地热储层单裂隙岩体渗流传热数值模拟研究

研究地热储层裂隙岩体中的渗流传热过程对干热岩地热资源的开采具有重要的意义。本文以干热岩地热工程为背景,采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件对地热储层单裂隙岩体中渗流传热机理进行了研究,并分析了流体注入速度和温度对岩体温度场的影响及其对干热岩地热工程的影响。研究发现流体参数对岩体温度场的影响主要体现在2个方面:一方面是对岩体温度场受扰动区域以及幅度的影响,另一方面是对岩体温度场达到稳态所需要时间的影响。流体注入速度的提升会降低系统的寿命和寿命期的出口法向总热量值,当考虑出口法向总热通量时,存在最佳流体注入速度,本研究中最佳流体注入速度为0.011 m/s。流体注入温度的提升会增加系统的寿命和系统的出口法向总热通量和总热量。研究为干热岩自热资源的开发与利用提供了理论依据,为工程运行参数的设计提供了参考依据。     

花岗岩型干热岩储层信息获取方法及控震压裂技术介绍

干热岩型地热作为一种大储量的清洁能源,在日趋严峻的环保形势下,正在逐渐影响着世界能源格局,并成为学术界、政府和企业关注的焦点。开发花岗岩型干热岩需要建立增强型地热系统（EGS）,其核心是向储层钻井并压裂形成一定规模的裂缝网络,构建注入井和生产井的循环回路来提取热能发电。从瑞士Basel EGS工程、韩国Pohang EGS工程等花岗岩型干热岩EGS压裂工程案例可以发现,诱发地震已成为制约花岗岩型干热岩开发的关键因素,其原因在于未明确大尺寸高倾角结构面的具体位置,无法预测压裂液在压裂过程中的流动方向,导致压裂液进入此类结构面造成结构面滑移从而诱发地震。本文将针对此问题通过查明干热岩所在储层的信息对开发花岗岩型干热岩控震压裂人工热储建造方法进行介绍。     

基于粘结单元法的干热岩储层水力压裂数值模拟与参数优化

水力压裂技术是实现低渗油气及地热储层的高效开发利用的关键技术手段,为了研究干热岩型地热储层水力压裂过程中水力裂缝的扩展规律,本文使用粘结单元法（Cohesive Zone Method, CZM）研究了压裂液排量、压裂液粘度以及水平地应力差对水力裂缝形态的影响,并利用正交试验对上述压裂工艺参数的组合进行优化。结果表明：压裂液排量对水力裂缝的长度具有重要影响,而压裂液的粘度对水力裂缝的宽度具有显著影响;压裂液的排量和粘度的增加,促进了分支裂缝的萌生和扩展;水平地应力差为1 MPa时,本文所建立的模型在压裂液排量和粘度分别取0.004 m3/s和0.07 Pa·s条件下,可获得最佳的压裂改造效果;随着压裂液的排量和粘度的持续增加,当压裂液的排量和粘度分别超过0.004 m3/s和0.07 Pa·s后,继续增加压裂液的排量和粘度将导致水力裂缝的长度和宽度的减小,可见在实际压裂过程中不能盲目通过提高压裂液的排量和粘度的方式实现对压裂效果的持续改进。本文丰富了干热岩储层改造的数值模拟手段,相关研究成果有望为干热岩型地热资源开采过程中裂缝扩展行为预测和压裂工艺参数的优化提供技术支撑。     

