平行多裂隙模型中换热单元体对EGS釆热的影响

增强型地热系统(EGS)是开发深层高温地热能的有效途径.本文在垂直单裂隙模型(SVFM)的基础上构建了平行多裂隙模型(MPFM),验证了其可靠性及优越性,创新地提出了换热单元体(HTU)的概念,将对整体热储层的研究集中于采热基本单元上,并利用此模型对EGS采热过程中裂隙流体及热储层温度场的演化进行模拟.基于介质分类,将采热的影响因素分为流体和岩体.本文针对岩体热储层分别设计多组案例,分析了岩体HTU尺寸及储层初始温度对釆热的影响.结果表明,HTU的厚度与流体产出温度呈负相关,但与热储层的热采率呈正效应;HTU的长度与采出温度和热储寿命呈正相关;热储层的初始温度也与流体采出温度呈正相关,对热储寿命影响不大.因此,热储层激发越充分,对流换热越充分,采热效率越高.注采策略应与热储层的激发情况相配合,才能取得较好的热开采效果.     

裂隙展布特征对EGS采热影响的理论数值模拟研究

增强型地热系统(EGS)储层的裂隙展布特征决定了热开采的效果.基于EGS储层压裂得到的裂隙网络呈现出较强的非均匀性,本文构建EGS平行多裂隙非均匀展布模型研究裂隙展布特征对EGS采热影响.为表征裂隙展布的非均匀性,创新地引入了优势流动比的概念.研究结果表明:在体积为500 m×600 m×600 m,初始温度200℃,均匀激发热储层7条裂隙展布,流量为30 kg/s时,储层产出温度可保持储层初始温度15年,并在热开采进行50年后仍能保持较高产出温度192.3℃,电功率为2.88～3.10 MW,电功率的降幅仅为7.1%.非均匀激发热储层的采热性能受到裂隙数量和裂隙展布特征的共同影响.产出温度与裂隙数量呈不严格的正相关性,并与优势裂隙比呈负相关性.非均匀压裂的热储层中,通过封堵优势裂隙或增强储层压裂使裂隙宽度均匀化,均可增强系统的采热性能.综合来看,裂隙数目越多,裂隙宽度分布越均匀,流体产出温度越高,采热效果越好.本文对EGS地热田的储层激发,和人工热储层的构建有一定的指导意义.     

井筒布置及裂隙分布特征对增强型地热系统采热性能的影响

增强型地热系统(EGS)是干热岩储层良好的渗流和传热通道,EGS由注入井、含裂隙储层、采出井所组成,因此井筒布置和裂隙分布特征将直接影响到流体的流动路径,进而影响着流体的流动和传热过程.本文旨在同时考虑井筒布置与裂隙分布特征对系统采热性能的影响,建立三维井筒与热储热流耦合数值模型,分析井网布置与井间距参数变化;以及裂隙条数、裂隙迹长等裂隙分布特征变化对系统采热的影响,并以4项采热评价指标来评估地热潜能.研究结果表明：(1)注入井井数的增加会提高生产质量流率,但却不会使热突破明显提前,使得热开采速率大大提高,对系统采热有利;(2)井间距的增大可以延长系统寿命,提高开采中后期生产质量流率以及热开采速率,有利于热能提取;(3)裂隙条数的增加会导致裂隙储层连通性增强,从而导致采出温度下降更快,生产质量流率提高更大,热开采速率也明显提高,进而缩短系统寿命,且储层热提取率增大,对地层开采程度会提高;（4）裂隙平均迹长越长,采出温度越高,生产质量流率也越大,越有利于实现商业化开采,同时系统热开采速率也越大,且不会降低系统寿命,储层热提取率随平均迹长增大而减小,说明储层被开采程度较低,裂隙的贡献更大．     

基于COMSOL的储层参数与层理缝对地热产能影响规律研究

地热能具有绿色、稳定、资源丰富、可再生等优点,可用来发电及工业、住宅供热.应用COMSOL多物理场耦合数值软件通过建立温度-渗流耦合模型,考虑工作介质物性参数随温度的变化,针对热储层参数及层理缝对地热能开发效果的影响展开研究.结果表明:热储压力在开发初期恢复缓慢的原因与开发初期注采井附近温度差异有关;裸眼段长度为40 m时可控热储层厚度为150 m;一注一采井距为300 m时注采系统可控热储层半径为400 m;基质渗透率大于80×10-15m2将影响热储开发寿命;基质孔隙度、基质热传导系数对热储开发影响较小,基质比热容越大越有利于热储开发;层理缝条数、导流能力对热储开发有较大影响,层理缝条数增加,产出液质量流量增加,热突破快,持续开发寿命缩短,层理缝的不合理利用将遮挡注入流体的波及范围.研究成果可为高温地热选层提供有力技术支持.     

