花岗岩粗糙单裂隙对流换热特性的数值模拟

在干热岩储层中开采地热能,往往需要对储层进行人工水力压裂以形成贯穿的换热通道。然而,热储中的对流换热对干热岩的采热率有重要影响,经过人工刺激的储层会形成几何形态各异的裂隙面,而裂隙粗糙程度的不同则会引起换热性能的显著差异。因此,选取4条Barton的经典岩石裂隙粗糙度曲线,在实验室条件下建立一个单裂隙对流换热模型。详细分析了花岗岩粗糙裂隙中热工质的换热特性。结果表明：局部对流换热系数沿着裂隙长度方向逐渐降低;JRC值越大,平均对流换热系数就越大,表明换热性能越好;局部对流换热系数的分布与JRC曲线的几何轮廓形态有很好的相关性,波峰波谷的变化趋势相一致;相对于温度而言,高流速对局部对流换热系数具有放大效应,流速越大,局部对流换热系数波动越大。     

花岗岩单裂隙渗流传热特性试验

基于岩石裂隙渗流传热试验系统,以蒸馏水为换热工质,针对预制平滑裂隙与粗糙裂隙的花岗岩岩样,开展不同试验温度与水流条件下的单裂隙对流换热特性试验研究。试验结果表明：①同一温度水平下,对流换热系数的量值与流量呈正相关关系,但对流换热系数的增幅大于流量的增幅,随岩石基质温度的升高,相同流量水平下的对流换热系数呈增大趋势;②与平滑裂隙试验结果相比,粗糙裂隙面的对流换热强度有所提高,但增幅不大;③沿渗流路径,裂隙面局部对流换热强度的演化呈现多波峰的非线性特征,其中粗糙裂隙的非线性更加强烈。但二者均存在由进水口至出水口,换热强度逐渐减弱的特征。④努塞尔数与普朗特数1/3次方的商与雷诺数较好地满足幂指数关系,随着试验温度的升高,这种关系逐渐向线性转变。     

利津陈庄干热岩GRY1孔压裂试验研究

地壳中干热岩所蕴含的地热能量巨大,已成为世界各国新能源开发研究的一个重要方向。在干热岩热储层建造（EGS系统）与采热技术研究方面,主要有人工高压裂隙、天然裂隙及天然裂隙—断层3种模式。水力压裂是目前人工热储层建造普遍采用的一种方法,我国在这方面的研究还停留在实验室模拟的阶段。2014年在山东省利津县陈庄镇完成了1眼干热岩勘探孔施工（GRY1孔）,并进行了2组水力压裂试验,取得了较好的效果。本文对该成果进行了简要分析,可为我国后续研究人工热储层建造技术提供一定的参考。     

共和盆地干热岩体人工裂隙带结构的控热机理与产能优化

人工压裂是获取干热岩型地热资源的关键环节,压裂后的人工裂隙带结构对开采条件下水热传递过程具有重要控制作用。结合我国共和盆地干热岩储层地质条件,采用数值模拟方法着重分析干热岩不同产状人工裂隙带的渗透率与宽度对热储中水热传递过程的影响机理,明确不同人工裂隙结构条件下水热产出能力,进而优化井间距。结果表明:当人工裂隙带渗透率较小时（小于5 D）,裂隙带规模越大,开采井温度越高;当渗透率较大时（大于10 D）,在水平裂隙带中,随着裂隙带规模的增加,由于注入冷水的快速扩散导致整体低温区域增加,开采井温度反而降低。在水平裂隙带中注入冷水主要为水平向流动,随着渗透率的增加,开采井温度更易受注入冷水的影响而降低;但在垂直裂隙带及倾斜裂隙带中,随着渗透率的增加,垂向自由对流增强,注入冷水更易于向储层底部高温区域流动,经加热后到达开采井,使得开采温度提升。综合比较,同一井间距条件下,低渗水平裂隙带以及高渗垂直裂隙带的产热能力较其他裂隙带更强。     

