马头营干热岩开采试验场地人工注水诱发地震探讨

结合马头营干热岩区7个临时测震台站的地震观测资料和M1井2022-06~09的加压注水数据,研究地震活动与注水压力、水流量的关系,同时分析诱发地震震源机制解及其对周边应力场的影响。结果表明,注水作业可能诱发了201个地震,震源深度主要集中在0~4 km,这个区段也是地围压较小的安全区域,发生中强震的几率较小;水流量、水压力的改变不仅影响诱发地震的时空分布特征,而且影响地震活动频度,应力积累到一定水平诱发地震发生,之后水流量、水压力与地震频度呈现正相关关系;注水量和震级之间关系不明显,压力和诱发地震震级呈线性相关;在持续注水量达到11 821 m^(3)、压力达到23.46 MPa时,有断层失稳、诱发地震的可能;最大诱发地震的震源机制解为走滑型,主压应力NNW向,与华北区域应力分布有一定偏差,可见M1井开采对局部应力分布有影响;从地震震中位置迁移规律推测,有新的地裂缝产生。

济阳坳陷深层地热资源研究进展与下步展望

济阳坳陷地热资源分布范围广、资源潜力大,是胜利油区未来地热资源开发利用的重要方向。为科学、高效地开发利用济阳坳陷地热资源,系统梳理了关于济阳坳陷水热型和干热岩型地热资源的热储层、热盖层、热源等地热地质条件,分别计算了2类地热资源的资源量,揭示其地热资源潜力。研究结果表明,济阳坳陷水热型地热资源主要赋存在馆陶组、东营组及下古生界等,其中馆陶组为水热型地热资源潜力最大的层系,分布广、资源量大,是下步重点勘探开发利用层系。济阳坳陷属于“冷壳热幔型”沉积盆地,具有较高的大地热流值,干热岩型地热资源热储层主要为太古宇的岩浆岩和变质岩,深部地幔热流是其主要热源,热储层分布面积大,温度均较高,其资源丰度为渤海湾盆地中最高。济阳坳陷地热资源丰富,为加快其开发利用步伐,建议水热型地热资源要加强地热资源与油气的关系及资源分区评价2项关键工作;干热岩型地热资源的勘探开发仍处于起步探索阶段,今后需要重点加强其热储层类型的选择与热源机制2个方面的研究。

基于综合物探的济阳坳陷潜山型干热岩靶区优选

济阳坳陷蕴藏着丰富的地热资源,开展深层干热岩的系统评价对于坳陷地热资源综合利用具有重要意义。本文利用收集的1∶20万重力数据38870 km^(2)、1∶5万航磁数据26630 km^(2)和胜利油田以往实施的钻井、地震勘探资料,采用Parker-Oldenburg反演迭代算法、重力-地震联合剥层方法、重磁正反演等方法,开展莫霍面、居里面、壳断裂-岩石圈断裂、基底构造和基底岩性等地热地球物理研究。通过实施大地电磁测深剖面116 km,验证了壳幔过渡带熔融体发育特征。从居里面深度、莫霍面深度、地温梯度、热储层岩性、盖层厚度、潜山规模6个方面评价优选了5处干热岩靶区。济阳坳陷具“壳幔生热、构造控热、潜山储热、盖层保温”四位一体地热成因特征,是以“传导型干热-水热共存、对流型水热补充”为主要特征的盆地复合型地热系统,潜山型干热岩靶区具有进一步勘探和开发的前景。

苏北盆地建湖隆起沉积盆地型干热岩资源潜力评价

对苏北盆地建湖隆起的干热岩资源潜力进行评价,展示华东地区沉积盆地型干热岩资源的勘探前景。基于野外勘察、室内实验和数值模拟等多手段地质分析方法分析研究区干热岩地热地质条件,以4个区域地震地质剖面为基础,建立二维热传导数值模型,模拟分析深部地温分布,确定评价深度。应用基于体积法的蒙特卡罗模拟给出合理的资源量评价分析。该方法可充分考虑参数估计的不确定性。结果表明,建湖隆起3~10 km深度内干热岩资源的可采热资源量约为44.6亿t标煤,发电潜力为692 769.9 MWe,约为江苏省2022年全年用电量的49倍。

