急剧冷却作用下高温岩石细观损伤与增渗机制研究

干热岩储层改造与开发中不可避免地存在低温流体对高温岩石的冷冲击.首先分析了不同岩样升温过程的渗透率演化,随后开展600℃内急剧冷却前后渗透率、细观结构损伤和岩石力学性能测试试验,最后基于THM-D耦合开展了急剧冷却作用下高温岩石损伤数值模拟,探讨急剧冷却作用下高温岩石的细观损伤与增渗机制.结果表明：急剧冷却处理温度升高,岩石损伤加剧、渗透能力增加、力学性能降低;岩石矿物组成非均质性越强、矿物颗粒几何形状越不规则、杨氏模量越大、抗拉抗压强度越小均有利于岩石发生热致裂;高温岩石受冷冲击,低温诱导热应力作用于岩石产生拉伸破坏,低温流体流入致裂裂隙形成新的温度梯度,随着岩石换热低温诱导热应力先增加后降低.     

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.     

基于THMD耦合的干热岩径向井压裂裂缝扩展

构建大规模裂缝网络是干热岩有效开发的关键.借助径向井在诱导裂缝转向与多缝形成方面的优势，提出采用径向井压裂干热岩储层.基于温度-渗流-应力-损伤(THMD)耦合模型，考虑压裂过程中低温诱导热应力作用，首先探讨了干热岩径向井压裂裂缝扩展机理及径向井诱导作用下热应力与注入压力对应力场的扰动机制，随后分析了储层温度、径向井方位角对裂缝形态的影响规律.结果表明：采用径向井压裂干热岩在径向井的辅助冷却作用下低温诱导热应力加剧，径向井的存在有利于储层拉应力提升，干热岩径向井压裂与直井压裂相比损伤单元数增幅51.63%.基岩温度升高径向井引导裂缝偏转能力增强.径向井方位角增加有利于压裂损伤区域缝网沟通，降低流体流动阻抗.     

粗糙单裂隙换热特征及全局灵敏度分析研究

干热岩开采时,往往需要借助于压裂手段对储层改造形成换热通道,因此,热储裂隙中的对流换热过程对干热岩采热有重要影响．借助于巴西劈裂试验得到粗糙单裂隙,利用三维激光扫描仪扫描裂隙面得到裂隙的点云数据,经处理之后导入至COMSOL Multiphysics数值模拟软件,建立二维粗糙单裂隙对流换热模型,分析其对流换热特性并开展Morris全局灵敏度分析．结果表明：出口温度和平均对流换热系数随粗糙度增加而增加．局部对流换热系数与裂隙起伏度和波动程度呈强相关性,局部粗糙度较高,换热效率可有效得到提高．在裂隙开度较大（大于40μm）或初始流速较高（大于50 mm/s）时,平均和局部对流换热系数在粗糙度越高时增幅越明显．体积流速与裂隙起伏度有强相关性,起伏度越大的位置对应体积流速越大．压力差随着粗糙度的增大而平缓增加．裂隙开度、初始流速、流体比热容和岩石热导率是花岗岩粗糙单裂隙对流换热过程中的灵敏参数,这些参数对模型的换热效率影响较大,并且与其他参数的相互作用也越强．该研究能够揭示流体在粗糙裂隙中的换热特征,并且找到影响对流换热的主控因素,为增强型地热系统优化设计提供科学依据．     

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.     

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.     

致密砂岩储层抗拉强度评价方法研究

致密砂岩储层抗拉强度直接影响压裂过程中裂缝起裂、水力裂缝扩展以及水力裂缝与天然裂缝的沟通能力.基于巴西劈裂实验圆盘测定了 14组致密砂岩抗拉强度,同时在围压条件下测定了相同取心位置的14块岩心的纵横波波速和密度.基于上述实验结果,并与岩心所处井深测井数据对比分析,建立了基于地球物理测井数据(声波时差测井和密度测井)的致...     

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．     

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.     

基于逾渗方法的裂隙储层渗透性模拟

裂隙储层具有强烈的非均质性及储层渗透性预测难度大的特点,利用逾渗理论来研究裂隙储层深层复杂介质渗透性,是当前研究的热点问题.基于连续逾渗,将裂隙网络模型合理简化.使用排除体积对裂隙密度进行无量纲化,从而使裂隙的渗透性与裂隙的形状无关.首先使用Monte Carlo方法得到裂隙在不同密度时的网络图,而后使用ComsolMultiphysics中的有限元求解器得到流体在裂隙中的速度和压力分布图,数值模拟表明:随着裂隙密度的增加,裂隙的连通性增加,进而流体在裂隙中的渗透性也增加;最后使用有限尺度转换定律和尺度放大思想,通过重复子区域的方法求解每个小区域的渗透性,得到裂隙储层在不同尺度下的渗透性,分析得到储层平均渗透性和无量纲化裂隙密度之间的关系.模拟得到的渗透率值和FRACA软件得到渗透率泊松相关系数为0.885.该规则的发现为逾渗理论从小尺度放大到宏观物理模型即储层尺度提供了一个理论依据.     