利用热-孔隙流体耦合有限元数值模拟研究干热岩开发温度下降过程——以青海共和盆地恰卜恰地区干热岩开发为例

水力压裂是干热岩(HDR)开发最常用到的压裂方式，水力压裂形成的裂缝网络为增强地热系统的运行(EGS)提供了高渗透率的人工储层.本文在系统总结前人关于共和盆地水力压裂实验、数值模拟资料和现场水力压裂监测结果的基础上，引入了离散裂缝网络(DFN),利用多物理场模拟软件COMSOL Multiphysics建立了共和盆地恰卜恰地区干热岩开采过程中的二维裂缝-基质热-孔隙流体耦合模型，并讨论了裂缝开度和基质渗透率对干热岩开采温度下降过程的影响.结果表明，裂缝网络是流体运移的主要通道.温度下降和早期压力变化范围沿着裂缝延伸，并向周围被裂缝分割的基质扩展.裂缝开度和基质渗透率是影响干热岩地热开采过程中温度下降的重要因素.当裂缝开度越大时，流体运移范围就越大，储层温度和产出水温下降就越快，储层下降范围就越广，热突破时间和运行寿命就越短.当基质渗透率越大时，越有利于流体进入基质进行热量交换，越容易从干热岩中提取热量，产出水温下降越快，运行寿命越短.     

大别山榴辉岩中石英脉的氧同位素研究

对大别造山带榴辉岩中石英脉矿物及其围岩全岩进行了氧同位素分析．结合脉与围岩之间的构造和岩石学关系，从时间顺序上可将这些石英脉划分为如下三种类型：（１）榴辉岩相同变质脉，不仅脉石英与围岩榴辉岩的氧同位素组成接近，而且脉中矿物对氧同位素温度与榴辉岩相峰变质温度接近，因此成脉流体来源于榴辉岩；（２）脉形成于退变质作用早期，但成脉流体来源与高压／超高压变质矿物组合有关；（３）脉形成于退变质作用期间，成脉流体与榴辉岩无关．同变质石英脉形成于板块折返过程中榴辉岩相重结晶之前的压力降低阶段，裂隙式局部流体对流迁移是成脉的主要机制．尽管脉中的氧同位素均一化尺度比榴辉岩中的氧同位素均一化尺度大得多，但总的流体流量是非常有限的．     

北京南口—孙河断裂带水热系统特征与成因分析

中低温对流型地热资源在华北地区广泛分布,是一种清洁的替代能源.与活动断裂带相关的水热型地热资源是中低温地热系统的重要组成部分.本文基于高精度重力测量、微动测深及钻孔温度测量等数据,从热源、通道、储层和盖层四个方面探讨了南口—孙河断裂带水热系统特征.低重力异常揭示的燕山期花岗二长岩、闪长岩岩体范围为23.8 km~2和14.3 km~2,放射性测井数据计算得到其生热率均值为3.14μW·m~(-3),侏罗系火山岩生热率均值为1.65μW·m~(-3),隐伏岩体和火山岩均难以构成地热系统的附加热源.重力异常显示南口—孙河断裂带宽度约500~800 m,断裂带切割蓟县系雾迷山组白云岩热储层.钻井温度曲线显示断裂带内水热活动强烈,说明该断裂带是导水、导热的重要通道.断裂带南西侧马池口一带第四系松散层与侏罗系火山岩形成了热储盖层,微动测深显示火山岩最大厚度约1500 m.综上源、通、储、盖四个要素分析,该地热系统为热传导一对流复合型,来自京西北山区的大气降水经远距离径流深循环吸收地层热量后沿南口—孙河断裂上移到达裂隙发育的白云岩地层中形成热水.总之,沿南口—孙河断裂带具备了良好的地热地质条件,可达到规模开采的条件.     

温度测井模型分析及在致密气水平井中的应用

温度和压力是水平井产出剖面测井必测的参数,然而利用温度资料进行水平井产出剖面测井解释,具有影响因素较多,多解性强的特点.本文根据热力学守恒定律,建立了温度测井计算模型,进行了压降幅度和热损失系数对温度的敏感性分析,研究了不同参数对热损失系数和温度测井的影响,为水平井温度测井资料解释奠定了理论基础.利用温度测井解释方法,对鄂北一口致密气水平井产出剖面测井资料进行了解释分析,分析了不同压裂段的产出情况,解释结果与持水率计测试结果吻合较好,说明了温度测井解释模型的可靠性.在流速等参数缺失的情况下,通过温度测井能够很好的了解水平井各压裂段的产出情况,为后续完井和生产优化提供依据.     

