随着科技的飞速进步与环境问题的日益凸显,全球能源格局正加速向低碳转型。地热能以其近零排放、资源稳定和分布广泛等核心优势,成为支撑“双碳”战略的重要基础能源。在应对气候变化共识的推动下,新能源产业快速崛起,持续冲击传统化石能源主导地位,而地热能在能源稳定性与生态效益方面的独特价值,使其成为新型能源体系构建的关键增长极。 当下,我国中深层水热型地热资源开发虽技术成熟但仍面临诸多挑战。以典型富集区鲁西北为例,规模化采灌使得地下水位波动、热储温度变化等可持续开采压力日益严峻,并且由于热储深埋地下,研究难度大,当前对热储相关演化规律,诸如长期采灌后的热储恢复特性、不同开采条件下的热储产热性能分析等方面的研究还十分匮乏,亟需加强科研攻关,保障地热资源的可持续利用。 本论文以“砂岩热储渗透特性实验研究—THM耦合控制方程推导—三维地质模型建立与场地拟合—产热性能分析”为总体研究框架,通过“文献与资料收集、室内实验、理论分析、数值模拟、场地应用”相互结合的技术方法开展研究。 首先,本研究通过岩芯流动仪等设备,系统研究了温度、围压以及加卸载条件对砂岩孔渗特性的影响。实验结果表明,温度升高时,砂岩因热膨胀导致内部孔隙体积减小,渗透率呈下降趋势。围压升高过程中,岩样孔隙不断被压缩,渗透率随之降低,且在实验室尺度下,原始弱固结砂岩孔隙闭合临界压力约为15MPa。加卸载条件下,不同环境温度的卸载阶段渗透率恢复比曲线呈高度线性,且温度升高,曲线斜率减小,这表明高温会抑制渗透率的恢复。20℃时恢复程度相对最高,却仅达初始时的约50%。 随后,根据实验结果,重新推导了考虑温度、压力以及岩体变形的孔隙率和渗透率方程,并将其代入至渗流场、温度场和应力场的三场耦合控制方程。通过引入Weibull分布来更加准确的描述地热储层的非均质性,并对不同的非均质程度(m值)以及均质模型的产流温度进行了对比,发现将热储层视为均质的情况会大大低估流体的生产温度。在数值模型建立完成之后,以山东省德州市中(深)层地热开发典型示范工程为参照,对该模型进行了拟合验证。 最后,依据上述所建立的THM耦合三维地质模型,探究了不同开采条件对研究区地热开采产热性能的长期影响。结果表明,注采流量升高会加速产流温度的下降并缩短热突破时间,这样虽能提升瞬时产热功率,但渗透压力上升和流体流动阻抗增大会抑制累计净取热量的增幅,同时储层下沉量随流量增加趋近极限;开采时间延长会加剧温度衰减与储层变形,采用4-8开采模式可缓解温度骤降并维持可持续性;低温注入虽可在短期内提升净取热量,却会加速热突破并增加下沉风险,长此以往会损害储层稳定性;射孔段长度需结合注采模式调整——井筒中点对齐时延长射孔段有利于采热,而在高注低采模式下则需缩短,但其影响弱于流量与开采模式;井筒数量与布局方面,60 m3/h流量下增加井筒可延缓热突破但会增大流动阻抗,90 m3/h时产流温度在约19.7年出现拐点,而扩大井间距可提升总取热量并推迟拐点。综合表明,短期提效的高流量与低温注入会加剧储层损伤,需要通过优化开采模式、调控井网布局以及射孔参数,来平衡效率与系统的长期稳定性。 通过本文的相关研究,可为研究区砂岩热储后续开发方案的制定提供参考,从而有效节省开发成本并提升资源利用效率。