岩体裂隙粗糙度表征及其对裂隙渗流特性的影响

岩体裂隙粗糙程度对裂隙渗流特性的影响显著。利用三维光学扫描系统获取岩体裂隙面点云数据,结合SURFER和GEOMAGIC STUDIO等软件计算裂隙面节理粗糙度系数JRC和表面粗糙比率R_s,建立JRC与R_s的定量关系,开展应力、渗流和化学耦合作用下石灰岩裂隙渗流试验,研究JRC和R_s对粗糙裂隙渗流特性的影响。结果表明：JRC与R_s呈对数函数关系,其平方根R²为0.912 8,该表征公式与裂隙渗流试验结果最大相对误差MRE、平均绝对误差MAE和均方根误差RMSE分别为6.93%、0.34和0.27。JRC与渗流量、稳定期渗透率分别呈二次函数和对数函数关系,R_s和各参数的拟合关系与JRC相同。JRC值越大,渗流量和渗透率越小,且三场耦合作用下裂隙面JRC和R_s值均有所增大。该表征方法可用于岩体裂隙面粗糙度估算,由裂隙面JRC值可预测该裂隙渗流量和稳定时刻渗透率。     

岩石导热热阻对裂隙对流换热的影响机制

增强型地热系统(EGS)中高温岩石与流体之间的对流换热特征一直以来是干热岩(HDR)研究的重要基础内容。岩石导热热阻对裂隙对流换热特征具有重要影响。为研究其具体影响,综合运用理论解析与数值模拟2种研究方法,通过对解析解讨论以及建立数值模型,研究两平行光滑平板之间的换热规律。结果表明：流体速度、传热边界层充分发展时,局部努塞尔特准数Nu_x为定值,与其他因素无关;局部对流换热系数h_x仅与流体热导率k和裂隙开度e有关,与其他因素无关。上下平板壁面热流恒定时,Nu_x为8.235;温度恒定时,Nu_x为7.54。然后建立多组导热热阻不同的岩石裂隙对流换热数值模型,发现岩石导热热阻增大,温度场进口段延长,对流换热系数h增大。岩石长度显著影响进口段占比,进而影响h的大小。h随着长度增大而减小;当岩石长度足够长时,进口段占比足够小,此时除k与e之外的参数对h基本没影响。并且发现实验室常用岩石长度为100 mm,而典型EGS工程中裂隙长度是米级的,建议室内实验重视岩石长度对裂隙对流换热特征的影响。     

具有不同转折角度的复杂单裂隙水头损失试验研究

裂隙是岩溶含水系统的重要组成部分,裂隙水流运动对岩溶含水系统水流运动起到重要的控制作用。利用自行设计研制的具有不同转折角度、不同裂隙开度的复杂单裂隙物理模型,通过室内物理试验得到有、无裂隙条件下,水头差变化曲线,并基于能量方程推导得出水流流经裂隙时产生的总水头损失计算式,计算得到不同裂隙开度(1～2.6 mm)、不同流速(0～40 cm/s)条件下,裂隙总水头损失对不同转折角度(0°～165°)的变化曲线,利用修正立方定律和达西-魏斯巴赫公式计算裂隙平行部分的沿程水头损失,总水头损失与之相减得到转折角处的局部水头损失。结果表明:随裂隙开度增大,流速增大,裂隙总水头损失、转折处局部水头损失均呈增大趋势,且流速越大,趋势越明显;对水头损失与平均流速之间的关系曲线进行拟合分析,发现裂隙总水头损失、转折处局部水头损失与平均流速之间均呈二次函数关系,可用Forchheimer方程描述,且总水头损失、局部水头损失与平均流速之间函数关系的二次项系数随裂隙开度增大基本呈增大趋势,最终得到二次项系数分布的上包线与下包线,而一次项系数分布比较集中,总水头损失的一次项系数分布于-0.1～0.5之间,转折处局部水头损失的一次项系数分布于-0.1～0.25之间。     

利津干热岩型地热资源调查评价关键技术研究

干热岩型地热资源是储量大、用途广的新型、可再生绿色能源，对其进行调查评价意义重大。本次从区域干热岩靶区选址、物探、钻探、岩芯取样测试、综合测井、抽注水试验、目的层压裂、热储评价等方面，系统地总结分析了干热岩型地热资源调查评价中涉及的关键技术。同时以利津干热岩GRY1孔进行说明，结果表明：虽然其天然裂隙率及渗透性较差，但经水力压裂后其渗透系数有大幅提高，压裂模式属于人工高压+天然裂隙复合压裂模式，在可控的孔口压力下能获得较大的注入水量，有利于干热岩资源的开发利用；干热岩做压裂试验时应选取天然裂隙发育段作为压裂试验的目的层，陈庄潜凸起区内埋深5000m范围内干热岩蕴藏的热资源量为2. 654×10↑20J，折合标准煤90. 21亿t；可利用资源量为5. 29×10↑18J，折合标准煤1. 804亿t。该研究对干热岩勘查开发工程场地选址、调查评价等方面具有一定指导意义。     

