随着能源结构调整以及“双碳”目标的推进,高温地热资源,尤其是深部超临界地热资源勘探开发已成为国际上地热学研究的焦点。超临界地热通常指温度和压力达到水的超临界点(374℃,22.1 MPa)以上,地壳深部流体以超临界相态存在。超临界地热资源可赋存于各种岩性储层中(如花岗岩、玄武岩等),通常位于岩浆房的上部或常规地热系统的根部,是一种开发潜力巨大的可再生能源。 石英和水作为地壳中普遍存在的两种物质,石英溶解沉淀在深部超临界地热流体的形成、运聚及开采过程中扮演着重要作用。然而,由于缺少高温高压条件下石英溶解沉淀作用及其对热储裂隙渗透性影响的综合认识,限制了超临界地热流体流动耦合水岩化学反应模拟程序的发展,进而无法开展相关深部水文地球化学过程的定量评价。为了填补以上研究空白,本次研究围绕亚临界至超临界地热条件下“石英溶解沉淀作用机理—石英溶沉对储层渗透性演化影响”关键科学问题,开展了石英溶解热力学和反应动力学实验、石英溶沉对花岗岩裂隙渗透性影响实验研究,基于此改进了超临界地热系统水-热-化学耦合模拟程序,探究了超临界地热开发过程石英溶解沉淀对储层渗透性演化及长期地热开采行为的潜在影响。 针对传统高温高压水岩反应实验中准确判断水岩反应进程困难和取样分析测试精度低问题,本次研究通过研发可实时监测电阻的高温高压水岩反应装置,实现了超临界地热条件下实时准确判定水岩反应进程,提升了超临界地热条件下水岩反应的实验效率;利用原位高温真空取样装置,结合现场化学分析,避免了传统取样方法中次生沉淀的影响,提升了矿物溶解度的测试精度,尤其是超临界点附近和低密度区(高温低压区)的矿物溶解度。 针对超临界地热条件下石英溶解热力学和反应动力学数据不完备问题,利用可实时监测电阻的高温高压反应釜,结合原位高温真空分离式取样方法,开展了300~500℃、25~50 MPa条件下石英溶解热力学和反应动力学实验,获取了亚临界至超临界地热条件下石英溶解度和溶解速率常数。结果表明,在亚临界和超临界地热条件下,石英溶解度和溶解速率常数受温度和压力共同作用。等压条件下,石英溶解度和溶解速率常数在亚临界区随温度升高而增大,进入超临界区后随温度升高而减小,具有逆行溶解行为;等温条件下,石英溶解度和溶解速率常数与压力呈正相关关系。基于本文实验结果和文献中获取的高质量数据,结合细致平衡理论,构建了石英溶解热力学和反应动力学密度模型,实现常温常压至超临界地热条件下地热流体中二氧化硅溶解浓度及反应速率常数的定量计算。 针对超临界地热条件下石英溶解沉淀对热储裂隙渗透性影响认识不足问题,利用自主研发的超临界地热条件岩心渗流实验系统,开展了亚临界至超临界地热条件下花岗岩裂隙渗流-化学耦合实验,揭示了超临界地热条件下石英溶沉对花岗岩裂隙渗透性演化的影响规律。结果表明,以紫铜套代替传统胶套作为围压隔离介质,能够满足高温高压渗流实验密封性需求。亚临界和超临界地热条件下,裂隙渗透性随时间缓慢增加,其变化率同时受温度和压力的影响,且裂隙渗透率变化率的大小与不同温压条件下石英的溶解度和溶解速率测试结果具有很好的一致性。结合溶液化学测试、裂隙面溶蚀特征以及裂隙面粗糙度系数综合分析,论证了花岗岩裂隙壁面发生的自由面溶解作用是裂隙渗透率随时间缓慢增加的主要控制机制,且石英是花岗岩裂隙面主要溶解矿物。 针对现有模型无法定量评估超临界地热系统在长期开采过程中储层渗透性演化的问题,利用验证后的石英溶解热力学和反应动力学密度模型,扩展了超临界地热版本TOUGHREACT程序的热力学和反应动力学数据库;通过拟合花岗岩裂隙渗流-化学耦合实验结果,建立了储层渗流参数受矿物溶沉影响的定量演化模型,进而改进了模拟程序流动-化学双向耦合功能。利用改进的程序,以日本Kakkonda超临界地热田为研究区,建立三维超临界热储对井开采模型,分析了超临界地热系统在长期开采过程中储层渗透性能的演化特征。模拟结果表明,系统产热过程可分为前5年的稳定阶段和后15年的下降阶段,生产周期内系统具有较高的生产比焓(1875.9~2752.7 k J/kg)和平均发电功率(6.24 MW),表明超临界地热系统具有巨大的发电潜力。长期采热过程中,注入井射孔段上方岩层由于石英的逆行溶解行为会形成高渗透带,这有利于地热尾水的高效回灌;然而,生产井射孔段附近岩层由于降压明显,导致严重的二氧化硅沉淀和地层渗透率降低(约一个数量级),这对于超临界地热系统可持续开采产生较大影响。 本次研究通过对实验仪器和测试方法进行改进,提升了高温高压水岩反应实验的测试精度;开展石英溶解热力学和反应动力学实验,扩展了300~500℃和25~50 MPa条件下石英溶解度和反应速率常数,建立了石英溶解热力学和反应动力学模型;通过建立超临界热储开采模型,识别了储层不同位置石英的溶沉规律及其对长期地热开采行为的影响机制。以上研究不仅对基础深部流体地学研究有重大意义,而且具有较宽广的地质工程应用前景,为有关深部流体地学问题和超临界地热开发工程等问题的解决提供科学理论和实验数据支撑。