高温地热开采热流固耦合模型及综合评价方法

干热岩(HDR)是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源,是地热开发研究热点.目前针对地热产能模拟的研究存在热流固(THM)耦合模型考虑因素不全,地热开发效果评价目标单一且缺少定量评价的问题.基于离散裂缝模型,建立了地热开发的热流固耦合模型,采用COMSOL实现了THM模型求解,依据多个地热开发评价指标进行模糊综合评价.首先借助两个THM耦合案例,验证了模型的可靠性及准确性.随后通过层次分析法计算出各项地热开发评价指标的权重,并结合模糊综合评判,对给出的EGS案例进行模拟计算和综合评价.结果表明:压裂裂缝连通注入井和采出井时,热突破时间短,采出温度下降快;水平布井比垂直布井的采出温度下降更快.依据模糊综合评价分析,水平井开采地热要整体优于垂直井开采地热,一注两采开采地热要优于一注一采,垂直井开采地热时,水力压裂裂缝建议不连通注采井.     

地热地球物理勘探新进展

地热作为一种清洁能源具有巨大的开发潜力,将在我国的经济发展中起到巨大的作用.在传统的热水型地热开发的基础上,国际上非常重视热干岩(Enhanced Geothermal)型地热的勘探开发.在这两类地热勘查和开发中,地球物理方法具有非常重要的作用.本文从地热系统的目标体岩石的地球物理性质出发,分析岩石的地球物理性质与温度、压力和含水量等影响因素的关系.例如随着温度的升高,岩石会出现去磁、电阻率降低、密度降低、弹性波速度也现明显降低等现象.进而分析地球物理方法应用到具体的地热勘查地质-地球物理异常模型.结合国际上21世纪以后的新方法技术,分析了重磁、电、地震方法在利用由于岩石温度的升高而出现的特殊地球物理现象,并应用于地热勘探.通过国内外实例介绍了各种地球物理勘探方法在地热勘查中成功应用,为进一步提高我国地热勘查水平,提供一些参考.     

增强型地热系统研究开发:以美国新墨西哥州芬登山为例

增强型(或工程)地热系统是指从地壳深部低孔渗的干热岩体中,采用人工工程方法形成储层,经济地采出具有相当数量的热能.这种早期被称之为干热岩的技术首次在美国新墨西哥州芬登山得到示范.本文以芬登山增强型地热系统为例,通过综述其发展历程,论述了增强型地热系统钻井与储层激发、工质流动与储层测试、储层性能评价等关键问题,总结了从芬登山增强型地热系统研究中获得的认识和启示.芬登山地热项目发展的经验表明,增强型地热储层是通过重新打开本来存在、但被密封的、多重连通的节理组,或通过水力压裂创造新的流动通道和换热面,利用复杂裂隙网络中的流循环,从储层系统中开采热能.芬登山实践表明,在稳态条件下增强型地热系统的持续运行是可能的,芬登山地热项目对世界和我国深层地热发展具有重要指导意义.     

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.     

增强型地热系统开发技术研究进展

增强型(或工程型)地热系统(简称EGS)是指从地下3～10km低渗透岩体中经济开采深层地热的人工热能系统,主要用于发电.作为目前地热领域的重要发展方向,其研究受到发达国家的高度重视,但我国对增强型地热系统的研究还基本处于空白.本文从增强型地热系统的概念和开发思路入手,总结资源勘查、人工储层建造、地热田生产以及监测等阶段需要的科学与工程方面的关键技术及研究现状,对于提高深层地热认识,明确未来的技术发展方向具有重要意义.     

地热深井生产过程的井筒传热数值模拟

从地热储层中提取热流体的过程中,在井筒流体与周围地层之间存在着热量交换,使得热流温度发生着变化,为探究流体在生产井中的热量损失过程,本文的目的 是开发一种可靠的数值模型用以说明地热井在生产过程中的流动与换热问题,在此选取COMSOL Multiphysics建立了仿真模型,并对模拟结果进行了解析验证.井筒热量损失的表征要素除了温度以外,热损失功率也起着至关重要的作用,为了全面评价地热生产井的热能损失,故对井口水温及热损失功率两项评价指标进行研究,分析得出水的操作参数及环空热导率变化对井筒热损失的影响.研究结果表明:(1)数值模拟中应用TD代数表达式的连续形式与解析模型中应用Ramey定义的f(t)不连续函数表达式进行热流温度的求解时,对于较长的生产时间,数值解与解析解吻合良好.(2)井底水温的线性变化也将带来井口水温和井筒热损失功率的线性变化,井口水温和井筒热损失功率随井底水温的变化直线斜率随时间的增加略有减小,纵截距也略有减小,说明时间越长,井口温度升高的越慢,井筒热损失功率增大的越小,系统越趋于稳定状态.(3)增量为10 kg/s的采出流量与增量为10℃的井底水温相比,对井口水温的升高及热损失功率的减小影响程度均相应减弱,最终也将趋于稳定状态.(4)环空热导率对井口水温和井筒热损失功率的影响呈现相反的效应,即环空热导率增大井口水温降低,井筒热损失功率增大.结论 认为,综合考虑热流温度及井筒热损失功率两项指标对于高效地热能开采,提高热能利用率等方面具有重要意义,并可全面评价井筒的热量损失大小,为地热能开发提供可靠理论依据.     

