干热岩埋藏于地下数千米深、温度大于150℃、储层的热能极其丰富,是一种绿色、低碳、清洁的可再生资源,应用潜力巨大。干热岩资源的开发利用对实现“碳达峰、碳中和”目标、调整国家能源产业结构具有十分重要的意义。干热岩地热资源的开采通常采用水力压裂法进行储层改造,储层改造的效果决定了地热井的产能。然而,干热岩的热能一般存在于渗透性极低的高温高压结晶岩类坚硬地层当中,开采难度较大。为提高地热井的产能,充分开发干热岩储层资源,本文以苏北盆地的干热岩开发为背景,开展了干热岩储层白云岩物理力学测试、储层真三轴压裂物理模型试验和数值模拟研究,基于白云岩储层的矿物组分、微观结构、力学性质、裂缝扩展规律,揭示了压裂复杂缝网形成机理。取得了如下研究成果: (1)苏北盆地干热岩储层岩性为白云岩,白云石含量占比在90.20%~97.28%之间,并含有少量方解石、石英和钠长石。白云岩表面石英呈小颗粒形式均匀分布,方解石呈条带状并伴随微孔隙和粘土矿物。白云岩的杨氏模量为43.31GPa,单轴抗压强度为116.64MPa,抗拉强度为14.39MPa,断裂韧度为6.25MPa·m^0.5。温度升高会使白云岩的杨氏模量、断裂韧度、抗压与抗拉强度有不同程度的降低,热冲击和循环加载能显著降低岩石的峰值破坏强度,随着热冲击次数、循环幅值和频率的增加,岩石破坏的峰值压力逐渐减小。 (2)高温诱导矿物异质热膨胀产生预制微裂隙网络,是裂缝起裂压力降低的重要原因,是压裂中出现多裂缝的关键。注液速率由30m L/min增至50m L/min,破裂压力增幅为27.85%,沟通的分支裂缝也明显增多。高应力差条件下裂缝呈单一平面扩展,低应力差下可以沟通更多的天然裂缝,缝网复杂度提高。循环泵注可积累“疲劳损伤”从而有效提升裂缝复杂度,降低启裂压力,循环幅值越大,压裂改造效果越佳。 (3)低粘度酸液极易溶蚀岩石从而形成酸蚀蚓孔,从而引起酸液滤失,导致压裂失败。加入胶凝酸稠化剂和缓蚀剂的高粘酸可以有效避免酸液滤失,显著降低岩石的破裂压力,增加裂缝表面的粗糙度。大排量高粘酸压裂可增加裂缝开启条数,破裂压力相比小排量泵注略有升高。滑溜水压裂后进行胶凝酸二次压裂,可以够沟通多处天然裂缝,增加裂缝的导流能力。 (4)温度升高、压裂液注入速率增加均能有效扩大裂缝网络规模,提高流体换热效率,大排量泵注对复杂缝网的形成效果显著。高应力差条件下,裂缝扩展方向趋于一致,储层改造效果不佳。低地应力差条件下,大排量压裂施工可显著提高压裂改造体积。