摘要
干热岩地热资源分布广、储量大,且具有清洁、稳定、可再生的特点,近年来受到世界各国的广泛关注。增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)是目前干热岩开采最有效的手段。在EGS系统中,循环工质在裂隙储层内的传输过程涉及到温度场、渗流场与应力场之间相互耦合,即热流固耦合(thermal-hydraulic-mechanical,THM)。因此,准确评估THM耦合效应对储层参数的影响并合理预测EGS的采热能力及热稳定性,对EGS工程设计及运行有重要意义。基于此,本文建立了双重介质THM耦合模型,对低温工质在裂隙岩体内的传热传质过程开展数值模拟研究,通过分析基质和裂隙渗透率与应力耦合作用下储层中三场的变化规律,揭示了裂隙岩体渗透特性对EGS采热性能的影响,并对运行参数和储层物性参数进行敏感性分析,提出了提高采热速率的同时延长地热系统运行寿命的开采策略。首先,基于描述多孔介质内部流动传热问题与地质力学问题的控制方程,考虑水的热物性参数随温度和压力变化的情况,建立了EGS裂隙储层内三场耦合的数学模型。通过推导一维岩体热弹性岩柱温度场的表达式,得到一维条件下饱和岩柱热弹性固结计算模型温度场的解析解。通过设置初值和边界条件,将已搭建的三场耦合模型的数值解与推导得出的解析解进行对比,以验证模型的正确性。其次,基于蒙特卡洛方法构建了二维随机裂隙网络,并对控制方程的相关参数以及初始及边界条件进行设置。分析了基质和裂隙渗透率随应力动态变化时储层THM三场变化规律。结果表明:在热应力与水压力共同作用下,基质渗透率逐渐减小,裂隙渗透率呈指数式增加,采热速率主要由裂隙渗透率的动态变化决定,但如果忽略基质渗透率的动态变化,预测的裂隙渗透率比实际提高41.8%,热突破时间提前,会低估近2年的系统运行寿命。因此,在建立THM耦合模型时需要同时考虑裂隙和基质渗透率与应力的耦合作用,以提高预测精度。最后,基于上述模型,通过改变注射井水温、注采压差、基质导热系数等参数以及改变注采井网的布置方式,研究运行参数和储层物性参数对EGS采热性能的影响。研究发现提高注射井水温和注采压差有利于提升储层的采热能力,但同时会促进储层热突破现象的发生,降低系统的运行寿命和热稳定性。基质热膨胀系数增大,可以提升储层的采热能力,使热突破提前,缩短储层的运行寿命。基质热膨胀系数越大,储层内基质与裂隙间越容易发生热窜流。基质导热系数和有效应力系数的改变对EGS采热性能的影响很小,可以忽略不计。在合理的范围内增大井间距可以有效的提升储层的采热能力和热稳定性。增加注射井数目对储层的热突破时间没有显著影响,但会造成储层内流体流量和储层压力的累积,从而影响储层的热稳定性和采热性能。因此,采用先低后高的分阶段调节注射水温方法、设置合理的注采压差以及合理的注采井网布置能够在提高系统采热速率的同时延长运行寿命。