增强型地热系统数值模拟研究进展

作为地热领域最有潜力的发展方向之一,增强型(或工程型)地热系统(EGS)的研究受到发达国家的高度重视,但在我国还处于萌芽状态。通过介绍EGS含义及发展,结合EGS数值模拟软件应具备的特点,对目前已经用于和可以用于EGS数值模拟的HDR和水热型地热系统中的典型求解器进行综述,总结其优缺点,讨论目前EGS数值模拟面临的挑战。     

增强型地热系统开采过程中热储渗透率对温度场的影响

以西藏羊易地热田的温度信息为依据,假想激发不同渗透率的EGS热储,采用数值模拟的方法,观察开采50 a内系统温度场分布,分析热储的可持续开采能力、冷却影响范围等。共设计了9个EGS开采案例,根据模拟结果的温度场分布形状,可将模型划分为极高、高、低渗透率3种类型。结果表明,高渗透率模型在开采过程中的温度降低幅度不大,50 a后开采点温度为270℃,热储仍具有开采潜力,此案例适用于对热储可持续性和后期热恢复要求较高的地热开采;低渗透率模型在开采过程中出现了大面积低于100℃的冷却区域,模拟结束后开采点的温度基本不变,此案例适用于对地热能开采稳定性要求较高的情况;极高渗透率模型的开采寿命只有20 a。     

南海北部陆坡流体运移差异性的原因分析——以神狐天然气水合物钻探区和LW3-1井区为例

神狐天然气水合物(以下简称水合物)钻探区和LW3-1井区均位于南海北部陆坡珠江口盆地,平面相距约25km,但其天然气(水合物)的成因却不相同。为此,首先对神狐海域高精度2D/3D地震资料进行了精细解释,共识别出底辟构造(气烟囱)、大尺度断层、上新世中尺度正断层和更新世滑脱断层等4种含气流体的运移通道。在此基础上,对比分析了神狐水合物钻探区和LW3-1井区运移通道的平面分布特征。结果表明:气烟囱虽在两个区域内都有发育,但在形态、规模、内部结构、与围岩接触关系等方面却存在着明显的不同;晚中新世以来,神狐水合物钻探区以上新世正断层和更新世滑脱断层为主,前者被认为是流体侧向运移的通道,后者则沟通了气烟囱和海底,可被视为流体的逃逸通道,而LW3-1井区则主要发育沟通深部的大尺度断层,且剖面上呈现为地堑/地垒的特征。结论认为:LW3-1井区中沟通深部烃源层的气烟囱和大尺度断层,其垂向的流体输送能力要强于神狐水合物钻探区,这便是造成这两个相邻区域流体运移条件不同的主要原因。     

超重力因子对CO2水合物生成过程的影响

围绕静态超重力水合反应器构建了一套气体水合物连续生产工艺,考察了该反应器内超重力因子对CO2水合物生成过程中一些重要参数的影响.实验发现,CO2水合物生产速率与超重力因子成指数增长关系,超重力因子为390.285时,CO2水合物生产速率达到最大值36.85 kg/h.在实验范围内CO2气体转化率与超重力因子的关系曲线类似抛物线,超重力因子大约为250左右时CO2气体转化率达到峰值,但总体上转化率不大于27%.同时,对新型水合反应器内CO2水合物生产过程的热量进行分析发现,实验范围内水合反应器热量利用的效率与超重力因子成线性增长关系,其最大值为87.39%.     

天然气水合物钻采一体化模拟实验系统及降压法开采初步实验

现有的天然气水合物(以下简称水合物)开采技术实验研究通常在较小尺寸的模拟实验装置中进行,由于反应釜样品尺寸较小,导致明显的边界效应且实验结果难以在现场中得到应用,因而研发大尺寸水合物综合开采实验系统刻不容缓。为此,针对我国南海神狐海域泥质粉砂型水合物储层,基于降压法开采思路和工艺流程,研发了一套水合物钻、采一体化模拟实验系统,主要包括主体高压装置、钻采一体化、气液供给、围压加载、回压控制、气液固分离及在线监测、温度控制、数据测控与后处理等模块;利用该系统进行了冰点附近CO_2水合物初步开采模拟实验;基于实验结果建立了数据获取及分析的基本流程,初步获得了在降压法开采CO_2水合物过程中储层的温度、压力场变化以及产气、产水规律。实验结果表明:①该实验系统可模拟实际地质条件制备接近海洋水合物储层的样品,通过电阻层析成像技术实时监测水合物成藏与分布情况;②该实验系统还可模拟钻井、降压开采工艺与过程,实时监测出砂与管道流动等过程中产气量、产水量、产砂量、温度、压力等多个物理参数的变化情况,实现试采全过程的实验模拟。结论认为:①在出口压力一定的情况下,CO_2水合物的产气、产水速率具有很大的波动性;②CO_2水合物分解过程中储层温度分布不均匀,最大的温度降幅为5℃,表明水合物分解呈现出非均一性与随机性。     