增强型地热系统热流耦合水岩温度场分析

增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,简称EGS)作为深层地热资源开采最有效方法已成为国际研究热点.其中多场耦合是EGS研究中的关键部分,但目前对最基础和最重要的热流耦合研究仍不充分,特别是对热流耦合下热传导过程和采热效率的研究还不透彻.本文构建了针对EGS单裂隙热流耦合的数学模型,模型主要控制热流耦合时水岩温度场的演化,以展现热流耦合下的热传导过程,并以此计算了裂隙宽度和裂隙水流速率对水岩温度场的影响,分析了裂隙特征对采热效率的影响.计算表明,在特定的开采条件下,都有相应的岩体温度场影响半径;热量从高温岩体传至裂隙流体的过程显示为进水口为低温区,以水流方向为轴,向两侧岩体对称展开的三角形热传导模式;裂隙宽度和裂隙流体速度对裂隙两侧的岩体温度场和采热半径产生明显影响,但裂隙长度总体上对采热率表现为正效应,而裂隙宽度和裂隙流体速度在一定范围内对采热率表现为负效应;裂隙宽度与裂隙流体速度对水岩温度场具有完全一致的影响效果.模型的对比验证确认了本模型的合理性和优越性.文中最大的创新点和亮点是首次推导给出了EGS热流耦合水岩温度场演化特征的简明数学表达式,另一亮点是基于岩体热传导系数来考虑耦合过程的热传导量.     

油页岩热破裂规律显微CT实验研究

利用太原理工大学和中国工程物理研究院应用电子学研究所最新共同研制的μCT225kVFCB型高精度（μm级）CT试验分析系统,对油页岩从常温到600 ℃高温下的热破裂过程进行了显微观测和分析,揭示了抚顺油页岩的热破裂阈值温度为300 ℃附近.当温度低于300 ℃时,已可见到极少数较小的微裂隙出现,裂隙多发育于原生层理面以及硬质矿物颗粒的周围,形成的破裂面基本上都与层理面互相平行.当温度超过300 ℃,由于受到热分解化学反应的控制,裂隙的数量、长度和宽度剧烈增加,呈现广泛发育、集中爆发的特点,并使原有裂隙迅速延展和贯通,且裂隙面仍具有与层理面平行的特点,这是油页岩热破裂的典型特征;同时,也形成了许许多多垂直于层理方向的微小裂隙,小裂隙与大裂隙的搭接连通,形成了一个庞大的连通网络结构,从根本上提高了油页岩的渗流能力.     

太湖泥盆系基岩冲击变质卸载微裂隙的发现与意义

太湖湖区多处岛屿和半岛的晚泥盆世石英砂岩中发现造型奇特的尖劈形张性微裂隙.微裂隙呈“人”字形组合,成单列或多列产出.一些“人”字形微裂隙的锐角区内侧的石英晶体已强烈非晶质化,具有击变玻璃的特征.研究表明这种特殊的微裂隙是冲击变质作用压力达到峰压后在卸载过程中产生的.     

鲜水河断裂南段温泉水文地球化学特征

以鲜水河断裂带南段(康定—摩西断裂带)出露的26个温泉的水化学组分为研究对象,通过多元统计分析和地热温标方法,探讨了研究区断裂带不同部位温泉的水化学特征及热储温度的差异。结果表明:①研究区不同区域的温泉可被分为4组,除B组为HCO_3-Na-K型水外,A,C,D组均为HCO_3-Na型水;②对热储温度的计算结果表明,研究区中部的热储温度高于南北两侧,地热活动性的强弱与地震活动性之间在空间上存在一定的关联性。     

秦岭北缘断裂带温泉水循环深度与地震活动性的关系研究

研究了秦岭北缘断裂带温泉水的氢氧同位素和氦同位素,同时通过温泉水的热储温度和当地地温梯度计算了温泉水的循环深度;统计分析了1900-1997年间的地震频度.从水对断裂及其围岩的弱化的角度讨论了温泉水深循环对地震活动性的影响.结果表明各段地震活动性的差异与温泉水循环深度的差异有关.认为循环深度较深的陕西段孕育强震的可能性较小,而循环深度较浅的青海段和甘肃段是孕育强震的危险区,其中甘肃段可能是强震的最危险区.     

