摘要
干热岩作为一种清洁的可再生资源在地壳中储量极大,有效的开发利用能够帮助改善我国未来的能源结构和降低温室气体等的排放。国外关于干热岩的发展已经有近50年的历史,而我国目前则还停留在资源勘查和靶区选定阶段。开采干热岩最有效的手段是增强型地热系统(EGS),涉及的关键技术难题主要是储层改造和地热开采。作为一种典型的非常规储层,干热岩的储层改造是高压流体在渗透性极低的高温压结晶岩体中剪切滑移天然裂隙或创造新裂缝的温度-力学-流体(THM)多场耦合的复杂过程,需准确预判人造缝网的延伸形态和渗流特征,因此,对岩石力学的要求极高。储层改造的效果决定了地热开采过程中的最佳流体循环速率(q_(in))、储层流体阻力(I_R)和井间距(L)等关键参数,从而影响EGS的产能。因此,在开展EGS工程场地建设前,针对特定场地条件开展相关的室内试验和数值模拟研究意义十分重大。本文以中国西北共和盆地的干热岩开发为背景,围绕EGS中的两个关键技术问题开展了干热岩储层的物理力学特征分析、储层水力压裂物理模拟试验、储层压裂和地热开采的模型研究四个方面工作。其中,关于岩石的试验研究以实际储层条件为基础,并将获得相关参数输入到离散缝网模拟器(DFN)中来模拟研究干热岩储层水力压裂形成复杂缝网的特征,最后将压裂形成的缝网在多场耦合软件TOUGH2中通过“多重相互作用连续体”(MINC)方法实现,以分析压裂缝网的地热产能。首先,通过野外地质专项调查,从地热地质角度对共和盆地的地温特征、天然裂隙和地应力状态进行分析,确定干热岩开采的储层特征。其中,场地地温特征是依据地热地质资料、钻井资料以及测温资料等确定,综合表明在GR1井的2500~3705m深度段的地温梯度高达7.14℃/100m,地层温度在150~236℃之间;储层段的天然裂隙发育程度依据钻井岩芯识别,表明在选定的储层段天然裂隙发育程度可能较高;而储层地应力状态的判断是从构造解析、节理裂隙统计、震源机制和地表工程测量等方面出发,综合表明场最大水平应力与盆地受挤压方向接近,为NNE~NE向。其次,对采自共和地区的印支期花岗岩开展大量的物理力学试验研究。通过扫面电镜、X-光衍射、薄片鉴定、热物性测试和孔渗测试等方法,确定了场地花岗岩的微观特征、矿物组分、热物性参数和孔渗性等重要基本物理特征。紧接着,对花岗岩试样开展室温(约20℃)至170℃高温范围内的巴西劈裂试验,试验结果表明花岗岩的抗拉强度随温度升高明显降低,并通过数值拟合得出了抗拉强度与温度演化的关系式。此外,开展了不同温(室温至160℃)压(0至40MPa)下花岗岩的三轴压缩试验研究,研究结果表明:花岗岩随着温度升高塑性增强而脆性减弱,随着围压升高脆性增强而塑性减弱,且在高温压下呈现明显的剪切破坏破坏机理。并基于三轴压缩试验结果拟合得到了花岗岩力学参数(峰值强度、弹性模量和泊松比)随地层深度(温压)增加的演化关系式,为储层压裂和地热开采模型的建立提供了基础。此外,对采自共和地区的9块大尺寸(300×300×300mm)天然花岗岩试样进行了真三轴下的清水压裂试验,以研究温度、注入速率和岩石自身的物理力学特征对压裂效果的影响,并分析了压裂形成的自支撑裂缝的表观几何和渗流特征。试验结果表明:(1)岩石自身的力学强度越高,破裂压力越大;孔渗性越高,能够将岩石压裂的最小注入速率越大。(2)注入速率越高,获得的裂缝开度越大,也越容易形成具有多条裂缝的压裂效果。(3)高温压裂时,岩石的加热过程会产生大量的微破裂,从而容易导致压裂形成具有多条裂缝的复杂水力裂缝网络,且获得裂缝开度和渗透系数均较大。上述试验结果表明通过清水压裂来增强干热花岗岩体的渗透性是可行的。最后,基于前述的试验研究结果,以共和盆地的GR1干热岩井为背景开展压裂模型研究。对天然裂隙发育程度、地应力状态、岩石物理力学特性以及压裂施工参数等因素开展压裂敏感性分析,分析结果显示:对水力裂缝面积影响较大的三个因素依次为压裂液用量天然裂隙间距压裂液注入速率,对裂缝开度影响较大的三个因素依次为天然裂隙间距抗拉强度弹性模量。其中,储层自身特征中的天然裂隙间距是决定储层压裂结果最为关键的因素。为此,依据天然裂隙发育的程度将干热岩储层划分为天然裂隙发育、较发育、不发育和无天然裂隙发育的四种储层模型。并针对四种储层模型开展压裂模拟研究,对形成的缝网特征进行分析以确定天然裂隙发育程度不同的储层所适用的压裂工艺,结果表明:天然裂隙发育程度高的储层适合采用清水剪切压裂处理,可以获得平均开度在2.0~4.3 mm之间,渗透率在10~(-12)~10~(-13)m~2之间的裂缝网络;而天然裂隙发育程度较低的储层建议采用凝胶支撑剂型压裂工艺处理,可以获得平均渗透率高于10~(-11)m~2的支撑型裂缝。最后,采用多场耦合软件TOUGH2对各压裂模型的最佳缝网开展地热开采模拟研究,结果显示:天然裂隙发育程度越高的储层,其EGS体系的地热开采效率越高。整体上,预计以GR1井为基础上建设一个运行周期为20年,稳定装机容量为0.84MWe~3.94MWe的发电示范工程是可行的。