摘要
近年来,随着全球能源危机和环境问题的日益加剧,对可再生能源的开发利用迫在眉睫。地热能具有绿色、连续、稳定、利用效率高等诸多优点,利用前景十分广阔,预计将会成为未来能源格局中重要组成部分。除了被直接利用,发电和供热也是地热能的两种主要利用方法。由于地热能有许多优点,它在缓解能源危机和提高生态环境方面扮演着越来越重要的作用。干热岩(Hot Dry Rock,HDR)是一种新型的地热资源,由于其广泛的分布和巨大的储量引起了人们的关注,它是指地下高温但由于低孔隙度和渗透性而缺少流体的岩体,主要是各种变质岩或结晶岩类岩体,储存于干热岩中的热量需要通过人工压裂等技术形成增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)才能得以开采。EGS工程的概念就是通过注入井将冷水注入到目标储层,然后通过生产井提取热水用以发电,从而达到开发干热岩热量的目的。EGS是一个复杂的系统工程,在这个过程中存在很多科学问题和工程问题,如资源靶区定位技术,人工压裂,微地震、示踪剂等监控监测技术,资源评价方法,地热地质模型,地下高温岩体的多场耦合过程,地热介质的换热特性机制,能源转换效率评价,发电系统高效利用,示范场地建设。 随着中国经济的快速发展以及节约能源、减少污染物排放的需要,目前存在的能源结构不再符合国内形势的要求,发展与利用可再生能源已经成为全社会的共识。而地热资源在缓解能源供应压力和提升经济环境方面可以发挥重要的作用,中国作为能源消耗大国,需要大力开发地热资源和发展地热能技术,特别是干热岩。由于干热岩属于新型地热资源,目前世界上还没有形成一套成熟理论对其进行开发利用,距离大范围推广还有很长的一段时间。而中国在干热岩的开发研究方面正处于起步阶段,需要大量的理论研究、室内实验和现场试验,如热物性、物理力学参数的确定,储层改造及评价,水热交换及能量转换效率,地下高温岩体的多场耦合过程等。 本文研究主要依托国家高技术研究发展计划(863计划)项目“干热岩热能开发与综合利用关键技术研究”(项目编号:2012AA052801),开展“岩石热物性参数分析及多场热效应耦合模型研究”。首先,利用中国大陆地区松辽盆地、鄂尔多斯盆地及青海共和盆地的岩石样品,本文选择光学扫描设备(TCS)及BRR岩土比热容测试仪确定岩石样品的热物性参数,并测试相应岩石样品的孔隙率、含水量、波速、矿物成分及密度,分析了岩石的热物性参数与这些因素之间的关系,进一步采用支持向量回归机(Support Vector Regression, SVR)模型预测岩石的导热系数;然后,本文研究了岩石导热系数在空间各个方向上的变化,确定其各向异性特征;其次,分析了温度和压力对岩石导热系数的影响,并利用遗传算法反演温度和压力对不同类型岩石导热系数影响的经验公式;再者,在课题组研发的EGS-THM耦合分析程序的基础上进一步修改和完善,利用STIMPLAN软件对储层进行压裂分析,建立多场热效应耦合模型,并通过实验模型和美国Desert Peak干热岩场地进行验证,分析修正程序在EGS工程中模拟计算的准确性及适用性,明确系统中各物理场的耦合过程与作用机理;最后,针对中国的第一个干热岩靶区-松辽盆地北部地区的徐家围子断陷区,进行干热岩开发利用过程的THM耦合分析研究,评价热提取过程中各物理场的时空演化规律,为我国干热岩地热资源开采工程的设计提供坚实的理论支撑,有助于我国深部地热资源开发利用的进一步深入研究及实际工程的开展。 在岩石热物性参数评价及影响因素研究中,针对来自松辽盆地、青海共和盆地及鄂尔多斯盆地的岩石样品,测试了岩石的导热系数、比热容、密度、孔隙度、含水率、矿物成分及波速等参数,分析了岩石热物性参数与不同因素之间的关系,并对导热系数的变化规律进行预测。