增强型地热系统热-水动力-力学(THM)耦合模拟——以河北马头营凸起区为例

增强型地热系统(EGS)的裂隙热储层在长期开采过程中,由于不断地提取高温干热岩体的热量,致使高温花岗岩岩体温度下降,进而诱发岩体产生二次破裂,甚至出现流体短路,降低地热系统开采效率。为了保证EGS热能的稳定提取,需要建立试验场地的热-水动力-力学(THM)耦合模型,分析水动力和热效应对该储层裂隙发育规律的影响。本文基于河北马头营凸起区EGS开发场地的循环注水试验数据,建立场地热-水动力-力学耦合模型,通过模型模拟结果与现场观测结果进行比较,先验证了THM耦合模型的准确性,然后利用校正后的模型预测了不同注入方案下,EGS储层渗透率的提高和增产带的空间范围,揭示了储层裂隙增产带的范围受温度、压力、注入速率的影响情况。结果表明：经过63 d的增产处理,该模型预测的增产层体积约为10万m³;提高注水压力能刺激现有的裂隙发生剪切性破裂,拓宽增产带的区域;减小注水的温度有助于提升流体的穿透能力,扩大储层的增产带;在水力压裂的开始阶段,适当利用冷水注入有利于提高储层渗透率,且提高注入速率会使储层增产带的范围扩大。     

增强型地热系统开发过程中的多场耦合问题

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,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,但我国还基本处于空白。在EGS运行过程中,高温岩体及裂隙受到温度场（T）、渗流场（H）、应力场（M）、化学场（C）的耦合作用,其结果直接影响整个系统的设计和运行。本文根据对EGS最基本的物理—化学过程分析,讨论了任意两场之间的相互作用,指出了三场耦合应考虑的重点及四场耦合现阶段研究的不完善性,最后综述了目前国际上用于解决EGS多场耦合问题的模拟软件研究进展。     

松辽盆地增强型地热系统开发选区评价

干热岩是一种新型清洁能源,其开发利用区的确定十分重要。笔者首先通过对松辽盆地热源、资源量、导热、聚热、地震活动5个方面资料的收集,提出了松辽盆地增强型地热系统开发选区适宜性评价方法;然后选取8项评价因子,利用ArcGIS 10.2平台将松辽盆地划分为26个评价单元,根据打分法和层次分析法(AHP)求取每个因子的权重;最后,对26个选区进行综合评价,将其分成适宜、较适宜、一般适宜、较不适宜和不适宜5个等级。结果表明:松辽盆地干热岩开发适宜区和较适宜区主要集中在盆地中部的大安—大庆一带,确定的适宜选区范围对今后干热岩开发工作具有一定指导作用。     

鄂尔多斯盆地深部咸水层二氧化碳地质储存热-水动力-力学(THM)耦合过程数值模拟

注入CO₂到深部咸水层(CO₂地质储存)被认为是一种直接有效地减少CO₂向大气排放的途径。CO₂地质储存涉及到热、水动力和力学耦合过程,该耦合过程是预测CO₂在储层中的迁移转化、评价储层储存能力和分析潜在风险的关键。基于Terzaghi固结理论,在热-水动力(TH)耦合软件TOUGH2框架中加入了力学模块,形成了新的热-水动力-力学(THM)模拟器。结合鄂尔多斯盆地CO₂捕获和储存(CCS)示范工程场地的地质、水文地质条件,采用新的THM模拟器数值分析了CO₂注入后地层中的温度、压力、CO₂饱和度、位移和有效应力的时空变化特征。结果显示:在井口保持8 MPa和35℃情况下,能够实现10万 t/a的CO₂注入量;压力上升的范围远远大于CO₂运移和温度降低的范围,注入20 a后,其最大距离分别达到接近边界10 km、620 m和100 m;位移和应力变化主要与压力变化相关,注入引起最大抬升为0.14 m,在注入井附近位置储层中有效应力变化水平方向要大于垂直方向,而在远井位置相反;注入引起井附近有效应力明显减小,从而导致了孔隙度和渗透率的增大,增强了CO₂注入能力。     

