摘要：增强型地热系统(EGS)的热采效率评价方法是实现干热岩储层热能效益开发的重要手段。为了评价干热岩储层热采效率,基于质量守恒和能量守恒定律,综合考虑复杂裂缝网络、水力裂缝、井筒效应等因素影响,建立了二维随机裂缝网络干热岩储层热采数值模型,并采用有限元方法对模型进行求解;通过对比单裂缝热采解析解和数值模拟结果,验证了模型准确性;并进一步分析了水力裂缝开度,天然裂缝开度、走向、长度、密度,以及裂缝网络连通漏失性断层对EGS热采效率的影响规律。研究结果表明:①与单裂缝热采解析模型相比,数值模拟得到的产出温度最大误差为7.54%,满足热采模拟要求;②水力裂缝开度越大、天然裂缝开度越小,热采效率越高;③天然裂缝长度、密度和走向均能导致缝网连通性增强,流体容易向裂缝网络漏失而无法产出,导致热采效率降低;④裂缝网络在连通漏失性断层的情况下,会造成流体向断层的恶性漏失,导致热采效率变差。结论认为,EGS设计和开发需要避开漏失性断层,采取有利于降低天然裂缝网络连通性的措施,该成果认识有助于指导干热岩储层井位部署、压裂设计与采热工艺措施优化。

摘要：传统能源储量日益减少,干热岩类新型能源的开发变得尤为重要。然而干热岩井底温度较高、井深较深且存在造斜井段、其周边有自然保护区,对钻井液的高温稳定性、环保性有着严格的要求。如果能设计高效的抗高温钻井液体系,将会对干热岩的开发起到事半功倍的效果。因此对30余种处理剂进行常规性能测试与热滚老化实验,通过控制变量、正交实验等方法,根据干热岩特征对钻井液的组分、含量进行设计筛选,得到一套干热岩抗高温钻井液体系,并对该体系在不同温度、密度、老化时长的条件下进行抗温性能测试。实验结果表明,该钻井液体系在240℃高温下依然有较好的高温稳定性;该体系采用聚合物类处理剂,其内部形成的网架结构稳定,不易被高温破坏,同时针对地层特点而设计的泥饼薄且有韧性、对井壁侵蚀性较小;除此之外还采用了白色无污染原材料,不含磺化、油基成分,性能环保,对周边环境污染性小。

摘要：开采干热岩地热资源大多都需要在硬度大、研磨性强、可钻性差、温度高的地层中钻井,PDC钻头的合理布齿是提高破岩效率的关键。为了给干热岩钻井用PDC钻头的设计提供参考,基于弹塑性力学和岩石力学,以Drucker-Prager准则作为岩石的强度准则,建立了PDC切削齿动态破岩的三维数值仿真模型,研究了60 MPa围压条件下切削深度、温度、后倾角、切削速度对PDC切削齿破岩效率的影响以及影响机理。研究结果表明:①PDC切削齿以0.5 m/s的速度切削岩石,PDC切削齿(后倾角5°～25°)的破岩比功随切削深度的增加而减小,随温度的增加呈现出先增大后减小的趋势,临界温度为200℃;②PDC切削齿以0.5 m/s切削速度切削岩石,PDC齿(切削深度1～3 mm)的破岩比功随后倾角增加呈现出先减小后增大的趋势,最优破岩后倾角为20°;③岩石温度处于20～300℃的范围内,PDC齿以后倾角5°进行破岩,破岩比功随切削速度的增加而增大,任意切削速度下,破岩比功随切削深度的增加而减小。结论认为:在干热岩钻井中,采用浅内锥、大冠顶、长外锥的钻头外形结构,增加冠顶处布齿密度、降低中心处布齿密度、20°后倾角,可以释放岩石围压、均匀切削齿磨损、增加切削深度、降低破岩比功、提高钻井效率。

摘要：共和盆地干热岩是我国首次钻获的干热岩,围绕其成因机制还存在诸多争议。基于前人资料和我们的热物性测试、地球化学及地球物理探测成果,通过综合研究,阐述了共和盆地干热岩成因机制与地球动力学过程:(1)印度与欧亚板块晚碰撞及后碰撞等一系列构造活动,导致了青藏高原北部的隆升和软流圈上涌、热侵等深部动力过程,在高原隆升蓄积的重力势能及其导致的重力浮力、青藏高原东北缘的侧向挤压应力、地幔拖曳力、软流圈热物质上侵热力等综合作用下,壳幔通道流沿岩石圈薄弱层(带)整体自西南向青藏高原东北部和共和盆地东北部流动。(2)板块(地块)缝合带、塑性流变韧性剪切带或高导低速体、深大走滑断裂带及其交汇部位等岩石圈薄弱层(带),是深部热物质自深至浅运移的壳幔通道。(3)深部地质结构的不均一使来自深部的热量在地壳浅部形成不均一性的聚集;岩石圈浅部的地下水活动、沉积/剥蚀作用与深部的岩石圈变形以及岩浆热对流等物质运动方式对热流的扰动;深部热流向热导率高的花岗岩类侧向运移等这些岩石圈热量自深至浅的不均一分配。本文突破了以往单因素和少数控热因素的共和盆地干热岩成因认识,阐明了由源(热源、力源)、通道到储、盖(层)的干热岩综合成因机制。

