摘要
干热岩型地热资源作为一种分布广泛、供能稳定的清洁可再生能源,对我国能源结构转型,构建清洁能源利用体系具有重要意义。通过水力压裂技术进行人工造缝,构建地下人工热交换系统是增强干热岩采热能力的关键。然而,干热岩储层温度较高且地应力各向异性强,形成的人工裂缝结构往往较为单一,通过暂堵转向压裂提高缝网复杂程度成为最具潜力的采热技术之一。目前,国内外针对高温作用下干热岩暂堵转向压裂技术的相关研究较少,温度对干热岩物理力学性质、暂堵剂在人工裂缝内运移及封堵性质的影响规律研究尚处于探索阶段,迫切需要开展高温干热岩裂缝内暂堵剂运移与封堵规律的研究。本文通过岩心测试、数值模拟和实验研究,对高温作用下干热岩物理力学性质、暂堵剂缝内运移规律、暂堵剂对裂缝的暂堵性质进行了系统研究,主要取得成果如下:(1)高温作用下干热岩物理力学性质演化规律实验研究。干热岩孔渗、导热等物性岩心测试实验结果表明:随温度升高,干热岩内部形成热损伤微裂纹程度逐步增加,孔隙度、渗透率逐渐增大,导热系数和热扩散系数逐渐降低,且存在某一温度阈值,使得干热岩热力学参数数值明显衰减;同时,利用高温高压岩石力学三轴实验系统,以声发射为监测,研究了高温作用下干热岩岩石力学变形与破坏特征,发现随着温度升高,加载初期的声发射事件不断增加,断裂韧性、抗压强度、弹性模量和泊松比等岩石力学参数均呈现下降趋势,高温使得人工裂纹形态愈加复杂。(2)基于CFD-DEM双向耦合算法的暂堵剂缝内运移规律数值模拟研究。本文基于欧拉-拉格朗日描述方法,建立了模拟不同温度作用下颗粒型暂堵剂在干热岩复杂人工裂缝内运移过程的CFD-DEM双向耦合数理模型,精确捕捉高温作用下暂堵剂的缝内运移过程及暂堵剂颗粒间相互作用,结果表明裂缝内暂堵剂运移过程的主要影响因素为干热岩温度、暂堵剂质量浓度、携带液粘度及流动状态等;随着温度升高,暂堵剂颗粒运动速度升高且颗粒间相互作用力增大,进入复杂分支裂缝内暂堵剂数量减少;随裂缝宽度及注入速率增大,分支裂缝内暂堵剂颗粒分布数量增多。(3)热流作用下裂缝暂堵特性实验研究。通过制备干热岩人工裂缝模型并搭建高温裂缝暂堵性能评价实验平台,研究了热流作用下干热岩人工裂缝暂堵特性,结果表明:高温条件下干热岩人工裂缝暂堵过程会出现明显的压力波动,温度升高,压力波动次数增多;同时,缝内高压作用下预封堵的次数与压力波动存在明显的关系;裂缝完全封堵所需时间,随温度升高逐渐增大;相反,随注入排量的增大基本呈现线性下降趋势。暂堵剂在裂缝内的分布距离随温度及裂缝宽度增大逐渐增长。本文研究成果将为干热岩暂堵转向压裂的暂堵剂用量优化及人工缝网调控机制提供理论指导及技术支撑。