基于3D打印的含复杂节理岩石直剪特性及破坏机制研究

岩体中节理的几何形态及力学特性是影响其剪切力学特性及破坏模式的重要因素之一。基于3D打印技术,建立了不同节理粗糙系数(JRC)的节理模型、几何形态节理模型和复杂裂隙网络物理模型,通过开展室内直接剪切试验分析了各组试件的剪切强度及破坏模式。结果表明节理模型的抗剪强度随JRC波动性较大,波动幅值越高,峰值剪切位移越低;平面形节理模型的峰值抗剪强度最低,矩形节理模型的峰值抗剪强度最高,正弦形和三角形节理试件的抗剪能力相近;离散裂隙网络模型和粗糙裂隙网络模型的峰值抗剪强度显著低于实心试件,考虑了节理粗糙性的裂隙网络模型抗剪强度高于直线型节理模型;实心试件破坏模式为典型脆性剪切破坏,裂隙网络模型的破坏模式相对复杂,沿着剪切方向主剪切裂面波动萌生,破断面由多个节理面的交叉点破坏与沿节理面的滑移构成。研究成果可以为3D打印技术的推广和复杂节理岩体剪切力学特性的室内试验研究提供参考。     

大庆徐家围子不同储层改造的干热岩潜力评估

针对如何评估大庆徐家围子不同储层干热岩开采潜力的问题,基于徐家围子深井的地质和测井资料,对其深部存在的三种储层情况进行了划分。首先提出了各储层改造方案并建立了三维压裂模型;然后基于储层改造结果,采用水热耦合软件TOUGH2对其进行了换热分析;最终得出了不同储层的干热岩开采潜力。研究结果显示,徐家围子营城组储层是该区目前最适合进行干热岩开采的储层:根据天然裂隙发育程度,可以分为致密储层和天然裂隙发育储层,天然裂隙储层经清水剪切压裂后,采用三垂直井开采模式,最大注入速率30 kg/s,20 a产热量达17000~18500 kJ/s;根据地应力遮挡情况,可以分为遮挡层和无遮挡层,遮挡层和无遮挡层采用传统支撑剂型压裂后,采用三水平井(水平段2000 m)的开采模式,最大注入速率分别为20和32 kg/s,20 a的产热量分别为3500~5350 kJ/s和5600~7760 kJ/s。此外,虽然致密层产出热量远低于天然裂隙发育储层,但传统支撑剂型压裂和水平井技术结合后,致密储层也具有了开采干热岩的潜力。     

河南省干热岩赋存地质环境及找矿方向

干热岩是战略性清洁能源,属于固体矿产范畴,其赋存条件受控于地质环境影响。在河南省干热岩资源调查项目基础上,结合国内外干热岩成藏特征和钻探成果综合研究分析认为：干热岩热源主要以侵入岩体热传导和地幔热传导(深部隐伏断裂对流热传导)2种模式;其成藏环境必须具备巨大稳定高导热性岩体、巨厚稳定低导热性上覆盖层和深部热源3个基本条件。针对目前干热岩资源找矿理论和钻探存在问题,提出了初步找矿方向和建议,明确了加大钻探技术和工艺研发的重大意义。     

地热储层单裂隙岩体渗流传热数值模拟研究

研究地热储层裂隙岩体中的渗流传热过程对干热岩地热资源的开采具有重要的意义。本文以干热岩地热工程为背景,采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件对地热储层单裂隙岩体中渗流传热机理进行了研究,并分析了流体注入速度和温度对岩体温度场的影响及其对干热岩地热工程的影响。研究发现流体参数对岩体温度场的影响主要体现在两个方面：一方面是对岩体温度场受扰动区域以及幅度的影响,另一方面是对岩体温度场达到稳态所需要时间的影响。流体注入速度的提升会降低系统的寿命和寿命期的出口法向总热量值,当考虑出口法向总热通量时,存在最佳流体注入速度,本研究中最佳流体注入速度为0.011m/s。流体注入温度的提升会增加系统的寿命和系统的出口法向总热通量和总热量。研究为干热岩自热资源的开发与利用提供了理论依据,为工程运行参数的设计提供了参考依据。     

