)值模擬技術(shù)等,是整個(gè)EGS開(kāi)發(fā)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。這些關(guān)鍵技術(shù)的突破,可降低開(kāi)發(fā)成本、減少環(huán)境影響和增加開(kāi)發(fā)安全性,進(jìn)而推動(dòng)EGS的發(fā)展和商業(yè)化開(kāi)發(fā)。EGS最關(guān)鍵的兩項(xiàng)技術(shù)是儲(chǔ)層改造技術(shù)和熱開(kāi)采技術(shù)。EGS儲(chǔ)層改造技術(shù)最主要的手段是水力壓裂,掌握水力裂縫的起裂及擴(kuò)展規(guī)律,對(duì)于研究不同地質(zhì)條件和壓裂條件下水力裂縫的幾何形態(tài)和滲透性質(zhì)有重要作用。EGS示范工程設(shè)計(jì)年限很長(zhǎng)(20年以上),這種長(zhǎng)期的熱開(kāi)采過(guò)程涉及到溫度-滲流-應(yīng)力(THM)的多場(chǎng)耦合問(wèn)題,長(zhǎng)期注入低溫水使儲(chǔ)層的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)一直在發(fā)生變化,儲(chǔ)層巖石在這種長(zhǎng)期溫壓變化下會(huì)逐漸發(fā)生損傷甚至破裂,使儲(chǔ)層的滲透性質(zhì)和規(guī)模發(fā)生二次改變,進(jìn)而影響最終的產(chǎn)能。針對(duì)以上兩個(gè)EGS開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵問(wèn)題,本文依托國(guó)家863項(xiàng)目子課題“干熱巖靶區(qū)工程測(cè)試及人工壓裂工藝技術(shù)研究”(項(xiàng)目編號(hào):2012AA052801),開(kāi)展了“增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)水力壓裂和儲(chǔ)層損傷演化的試驗(yàn)及模型研究”,采用室內(nèi)試驗(yàn)、模型建立及程序開(kāi)發(fā)、工程實(shí)例應(yīng)用相結(jié)合的方法展開(kāi)問(wèn)題的研究。首先,根據(jù)壓裂試驗(yàn)和巖石損傷試驗(yàn)結(jié)果開(kāi)發(fā)了水力裂縫起裂、擴(kuò)展程序和巖石損傷程序。然后,將編制的程序以模塊的形式嵌入TOUGHREACT-FLAC3D多場(chǎng)耦合框架中,針對(duì)研究區(qū)(徐家圍子)建立三維地質(zhì)模型,進(jìn)行了EGS儲(chǔ)層改造和開(kāi)采的數(shù)值模擬研究并評(píng)價(jià)了儲(chǔ)層損傷對(duì)EGS產(chǎn)能的影響。最后,針對(duì)徐家圍子地區(qū)又進(jìn)行了支撐劑型壓裂結(jié)合水平井技術(shù)進(jìn)行干熱巖開(kāi)采的潛力評(píng)估,給出了最優(yōu)的壓裂策略和開(kāi)采策略。具體開(kāi)展了以下研究工作:(1)采用課題組自主研制的干熱巖大尺寸水力壓裂試驗(yàn)裝置(300 mm×300 mm×300mm)進(jìn)行了均質(zhì)巖樣和預(yù)設(shè)天然裂縫巖樣的壓裂試驗(yàn)。為研究低溫注入對(duì)高溫干熱巖體壓裂的影響,同時(shí)進(jìn)行了均質(zhì)樣的常溫壓裂與高溫壓裂對(duì)比試驗(yàn)。根據(jù)破裂壓力曲線和實(shí)時(shí)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了解釋分析,研究得出裂縫沿著垂直最小水平主應(yīng)力的平面延伸;高溫壓裂會(huì)形成多條裂縫,增大延伸壓力和流動(dòng)阻抗;天然裂縫網(wǎng)絡(luò)對(duì)水力裂縫的延伸有很大影響;隨著天然裂縫密度的增加,破裂壓力和延伸壓力會(huì)隨之降低。