提高可再生能源的使用率对于能源结构优化升级至关重要,地热资源因其储量巨大且分布广泛的优势,成为全球能源转型与节能减排的关键,高效利用地热资源有望为我国达成“双碳”目标提供积极的解决方案。我国地热资源分布广泛,干热岩赋存规模尤为可观,建立增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)是开发干热岩资源的核心途径,储层改造和高效生产成为建立EGS亟需突破的技术瓶颈。干热岩作为一种非常规储层,可以通过水力压裂对其进行改造,其中涉及到温度-流体-力学(THM)多物理场耦合问题。储层的改造效果在很大程度上影响EGS性能,因此,需要针对特定场地条件开展水力压裂及流动传热相关研究,以确定最优储层改造方案和生产策略,指导实际EGS工程建设。 本文以扎仓沟干热岩地热储层为研究对象开展数值模拟分析,重点构建了水力压裂改造与地热开采过程的多物理场耦合模型。其中,水力压裂数值模拟分为实验室和场地两种尺度,前者为探究不同因素对水力压裂特性的影响程度,后者为选取适合研究区的实际压裂方案。最后将最优压裂方案下的裂缝应用于研究区EGS流动传热模拟,并确定最优生产策略。 首先,通过系统梳理研究区相关文献资料,全面收集基础地质数据,总结区域构造背景、地层展布特征及地热地质条件。根据研究区花岗岩物理力学性质室内试验结果,确定水力压裂模型相关参数。本研究利用CZM方法构建了扎仓沟花岗岩实验室尺度水力压裂数值模型,经与室内压裂试验进行对比证明了模型的适用性。通过设计正交试验定量分析了水平应力差异系数、压裂液参数(粘度、排量)及岩石力学参数(弹性模量、抗拉强度)对裂缝扩展及起裂压力的影响程度。结果表明:当水平应力差异系数为零时,裂缝网络呈现随机分叉特征,有利于增强储层渗透性;随水平应力差增大,裂缝主要沿最大主应力方向扩展。压裂过程中注水压力变化呈现五阶段特征,其中压裂液排量与起裂压力呈正相关,因此,可以通过调控排量控制微震风险。通过极差分析可知岩石抗拉强度对裂缝最大宽度和起裂压力的影响程度最高。 然后,基于ZR2井实测数据,针对干热岩地热储层水力压裂参数优化展开系统分析。通过对比不同压裂方案下的裂缝特征参数,确定目标储层(4200-4300m,初始温度190℃)的最优改造方案。研究发现:支撑剂浓度为30-40-60-90-130kg/m³可有效平衡裂缝导流能力与裂缝扩展长度,同时避免砂堵风险;施工排量为4m³/min时裂缝长度达到最大值235.66m,而裂缝长度对地热开采效果起主导作用,最终确定压裂液总量1000m³、支撑剂浓度30-40-60-90-130kg/m³配合4m³/min排量为最优压裂方案,该方案下裂缝半长235.66m,高度116.08m,宽度2.2m,渗透率42.5D,并将该裂缝参数应用于研究区EGS生产模拟研究。 最后,使用COMSOL Multiphysics软件建立多级压裂水平井三维流动传热耦合模型。为探究最优生产策略,对水力裂缝数量、注入流速、水平井间距、注水温度及抽注深度进行敏感性分析,得到最大产能下的参数取值。分析结果显示,裂缝数量过多,并不能提高产能;增加注入流速,会使流体与高温岩体不能充分发生热交换,从而使产热量减少;改变水平井间距对生产温度和产出热能影响较大,但当水平井间距大于150m后,系统产热量几乎不再变化;注水温度的升高,会导致流动阻抗减小,热交换效率降低;改变抽注深度对生产温度和产出热能影响较大,但流动阻抗与累产热量几乎不随抽注深度的变化而变化。综合以上分析得到25年运行周期内最优开采策略:裂缝数量为4,注入流速为15kg/s,水平井间距为150m,注水温度为30℃时,系统产能最大为78.8×10¹⁴J,相当于标准煤2.69×10~5吨。