壁面局部接触裂隙岩体水流-传热的一种理论模型及计算分析

核废物地质处置、地热开发、石油开采等工程领域都可能涉及稀疏裂隙岩体中的水流-传热过程。现有的裂隙岩体水流-传热理论模型和计算方法基本上都是以平行光滑壁面裂隙模型为基础的,没有考虑裂隙的壁面局部接触对水流、水-岩热交换以及岩体传热的影响。针对粗糙壁面裂隙水流过程,阐述了基于Stokes方程的Reynolds润滑方程及Hele-Shaw裂隙模型,采用MATLAB软件中的PDE工具求解,并与Walsh的等效水力开度公式进行对比;分析壁面局部接触裂隙水流-传热与填充裂隙水流-传热的相似性,提出了瞬时局部热平衡假设的适用条件,并在裂隙局部接触体传热满足Biot数条件的前提下,计算分析裂隙局部接触体与水流之间的局部热平衡时间及其影响因素;在裂隙局部接触体与水流之间满足瞬时热平衡假设的前提下,利用填充裂隙水流-传热的解析解,计算了壁面局部接触裂隙水及两侧岩石的温度分布,并分析了裂隙局部接触面积率、裂隙开度、裂隙水平均流速对岩石温度和裂隙水温度的影响特征,结果表明：（1）在设定条件下,由于裂隙局部接触体与裂隙水流之间的热交换,裂隙水流对其两侧岩石温度的影响范围随接触面积率的增大而减小,裂隙两侧岩石对裂隙水流温度的影响程度随接触面积率的增大而增大;（2）裂隙开度和裂隙水流速对岩石温度和裂隙水温度的影响方式的影响是一致的,即由于裂隙水流量随裂隙开度和裂隙水流速的增大而增大,裂隙水流对其两侧岩石温度的影响范围随裂隙开度和裂隙水流速的增大而增大,裂隙两侧岩石对裂隙水流温度的影响程度随裂隙开度和裂隙水流速的增大而减小。     

The geothermal formation mechanism in the Gonghe Basin: Discussion and analysis from the geological background

The Gonghe Basin, a Cenozoic down-warped basin, is located in the northeastern part of the Qinghai-Xizang (Tibetan) Plateau, and spread over important nodes of the transfer of multiple blocks in the central orogenic belt in the NWW direction. It is also called “Qin Kun Fork” and “Gonghe Gap”. The basin has a high heat flow value and obvious thermal anomaly. The geothermal resources are mainly hot dry rock and underground hot water. In recent years, the mechanism of geothermal formation within the basin has been controversial. On the basis of understanding the knowledge of predecessors, this paper proposes the geothermal formation mechanism of the “heat source–heat transfer–heat reservoir and caprock–thermal system” of the Gonghe Basin from the perspective of a geological background through data integration-integrated research-expert, discussion-graph, compilation-field verification and other processes: (1) Heat source: geophysical exploration and radioisotope calculations show that the heat source of heat in the basin has both the contribution of mantle and the participation of the earth’s crust, but mainly the contribution of the deep mantle. (2) Heat transfer: The petrological properties of the basin and the exposed structure position of the surface hot springs show that one transfer mode is the material of the mantle source upwells and invades from the bottom, directly injecting heat; the other is that the deep fault conducts the deep heat of the basin to the middle and lower parts of the earth’s crust, then the secondary fracture transfers the heat to the shallow part. (3) Heat reservoir and caprock: First, the convective strip-shaped heat reservoir exposed by the hot springs on the peripheral fault zone of the basin; second, the underlying hot dry rock layered heat reservoir and the upper new generation heat reservoir and caprock in the basin revealed by drilling data. (4) Thermal system: Based on the characteristics of the “heat source-heat transfer-heat reservoir and caprock”, it is preliminarily believed that the Gonghe Basin belongs to the non-magmatic heat source hydrothermal geothermal system (type II2₁) and the dry heat geothermal system (type II2₂). Its favorable structural position and special geological evolutionary history have given birth to a unique environment for the formation of the geothermal system. There may be a cumulative effect of heat accumulation in the eastern part of the basin, which is expected to become a favorable exploration area for hot dry rocks.     