第一,青海共和盆地岩石样品的导热系数、比热容随深度变化,三个钻孔岩石样品的比热容都随深度增加均有小幅度的下降,最后稳定于0.7kJ/(kg K),数值大小都介于0.7~1.2kJ/(kg K)之间;导热系数随深度增加有一些数值的波动,但整体上呈逐渐变大的趋势,最后数值大小趋近于3W/(m K),所有样品的导热系数介于1.0~3.2W/(m K)之间。第二,对于干燥状态下不同类型岩石的导热系数、比热容和孔隙率,发现比热容与孔隙率之间并没有明显的规律,而导热系数随孔隙率的增加整体呈现变小的趋势;根据岩石导热系数与孔隙度的理论关系,研究了不同计算模型与实测导热系数的关系,发现没有一种模型适合所有的岩石样品,但根据不同的岩石样品,提出了适合岩石导热系数的计算模型。第三,研究认为不同类型的岩石波速并不相同,但基本上波速越大的岩石,导热系数越大,二者之间呈正相关关系,并提出了适合本文岩石样品的理论公式。第四,不同地区的同一类型岩石的导热系数与密度的关系并不相同,这反映出形成环境对岩石的影响;从整体上来看,随着密度的增大,导热系数逐渐升高,二者呈正相关关系,并对二者之间的关系进行了拟合分析;而岩石比热容与密度之间没有明显的联系。第五,不同类型岩石的干燥导热系数的变化范围并不相同,饱和导热系数亦不一样,这与岩石的矿物成分、结构等密切相关,本文提出了饱和影响系数,分析饱和程度对导热系数的影响,并与理论公式计算出的理论饱和影响系数进行对比。最后,由于导热系数在地热开发中是一个十分重要的参数且受到许多因素的影响,没有一个理论公式能完全吻合导热系数的计算,本文采用SVR模型对导热系数进行预测研究,得出的导热系数预测值与实测值接近,拟合精度较高。 导热系数作为岩石的一个重要的热物理性质,与岩石的内部结构、外部环境密切相关,在空间不同方向上的导热性必定不同,也会呈现出明显的各向异性。通过测试58个松辽盆地花岗岩、流纹岩、砂岩、泥岩及共和盆地花岗岩导热系数,并进行偏光显微镜和X光矿物成分衍射分析,初步得出了不同岩石类型的导热系数各向异性特征。由于岩石样品的结构性不明显,导热系数各向异性因子的范围为0.85~1.3,提出了符合岩石导热系数各向异性的方程曲线。 一般来说,干热岩是处于高温高压条件下,这与常温常压条件的岩石导热系数是由明显的区别。通过收集有关学者在实验室高温高压条件下做出的岩石导热系数,如石英岩、砂岩、花岗岩;本文选择应用较广的导热系数理论计算公式,并利用人工智能遗传算法反演公式中的未知参数,确定适合不同岩石的导热系数与温度、压力的关系公式,为后续章节中的模拟计算提供理论依据。 通过考虑高温高压对热物性参数影响的理论,本文修改和完善课题组研发的EGS-THM耦合模拟程序,并依据美国宾夕法尼亚大学Taron的二维理论算例和Desert Peak地热田的工程地质资料,验证修正程序在EGS工程中的适用性及合理性,对比分析导热系数等参数的变化带来的温度场、渗流场和应力场的改变,三场的耦合强度以及相应的热产出能力变化;模拟结果显示导热系数的变化对储层的温度场和位移有一定的影响,而对孔隙压力基本没有影响。在此基础上,研究了岩石比热容的变化对地下温度、孔隙压力的影响,发现比热容越大,温度下降的趋势越明显,而相应的孔隙压力越小。进一步分析了注入量与注入压力之间,以及不同布井方式与热产出能力之间的关系。 根据松辽盆地的工程地质条件,确定中国大陆地区第一个干热岩靶区为松辽盆地北部地区的徐家围子断陷区。针对该干热岩靶区,本文利用相关的实验设备,研究了高温高压条件下的岩石力学参数,确定了弹性模量、泊松比,并测试了岩石Biot系数及断裂韧度;依据该地区实际工程地质条件,确定了干热岩目标储层及最优的压裂方案,并根据压裂模拟结果和地层条件建立多场热效应耦合模型,利用改进的EGS-THM程序分析储层热传递过程中的THM耦合作用,确定温度场、渗流场及应力场的时空演变规律,对该地区干热岩储层的能量转换效率及发电能力进行了预测分析;在此基础上,对比了储层的属性参数和开采参数的不确定性对耦合模型的影响,以及由此所带来的开采温度和发电量的变化。