干热岩定向钻井关键技术研究与应用

为推动干热岩产业化步伐,中国地质调查局在青海共和盆地部署了我国首例干热岩试验性开发工程,采用一口直井注入和两口定向井采出的开发模式,文章就定向井钻井关键技术进行研究与应用。青海共和盆地干热岩主要为花岗岩,地层硬度大、研磨性强、温度高,加上大规模储存改造的影响,定向井钻井作业存在机械钻速低、碎岩工具寿命短、测量仪器耐温差、信号不稳定、井眼轨迹控制难度大等技术难题。为保证钻井作业顺利推进,从井眼轨迹控制、提高井下工具耐温耐磨能力、提高钻井液高温流变性能、钻井液主动降温等技术手段入手,创新研发了耐高温MWD、抗高温聚合物钻井液体系、螺旋板式钻井液冷却装置等关键技术与装备,优选了“牙轮钻头+单弯螺杆+MWD”钻具组合,安全高效地完成了双靶点定向井施工,AB靶心的中靶精度分别为4.85 m和8.97 m,钻井周期缩短20%以上,并取得了最高进尺175.00 m、最快机械钻速3.74 m/h的提速增效成果。

干热岩压裂储层布井方式优选数值模拟

增强型地热系统(EGS)是从干热岩储层中提取热能的重要手段,而布井方式是影响其采热效果的关键因素,目前开展的布井方式研究较少考虑压裂储层开采模型的影响。建立了干热岩压裂储层采热的数值模型,通过不同位置的基质岩体温度下降幅度、热提取率、采出温度和采热功率对比分析了4种不同的布井方式对EGS采热性能的影响。结果表明:相较于直井,水平井的流体热交换的面积更大,能充分开发裂缝间的热量。在生产30 a时,考虑水力压裂裂缝连通的情况下,水平井一注两采模型的采热效率最高,其在垂直于井方向上温度波及范围约690 m,基质岩体平均温度下降38.09 K,热提取率为24.42%,采热功率为3.5 MW。研究成果为提高地热系统产热量、实现干热岩高效可持续开发提供了理论参考。

美国FORGE计划犹他州干热岩开发示范项目进展综述

21世纪是全球能源获取方式发生重要变化的时代。现有以煤炭、石油、天然气等传统资源为基础的能源正在逐渐被风能、太阳能、生物质能、地热能等环境友好、低排放的绿色能源所取代。干热岩是一种不含原生水(或含少量水但不能流动)的高温地热资源,可通过水力刺激改造形成增强型地热系统储层,从而提取数量相当可观的地热能。本文以美国能源部正在组织实施的FORGE计划犹他州干热岩示范项目为研究对象,综述了项目在场地地质条件表征、基础设施建设等方面取得的主要进展与成果,总结了项目在高温硬岩钻井、储层建造、微震监测等方面取得的广泛且深入认识,从统筹部署、组织实施、场地表征和设施建设、关键技术装备突破、数据共享等方面提出了值得我国借鉴参考的具体实践。

青海共和盆地干热岩注采大尺度物理模拟实验

基于自主研制的真三轴多物理场原位注采大型物理模拟实验系统,开展了青海共和干热岩多井长期注采物理模拟实验。通过多井连通性实验获得了岩样内部天然裂缝系统的空间分布特征以及各裂缝与井筒的连通情况,在此基础上选择注入井和生产井,开展了一注两采和一注一采实验,系统分析了生产井的开采流量、开采温度、采热速率和流体采收率随持续注采的变化规律。结果表明:在热冲击、注入压力联合作用下,裂缝导流能力增强,生产井开采温度表现为下降趋势,且流量越大下降越快;当裂缝局部闭合区域逐渐激活,产生新的换热面积,开采温度升高或下降速率降低;采热速率主要由开采流量、注入和采出流体的温度差控制,当滤失通道导流能力增强,生产井流体采收率快速下降;优势通道和换热流体滤失对采热性能的影响机制有所区别,前者限制换热面积,后者影响采出流体流量,二者都是影响干热岩长期高效开发的重要因素。

冷冲击作用下干热岩井井筒裂纹扩展数值模拟研究

干热岩(HDR)是一种清洁可再生能源,主要通过增强型地热系统(EGS)进行开发。在EGS工程中,无论是注入井还是生产井的建设都需要采用地热钻井技术,而高温高压钻井过程中地层破裂、井壁坍塌等现象是干热岩钻井施工面临的重要问题。在温差作用下,岩石的矿物颗粒由于其热膨胀、冷收缩特性的差异性,矿物颗粒之间产生温度应力,导致岩体发生热破裂。本文借助RFPA数值模拟软件,对干热岩开采过程中井筒花岗岩冷冲击作用下的裂纹扩展进行研究。结果表明:井筒模型在冷冲击过程中,岩石表面拉应力随着冷冲击时间的增加,先升高至峰值后缓慢下降。裂纹扩展可以大致分为前、中、后期。冷冲击前期,井筒周围出现环形拉应力区,开始出现均匀的微小裂纹。冷冲击中期,随着时间的增加,拉应力区逐渐向井筒外围扩展,裂纹随着拉应力区向外扩展。冷冲击后期,拉应力大小逐渐降低直至小于模型抗拉强度,裂纹扩展速度减缓直至停止扩展。围压、井径、温度对井筒围岩冷冲击时的破坏损伤效果影响显著,其中,温度对冷冲击裂纹扩展起到促进作用,围压对冷冲击裂纹扩展起到抑制作用,井径对冷冲击裂纹扩展起到促进作用。