二氧化碳羽流地热系统水-岩-气相互作用:以松辽盆地泉头组为例

二氧化碳羽流地热系统(CPGS)是利用CO2地质储存场地进行地热能开发的一种工程技术,也是整合CO2减排与开发深部地热资源的理想方式。但伴随着对深部地热的提取,注入储层的超临界CO2使深部咸水的pH值降低,导致周围岩体产生溶解和沉淀,从而引起孔隙度、渗透率等地层物性的变化,最终改变系统的生产能力和净热提取效率。以松辽盆地泉头组为目标储层,采用室内实验、数值模拟等技术手段,通过实验和数值计算结果的对比,揭示系统水-岩-气相互作用对热储矿物组分的改变。研究结果显示:实验过程中矿物溶解对温度和盐度变化较为敏感,而受压力影响较小;在实验和模拟时间内发生溶解的矿物主要是长石类矿物,方解石在反应后全部溶解;石英、伊利石和高岭石的矿物组分体积分数有所增加,并有少量菱铁矿生成。     

地下热-水动力-力学耦合过程数值模拟:以CO_2地质储存为例

在地下流动系统问题的研究中,热-水动力-力学(THM)耦合过程是研究的热点问题。在地下多相非等温数值模拟软件TOUGH2的框架内,基于Biot固结理论和摩尔-库仑破坏判定准则,建立了THM耦合模型;采用积分有限差和有限元联合的空间离散方法,开发了THM模拟器TOUGH2Biot。该模拟器中热和水动力过程是全耦合,力学过程是部分耦合。通过与解析解的对比,验证了其正确性。基于鄂尔多斯盆地CCS示范工程,采用TOUGH2Biot研究了CO2注入地层后的THM响应。结果显示CO2的注入引起流体压力急剧增加,地层有效应力减小,地表隆起,隆起大小在几十个厘米,同时孔渗增加,利于CO2注入引起的压力上升向外消散。CO2注入最有可能导致剪切破坏的位置位于最大速率注入点上部盖层,其次为靠近地表的位置。     

一维-二维耦合的河湖系统整体水动力模型

为对自然界中的复杂水流系统进行整体水动力数值模拟,建立了适用于河湖系统的一维-二维耦合模型.将河网计算中用于处理河段间耦合的汊点水位预测校正法应用到一维-二维耦合边界的处理中,即耦合边界水位预测校正法.该方法具有一维、二维模型计算完全独立,可有效利用现有模型的优点.与传统一维-二维耦合处理方法相比,耦合连接条件的满足程度较高且可通过对计算容差的调整进行有效控制.利用理想及实际例子进行了计算验证,结果表明该方法具有较好的实用性.     

深部地热能系统主要挑战与耦合储能的增强型创新开发模式

中国在中低温地热能直接利用方面早已领先全球,但在深部地热能发电方面却发展缓慢。深部高温高压环境下岩石渗透性降低,深部地热能开采需要建立工程型地热系统(Engineered Geothermal System,EGS),通过水力压裂对储层进行改造,以获得具有较高渗透性的人工地热储层。由于目前常用的深部地热能储层改造技术主要借鉴油气增产领域的水力压裂工艺,在热储改造效果、地震风险控制、高效取热等方面受到限制。首先总结深部地热能水力压裂的特点为：裂缝破坏主要以剪切机理为主;冷水回灌引起的温差效应产生拉应力会促使裂缝向更远处扩展;持续的注水使注入井井筒压力高于地层压力,有助于保持裂缝处于张开状态。因此,EGS水力压裂不需要使用支撑剂,与依靠支撑剂的油气井增产压裂完全不同。同时,系统剖析EGS面临的发电产能低、注采连通差、诱发破坏性地震以及无补贴难盈利4大难题与挑战。从创新压裂和循环利用层面提出耦合储能的增强型创新开发模式(Regenerative Engineered Geothermal System,REGS),通过数值模拟研究REGS的优点。结果表明,采用水平井非等距、非等面积、非等注水...     