中国四川盆地页岩气注水压裂导致断层再活化并诱发M_W4.7地震

本文对中国四川盆地最近观察到的注水诱发地震进行了及时和详细的研究,四川盆地页岩气水力压裂已经开始启动,计划在未来几年里被逐渐开采。包括传染型余震序列模型、震中重定位、13个大地震事件(MW3.5)的震源机制以及库仑破裂应力数值计算的众多证据表明,在地下2.3~3km深度范围内水力压裂短期(每个井位数月)注水过程诱发了一系列最高矩震级达MW4.7的地震。反之,这些诱发地震的出现也支持了注水诱发断层再活化的假设。本文同时讨论了此地区注水压裂为什么会诱发如此大震级地震的地质原因。由于四川盆地中水力压裂作业正如火如荼,这也将有利于地球科学、天然气公司、管理部门和学术界共同探讨显著的注水诱发地震的地区因素,以确保页岩气注水压裂可以有效进行并安全实施。     

地热区的电磁研究

在过去的25年间,几乎所有电磁的和地电的技术都被用来进行地热勘探和开发方面的有效性试验。偶极-偶极剖面法、声频大地电磁法和受控源电磁法就是已经证明对地热勘探是相当有效的例子。从世界上许多地热区进行的成百次野外调查,已发现了各种具有不同地质的、水文的和热传输特征的地热区和局部地热系统,根据这些不同特征的组合,每个地热区或地热系统出现新的问题,为了取得最佳勘探效果,这些问题可能需要不同的野外方法或者野外方法的组合,不管这些问题如何,新的地热区已经被探测到了,而且地热系统的结构和过程目前已得到较好的了解。例如,已经在以下几方面的研究中取得了进展:(1)多孔的/可渗透的热水/蒸汽储集层和热水/蒸汽循环及产生的碎片区的特征;(2)冷的雨水和热水的分布及运动;(3)盖层冠岩对储集层的热绝缘;(4)对流的和(或)传导的热传输;以及(5)岩浆侵入到地壳上部的热影响。新的勘探方法、资料分析程序和模型计算在地热区的研究过程中已经得到了发展。它们包括受控源电磁法、远参考场技术、以及正演和反演计算的比较好和快的算法的发展。今后的问题是:(1)发展和改进仪器设备及野外方法,以便比较精确的描述和鉴别地热区的电导率分布,特别是那些具有高的孔隙度/渗透性和破碎带的电导率分布;(2)改进野外数据的计算机分析,以便在野外测量中能更好地进行;(3)研究对于大多数地热区内存在的相当不均匀电导率分布的更有效的解释。     

特低渗透油田裂缝形态监测及短宽缝压裂技术

对于特低渗透油田来说,压裂改造是主要措施手段,而裂缝形态将直接影响油田的开发的效果.本文应用微地震裂缝形态诊断技术开展裂缝形态研究,针对具体井网和地层流体特性开展了水平缝油藏裂缝参数优化研究,同时,为实现优化的裂缝参数,开展了短宽缝压裂工艺现场试验,通过实践证明短宽缝压裂工艺适用于低渗透油田的压裂开发,利用该项工艺可以实现优化的裂缝参数,并较好的控制了裂缝的非均匀延伸,对于提高压裂效果和注水开发效果具有重要的作用.     

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.     