(2)對(duì)于EGS水力裂縫起裂及擴(kuò)展問(wèn)題,利用彈塑性理論得出裂縫起裂判別模式及起裂壓力,采用斷裂力學(xué)的應(yīng)力強(qiáng)度因子作為裂縫延伸準(zhǔn)則,采用塑性理論表征水力裂縫的開(kāi)度變化,采用平行板立方定律修正裂縫滲透率,利用FISH和FORTRAN語(yǔ)言編制了水力裂縫起裂及擴(kuò)展程序,運(yùn)用該程序建立數(shù)值模型與水力壓裂試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,研究結(jié)果表明所編制的水力壓裂程序可以較好地模擬水力壓裂過(guò)程,能夠直觀顯示水力裂縫的幾何形態(tài)和滲透率變化。(3)針對(duì)EGS儲(chǔ)層開(kāi)采中,因溫度和壓力變化而造成儲(chǔ)層巖石損傷的問(wèn)題,以25塊印支期花崗閃長(zhǎng)巖為例,進(jìn)行了不同溫度和圍壓下的巖石三軸壓縮試驗(yàn),主要對(duì)巖石的彈性模量和泊松比隨溫度和壓力的變化規(guī)律進(jìn)行了歸納總結(jié)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合損傷力學(xué),得出花崗巖彈性模量和泊松比在不同圍壓下隨溫度變化的損傷方程。(4)從地質(zhì)角度出發(fā),對(duì)松遼盆地的地質(zhì)、地球物理、地?zé)崽卣鬟M(jìn)行了調(diào)查研究,評(píng)價(jià)了松遼盆地徐家圍子地區(qū)作為干熱巖靶區(qū)的地質(zhì)適宜性,得出適宜進(jìn)行干熱巖開(kāi)采的目標(biāo)層位,并對(duì)該目標(biāo)層位的地應(yīng)力、地層裂縫發(fā)育情況、巖石力學(xué)參數(shù)和熱物性參數(shù)等進(jìn)行了概括,為數(shù)值模擬評(píng)價(jià)該目標(biāo)層的干熱巖發(fā)電潛力提供數(shù)據(jù)支撐。(5)將水力壓裂程序和巖石損傷程序編制成模塊,嵌入TOUGHREACT-FLAC3D程序框架,以中國(guó)的干熱巖潛力靶區(qū)—松遼盆地徐家圍子場(chǎng)地為例,進(jìn)行了目標(biāo)儲(chǔ)層—營(yíng)城組的水力壓裂和開(kāi)采的數(shù)值模擬研究,研究得出由于營(yíng)城組流紋巖斷裂韌度以及閉合應(yīng)力很高,生成的裂縫較短只有230 m左右,裂縫高度約40 m,最大開(kāi)度為1.8 cm。對(duì)于EGS發(fā)電來(lái)說(shuō),最適宜注入流速為1 kg/s,20年間發(fā)電量為35.0 kw~6.8 kw,儲(chǔ)層流動(dòng)阻抗為0~2.9 MPa/(kg/s),水平井裂縫間不受干擾的裂縫間距應(yīng)大于320 m。另外,通過(guò)損傷修正前后的對(duì)比,可以看出考慮損傷的出水溫度和發(fā)電量比不考慮損傷的要低,因此在EGS的儲(chǔ)層改造中,采用長(zhǎng)期低溫水的剪切刺激更有利于張開(kāi)裂縫,增強(qiáng)改造效果,但在水流循環(huán)中,采用低溫水雖然會(huì)進(jìn)一步改造儲(chǔ)層,但發(fā)電量會(huì)進(jìn)一步降低。(6)以往基于支撐劑型水力壓裂的EGS工程供暖和發(fā)電問(wèn)題的研究很少,大部分研究?jī)H僅是基于假設(shè)的水力裂縫進(jìn)行EGS發(fā)電能力的研究。由于供暖和發(fā)電對(duì)產(chǎn)出溫度的要求不同,加之儲(chǔ)層條件、壓裂策略和熱開(kāi)采策略組合的多樣性,如何選擇最優(yōu)的策略對(duì)提高EGS的成功率和降低成本有重要意義。針對(duì)該問(wèn)題,本文根據(jù)徐家圍子真實(shí)地質(zhì)資料,完成了以下工作:(1)進(jìn)行了水力壓裂施工參數(shù)的敏感性分析,包括地應(yīng)力、支撐劑粒徑、支撐劑濃度加載方式等對(duì)壓裂結(jié)果的影響;(2)進(jìn)行了基于水力裂縫的供暖和發(fā)電能力的參數(shù)敏感性分析;(3)根據(jù)水熱耦合結(jié)果評(píng)價(jià)得出徐家圍子營(yíng)城組儲(chǔ)層進(jìn)行干熱巖開(kāi)采的最大發(fā)電量和最大供暖熱量,以及它們分別對(duì)應(yīng)的壓裂儲(chǔ)層條件、最優(yōu)壓裂施工策略和最優(yōu)熱開(kāi)采策略。 【關(guān)鍵詞】：增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng) 干熱巖 水力壓裂 儲(chǔ)層損傷 水熱耦合 最優(yōu)策略