青藏高原如角高温地热系统构造-热耦合成热模式

【研究目的】地表热异常的形成无外乎两方面原因：异常的热源及异常的热传递方式。“厚壳”与“热壳”共存,是青藏高原高温地热系统与一般汇聚板缘型地热系统的最大差异。部分熔融（热）作为“热壳”中的异常热源,断裂系统（构造）作为“厚壳”中的对流传热通道,清晰刻画两者空间关系,探讨构造-热耦合成热模式,可能是完善“厚壳”与“热壳”共存下青藏高原特色成热理论的重要途径。【研究方法】本次研究以萨嘎县如角沸泉为例,运用大地电磁测深、音频大地电磁测深。【研究结果】探测断裂系统与部分熔融的空间关系;结合已有地球物理、地热地球化学研究,建立如角沸泉构造-热耦合成热模式;并以断裂系统的交汇处为目标体,布设两口生产井。【结论】如角式构造-热耦合成热模式具有普适性,对于完善青藏高原特色成热理论及提高地热勘查成功率具有重要意义。     

增强地热系统热储层-盐水-CO2相互作用

增强型地热系统(EGS)是采用人工形成地热储层的方法,从低渗透性岩体中经济地采出深层热能的人工地热系统。以CO₂为载热流体的增强地热能系统(CO₂-EGS)是实现CO₂减排和深部地热资源开发的有效手段,系统运行时的水-岩-气相互作用对热储层孔渗特征有着重要影响,最终会影响储层的产热能力。笔者利用高温高压反应釜模拟CO₂-EGS高温下的热储层-盐水-CO₂的相互作用,通过对实验中反应液离子成分变化和岩样扫描电镜进行分析,结果表明:实验后的钾长石和方解石出现溶解现象,且方解石溶蚀剧烈;岩样表面出现极少量次生方解石和钠长石,并有新矿物析出,其主要组成元素为C、O、Si、Fe,为菱铁矿的中间产物。通过TOUGHREACT建立反应性溶质运移模型,模拟上述实验的化学反应过程,模拟结果和实验数据拟合较好。该研究可为CO₂-EGS的水-岩-气作用机制提供地球化学数据。     

渤海湾盆地应用增强型地热系统（EGS）的地质分析

全球地下3～ 10 km普遍分布的高温低渗岩体中蕴藏着巨大的热能,利用增强型地热系统(EGS)技术可以实现这部分热能的开发.本文通过对近年增强型地热系统的研究进展和经验的综述,结合区域地质分析和有限元模拟,探讨了渤海湾盆地应用增强型地热系统开发的可行性.我国渤海湾盆地处于岩石圈减薄区,区域大地热流值高,地热资源丰富;基于该区的岩石圈热状态、基底构造形态对渤海湾盆地典型剖面地下10 km内的地温场进行了有限元模拟,结果表明,在基底凹陷区埋深5 km处地温可达150 ～180℃,地温等温线随基底起伏而变化.相比美国、欧洲现有的EGS开发地区,渤海湾盆地具有相似的地温条件和地质条件,适于开发增强型地热系统.通过分区块的资源概算,得出渤海湾盆地陆上部分的增强型地热系统可及资源量可达3775GWe,具有广阔的开发前景.     

增强型地热系统采热性能影响因素分析

为了综合分析增强型地热系统各参数对系统采热性能的影响,以及参数相互之间的影响规律,以云南腾冲热海热田为地质背景,利用正交设计思想通过数值模拟方法对井间距、注入流量、注入温度、储层渗透率等因素的变化进行了分析。结果表明：注入流量是影响系统采热性能的关键因素,并对注入温度、井间距的确定有显著影响;注入流量越大,系统稳定采热时间和运行寿命越短,且注入流量较小的变化（提高0.06 m³/s）会对系统采热温度产生较大的影响（降低47℃）;增加注入温度可以提高系统的采热温度和运行寿命,但注入温度升高30℃、运行50 a后采热温度只提高10℃,效果有限;井间距、渗透率、开采压力对系统采热性能的影响相近,且远小于注入流量。     

松辽盆地齐家古龙凹陷—三肇凹陷中浅层异常压力系统特征

对研究区千余口单井建立声波时差压实曲线,利用等效深度法计算泥岩超压值,结合DST和RFT实测资料以及地震资料,综合考虑研究区沉积及构造特点,最终揭示了松辽盆地齐家古龙凹陷—三肇凹陷中浅层地层存在4套压力体系,即嫩二段以上的常压体系,嫩江组一段、二段弱超压体系,姚家组常压、低压和弱超压并存体系以及青山口组超压体系。不同层位异常压力分布范围和规模不同,其中青一段最为广泛。产生异常压力的原因复杂:超压形成主要受泥岩欠压实和油气生成控制,嫩江组末期的构造抬升作用是研究区产生异常低压的主要原因,而超压流体流动导致的压力传导作用为压力的再分布提供了有力条件。     