基于分形孔隙模型的含天然气水合物沉积物电阻率数值模拟

电阻率法是确定天然气水合物(以下简称水合物)饱和度的重要方法,通过数值模拟可以有效研究含水合物沉积物的电阻率特性,但过去构建的孔隙模型由于约束条件较少,而与实际的孔隙结构存在着较大的差异。为此,基于自然界沉积物具有自相似特征,选定地毯总边长为3和颗粒边长为1的谢尔宾斯基地毯作为沉积物的分形孔隙模型,根据等效电阻网络模式建立了含水合物沉积物的电导模型,并利用上述模型分析了孔隙度、孔隙水电导率、沉积物骨架电导率等因素对含水合物沉积物电阻率与水合物饱和度关系的影响。研究结果表明:(1)含水合物沉积物的电阻率可以表示为孔隙度、面积比、微观结构尺寸、孔隙水电导度、沉积物骨架电导率及经验参数的函数;(2)孔隙水电导率和孔隙度的减小都会导致沉积物电阻率的增大;(3)含水合物沉积物的电阻率随水合物饱和度的增大而增大;(4)在高水合物饱和度范围内,含水合物沉积物的电阻率随沉积物颗粒骨架电导率的增大而明显减小。结论认为:在一定的水合物饱和度范围内,该分形孔隙模型计算结果与实验数据和测井数据都能较好地吻合,准确度较高。     

南海神狐海域天然气水合物降压开采过程中储层的稳定性

储层稳定性是天然气水合物(以下简称水合物)开采所面临的关键问题之一,也是确保水合物安全高效开采的前提,目前相关的研究较少。为了分析降压法开采南海神狐海域水合物过程中储层的稳定性,根据该海域水合物的钻探资料,建立三维水合物降压开采地质模型,采用非结构网格对模型进行离散;在综合考虑水合物开采过程中的传热传质过程和沉积物变形过程的基础上,建立了热—流—固—化四场耦合的数学模型;基于非结构网格技术,采用有限单元方法对模型求解,获得水合物降压开采条件下的储层孔隙压力、温度、水合物饱和度和应力的时空演化特征,进而分析研究了该海域水合物降压开采过程中储层沉降、应力分布和稳定性。结果表明:(1)储层渗透率越大、井底降压幅度越大,沉降量越大,沉降速度越快;(2)开采过程中储层孔隙压力减小会导致有效应力增加,且近井处剪应力增加较明显,易发生剪切破坏;(3)储层有效应力的增加导致了储层沉降,沉降主要发生在开采的早期,开采60 d,储层最大沉降为32 mm,海底面最大沉降为14 mm。结论认为,南海神狐海域水合物储层渗透率低,储层压力降低的影响范围有限,在60 d的开采时间内,储层不会发生剪切破坏。     

增强型地热系统储层试验与性能特征研究进展

概括了增强型地热系统场地试验的最新进展,系统地归纳和分析了表征储层性能的主要指标和其影响因素,指出未来增强型地热系统储层性能上的研究热点在于4个方面:准确测量储层激发体积和换热面积、克服水流损失和流动短路、监测储层动态性能、精确模拟和预测储层压裂效果。上述4个方面对完善增强型地热系统储层激发与评价的理论和技术有重要意义。     

双竖直井开采美国沙漠峰深层地热数值模拟

建立了沙漠峰双井式增强型热储的概念模型, 并利用TOUGH2求解了模型。结果表明, 利用双井系统开采沙漠峰热储是可行的, 系统的流体循环量为30 kg/s, 30年内的产热功率和产电功率分别为18.90 MW和3.42 MW左右, 储层水流阻抗最大为0.095 MPa/(kg/s); 在0.7~17.30年间储层温度和压强逐渐降低, 水流阻抗逐渐增大, 系统只产出液态水, 而17.30~30年间储层温度、压强、水流阻抗基本保持不变, 生产井井口附近液态水不断汽化, 系统产出液态水和蒸汽的混合物, 且气体产量逐渐增大。     

墨西哥湾天然气水合物油气系统

从20世纪80年代开始,墨西哥湾的水合物研究经历了水合物发现阶段、浅表层水合物研究阶段和水合物资源勘探阶段等3个阶段,特别是2005年“联合工业计划”的实施,为这一区域的水合物研究提供了大量的地质、地球物理和地球化学等资料,使其成为目前海域水合物研究的前沿区域。本次研究采用水合物油气系统的思路和工作方法,通过资料的调研、总结和对比,详细描述并刻画了水合物稳定条件、气体组分和来源、有利沉积体类型和特征、含气流体运移通道等4个要素。研究结果表明,墨西哥湾陆坡区域温度和压力等条件非常适于水合物的形成,热成因气和生物成因气都可以作为水合物的气体来源,有利的深水沉积体（如水道、天然堤、块体流沉积体等）提供了潜在的储集类型和聚集空间,盐底辟、断层、倾斜的地层及网状裂隙等为含气流体的运移提供了有利的通道。作为一种全面和系统的研究思路和工作方法,水合物油气系统既考虑了水合物形成时的物理化学条件,又注重实际的地质背景,可以作为海域水合物成藏潜力的快速评价方法。然而,要对重点区域进行水合物矿体描述、不均匀性分布控制因素等方面的分析,开展精细的沉积学解剖和流体运移的分析,是研究的重点。因此,将“水合物识别标志”、“有利沉积体展布”和“流体运移通道”三者有机地结合在一起,是今后海域水合物资源勘探、矿体精细描述和科学评价的发展方向。