考虑动态克林伯格系数的煤储层渗透率预测模型

随着储层压力的降低,克林伯格效应对渗透率的影响越来越大.现有的煤储层渗透率预测模型大都忽略了克林伯格系数的变化,其预测结果与实际生产存在一定的差异,尤其是在低储层压力阶段.本文以体积不变假设为基础,基于火柴棍模型给出在储层压力降低过程中动态克林伯格系数的计算公式,并建立考虑动态克林伯格系数的渗透率预测模型;深入分析在煤储层压力降低过程中,煤储层渗透率和克林伯格系数的变化规律.研究结果表明：随着储层压力的降低,克林伯格系数呈先增大后减小的变化趋势;在相同储层压力下,克林伯格系数随渗透率增加呈指数减小趋势,随温度增加呈线性增大趋势.本文建立的渗透率模型参数简单易获取,预测结果与实际煤储层渗透率变化规律符合性较好,尤其是在低储层压力阶段,能准确预测煤储层渗透率变化.     

基于平行多裂隙模型美国沙漠峰地热田EGS开发数值模拟研究

基于美国沙漠峰地热田地质背景,构建引入围岩的平行多裂隙概念模型对采热过程进行数值模拟研究,结果表明此模型开采沙漠峰热储层是可行的.当系统的循环流量为100kg/s,换热单元体厚度为40 m时,热开采前20年产出温度为210℃,电功率为7.6 MW,50年内产出温度仅下降6.2%,产出温度和产能均符合EGS商业开发的要求.热储激发程度与产出温度、热储寿命呈正相关,并对下伏层围岩热开采呈正效应.裂隙宽度对产出温度影响不大.流量与产出温度及热储寿命呈负相关.     

沁水盆地南部煤层气储层压裂过程数值模拟研究

储层改造是煤层气井提高产能的重要措施,水力压裂是煤层气储层改造的重要方法.为研究煤层气储层压裂过程及其天然裂缝对煤储层压裂时破裂压力的影响,本文以山西沁水盆地南部高煤级煤矿区为研究区,运用有限元数值模拟方法,计算不同地应力条件下、裂缝处于不同位置时煤储层的破裂压力.结果表明:(1)不同类型地应力场对破裂压力的影响不同.对于均匀应力场,破裂压力随着围压的增大而增大,其增幅约为围压的两倍;对于非均匀应力场,当一个水平主应力不变时,破裂压力会随着水平主应力差的增加而减少;(2)如果地应力条件不变,煤储层破裂压力随着天然裂缝与最大水平主应力方向夹角的增加而增加,水平主应力差越大煤储层破裂压力增幅也越大;(3)在有天然裂隙的地层中进行压裂,当天然裂缝的方位不同时压裂裂缝既可能是沿着天然裂缝扩展的裂缝,也可能是压裂过程中产生的新裂缝,因此天然裂缝的方位对破裂压力具有一定的影响.     

超深层碳酸盐岩储层地震岩石物理特征和模型表征

揭示超深层碳酸盐岩储层的地震岩石物理响应机理可以为深储层测井数据解释、地球物理预测提供物理基础,对于深层油气勘探开发、向地球深部进军都有重要意义.深层致密碳酸盐岩储层面临着高温高压、成岩作用显著、异常压力普遍等新的物理环境,其岩石骨架、储集非均质、以及流体属性都将发生系统的变化.通过对塔里木盆地超深层(>7000 m)样品的弹性性质测量,系统的研究了深层碳酸盐岩储层的压力效应和水饱和流体效应,厘清了控制深层碳酸盐岩储层地震弹性性质的二元主控因素：裂隙发育和流体类型.且这二者呈现明显的耦合关系,裂隙越发育,越有利于识别不同流体的弹性特征.深层碳酸盐岩样品整体显示弱VTI(垂直横向各向同性)各向异性特征(<4%),也反映了在微观尺度上,水平裂隙相较于垂直裂隙对地震各向异性的影响更大.孔隙压力和气油比(GOR)对深层条件下油气流体的弹性响应也有较大影响：油气流体的弹性模量随着气油比的增加呈现明显下降,但随着孔隙压力的增加呈现升高趋势.在深储层地震岩石物理响应机理的基础上,建立了表征深层碳酸盐岩储层二元主控因素的地震岩石物理模型,该模型可以有效的刻画裂隙密度、流体类型对深层碳酸盐岩...     

山东七宝山角砾岩筒流体双重致裂机制与金铜成矿

对山东七宝山角砾岩筒的综合研究表明 ,该角砾岩筒形成于一种新的流体构造动力学机制———流体温压双重致裂和脉动扩展机制 ,即 :在流体的热应力和液压双重作用下形成性质不同的节理裂隙和上凸锥面状裂隙带 ,并脉动式往上扩展形成圆柱状压裂角砾岩体 ;锥面状裂隙带顶点岩石瞬间点爆裂 ,流体向该点汇流 ,流体流速加快和爆裂区呈倒置锥状往上扩展 ,岩筒上部锥状爆裂角砾岩体与锅盖状震裂角砾岩体形成 .富金流体于岩筒上部倒置锥状裂隙体 (温度压力急降箱 )下部沸腾面附近富集和沉淀 ,富铜流体主要于温压相对较高的汇流区集结和沉淀成矿 .     