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TE357.1
【目錄】：

• 中文摘要5-8
• Abstract8-15
• 第一章 緒論15-35
• 1.1 研究背景與選題依據(jù)15-18
• 1.1.1 研究背景15-17
• 1.1.2 選題依據(jù)17-18
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)18-29
• 1.2.1 EGS示范工程國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-22
• 1.2.2 水力壓裂國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀22-27
• 1.2.3 巖石損傷的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀27-29
• 1.3 EGS數(shù)值程序的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀29-30
• 1.4 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線30-32
• 1.4.1 研究?jī)?nèi)容30-32
• 1.4.2 技術(shù)路線32
• 1.5 本文創(chuàng)新點(diǎn)32-35
• 第二章 干熱巖水力裂縫起裂及擴(kuò)展規(guī)律研究35-61
• 2.1 引言35
• 2.2 干熱巖大尺寸水力壓裂試驗(yàn)研究35-50
• 2.2.1 干熱巖大尺寸水力壓裂試驗(yàn)系統(tǒng)介紹35-38
• 2.2.2 試樣設(shè)計(jì)及制備38-40
• 2.2.3 圓柱樣物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定40-43
• 2.2.4 大尺寸水力壓裂試驗(yàn)方法43-44
• 2.2.5 均質(zhì)混凝土樣的壓裂試驗(yàn)結(jié)果44-48
• 2.2.6 天然裂縫混凝土樣的壓裂試驗(yàn)結(jié)果48-50
• 2.3 干熱巖水力裂縫起裂及擴(kuò)展程序的開(kāi)發(fā)50-59
• 2.3.1 裂縫起裂模式判別及起裂壓力確定51-54
• 2.3.2 裂縫的擴(kuò)展準(zhǔn)則54-55
• 2.3.3 地層在水壓下的力學(xué)變形55-56
• 2.3.4 數(shù)值方法的實(shí)現(xiàn)及計(jì)算流程56-57
• 2.3.5 與室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比57-59
• 2.4 本章小結(jié)59-61
• 第三章 EGS儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)損傷規(guī)律研究61-74
• 3.1 引言61
• 3.2 不同溫度和圍壓下巖石三軸試驗(yàn)61-66
• 3.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路61-62
• 3.2.2 試驗(yàn)樣品制備62-63
• 3.2.3 試驗(yàn)儀器63-64
• 3.2.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及步驟64