青海共和盆地干热岩地应力测量及其储层压裂改造意义分析

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。

干热岩柔性压裂裂缝起裂与扩展规律

考虑岩石热孔隙弹性效应、循环载荷下岩石强度疲劳劣化本构关系、弹脆性破坏准则和井筒应力叠加效应,建立并验证了热流固-疲劳损伤耦合的干热岩柔性水力压裂裂缝扩展数值模型,在此基础上开展数值模拟研究,探究不同温度和循环载荷共同作用下干热岩裂缝起裂及扩展特征。研究表明:①周期注入、流体渗透、孔隙压力累积与岩石强度劣化共同引发柔性压裂岩石疲劳破坏;②干热岩柔性压裂裂缝扩展模式由温差和循环载荷共同控制,温差越大,热应力越强,利于形成复杂缝网;循环载荷降低,热应力波及范围增大,循环载荷为90%pb和80%pb(pb为常规水力压裂时岩石破裂压力)时,改造面积相较于常规水力压裂分别提升88.33%和120%(注入温度为25℃);③随着循环载荷的进一步降低,储层改造效果减弱,循环载荷降低至70%pb时,距离井筒较远处流体压力无法达到岩石最低破裂压力,不会产生宏观水力裂缝。

基于粘结单元法的干热岩储层水力压裂数值模拟与参数优化

水力压裂技术是实现低渗油气及地热储层的高效开发利用的关键技术手段,为了研究干热岩型地热储层水力压裂过程中水力裂缝的扩展规律,本文使用粘结单元法(Cohesive Zone Method,CZM)研究了压裂液排量、压裂液粘度以及水平地应力差对水力裂缝形态的影响,并利用正交试验对上述压裂工艺参数的组合进行优化。结果表明:压裂液排量对水力裂缝的长度具有重要影响,而压裂液的粘度对水力裂缝的宽度具有显著影响;压裂液的排量和粘度的增加,促进了分支裂缝的萌生和扩展;水平地应力差为1 MPa时,本文所建立的模型在压裂液排量和粘度分别取0.004 m3/s和0.07 Pa·s条件下,可获得最佳的压裂改造效果;随着压裂液的排量和粘度的持续增加,当压裂液的排量和粘度分别超过0.004 m3/s和0.07 Pa·s后,继续增加压裂液的排量和粘度将导致水力裂缝的长度和宽度的减小,可见在实际压裂过程中不能盲目通过提高压裂液的排量和粘度的方式实现对压裂效果的持续改进。本文丰富了干热岩储层改造的数值模拟手段,相关研究成果有望为干热岩型地热资源开采过程中裂缝扩展行为预测和压裂工艺参数的优化提供技术支撑。

内蒙古中部干热岩地热资源成因机制研究

内蒙古中部地区处于板块结合部位,经历了多期构造活动和岩浆活动,浅层水热型地热资源丰富,但对其深部干热岩地热资源仍缺少深入研究。基于区域地质与构造背景、大地电磁探测结果与地热异常显示,系统探讨内蒙古中部地区干热岩地热资源成因机制与地球动力学过程,建立干热岩成因模式。研究表明:内蒙古中部地区深层干热岩型地热资源的热源主要为深部局部熔融体和残余高温岩浆囊,热流通道包括板块缝合带、区域深大断裂带及其交汇部位、次级断裂及塑性流变韧性剪切带等壳内薄弱层;干热岩储层主要为新生代基性侵入岩,即辉绿岩和辉长岩体,被高温岩浆和侵入体加热的花岗岩类也可作为研究区潜在干热岩储层;干热岩区域性盖层为白垩系、新近系和第四系沉积地层。西伯利亚板块与华北克拉通板块之间的大陆碰撞、拼合,形成易于破坏的碰撞带,晚中生代-新生代以来的古太平洋板块对华北板块的西向俯冲作用,导致岩石圈底部熔融,岩石圈伸展、减薄,地幔软流圈热物质上涌,并伴随强烈的新生代断裂与断陷活动,共同导致晚中生代-新生代岩浆、火山活动强烈。内蒙古中部地区存在3种聚热模式:Ⅰ.新生代辉绿岩、辉长岩储层高温干热岩系统,为研究区优势干热岩储层;Ⅱ.新生代以前花岗岩储层中高温干热岩系统,为潜力干热岩储层;Ⅲ.浅部碎屑岩、花岗岩或变质岩储层水热系统,为浅层水热型优势储层。内蒙古中部地区浅部高温水热型地热系统与深部干热岩地热系统存在同源共生关系,浅层高温异常区的圈定对于深部干热岩的发现具有重要的指示意义。