裂隙特征对岩石渗流特性的影响规律研究

裂隙是油气储层主要的储集空间及流体渗流通道,影响油气的运移规律,是油气勘探开发的重要指标。以冀中坳陷任丘油田任10井为例,运用数值模拟方法研究了裂隙开展宽度和裂隙面粗糙度对岩石渗流特性的影响规律。研究结果表明,(1)裂隙开展宽度较小时,孔隙内流体压力仅在入口处小范围内呈扇形分布,裂隙中压力分布曲线呈正切函数型,流体流速在裂隙和孔隙中都较小;随着裂缝开展宽度的增加,孔隙内流体压力逐渐增大,裂隙中压力分布曲线逐渐向直线型转变,流体流速在入口处先减小后稳定,在裂隙中先增加后稳定;(2)裂隙面粗糙度对裂隙岩石渗流特性的影响与裂隙开展宽度有关,在裂隙开展宽度较大时,裂隙面粗糙度对流体压力的分布影响较大;随着裂隙面粗糙度增大,孔隙内流速逐渐增大,而裂隙中流速逐渐减小;(3)随着裂隙开展宽度的增大,影响裂隙流体流动的主控因素逐渐由裂隙开展宽度转变为裂隙面粗糙度。     

注CO2条件下花岗岩破裂特征的试验研究

CO2增强型采热系统（CO2-EGS）工程中CO2作用下岩石的水压破裂行为是目前亟需解决的一个关键科学问题。从福建漳州采取花岗岩露头,利用自主研制的厚壁圆筒式致裂仪进行了不同流体（CO2、水）的水压致裂试验,研究了CO2、水入渗致裂后花岗岩的破裂特征及破裂机制。研究表明：随着致裂液黏度的减小,试样破裂过程会形成更多且更曲折的微裂纹分支,这意味着,采用CO2压裂可能更有利于形成缝网,从而有助于提高增强型采热（EGS）工程中换热效率;试样的破裂压力随着致裂液黏度的减小而降低,而较低的破裂压有助于注入井的安全运行;试验结果可用从对流换热角度分析的流体岩石相互作用机制解释,进而验证了其准确性。     

The effects of fracture roughness on P-wave velocity

Artificial fractures were created on three different rock samples by sawing. The fracture surfaces were in turn grooved in different directions by sawing to simulate the fracture roughness. Four different roughness types were created and a fracture roughness coefficient (FRC) was defined for each type. Model experiments were carried out on the rock samples having different fracture roughness to investigate how the sound velocity varies with fracture roughness.

The test results were statistically analysed using the method of least squares regression and polynomial relationships with high correlation coefficient were found between the FRC values and the P-wave velocities. The P-wave velocity decreases with increasing the FRC values.     

Analysis of thermal parameters of Triassic,Permian and Carboniferous sedimentary rocks in central Poland

The paper shows thermal tests results (thermal conductivity, specific heat) carried out during the research project to recognize the potential of hot dry rocks for heat and electricity production in Poland. Analysis of such parameters of the rock medium has fundamental significance in search of structures for location of enhanced geothermal systems (EGS). Analyses of thermal conductivity as well as specific heat determine the possibility of effective extraction of heat from hot rock formations and its efficient transfer to the land surface. Reservoir rock should be characterized by the lowest possible porosity and permeability, and the highest possible thermal conductivity. In order to recognize reservoir parameters of rocks that form potential reservoirs for EGS, 300 samples of sedimentary rocks were taken from 11 wells located in central Poland. For samples, sizes of which enabled measurement of thermal parameters, tests of thermal conductivity and specific heat were carried out. Independently, measurements of porosity were made. The porosity magnitude determines values of measured thermal parameters. Measurements of thermal conductivity of rocks were made for 24 samples collected from Triassic, Permian and Carboniferous deposits in six wells. Measurements of specific heat on rock samples were made for 20 rock samples. Among sedimentary rocks, principally sandstones and limestones with reservoir parameters favourable for this type of systems are considered to be petrogeothermal reservoirs and are often characterized by favourable thermal parameters for EGS. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.