摘要：我国干热岩地热资源储量丰富,地壳深层岩体温度高,但在其热能开发利用方面处于探索阶段。目前,对于温差应力影响下,井壁及分支裂缝的破裂或开启压力的变化规律研究较少。采用岩石力学及热应力理论分析方法,研究井壁周围的破裂压力;采用能量守恒原理、弹性力学、水力压裂裂缝延伸理论,结合热应力理论,研究分支裂缝的开启机理。建立了以下解析模型:井壁上考虑温差应力的破裂压力模型及裂缝自动开启的温差条件;针对线性及对数2种温度变化规律,分别建立压裂过程中裂缝壁面岩石温度场的变化规律模型;考虑温差应力的分支裂缝拉张破裂或剪切破裂的计算模型;分支裂缝自动破裂的温差条件模型。通过模拟得到以下结果:(1)考虑温差应力时,破裂压力均大幅度减小。日本Hijiori干热岩,由于温差应力,破裂压力下降幅度达到51%;法国Soultz干热岩,破裂压力下降幅度达到66%;(2)在通常的地应力和温度状态下,井筒壁面由于温差应力自然破裂的条件要求比较高;(3)在裂缝延伸过程中,由于温差应力的存在,裂缝壁面上分支裂缝的破裂难度降低;越接近井筒的地方,无论张性破裂或是剪切破裂,裂缝壁面上分支裂缝的破裂净压力越低;(4)线性温度分布规律情况下,破裂压力下降幅度大;剪切破裂所需要的净压力下降幅度远远大于拉张破裂,即在温差应力的作用下,更容易产生剪切裂缝;(5)对于较高温度的热储层,在大排量施工情况下,裂缝壁面上岩石本体达到自动开启剪切裂缝所需温差条件的难度相对较小。得出如下结论:(1)所建立的系列模型,揭示了干热岩压裂过程中,裂缝在井壁及裂缝壁面破裂的机理,从而揭示了热应力作用下缝网形成的机制;(2)温差应力对于干热岩压裂而言,影响较大,对于裂缝壁面分支裂缝的起裂存在促进作用,增加了近井地带产生复杂裂缝的几率与可能性。对于高温度干热岩,裂缝不容易沿理想方位扩展,而是倾向于形成复杂裂缝,导致井间裂缝连通困难。

摘要：干热岩型地热是我国地热资源的重要组成部分,其开发利用对实现“双碳”目标具有重要意义。干热岩储层岩体以花岗岩为主,因其岩性致密,通常采用增强型地热系统(EGS)进行开发。作为循环工质流动换热的主要通道,人工裂缝和天然裂缝形变将造成导流能力演变,进而影响热储取热性能。现有导流能力研究对象多为人工裂缝,且多围绕基质弹性变形开展,并未考虑天然裂缝损伤影响。为揭示天然裂缝损伤作用效果,团队自主研发设计了高温高压岩心注采多场耦合实验平台,分析论证了实验系统的可靠性,设计了对应实验方案与实验流程。采用天然裂缝贯穿岩样,研究了常温下注采压差随排量和围压的变化规律,分析了高温下天然裂缝损伤特征,对比了不同排量,温差和注入方式下天然裂缝损伤对导流能力演变的影响。实验表明,冷流体注入导致天然裂缝体积较初始时刻显著增加,且破坏方式以弱胶结失效为主,在无围压条件下,损伤将引起裂缝隙宽和缝长增大,提升裂缝连通性,有助于改变裂缝导流能力,故压裂和取热方案设计中应对天然裂缝加以考虑;注采压差随围压和排量增大而增加,最大增幅可达0.6 MPa;高温生产下,注采压差改变量和导流能力演化率变化量最大值分别可达1.11 MPa和26.59%。较大排量和温差下,裂缝损伤特征更为明显。相较于连续注入,间歇注入方式下裂缝损伤程度更为显著。利用灰色关联分析得到了主控因素为温差,即热应力是造成裂缝附加导流能力演变的主要原因。本研究证明了天然裂缝损伤在干热岩长期生产过程中分析的必要性,为工程现场施工提供了一定指导。