渤海湾盆地干热岩开发利用前景评估——基于开采优化数值模拟的认识

渤海湾盆地的大地热流高,5000 m埋深地层平均温度为175℃,热储岩性以低孔低渗的变质岩、火成岩为主,具备形成干热岩资源的条件。基于大地热流、岩石热导率、生热率等热参数,利用COMSOL软件建立三维水热耦合的干热岩开采模型、分析不同井间距、注采速率、布井方式等差异开采方案下在100 a内对热储层温度的影响随开发时间的变化,选取最优方案并估算干热岩资源。结果表明:注采速率一定时,随着开采时间的增加,开采井水温度下降速率与井间距成反比;当注采井间距一定时,注采速率越大,开采井水温度下降越快,发生“热突破”的时间越早;其他条件相同的情况下,“两采两注”布井方案比“一采一注”布井方案获得的热量更多,开采效率更高。基于上述认识,确定研究区最优开采方案为:年限50 a、井间距400 m、注采量90 m^(3)/h、“两采两注”方式。此方案下,可获得开采井水平均温度为172℃,对应全渤海湾盆地可采资源量为3.28×10^(19)J/a。以河北任丘市为例,按照民用住宅热负荷指标100 W/m^(2)计算,利用最优方案进行干热岩的开采,仅需157.75 km^(2)干热岩有利区即可满足全市居民供暖需求。因此,开发利用研究区干热岩资源,可增强华北地区能源供应保障能力,打造可持续发展的绿色低碳能源体系。

含干热岩区域综合能源系统日前优化调度

为了研究干热岩增强地热系统的发电性能和潜力,建立含干热岩综合能源系统的优化调度模型。首先,依据干热岩对流换热和有机朗肯循环发电机理,建立干热岩增强地热系统运行模型,为含干热岩区域综合能源系统的运行和规划提供模型基础;其次,针对系统调度中的风电、光伏不确定性波动,基于模糊信息间隙决策理论对不确定性半径和调度成本进行协同优化,从风险规避和机会寻取两方面量化系统不确定性波动变化范围,并评估相应的风险损失和机会收益;最后,通过算例仿真验证所提模型的有效性。

青海共和盆地花岗岩细观热损伤研究

【目的】花岗岩是干热岩地热能主要储藏的岩体之一,研究热及热冲击对花岗岩的损伤机制对于干热岩地热开采有一定的工程及理论意义。【方法】利用偏光显微镜分别对花岗岩从室温缓慢升高至600℃的全过程、在空气中自然冷却和在水中热冲击冷却至室温后的细观结构进行观察,并通过对视野中矿物面积和裂缝数量进行定量分析,来探究升温过程中及经不同冷却介质热冲击后花岗岩的损伤作用。【结果】结果表明:1)花岗岩在升温过程中矿物面积呈现随温度升高而增大的趋势;高温花岗岩经自然冷却后的矿物面积略大于热处理前,而水中热冲击后矿物面积略小于600℃状态下但显著大于热处理前。2)在升温过程中,视野内裂缝总体呈现小裂缝增多→小裂缝贯穿形成的大裂缝增多→大、小裂缝持续增多的规律,且300℃为小裂缝减少、大裂缝增多的临界温度。3)高温花岗岩在水中热冲击后,裂缝总数增加,其中0~100μm的裂缝显著增多;而空气中自然冷却后的花岗岩的裂缝总数减少,且0~100μm的裂缝显著减少,说明对冷却过程反应更敏感的是较短小的裂缝。4)通过对矿物收缩程度、裂纹数量变化的分析,发现高温花岗岩水中热冲击冷却造成的内部破裂更严重。