鄂尔多斯盆地柳林地区煤储层地应力场特征及其对裂隙的控制作用

为系统研究柳林地区煤储层地应力场展布及其对裂隙的控制作用,分析不同埋深煤层与地应力的关系,采用水力致裂法获取了地应力资料。通过统计分析,建立了主采煤层地应力与煤层埋藏深度之间的相关关系模型,分析了露头节理、煤层割理与现今地应力方向的耦合关系。研究表明:柳林地区最大水平主应力σmax为7.33~30.83 MPa,平均19.41 MPa,最小水平主应力σmin为6.50~24.00 MPa,平均13.12 MPa,主应力随埋深增大而线性增高。在埋深400~700 m,垂直应力σv≈σmax≈σmin,地层呈现准静水压力场特点;在700~850 m,σmaxσvσmin,为大地动力场型,水平方向主应力占主导地位;在850~1 100 m,σvσmaxσmin,为大地静力场型,仍未进入明显压缩带。水力压裂地应力检测表明现今主应力方向与煤层裂隙方向相近,以NNE向为主,地应力方向在割理形成后未发生明显改变。     

煤储层天然裂隙系统对水力压裂裂缝扩展形态的影响分析

煤储层压裂改造过程中,天然裂隙系统对压裂裂缝的开启和延展具有重要影响。通过对沁水盆地寺河、成庄和新元煤矿21口地面煤层气井的井下精细解剖,描述并统计了天然裂隙系统和压裂裂缝形态及类型,并阐明了二者之间的作用关系。结果表明,煤储层中天然裂隙系统根据成因和规模分为层面裂隙、外生节理、气胀节理、内生裂隙、层理裂隙和微裂隙,且按照裂隙规模和导流能力将其分为4个级别。井下观测的压裂支撑裂缝主要与规模较大的一级天然层面裂隙和外生节理有关,伴生次级天然裂隙对压裂裂缝的扩展影响较小。压裂裂缝主要形态包括垂直裂缝、水平裂缝、"T"型和倒"T"型裂缝、"工"型裂缝等4种,其中,水平压裂裂缝受顶底板和煤层间层面裂隙、宏观煤岩类型间层面裂隙以及构造煤分层的控制。垂直压裂裂缝扩展方向具有选择性,受最大主应力和天然裂隙的共同作用,研究区的最大主应力方向与天然裂隙优势方位间的夹角小于临界夹角,因此垂直压裂裂缝主要沿着煤层外生节理扩展。"T"型和倒"T"型裂缝、"工"型裂缝等复合压裂裂缝形态还受到煤层结构和煤体结构等的共同制约。此外,考虑到天然裂隙对煤岩强度的影响,提出压裂裂缝启裂方向为地应力与煤岩结合力之和最小值的...     

页岩气微地震浅井工程施工技术研究与应用

我国页岩气勘探开发还缺乏相关的管理经验和关键技术,特别在微地震监测技术方面还处于探索研究阶段。为了保证微地震监测成果的可靠性,在页岩气微地震浅井工程施工技术方面开展了一系列研究工作,包括优选施工设备,优化钻具级配、钻进工艺、水泥浆液参数设计和固井工艺方案,并在四川泸县、三台、内江、珙县等页岩气微地震浅井工程施工项目的应用中取得了满意的效果。     

燃爆冲击载荷对页岩储层孔裂隙系统的改造作用特征

燃爆压裂是近年提出的一项针对页岩气储层压裂的变革性技术,研究燃爆冲击载荷的改造作用可为燃爆压裂法的应用提供基础依据。选取川南泸州区块龙马溪组一段页岩样品,采用自制的燃爆冲击载荷试验系统开展燃爆冲击实验,用计算机断层扫描仪(μ-CT)扫描燃爆前后样品,通过数字图像处理技术提取孔隙并重构,统计孔隙数据获取孔径分布,研究燃爆冲击载荷作用前后孔裂隙系统的变化特征。结果表明：(1)瞬时升温产生的热应力破坏页岩中层理弱介质,使其内部微裂缝失稳、扩展乃至贯通;受燃爆冲击载荷作用影响,页岩中心位置应力集中,应力波冲击使页岩形成多条裂缝,产生大量孔隙;(2)燃爆冲击载荷作用对页岩储层孔裂隙系统的改造显著受层理和微裂缝的影响;层理和微裂缝越发育,改造后形成的裂缝网络越复杂;受黏土矿物等塑性矿物的约束性降低,储层应用范围更广;(3)瞬时升温和燃爆冲击载荷作用对页岩复杂缝网的形成和扩展均有显著促进作用;燃爆冲击载荷作用更加有效地改造页岩储层孔裂隙系统并产生大量连通性孔裂隙,连通性孔隙增加约67%。这一研究从微观层面证实燃爆冲击载荷作用能有效改造页岩储层。     

