摘要
地热能作为一种清洁可再生的新型能源,凭借其分布广泛、运行稳定的特点被世界多个国家所关注。干热岩储层蕴含丰富的地热能,运用增强型地热系统(Enhanced Geothermal Systems,EGS)可从干热岩地热储层岩体中经济地开采出深层地热能。但地热储层岩体渗透率很低,为了满足产能需求,需要对其进行储层改造。化学刺激技术是储层改造常用的方法之一,通过向地热储层注入化学刺激剂,化学刺激剂与岩石发生溶蚀作用,溶解地热储层裂隙通道矿物,扩展原生裂隙或者生成新的裂隙,从而提高地热储层的渗透性。由于该技术具有穿透性强、可控性好等优点,广泛应用于EGS场地。本文以河北马头营地热储层为研究对象,针对储层岩石矿物特征,开展了7种酸性化学刺激剂和5种碱性化学刺激剂的静态溶蚀实验,优选出5种溶蚀效果良好的化学刺激剂;运用优选出的化学刺激剂进一步开展岩心流动实验,揭示化学刺激剂-岩体矿物相互作用机理;结合岩心流动实验数据,建立反应性溶质运移模型,确定化学刺激剂-岩石矿物相互作用概念模型中的参数条件,探究流动条件下岩石矿物的溶解和沉淀规律;构建一维径向流模型,开展了不同时间尺度、不同注入速率条件下化学刺激剂-岩石反应的水文地球化学数值模拟,提出该地区增强型地热储层化学刺激改造方案。本次研究得到的主要认识如下:(1)从岩石溶蚀效果来看,酸性化学刺激剂2.5mol/LHCl+0.5mol/LHF、2.5mol/LHCl+0.5mol/LHF+1%缓蚀剂LAN-826反应时长12小时,岩石单位面积溶蚀率达到1.5%,碱性化学刺激剂2.5mol/LNaOH+1mol/LDTPA反应时长12小时,岩石单位面积溶蚀率达到0.51%。(2)实验室条件下,化学刺激剂对岩柱渗透率增强有一定效果,其中酸性化学刺激剂2.5mol/LHCl+0.5mol/LHF使得岩柱渗透率增加了1.62倍;2.5mol/LHCl+0.5mol/LHF+1%缓蚀剂LAN-826使得岩柱渗透率增加了1.5倍;而碱性化学刺激剂2.5mol/LNaOH可以使得岩柱渗透率增加2.4倍;2.5mol/LNaOH+1mol/LDTPA使得岩柱渗透率增加了2.45倍;但是2.5mol/LNaOH+1mol/LNTA使得岩柱渗透率下降了66%。酸性化学刺激剂与岩石反应易生成次生沉淀:绿泥石、球状二氧化硅、蒙脱石;碱性化学刺激剂与岩石反应易生成次生沉淀斜长石,螯合剂DTPA可抑制次生沉淀斜长石的产生。(3)一维径向流动模型结果显示:酸性化学刺激剂2.5mol/LHCl+0.5mol/L HF与地热储层岩石反应强烈,可有效溶蚀石英、斜长石、钾长石,但生成绿泥石、蒙脱石等次生沉淀;碱性化学刺激剂与地热储层岩石反应较弱,可以溶蚀石英、钾长石、绿泥石、蒙脱石,但由于碱液中富含大量的Na~+,产生了较多的次生沉淀斜长石,DTPA可减少斜长石次生沉淀的生成,提高溶蚀效果。(4)酸性化学刺激剂对储层溶蚀的径向距离较大,且注入流速越大,反应时间越长,注入井附近的储层渗透率增加的越多,化学刺激剂对储层改造的径向距离越长;碱性化学刺激剂对储层矿物溶蚀强烈,渗透率提高明显,且渗透率提高效果随着时间和流速的增加而增加,但对储层改造的径向距离较小。(5)针对河北马头营地热储层,提出4种化学刺激储层改造方法,分别为酸性化学刺激剂2.5mol/LHCl+0.5mol/LHF、2.5mol/LHCl+0.5mol/LHF+1%缓蚀剂LAN-826、碱性化学刺激剂2.5mol/LNaOH+1mol/LDTPA以及碱性化学刺激剂与酸性化学刺激剂联合使用的方法。