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.     

基于BEM的水力裂缝起裂与扩展数值模拟

水力压裂是对低渗透油气田进行储层改造的重要技术,现已在国内外得到广泛应用.但井壁上原有的裂缝会造成水力裂缝在近井筒区域发生转向,诱发提前脱砂、砂堵等现象,甚至导致压裂作业失败.本文以边界元方法、流体力学为理论依据,考虑了近井筒处裂缝的转向行为,建立了含裂缝的井壁起裂及水力裂缝扩展的流固耦合模型.研究发现:当压裂液黏度较小时,裂缝迅速转向至垂直于最小水平主应力的方向;随着黏度的逐渐增大,井底注入压力不断升高,裂缝转向半径亦逐渐增大;压裂液排量对井壁裂缝延伸的影响和黏度对其的影响相似;井壁上原有裂缝的长度对井壁破裂压力有着显著的影响,其长度越长,井壁破裂压力越小;随着水平主应力差值的增大,裂缝的延伸路径会发生明显的转变,所需的延伸压力不断增大;井壁原有裂缝与最大水平主应力方向间的夹角越小,所需的破裂压力及延伸压力也越小.     

沁水盆地南部煤层气藏的有效运移系统

煤层气藏有效运移系统的优劣取决于煤储层的裂隙发育程度与开合程度,决定着煤储层的渗透性,其外在显现形式主要表现为煤储层的孔裂隙系统特征．本文基于煤基块弹性自调节效应理论和煤储层综合弹性能量理论,提出了煤储层裂隙开合程度参数4和裂隙发育程度参数专定量化研究了沁水盆地南部煤层气藏有效运移系统,探讨了其对煤层气富集高产的控制作用．结果表明：研究区现今阶段,眚高值区位于安泽、沁源一带,郑庄、樊庄次之,说明这两个区域内,煤储层裂隙发育程度较高;A高值区位于郑庄、樊庄一带,安泽、沁源次之,说明区域内煤基块弹性自调节正效应占优势,裂隙趋于张开．综合分析盼4可以发现,二者的最佳匹配区域位于郑庄、樊庄一带,说明此区域内煤层裂隙相对较发育,裂隙张开程度较高,可能具有较高的流体压力和较好的渗透性,有利于煤层气藏高产．     

饱和储层砂岩中流体粘度引起的超声波速度频散实验研究(英文)

在实验室对5块储层砂岩进行了模拟地层压力条件下的超声波速度测试。砂岩样品采自WXS凹陷的W地层,覆盖了从低到高的孔隙度和渗透率范围。实验选用了卤水和4种不同密度油作为孔隙流体,结合温度变化,实现了对流体粘度引致的速度频散研究。对实验结果的分析表明:(1)对于高孔隙度和渗透率的样品,无论是哪种流体饱和,观察到的超声波速度测试值和零频率Gassmann预测值的差异较小(约2-3%),基本上可以用Biot模型解释;对于中等孔隙度和渗透率的样品,低粘度流体(<约3mP?S)的频散效应也可以用Biot模型得到合理解释;(2)对于低、中孔隙度和渗透率样品,当流体粘度增加时,喷射流机制起主导作用,导致严重的速度频散(可达8%)。对储层砂岩的微裂隙纵横比进行了估计并用于喷射流特征频率的计算,当高于该特征频率时,Gassmann理论的假设条件受到破坏,实验室测得的高频速度不能直接用于地震低频条件下的W地层砂岩的Gassmann流体替换研究。     

含孔隙、裂隙介质弹性波动的统一理论——Biot理论的推广

地球表层的岩石介质往往是即含孔隙又含裂隙,这种现象对弹性波传播产生重要影响．本文在Biot孔隙介质的波动理论基础上,利用该理论中介质在排水（干燥）条件下的弹性模量引入裂隙对弹性性质的影响,并对裂隙在弹性波动作用下的“挤喷流”（squirt flow）效应进行了具体分析,导出了一个描述孔隙、裂隙并存时的弹性波统一理论．该理论既能描述裂隙对介质弹性的影响,又能模拟挤喷效应导致的弹性波衰减和频散,并且指出,这种挤喷效应是由裂隙介质的两个最重要的参数,裂隙密度和纵横比所控制．这一统一理论的另一重要特性是该理论保持了Biot理论的基本特征,即慢速纵波的传播特征及孔隙渗透率的影响．模拟计算结果及与实际数据的对比表明,这一孔隙、裂隙弹性波动的统一理论能较好地描述实际岩石介质中弹性波的传播,从而在地球介质中地震和声波测量中比Biot理论有着更为广泛的应用前景．