革新钻井液技术以促进干热岩产业化开发

我国干热岩资源丰富,利用系数高,可为电力提供稳定基础荷载,被认为是能够担负起能源革命重任的可再生清洁能源,其规模开发对我国实现“碳达峰和碳中和”具有重要意义。然而,经历近半个世纪,目前世界范围内仅有少量利用EGS技术开发的干热岩示范项目有微量发电,实现产业化目标尚有许多技术瓶颈。通过研究EGS开发过程和钻井液技术,笔者提出：EGS钻井过程中存在钻井液漏失。因此,钻井液组分自身、钻井液与岩屑或井壁岩石、钻井液与热储裂缝表面岩石,在高温高压下会发生各种理化反应,生成新的物质。这些新的物质可能会沉淀在井壁和裂缝表面,甚至可能与井壁或裂缝表面岩石固结成一体,降低裂缝的有效空间,甚至封堵裂缝,且难以清除,使热储导流能力极大降低,难以达到发电要求的流量。因此,革新钻井液技术理念,研究EGS高温高压环境下钻井液组分和岩屑与温压之间的相互关系及其对钻井液性能的影响,利用先进的计算机数据统计、分析和计算技术,对钻井液性能、钻井液在井筒的流动特性以及钻井液与热储岩石的配伍性进行精准预测和控制,避免或减少钻井液漏失以及钻井液在热储环境下与岩石的反应,消除钻井液对热储伤害,提高渗透率,可能是干热岩产业化的技术突破。     

干热岩热储建造的二氧化碳爆破致裂器优化设计

干热岩作为一种可再生的清洁能源,如何开采具有重要意义,但温度和深度双重因素导致干热岩型地热资源开采难度大.在开采过程中,储层建造是其中的关键技术.储层建造产生大规模的体积裂隙网络,以保证有大面积的换热通道进行长期的热能提取,二氧化碳爆破致裂技术作为一种新方法为储层建造提供了新思路.本文简述了二氧化碳爆破致裂技术,以及爆破过程中二氧化碳充装量、活化剂用量、定压片厚度之间的内在关系,重点优化了用于干热岩型地热储层建造的二氧化碳致裂器,设计了致裂器内部结构的具体参数,完善了外部结构和整体系统,最终研发了一种可用于干热岩型地热储层建造的新型二氧化碳致裂器,为干热岩型地热储层建造提供有效的技术手段,填补了耐高温高压的井下二氧化碳致裂器领域的空白.     

扭力冲击器复合钻进工艺在干热岩钻井中的试验应用

扭力冲击器在石油、天然气行业钻井中得到广泛应用,具有提速增效的作用。而干热岩钻井工作环境不同于油气钻井,面临着高温、高压、硬岩、强研麿性以及深井、超深井等问题,因此对扭力冲击器进行了针对性设计,并进行试验应用。在扭力冲击器2次入井试验中,对硬-极硬岩地层进行了不同钻具组合下的钻进试验,确定了扭力冲击器对钻进效率的影响机理。结果表明：（1）扭力冲击器能够消除螺杆钻具因离心惯性力造成钻具的横向振动,验证了扭力冲击器与螺杆钻具组合应用的可行性。相比未使用扭力冲击器井段,机械钻速提高29.59%。（2）从碎岩机理和地层适配性上,相比PDC钻头,牙轮钻头在扭力冲击器+螺杆钻具+转盘复合钻进的方式下,有着较高的钻进优势。试验成果可为扭力冲击器与牙轮钻头匹配性研究和扭力冲击器与螺杆钻具的耦合性研究提供较好的技术基础。     

