深部地热能作为一种分布广泛、储量巨大的非碳基清洁能源,在国家能源结构调整中势必发挥巨大的作用。但深部地热储层渗透性差,原生状态下水热循环不畅,需要通过水力压裂等工艺对储层进行改造,构建增强型地热系统,进而实现热能获取。然而,目前全球已建有67座增强型地热系统示范工程,其中63座系统由于注采井间水力连通性不适宜,或因流体损失率过大导致工程失败。其关键问题之一在于深部地热储层探测数据少、数据精度差,导致储层改造后形成的裂隙网络透明化水平低,难以预测和调控储层内部换热过程。 针对有限数据支撑下地热储层裂隙网络表征与产热能力可靠预测的难题,本文结合3D打印裂隙网络渗流-传热实验结果,提出了基于示踪剂浓度突破曲线形态的裂隙结构降维表征和产热能力预测模型,其可靠性得到了室内实验尺度、场地尺度裂隙介质模型以及青海共和增强型地热系统示范工程验证。研究取得以下三方面主要认识: (1)3D打印裂隙模型的渗流与传热示踪试验结果显示:复杂裂隙网络之中渗流过程受控于注采井之间的水力梯度以及温度差异引起的流体密度梯度,形成有限数量的优势渗流通道,控制着开采井的示踪剂浓度和温度。优势通道的数量与示踪剂突破曲线拐点数量存在一致性,且数量在不同注采强度下具有稳定性,特别是在较低注采强度下,上述优势通道及拐点特征尤为显著。 (2)根据上述发现,提出复杂裂隙网络降维表征方法,即根据单次示踪试验监测的浓度突破曲线中拐点数量确定优势通道数量,在注采井位不变条件下,将复杂裂隙网络表征为有限数量的平行裂隙模型,平行裂隙数量与优势通道数量保持一致;随后通过示踪剂突破曲线反演的方式确定平行裂隙张开度,得到降维后的裂隙模型。3D打印裂隙物理模拟实验数据验证结果显示,经降维表征后的裂隙网络对不同注采强度下的流体示踪剂浓度和温度预测误差可以控制在8.0%以内,展现了良好的水热产出预测能力。 (3)结合青海2021年4月首期共和示踪试验数据,将其储层压裂后的复杂裂隙网络表征为由2条平行裂隙所构成的裂隙模型,裂隙参数反演后,预测2021年7月二期示踪试验的浓度误差为7.92%,证明了方法的工程实用性。在此基础上,模拟对比了不同循环流量和注入温度条件下的共和场地地热系统产热能力,结果显示,当注采流量达到1.5 m³/min,回灌流体温度维持60℃,开采井温度在30年内可以维持176℃以上,结果为该场地热能获取方案提供科学指导。