干热岩资源开采的关键是建造增强型地热系统、形成复杂缝网,为工质流体的运移提供通道。超临界CO₂具有低粘度、高扩散和低表面张力的特点,可作为一种良好的工质流体,在储层裂隙中进行热交换,高效开采干热岩资源。而如何预测含复杂缝网干热岩储层超临界CO₂取热效果,是评价干热岩资源开采效果的关键。为此,在河北省自然科学基金优秀青年科学基金项目(编号:A2024210057)、国家自然科学基金面上项目(编号:1237021756)资助下,本文首先开展含裂隙试样渗流传热模拟实验,分析了裂隙形态、注入流量、储层温度、围压对含裂隙试样出口温度的影响规律;其次,建立了裂隙岩体渗流-传热-应力多场耦合数值模型,探究了裂隙数量、裂隙方向、裂隙开度、裂隙连通性、注采参数影响下干热岩储层出口温度、热采收率的演化机理,优化了注采参数;最后,开展了现场尺度多重改造条件下干热岩资源开采数值模拟,预测了“CO₂压裂+CO₂相变爆破”复合改造后干热岩开采效果。主要结论如下: (1)含裂隙试样渗流传热模拟实验中,随着注入时间的延长,出口温度呈现“快速增大-缓慢增大-趋于稳定”的阶段性变化趋势,出口温度受控于裂隙数量、注入流量、储层温度、围压。出口温度和裂隙数量、储层温度成正比,和注入流量、围压成反比。 (2)干热岩超临界CO₂采热过程中热采收率受控于裂隙数量、裂隙方向、裂隙开度、裂隙连通性。热采收率随着裂隙数量的增大而增大,当裂隙数量从80条增大到150条时,热采收率为24.58%~50.13%;当裂隙方向为30°-120°时,热采收率最大,为43.24%,裂隙方向为30°-60°时,热采收率最小,为5.47%;热采收率随着裂隙开度的增大而增大,当裂隙开度从0.1mm增大到0.9mm时,热采收率为31.67%~46.28%;热采收率随着裂隙连通节点数的增大而增大,节点数从32增大到83时,热采收率为26.35%~39.73%。 (3)随着注入温度的升高,热采收率逐渐增大,注入温度为30℃~60℃时,热采收率为36.08%~36.16%;随着注入压力的增大,热采收率逐渐增大,注入压力为30MPa~45MPa时,热采收率为36.09%~41.42%;随着出口压力的增大,热采收率逐渐增大,出口压力为11MPa~17MPa时,热采收率为34.65%~38.23%。基于非支配排序优化算法(NSGA-II),通过得到最优开采参数为:注入温度30℃、注入压力30MPa、出口压力16.77MPa,此时,温度为68.85℃,热采收率可达34.87%。 (4)天然储层、CO₂压裂、CO₂相变爆破、“CO₂压裂+CO₂相变爆破”复合改造工况下干热岩热采收率分别为3.49%、37.56%~40.95%、26.46%~52.31%、64.04%,当CO₂压裂排量达到5m³/min,爆破峰值压力达到800MPa时,热采收率达到64.04%,比天然储层提升60.55%,比仅进行CO₂压裂提升23.09%~26.48%,比仅进行CO₂相变爆破提升11.73%~37.58%,热采收率都有极大的提高。“CO₂压裂+CO₂相变爆破”复合改造作用下干热岩储层形成了主裂隙+分支裂隙的裂隙网络,显著提升了超临界CO₂采热效果。 研究结果为含裂隙干热岩储层超临界CO₂采热数值模拟提供了理论依据,为改造后干热岩储层开采效果预测提供了技术支撑。