液动潜孔锤用于干热岩钻进的优化与试验

我国目前能源结构对化石燃料依赖度过高,在全球能源转型的大环境下,作为一种新型清洁能源,干热岩具有储量巨大、资源丰富、分布广泛等优势。针对干热岩勘探开发中高温硬岩钻进的技术难点,对YZX178型液动潜孔锤进行了结构优化,并在某干热岩井中进行了试验应用。试验结果证实了YZX178型液动潜孔锤用于干热岩等坚硬地层进行冲击回转钻进的可行性和高效性,获得了与螺杆钻具接近的机械钻速,且具有节能环保、安全性高、维护方便、节约成本、高温适应性强等优势,但仍需进一步解决其工作寿命与牙轮钻头相匹配的问题。     

干热岩耐高温钻井液的研究进展与发展趋势

在如今传统能源储量日益减少的趋势下,干热岩这类新型地热资源的开发显得尤为重要,而干热岩钻井由于其井下的超高温环境,对传统钻井液系统提出了非常严格的要求.传统钻井液在高温作用下滤失量大大增加,钻井液开始增稠,普通的辅助添加剂往往不能发挥出功效.常用的以"三磺材料"为核心的钻井液虽然具有令人满意的耐温效果,但因其含有大量有毒物质,污染程度十分严重,需要开发新的环保型耐高温钻井液体系.国外干热岩项目早于国内30余年,拥有很多重要的耐高温钻井液经验与技术;作为刚起步的国内干热岩研究,也有着青海"共和盆地恰不恰干热岩"这样十分重要的项目工程.本文首先介绍了当前干热岩钻井概况以及对钻井液的性能要求,并结合国内外学者对耐高温钻井液与环保钻井液的研究进展,了解其配方组分与设计思路,结合干热岩特点探讨干热岩耐高温钻井液发展趋势,旨在为干热岩钻井液技术研究提供支持.     

侧钻绕障技术在干热岩HDR-1井中的应用

东南沿海深部干热岩科学钻探HDR-1井在3000 m以深发生卡钻事故,经过多种方法处理后,井内仍留有100多米“落鱼”。由于继续套铣打捞井内“落鱼”难度大、风险高、周期长,经多方论证,决定采用侧钻绕障技术绕过事故井段。经过对套管斜向器侧钻、裸眼水泥塞侧钻和裸眼斜向器侧钻3种方案进行对比,最终采用裸眼水泥塞侧钻方案。此次侧钻绕障的成功应用,在国内干热岩施工中尚属首次,克服了大深度、大直径、高温度、高硬度等技术难题,综合运用了随钻测量、复合动力钻进工艺、抗高温钻井液等先进技术,为我国干热岩科学钻探与深部地热资源勘探提供了新的技术支撑。     

干热岩资源高效钻采技术理论探讨

水力压裂开采干热岩是目前干热岩资源开发普遍优选的方法,本文在阐述其应用现状及特点的基础上,分析了水力压裂技术应用于干热岩资源开发存在的技术问题及诸多不确定因素。提出了注入井水平对接与压裂组合开采方案以及注采井水平对接开采方案,分析了两种方案涉及的技术可行性。     

KT178型取心钻具在共和干热岩钻井中的应用

青海共和盆地干热岩资源富集于花岗岩地层,硬度高,研磨性强,部分层段裂隙发育,取心困难.针对干热岩地层和取心需求特点,研制了一套KT178型取心钻具,并配套设计了孕镶金刚石取心钻头.该钻具为单动双管取心钻具,可配套井底动力钻具使用,设计中注重对钻具外管、卡簧等关键部件的强度校核.在GH-01井和GH-02井中,经过两轮试验和优化,钻具逐渐成熟,获取了较完整的岩心样本,满足干热岩勘探取心要求,具备了向页岩气、水资源勘察等具有间断取心需求的同类工程推广应用的条件.