热水井开采对庐江地震台流体观测影响分析

对安徽省庐江县东汤池地热田热水井开采的情况进行了调查,分析了热水井开采对汤池1号井水位、井压、流量、气体总量、汞动态的影响。     

温泉热储温度对断裂的弱化作用及其对地震活动性的影响

利用SiO2地热温标的混合模式, 计算了红河断裂带北段14个温泉的热储温度, 并根据温泉热储温度和温泉密度的特征, 把红河断裂带北段进一步划分为4个亚段。从水对断裂弱化作用的角度, 讨论了水的弱化作用对地震活动的影响, 认为各亚段水对断裂弱化作用的强度的不同, 是引起各亚段地震活动差异的重要原因。热储温高、温泉密集的洱源亚段相当于滑移区;而热储温度较低。温泉较少的剑川亚段和弥渡亚段及温泉稀少的大理亚段则相当于闭锁区,认为大理亚段是孕育强震的最危险地区, 洱源亚段孕育强震的可能性很小。      

热水井开采对怀来台流体动态的影响分析

对河北省怀来县后郝窑地热田热水井开采的情况进行了调查。 并分析了热水井开采对怀4与怀3二口井水位、 水温、 流量、 氡与汞动态的影响, 结果证明同层热水井开采对地震地下流体动态的影响是严重的。 这种影响在多年、 年、 月、 日等不同频带的各种测项的动态中和模拟与数字化不同观测方式中都有所表现, 而且开采结束之后还存在一个多月的影响时间。     

Biot理论的唯象修正对S波特性的影响

将复模量引入Biot方程后，在一维条件下通过S波的波动方程研究了S波的传播特性，S波的数值分析显示在频率域或温度域上都能获得热弛豫衰减峰和Biot衰减峰. 在频率域上由于温度的变化引起两峰相向位移,在温度域上,因频率的变化也发生相对移动. 随着温度和频率的不断提高，两峰发生叠加，叠加后两峰互换位置. 低频或低温段的热弛豫峰移到了高频或高温段，高频或高温段的Biot峰移到了低频或低温段.由于两峰的衰减机制不同，导致S波波速随频率或温度变化规律的复杂性. 这些规律已部分被共振实验所证实，证实该理论模型具有实验基础.     

白龙江流域新构造断裂带岩层物性综合研究

白龙江流域属于青藏高原东北部新构造活动区,发生过甘肃舟曲2010年8.8泥石流灾害和甘肃岷县2013年7.22的6.6级地震,新构造常沿原大断裂带重新活动,断裂带结构复杂,宽度较大,并在岩层电阻率和地震波速度等物性上与围岩有差异,采用高密度电法和地震折射层析成像等综合方法,探测结果表现为破碎带上伏第四系厚度增大,破碎带由于裂隙发育,张性裂隙充填地下水后呈现低电阻率特征,但是岩层地震波速度与围岩变化不大.对于老断裂带在较长时间演化历史下裂隙带沉积充填胶结物,愈合断裂带电阻率和地震波速度与围岩差异不明显,采用综合物探方法是研究新构造断裂带有效手段.     

特厚煤层开采引起上覆黄土斜坡裂隙化试验研究

为探究特厚煤层开采对上覆黄土斜坡的破裂效应,以彬长矿区斜坡为例,运用物理模型试验与数值模拟相结合的方法,分析黄土斜坡中裂隙的产状和力学特征。结果表明：由于煤层开采,在上覆黄土斜坡中产生的裂隙可分为与坡面近垂直的裂隙和与坡面平行的裂隙两组,表现出了明显分异性和序次;与坡面近垂直裂隙首先出现,具有拉张裂隙特征,起到了切割坡体的作用;与坡面近平行裂隙是由坡面近垂直裂隙逐渐派生的,具有剪切裂隙特征,控制着黄土斜坡中潜在滑面的形成。两组裂隙呈网状分割坡体,使斜坡土体结构碎裂化和散体化。     

多孔岩石波传播的热弛豫模型修正

经研究发现热弛豫模型的衰减比BISQ模型大得较多,与地球介质相比衰减量也过大;反演与实验结果相比在虚模量的低频(或低温)端和高频(或高温)端相差较大,仅在峰值附近符合较好.针对上述不足,将Arrhenius关系直接引进Biot模型,替换原模型引进的峰值点的频率对数和温度关系,并重新调整了模型参数.这样既改善了原模型衰减量过大,又克服了模型反演中虚模量峰值曲线两侧差异较大的缺点.进行了P波和S波的波传播分析,仍然在频率谱和温度谱上获得热弛豫峰和Biot峰.分析显示热弛豫峰导致波速随频率升高而上升的普遍规律,Biot峰导致波速随温度升高而上升的异常现象.在相同条件下对Biot模型,BISQ模型和热弛豫模型的P波波速和衰减进行了对比.热弛豫模型得到的速度频散更强,频散范围更宽,所得的衰减峰值频率比BISQ模型要低,衰减幅度比BISQ模型稍大.这些结果与实验结果相近,更符合实际.