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。     

干热岩资源和增强型地热工程:国际经验和我国展望

干热岩（HDR）是一种没有水或含有少量水的高温岩体,保守估计地壳中3~10 km深处干热岩所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。增强型地热系统（EGS）是指通过水力压裂等工程手段在地下深部低渗透性干热岩体中形成人工地热储层,采出相当数量热能的人工地热系统。EGS的研究与开发已有40年的历史,但早期只局限在美国、英国、法国、日本、澳大利亚等国家,我国这方面的研究于近几年起步。目前干热岩的开发面临诸多挑战,如大体积人工裂隙热储的建造、实现EGS商业化需要进一步研究和技术开发等。本文回顾分析了国际上重要EGS示范场地建设和研究过程中所取得的经验和积累的教训,讨论了我国近几年的研究进展,希望为我国今后EGS研究和工程化示范提供参考和借鉴。     

二氧化碳爆破储层改造近炮孔处岩石性质变化及温度分布规律研究

传统的地热井井身结构不适用于利用二氧化碳爆破技术进行干热岩储层建造,因此本文基于二氧化碳爆破致裂技术建造干热岩储层的新型井身结构工艺进行了进一步探究。结合该工艺水平井段（炮孔）钻进过程实际工况,对钻井后水平井段（炮孔）附近干热岩储层的物理力学性质变化规律及储层温度分布特征进行了岩石力学实验和数值模拟研究。研究结果表明钻井液降温产生的热应力作用是储层岩石性质发生变化、出现热损伤区的主要原因;冷却过程中炮孔附近储层呈现出“快速降温区-平缓降温区-未降温区”的区域性温度分布特征;储层初始温度和冷却时长对快速降温区温度分布以及热损伤区范围影响较大。本研究可以为二氧化碳爆破致裂干热岩储层建造提供理论指导。     

青海共和盆地干热岩地热储层水力压裂物理模拟和裂缝起裂与扩展形态研究

水力压裂是青海共和盆地干热岩地热资源开发的难点技术问题之一。本文基于升级改造的大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验系统模拟干热岩储层高温高压环境,利用青海共和盆地露头岩心进行水力压裂物理模拟实验,揭示干热岩储层水力裂缝的起裂和扩展规律。通过物理模拟实验发现：干热岩储层裂缝起裂可以通过文中提出的起裂模型判断起裂方式和预测起裂压力;水力裂缝在岩石基质中的扩展形态简单,仅沿最大主应力方向延伸;但是水力裂缝会受到岩石中弱面的影响,发生转向沿弱面延伸,形成较复杂的裂缝形态。因此,建议在干热岩储层实际施工中,在天然裂缝发育较丰富的层段开展水力压裂,以实现复杂裂缝网络提取地热能。     

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。     

天然裂缝影响下的花岗岩水力裂缝扩展数值模拟

水力压裂技术是成功实现干热岩资源开发利用的重要手段之一,数值模拟技术能够精准预测水力裂缝扩展。针对典型花岗岩,借助黏性单元法,分别模拟了致密花岗岩和天然裂缝存在情况下的水力裂缝扩展特征,得出以下结论：致密花岗岩的水力裂缝形态单一,天然裂缝的存在增加了压裂后裂缝的复杂性;致密花岗岩水力裂缝拓展主要分为憋压和拓展两个交替往复的阶段,当存在天然裂隙时,水力压裂过程会变得复杂;天然裂缝存在时,水力裂缝的缝长和缝宽分别为致密花岗岩的5. 7倍和1. 7倍;缝网的形成需要借助复杂的压裂工艺实现。研究结果可以为增强型地热系统(EGS)储层水力刺激工作提供理论支持。     

增强型地热系统（EGS）的裂隙模拟方法

增强型地热系统（EGS）是在干热岩技术基础上提出来的一个清洁能源概念,水力压裂建立人工热储是开采地下干热岩热能的有效方法之一。利用TOUGH2系列软件对增强型地热系统进行模拟,具体介绍了对水压致裂过程中裂隙网络模拟的处理方法。裂隙中的水流可以采用不同的概念模型,最为常见的模型包括双空隙率、双渗透率、多重相互作用连续统一体（MINC）以及有效连续统一体（ECM）,这些模型明确了对离散的裂隙和基质的模拟方法。应根据基质的渗透性和裂隙的性质灵活地选择裂隙处理方法,也可将不同方法结合起来使用。提出了几种有效的混合模拟方案,对将来高温岩体地热开发具有重要意义。     

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。     

不同尺度岩体结构面对页岩气储层水力压裂裂缝扩展的影响

储层岩体中的天然结构面对水力压裂缝网改造具有重要的影响。本文采用真实破裂过程分析软件RFPA2D-Flow,在考虑岩体非均质性和岩体渗流-应力-损伤破裂特性的基础上,对不同尺度天然结构面影响的水力压裂裂缝扩展与演化行为进行了模拟分析和讨论,研究结果表明:（1）当水力裂缝遇天然非闭合裂隙时,在水力裂缝靠近非闭合裂隙区间形成拉张应力区,水力裂缝与区间非闭合裂隙间微元体累进性张拉破坏是导致水力裂缝与非闭合裂隙贯通的主要机制;（2）层理等优势结构对水力压裂裂缝扩展及缝网形态影响十分显著,当最大主应力方向与层理面走向小角度相交时,层理结构面对水力裂隙的扩展起主要作用,当最大主应力方向与层理面走向大角度相交时,最大主压应力与层理面共同对缝网扩展起主导作用,随着优势结构面的增多和差应力的增大,水力压裂形成的缝网范围和复杂性程度随之增大;（3）储层水力压裂是一种局部范围内的短暂动力扰动过程,尽管断层的存在可以极大地影响水力裂缝的扩展模式,增大水力裂隙扩展高度,但相比于储层埋深,水力压裂对断层封闭性的破坏范围和断层活动性的扰动程度十分有限。     

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。