峨眉山超级地幔柱对四川盆地烃源岩热演化的影响

四川盆地的构造、热演化与峨眉山超级地幔柱有密切关系.峨眉山超级地幔柱对四川盆地中二叠统之下的烃源岩热演化有着十分重要的影响.在四川盆地热历史恢复的基础上,研究了峨眉山超级地幔柱对盆地内烃源岩,特别是中二叠统之下的古生界烃源岩热演化的影响.结果表明,中二叠统及下伏烃源岩的热演化受中晚二叠世发生在盆地西南方向的峨眉山超级地幔柱的影响巨大,且具地区差异性.即在靠近峨眉山地幔柱中心的地区,有机质迅速成熟并达到其成熟度的最高值(以H1井为代表),古生界烃源岩迅速进入过成熟,此后未有二次生烃;而远离峨眉山地幔柱的盆地大部分地区,古生界烃源岩在二叠纪以来具有多次生烃过程.中生界烃源岩热演化,主要和前陆盆地阶段的构造过程包括前陆沉积和断裂的逆冲推覆等相关. 在烃源岩有机质成熟度演化史的基础上,从盆地热史和烃源岩热演化的角度指出了下二叠统及之下烃源层在四川盆地不同地区油气勘探中的不同意义.     

水力压裂求地应力在大庆油田的应用

本文把水力压裂施工曲线求地应力的原理和方法运用到大庆油田开发中去。研究了注水开发油田中地应力的变化。这时减少套管损坏,降低断层活动,确定合理的保持地层压力界限,判断压裂裂缝类型,有一定的实际意义。     

日本的地壳热构造与地热利用的现状

一、序论日本列岛内火山、温泉分布广泛。地热活动频繁。它们源源不断地向地表带出大量的热。这是由于日本列岛位于欧亚板块、太平洋板块以及菲律宾海板块的交界,从实质上讲,地热起源于这些板块的运动,又经过许多过程传输到地表。本文不讨论热源的实质,只就日本列岛下地壳上部的热构造以及热能的传输过程与量做一综述,并概述日本地热利用的现状。     

全球干热岩资源开发诱发地震活动和灾害风险管控

干热岩地热资源作为一种绿色可再生的新型能源,其开发利用已成为当前世界各国尤其是发达国家能源战略的重要组成部分.但由于干热岩位于地壳浅部3～10 km,在采用增强型地热系统(EGS)等通用开发方式过程中,伴随着地壳应力状态的扰动,部分开采项目发生较大震级的诱发地震事件,甚至造成明显灾害、引起社会问题,亟待实现科学利用和风险管控.鉴于此问题在平衡能源开发战略和社会安全领域的重要性和关键性,本文梳理了全球干热岩开采诱发地震的总体情况、典型案例,整理了在成因和机理研究、地震灾害风险管控和缓解等方面的研究进展.综合分析结果表明,已有EGS项目案例中诱发地震震级超过3.0的达到31.2％、主要与断层活化有关,最大的诱发地震可发生在注水压裂、关井后、循环生产等各阶段.干热岩开采诱发地震有多种成因,已有案例多为多种成因共同作用,其中的关井后的尾随效应是目前重大难点.目前世界各国已开展了广泛的诱发地震机理研究并探索多种减灾措施,认为累积注水体积、注水速率与最大诱发震级之间不存在普适性的定标关系,前瞻性预测需要采用"一井一策"的方式.在缓解诱发地震灾害风险上,普遍采用科学的流体注入策略、对注采策略进行验证校准、持续开展地震活动监测等系列措施.此外,对储层的临界应力状态和应力时空演化的量化描述、地热储层内的先存断层与裂缝的探测识别、可有效管控地震发生的流体注入策略等,是当前干热岩资源开发减轻地震风险的主要技术难点,而利用地热储层实时感知信息技术、采用新的注入热交换载体、发展前瞻性的地震预测方法是该领域目前重点关注的技术方向.根据我国的干热岩资源开发和减轻地震灾害风险的实际情况,亟待建立开采场地安全性和灾害风险评价、多学科的地震监测网络和分析技术、地震灾害风险管控红绿灯系统等技术体系,并加强关井后的尾随现象、多场耦合等科学问题的基础研究.     

热处理饱水致密砂岩的水相自吸与返排

致密砂岩气藏在开发过程中由于水相的侵入或滞留会在近井带或水力裂缝面造成水相圈闭损害,严重影响开发效益.储层高温热处理作为一种新型储层改造技术,已应用于解除近井地带水相圈闭损害.选取鄂尔多斯盆地典型致密砂岩岩样,分别采用干岩样、饱和蒸馏水、饱和3%KCl溶液以及饱和地层水的岩心开展了100～600℃的热处理实验;进行了超过阈值温度的高温热处理前后的岩心自吸、返排实验,并对热处理前后岩心的水相圈闭损害程度进行评价.研究表明,饱和蒸馏水和饱和3%KCl溶液的岩样在热处理后的增渗率明显大于干岩样和饱和地层水的岩样,且岩样热致裂的阈值温度明显降低,从干岩样时500℃降低到300℃;高温热处理增加致密砂岩孔隙度与渗透率,不仅使水相自吸量与自吸速率明显提高,而且岩心渗透率恢复率显著提升.致密岩石热致裂阈值温度可以降低,热增渗后不仅解除水相圈闭损害,而且可以预防后期作业储层水相圈闭损害.     

