青海贵德地热田储层岩石物理力学性质试验及产能评价

发布时间：2020-04-26 08:10

【摘要】：为应对单一的能源结构不能满足现阶段发展理念的迫切要求这一问题,针对我国起步晚取得成果少的现状,开展对干热岩资源方面的研究十分迫切。干热岩开发利用涉及多学科交叉,其有关的科学问题和工程技术甚是复杂,储层改造和热能开采是干热岩取能的两大关键问题。储层改造要求掌握压裂过程中岩石的裂缝发展形态及渗透规律,这就需要准确掌握岩石力学性质。热能的开采涉及岩体与水热交换,它决定着EGS最终的产能,这要求精确认识岩石的热物性性质。干热岩深处地下,其物理力学性质与常温无静压状态下的岩石物理力学性质存在较大差异,温度和围压作用对岩石的物理力学性质影响不容忽视,这涉及到温度-应力-流体(THM)多场耦合问题。因此,研究高温高压状态下的岩石物理力学性质是解决EGS系统两大核心问题的关键,对EGS工程的开发利用具有重要意义。本文以干热岩研究为背景,主要开展了基于室内试验的温压影响岩石物理力学性质分析、干热岩储层改造和产热性能分析三个方面的工作。对贵德地区ZR2井3600m以浅岩心进行室内物理力学试验和数值模拟,总结温度和围压变化条件下各参数变化规律,拟合变化曲线得到方程。将各参数变化方程编制热压变化程序HeaPre.f90,嵌入由本课题组开发的TOUGHREACT-FLAC3D程序中,进行热产出模拟,确定最优生产速率和该工况下产热性能。首先对青海省贵德盆地岩石样品结构构造、化学成分和基本物理性质进行室内试验并分析试验结果,得知岩石样品主要由石英、钾长石、斜长石、角闪石、白云母、黑云母和绢云母组成,结构多样化构造单一,主要为块状构造,极少部分是杏仁状构造。岩石薄片致密,孔隙少,且多为分布较均匀的微小孔隙。花岗岩中钍和钾含量与正常花岗岩相符,3100-3600 m深铀的含量为4.896-12.09μg/g,平均值7.57μg/g远超于正常花岗岩中铀的含量4.75μg/g,高出了37.2%,高含量放射铀的衰变给予了贵德盆地丰富的地热能资源。处于地下深部的岩体,在地应力作用下始终保持压密状态,深度变化从根本上影响着密度状态。室内试验结果表明岩石样品的密度在2.378-2.843 g/cm~3之间变化,并随着地层加深而升高。随着地层的加深,岩石样品的导热系数呈波动性变化,振幅减小,100-130℃的浅层低温地层,导热系变化范围2.5-3.6 W/(m·K)极为分散毫无规律,130℃-150℃以上的地层,岩石样品的导热系数趋于稳定状态,稳定在3.2 W/(m·K)。比热容随地层深度加深呈波动性变化,波动范围在0.511-0.972 kJ/(kg·K)之间,波动过程中比热容数值略微有增幅,最后稳定在0.823kJ/(kg·K)。岩石的孔隙率随深度呈跳跃性变化,无明显规律;岩石的渗透率随深度增加逐渐降低,2000 m以浅曲线振幅式升降,2000m后逐渐趋于平稳至0.289md。岩石的孔隙率在130℃范围内变化幅度非常大,130-150℃范围内趋于稳定至3.290%。岩石横波波速和纵波波速均随着地层深度加深波动性上升。横波波速从500 m深的2.718 km/s增加到3600 m深的3.020 km/s,向下深入3100 m增大了10.0%,地层深度纵波波速从500 m深的5.102 km/s增加到3600 m深的5.814 km/s,向下深入3100 m增大了12.2%。分别拟合岩石密度、导热系数、比热容、孔隙率、渗透率、波速随地层温度变化曲线方程。随后对岩石样品进行单轴试验(20-140℃)和三轴试验(30-150℃、0.1-50MPa),岩石单轴试验结果表明岩石样品抗压强度和抗拉强度20-80℃区间随温度升高强度增大,在80-140℃区间随温度升高强度降低,变化范围分别为131.22-143.33-134.33 MPa和10.58-11.55-7.88 MPa。岩石的内聚力和内摩擦角随温度升高有减小的趋势。岩石的最大变形量随着围压的升高而逐渐增大,最大变形量随着围压的升高而逐渐增大。岩石峰值强度随围压近似成线性增长,围压较低时,温度与峰值强度呈正相关,围压较高时,温度与峰值强度之间呈负相关。弹性模量随温度变化呈离散性分布,变化规律不明显,围压与弹性模量之间呈正比例关系,围压越高弹性模量越大。泊松比随围压递增的变化不规律,泊松比变化量很小但是变化率很大,说明围压对泊松比也有着促进作用,泊松比随温度变化规律与围压相似。根据所得规律,分别拟合不同围压下各参数随温度变化规律。将与上述物理力学参数有关的拟合方程编制热压变化程序HeaPre.f90,嵌入由本课题组开发的TOUGHREACT-FLAC3D程序中,用来模拟岩石随温压变化的换热性能。ZR2井地层3200-3400 m处,斯通利波有明显的“W”反射条纹,裂隙密集程度和裂缝发育程度高;从3210 m开始,地层电阻率值增大,自然伽玛值增大,温梯度增高,其岩浆岩有达到干热岩标准的趋势,将其设置为压裂区段。在压裂段进行不同支撑剂浓度和排量的压裂模拟,得到最优方案:半长185.7m,高度101.3 m,开度5.4 mm,导流能力255.2 mD·m,渗透率47.3 D。支撑剂浓度不变,随着施工排量的增加,裂缝裂缝半长和高度明显增大,裂缝开度降低,导流能力减弱,渗透率变化不大,施工排量变化显著影响着水力裂缝的几何形态和导流能力。施工排量不变,随着支撑剂浓度的增加,裂缝半长和高度几乎不变,裂缝开度增加,导流能力提高两倍,渗透率提高显著,支撑剂的浓度变化显著影响着水力裂缝的导流能力、开度和渗透率。确定最大生产流速为6 kg/s,20年间的发电量为0.009-0.039 MW,流动阻抗为4 MPa/(kg/s)。
【图文】：

分布图,分布图,干热岩

图 1.1 我国地热能资源分布图[5]选题依据干热岩（Hot-Dry-Rock）是一种储藏较深温度一般高于 200℃的高温岩部只存在较少液体甚至没有液体[7]。将干热岩能源开发利用的系统被称地热系统（EGS）。干热岩的成分绝大多数是侵入岩，也有变质岩和沉。干热岩内部的热能是其开采的主要能源，所以干热岩内部的温度便成开采价值的关键依据[8]。干热岩的开发利用是需要多学科交叉运用的复杂系统，干热岩资源的开复杂的系统工程，涉及岩石学，力学、工程地质、工程热物理学、地探技术与地质钻探学等学科[9]。EGS 系统开发的基本原理[1][3]（图 1.2加压利用深井注入深度 2~6 千米的地下岩层，，然后高压水渗透或者流入

分布图,分布规律,热分布,提取温度

表现相对地温，异常值相对较低，以蓝色调为主。图2.2贵德-扎仓沟地区遥感数据提取温度分布图 2.2 为突出地面高温地热的分布规律。大于 12 ℃的地区分布规律非常明显：分布范围主要位于贵德盆地南部，尤其以扎仓寺地区比较明显；扎仓寺地热分布区高温热分布面积较大；扎仓寺西南部，高温地热分布呈现明显的线性关系，
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P314

【参考文献】