干热岩开发断层滑动及诱发地震风险研究:以唐山马头营干热岩场地为例

诱发地震是干热岩大规模开发面临的主要问题之一,断层滑动和流体超压是较大地震的两大主要诱因,同时每个场地的诱发地震情况受具体的地质条件控制。本文选取马头营干热岩场地为研究区,在地震地质、构造地质、地热地质条件分析基础上,建立水热力多场耦合数值模型,综合考虑地应力场和多条断裂的影响,通过计算断层滑动趋势评估干热岩开发过程中的断层稳定性,并依据注入扰动体积估算长期注入可能诱发的最大震级。结果显示,10年干热岩开发过程中,马头营干热岩场地断层的孔隙压力变化不超过0.8 MPa,不会引起断层上有效应力的明显变化;注采期间断层滑动趋势均远低于滑动预警线,注采过程安全。优选出两种适用于马头营场地的地震矩计算模型,10年开采过程中可能诱发的最大震级为2.0级至2.1级。研究成果不仅能够为马头营场地干热岩安全规模化开发提供支撑,而且有助于深入理解工程活动影响下的地球动力学过程。

二氧化碳基增强型地热系统储层换热研究现状及展望

干热岩资源分布广泛、储量巨大,被认为是具有广阔发展前景的绿色能源之一,而增强型地热系统(EGS)是开采干热岩资源的主要技术方法。在CO_(2)-EGS中,超临界CO_(2)(ScCO_(2))作为取热工质可以减少水资源浪费、降低泵送能量消耗,比H_(2)O具有更高的传热效率,并且可以实现部分CO_(2)的地质封存,具有较大的发展前景。本文从EGS裂隙储层模型、CO_(2)的物理性质,以及CO_(2)在储层裂隙中的流动与传热特性3个方面,总结了CO_(2)-EGS储层换热技术的研究进展,并针对我国典型地热场地的实际应用提出了建议。结果表明,裂隙性多孔介质模型更为实用和高效,而局部非热平衡模型更符合实际情况。CO_(2)具有较高质量流率和较轻微的矿物溶解能力,其矿化封存可降低地震风险,但会使储层的渗透率下降,建议调整主裂缝的非接触面积或CO_(2)的注入参数以减少渗透率的降低。未来应深入研究CO_(2)的非达西流动特性,并探究CO_(2)在共和与松辽盆地储层中的损失问题以及福建漳州凝灰岩盖层对CO_(2)的封存能力。

面向深层干热岩体的全波形速度反演建模方法

随着勘探深度增加,地震信号衰减严重,常规速度建模方法精度较低,无法满足深层干热岩体高精度勘探的需求。为提高速度建模的精度,采用全波形反演方法,但受局部优化算法的限制,其应用存在收敛速度慢、反演深度浅以及容易陷入局部极值等问题。为此,对梯度应用预条件处理和平滑处理,并使用共轭梯度优化算法,以解决地下照明不均匀问题,提高反演深度、精度和收敛速度。同时,为缓解局部极小值问题,引入局部相似性全波形反演方法来更新初始模型,并对构建的干热岩模型进行数值测试。结果表明:即使在初始模型极不准确的情况下,该方法仍能避免周波跳跃的不利影响,实现稳健的迭代更新;该方法能够显著增加反演深度和精度,并且对高速岩体有较好的刻画,最终能获得浅、中、深全层系高精度速度模型;提出的全波形反演方法为深层高温花岗岩体的勘探提供了一个切实可行的建模流程。

增强地热系统停止运行后温度恢复过程的数值模拟

在增强地热系统(EGS)运行过程中,干热岩(HDR)人工储层的温度会迅速下降,外界的热量补充速度远远跟不上系统热量提取的速度,同时也会对人工储层的流体压力产生巨大的影响,EGS停止运行以后人工储层温度和压力场会逐渐的恢复到初始状态。前人对干热岩开采过程中的温度场和流体压力场变化做了大量研究,但很少关注停止开采以后人工储层的温度恢复过程和流体压力场变化,而停止开采以后的温度场恢复过程对于新的地热井选址和废弃地热井的重新利用具有重要意义。利用数值模拟软件COMSOL Multiphysics建立双井EGS运行过程和停止运行之后两个阶段的二维热-孔隙流体耦合数值模型,模型考虑了放射性生热的贡献和不同热导率的影响。研究表明:在EGS运行期间,热对流是热量交换的主要方式,人工储层温度下降过程很快,19 a后EGS已经到达运行寿命,68 a后HDR人工储层已经失去开采价值。而地热开采停止以后,人工储层温度的自然恢复过程长达万年,热传导是主要的热量传递和温度恢复方式,热导率越高,人工储层温度恢复越快。