增强型地热系统不同注采井网参数分析

针对增强型地热系统中水通过复杂裂缝系统提取干热岩储层热量的过程,基于离散裂缝网络模型热流耦合构建了增强型地热系统的解析模型,利用Laplace变换得到了干热岩储层解析解,分析了在五点井网开采下注采井网参数对出口端温度及热提取的影响。研究结果表明:不同裂缝网络和井网模型下出口端温度下降幅度和热突破的时间不同;在相同裂缝网络下,井距越大,热突破时间越晚,当井距分别为50.0、100.0和150.0m时,热突破时间分别为2.0、5.2和15.0a;注水速率越小,温度下降越慢,当注水速率分别为0.1,0.2和0.3kg/s时,生产20.0a,温度下降幅度分别为53.0,34.5和26.8℃;通过正交实验分析方法得到注采参数中井距影响最大,其极差为13.15,其次为注水速率和注水温度,井网模型影响最小。     

The Statistical Prediction of the Vitrinite Reflectance and Study of the Ancient Geothermal Field in Songliao Basin,China

The resource of the gas from coal and coal measures deep in Songliao Basin hasbeen drawing more and more attention to.It is necessary to find out the evolution regulari-ty of the geothermal field of the basin in addition to a series of geological studies in orderto predict its resources because the ancient geothermal field of the basin is one of themain factors controlling the generation,evolution and disappearance of oil and gas.Inthe recent twenty years,it is generally believed that vitrinite reflectance is the best quanti-tative marker for the ancient geothermal field.In the present paper,a systematic studyof the vitrinite reflectance value of Songliao Basin and its influence factors is made by mul-tiple statistical analysis so as to reconstruct the evolutional process of the Moho and thecorresponding geothermal field.Then,an overall prediction is made of the vitrinitereflectance and the distribution of J_3-K_1 fault basin group at the bottom of SongliaoBasin,which provides the evidence for the furth     

松辽盆地十屋断陷异常低压体系及其成因机制

松辽盆地东南隆起区十屋断陷发育异常低压体系，实测的地层压力梯度介于0.005-0.008MPa/m，研究结果表明异常低压体系的形成既与地温梯度的降低有关，又与新生代该区的地层抬升和剥蚀有关。此外，天然气扩散作用对局部异常低压体系的形成具有一定的影响。研究地区地层压力系统演化经历了从异常高压向异常低压演化过程，这一过程决定了盆地不同演化时期的水流系统及其油气运聚特征，从而使得十屋断陷具有石油成藏早且主要分布于断陷边缘、天然气成藏晚且主要分布于断陷中央的成藏特点。     

松辽盆地坳陷层控地热系统研究

松辽盆地是在印支运动末期至燕山运动早期形成的大型沉积盆地,其不仅蕴藏丰富的油气资源,也是我国主要的地热资源潜力区。本文以大陆科学钻探松科二井为基础通过建立盆地热导率、生热率、孔隙度等物性柱,分析了盆地深部地温场特征,最后给出了松辽盆地坳陷层控型地热系统的形成机制。松辽盆地物性具有明显的垂向分层特征,按照垂向变化可分为4段,分别为盖层段、储层段、稳态热传导段和基底段。热导率随岩性、沉积时代的不同存在较大的差异,总体上随深度的变大逐渐增大,储层段表现出热导率的快速增长,而基底段则热导率差异性大;生热率在白垩系沉积层总体偏低,表现出“冷壳热幔”的热结构;孔隙度表现为从1800 m到2700 m的储层段快速下降趋势,地层储水能力逐渐变弱。松辽盆地地热系统具有坳陷层控的特点,中、晚侏罗世莫霍面隆起形成的热隆张导致了后期浅部的断陷-坳陷双重结构。在坳陷沉积阶段沉积了河湖相为主的砂、泥岩地层,后期随着地下水的循环补给及聚热作用,在白垩系姚家组、青山口组、泉头组中形成了以砂岩为主且空间上由盆地边缘向盆地中心逐渐变薄的层控型地热系统。寻找高渗透热储层是松辽盆地地热探测的关键,本研究可以为盆地深部找热提供...