• 3.2.5 試驗(yàn)結(jié)果及分析64-66
• 3.3 溫度-應(yīng)力作用下的巖石損傷方程66-72
• 3.3.1 研究思路66
• 3.3.2 定義損傷變量66-67
• 3.3.3 不同溫壓下彈性模量損傷方程67-70
• 3.3.4 不同溫壓下泊松比損傷方程70-72
• 3.3.5 EGS儲(chǔ)層損傷程序72
• 3.4 本章小結(jié)72-74
• 第四章 徐家圍子場(chǎng)地作為干熱巖靶區(qū)的地質(zhì)適宜性分析74-89
• 4.1 引言74-75
• 4.2 松遼盆地地質(zhì)概況75-78
• 4.2.1 區(qū)域地理概況75-76
• 4.2.2 深部斷裂分布及地殼熱結(jié)構(gòu)76-77
• 4.2.3 區(qū)域地球物理特征77-78
• 4.3 徐家圍子地質(zhì)概況78-81
• 4.3.1 徐家圍子沉積特征78-79
• 4.3.2 徐家圍子地溫場(chǎng)特征79-81
• 4.4 徐家圍子干熱巖資源開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)分析81
• 4.4.1 徐家圍子地?zé)峤Y(jié)構(gòu)分析81
• 4.4.2 EGS工程施工優(yōu)勢(shì)分析81
• 4.5 鶯深井區(qū)地質(zhì)概況81-84
• 4.6 干熱巖開(kāi)采的目標(biāo)儲(chǔ)層特征84-87
• 4.6.1 地應(yīng)力特征84-85
• 4.6.2 地層裂縫發(fā)育特征85-86
• 4.6.3 地層力學(xué)參數(shù)86
• 4.6.4 巖石熱導(dǎo)率86-87
• 4.7 本章小結(jié)87-89
• 第五章 徐家圍子清水壓裂干熱巖開(kāi)采潛力研究89-106
• 5.1 引言89
• 5.2 EGS數(shù)值模擬器89-90
• 5.3 大尺寸模型水力壓裂90-93
• 5.3.1 建立大尺寸模型90-92
• 5.3.2 水力壓裂模擬結(jié)果92-93
• 5.4 小尺寸模型水力壓裂93-94
• 5.4.1 網(wǎng)格劃分93
• 5.4.2 注入壓力曲線變化93-94
• 5.4.3 水力裂縫幾何性質(zhì)和滲透率94
• 5.5 EGS開(kāi)采模擬研究94-104
• 5.5.1 發(fā)電系統(tǒng)的選擇95-96
• 5.5.2 開(kāi)采限制條件96-97
• 5.5.3 水熱耦合模擬結(jié)果及討論97-104
• 5.6 本章小結(jié)104-106
• 第六章 徐家圍子支撐劑型壓裂干熱巖開(kāi)采潛力研究106-131
• 6.1 引言106
• 6.2 儲(chǔ)層分類106-107
• 6.3 儲(chǔ)層力學(xué)參數(shù)107-108
• 6.4 壓裂參數(shù)108-110
• 6.5 支撐劑型水力壓裂數(shù)值模擬110-117
• 6.5.1 壓裂模擬器110
• 6.5.2 壓裂模型驗(yàn)證110-112
• 6.5.3 壓裂模擬參數(shù)112
• 6.5.4 水力壓裂模擬結(jié)果及討論112-117
• 6.6 水熱耦合產(chǎn)出數(shù)值模擬117-129
• 6.6.1 水熱耦合模擬器117
• 6.6.2 開(kāi)采設(shè)計(jì)117-118
• 6.6.3 開(kāi)采限制條件118-119
• 6.6.4 網(wǎng)格剖分及參數(shù)設(shè)置119-121
• 6.6.5 水熱耦合模擬結(jié)果及討論121-129
• 6.7 本章小結(jié)129-131
• 第七章 結(jié)論與建議131-134
• 7.1 結(jié)論131-133
• 7.2 建議及展望133-134
• 參考文獻(xiàn)134-147
• 作者簡(jiǎn)介及科研成果147-149
• 致謝149

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