摘要：能源是经济社会长期稳定发展的有力保障。同时,我国也进入了生态文明建设的关键时期。为实现此目标,亟需建设清洁、低碳、高效、多元的现代能源体系。干热岩型地热作为一种新兴的环境友好型资源,有望推进能源结构转型。开发干热岩需要建立增强型地热系统,其核心是向储层钻井并压裂形成一定规模的裂缝网络,构建井间循环回路来提取热能发电。20世纪70年代以来,多个发达国家先后进行干热岩资源开发尝试,然而受到人工热储建造和诱发地震防控等关键技术的限制,成功运行的EGS工程屈指可数。近些年来,干热岩资源的优越性和规模化开发可行性进一步得到国际社会的认可,投入建设的EGS数量总体上不断增加。水力压裂是建造人工热储的核心技术手段之一,水力裂缝的形态直接决定了换热体积和取热效率。本文在分析国内外典型EGS压裂案例的基础上,总结了干热岩水力压裂的工艺特点。此外,结合几种较为流行的理论模型和我国首例EGS工程——共和盆地恰卜恰干热岩试采工程的实际情况,简要阐述了干热岩压裂与诱发地震之间的关系。最后从压裂工艺、智能化开发、微地震监测矩张量反演等方面为干热岩水力压裂向更深层次发展提出建议。

摘要：近年来,我国在干热岩资源勘查和钻井技术方面取得一定的进展,但是对于高温干热岩压裂技术的基础研究还较薄弱。对于增强型地热系统,一般采用水力压裂的方式向干热岩储层注入高压流体使储层中的天然裂隙扩展延伸,从而达到增大储层渗透性和热交换面积的目的。因此,可靠的地应力数据对指导干热岩储层改造具有重要意义。本文以我国青海共和干热岩试采工程为例,首先,结合滞弹性应变恢复法(ASR)、直径变形分析法(DCDA)、岩心饼化法和成像测井法获得场区详细的地应力数据;其次,讨论了地应力状态对干热岩储层开发的影响;最后,为了评价现今应力状态下储层压裂改造的效果,利用离散裂隙网格(DFN)方法建立了水力压裂区的三维裂隙地质模型,通过数值模拟计算每个裂隙的滑动趋势(T_(s))和膨胀趋势(T_(d)),并分析了在不同的注水压力下裂隙的活动性。研究表明:(1)共和干热岩场区花岗岩储层范围(3500~4000 m)内主要发育逆断层型地应力状态,总体以水平挤压应力为主导;(2)在3500~4000 m深度水平最大主应力的平均方向为39.35°±14.23°,整体上呈NE向,这与青藏高原东北缘向NE方向推挤运动有关;(3)适合共和干热岩场区的注水改造压力为46~55 MPa,且裂隙剪切活化后多为张开裂隙(高膨胀趋势),有利于增加热交换的面积,提高干热岩的开采效率;(4)地应力实测结果和微地震监测结果显示,天然裂隙在水力压裂下除了水平方向上的扩展外还有垂直方向上的扩展,最终形成水平垂直裂隙网络。本文研究成果也可为我国未来的干热岩地应力测量及其在开发评价中的应用提供参考。

摘要：干热岩具有硬度大、研磨性弱、可钻性差和钻进难度大等特点,常规孕镶金刚石钻头钻进时打滑严重、寿命短。针对此技术难题,根据干热岩岩性和设计的井身结构特点,引入仿生高效耐磨技术,以穿山甲爪趾为仿生原型,结合孕镶金刚石钻头的结构和制备工艺方法,研制了与该类地层相对应的仿生异型齿钻头。在青海共和县干热岩现场的钻进试验结果表明:仿生异型齿钻头未出现打滑现象,相比于打滑不严重的常规软胎体孕镶金刚石钻头,仿生异型齿钻头的钻进速度提高97.5%,寿命(仿生钻头寿命为推算寿命)提高1.268倍。进一步证明了仿生异型齿钻头在坚硬打滑的干热岩地层中钻进能够提高效率、缩短钻井周期、节约钻井成本。

摘要：干热岩是一种分布广泛且储量巨大的清洁能源,在干热岩开发的前期,合理预测场地的水热产出能力具有重要的意义。笔者根据松辽盆地北部莺深2井的实际地质资料,以石油压裂设计软件FRACPRO为手段,进行了压裂模拟。根据模拟得到裂缝几何形态与孔、渗的性质,通过自编程序修正水热耦合地质模型中的单元参数,并利用TOUGH2软件模拟换热过程。模拟结果显示:在本文采取的压裂方式下,该地区单条裂缝的最大生产流速为8kg/s,系统流动阻抗由初始的0.74 MPa/(kg·s)增加为第10年的2.72MPa/(kg·s);系统运行10a后,生产温度降低了5.5℃,系统的平均产热功率为2 930kJ/s。通过人工改造,改善了天然储层的渗流能力,获得了持续稳定的水热产出,证明储层改造方式科学合理,但如何提高热储的质量生产流速仍需进一步研究。