松辽盆地北部地热场深部控制因素研究:基于大地电磁探测的结果

松辽盆地北部存在中低温地热场,地热场呈现中间高、四周环状降低的特征.松辽盆地内部形成高地热场的主要因素,一是深部热源供给;二是浅部热能储集.通过深部结构特征研究可揭示热源及热储的分布及相互联系,对松辽盆地北部地热场成因研究具有重要意义.为了揭示松辽盆地北部地热场的深部控制因素,本文基于古龙镇至依安县的246 km长大地电磁剖面,对71个宽频测点数据通过傅里叶变换、Robust估计以及相位张量分解等处理手段,在精细分析维性特征及电性主轴的基础上,利用非线性共轭梯度反演获得了剖面40 km深二维电性结构模型.研究发现:电阻率模型具有"纵向分层,横向分块"的特征,以水热性温泉富集的林甸地区为界,剖面南北两侧电性结构存在明显的差异,南侧呈现"低阻-高阻-低阻"的三元电性结构,北侧呈现"低阻"的一元电性结构,这两种结构与地温场分布具有良好的对应关系,林甸以南的三元电性结构区对应高地热异常,以北的一元电性结构区热异常下降明显;林甸地区位于这两种端元的分界区,地表温泉丰富,且发育有基底断裂,为水热型地热发育的"热点"地区;林甸南北两侧深部存在两个高导体C1、C2,这与普遍认识的松辽盆地存在软流圈隆起有关,说明盆地下方具有统一的热源,部分熔融热物质作为深部热源向上传递热量,不同之处在于林甸以南地区,中地壳存在巨厚高阻特征的前寒武纪结晶基底R1,为地热的保存提供了有利条件,而林甸以北地区深部缺少聚集热量的结晶基底,导致地热异常迅速降低.     

水温微动态形成的水热动力学与地热动力学机制

以井-含水层热系统分析为基础,结合井水温度(水温)动态观测到的实际结果,提出了水温微动态形成的两类基本机制,即水热动力学机制与地热动力学机制.水热动力学机制指井水温度的动态是由于水流动产生的热对流引起的变化;地热动力学机制指井区岩土中大地热流作用或热传导引起的井水温度变化.结果表明,多数同震响应是水热动力学机制下生成的水温微动态;水温的震后效应或变化则多是热传导或深部热流变化引起的,属于地热动力学机制下生成的水温微动态.少数水温微动态特征较为复杂,多是源于井-含水层系统中包含有多个水文地质特征差异明显的含水层,尚不能简单地用水热或地热动力学机制予以解释.     

南海北部珠江口与琼东南盆地构造-热模拟研究

珠江口盆地和琼东南盆地位于南海北部的大陆边缘,本文在此地区选取了13条典型剖面,进行了构造沉降史和热史的模拟,初步探讨了其新生代以来的构造-热演化历史.其研究结果表明:珠江口盆地存在两次热流升高过程,分别为始新世(56.5～32 Ma)和渐新世(32～23.3 Ma).琼东南盆地存在三期加热和两期冷却过程,始新世盆地热...     

地热异常与地震活动关系的综合分析

根据地球内部热状况及震源热力学理论,分析了全球地热带与地震活动带之间的密切关系。指出我国1966年—1988年强震(Ms≥7.0)多发生在地热异常区的边缘(两端和两侧)及两个相近热区之间的地热梯度带。认为区域热流动态的分布特征是地震危险区的重要判别指标之一,与构造活动断裂有关的深井,温泉的温度变化可能是地热异常显示的灵敏“窗口”。     

地热开发的背景、现状和未来

本文简述了地热能的种类、成因和产地分布之后,描述了地热系统的各种理论模型。其次叙述了地热的各种应用(直接的、间接的和综合的利用),简略地说明有关的开采技术。接着对地热能的开发做了历史的综述、评价,提供了现状(4719MW电和12000MW热),提出了本世纪末的计划(20×10~3—40×10~3 MWe和19000—33000 MWt),然后提出了地热工程的分类,价值原理图和各种组织以及给出了一个平均损耗值。最后,讨论地热能在总能量结构中所占的地位,以及将来必须面临的、在技术和非技术两个方面的主要问题。