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。     

南海沉积物天然气水合物饱和度与电阻率的关系

在天然气水合物勘探中,阿尔奇公式是由电阻率测井数据估算沉积层含水合物饱和度的基本公式,是对含油(气)岩心进行实验总结出的规律。但是对于水合物填充于多孔介质孔隙的沉积物,其电阻率与沉积物的物性以及水合物在孔隙的微观分布状态有关,可能存在一定的非阿尔奇现象,因此采用电阻率估算饱和度需要进行一定的校正。采用交流电桥法测量了3.5 % 盐水饱和的南海沉积物以及水合物在水饱和的沉积物中形成过程中的电阻率数据。水合物形成过程中其电阻率随着含水合物饱和度的增大而增大,尤其在低水合物饱和度(S_h<22 % ),其电阻率随着水合物的生成异常增大,含水合物沉积物的电阻率由水饱和的1.667Ω·m增大到含水合物饱和度为45 % 的2.661Ω·m。对于含水合物的沉积物,其双对数坐标系的电阻率增大指数和含水饱和度并不是阿尔奇公式所描述的直线关系,其饱和度指数n不是定值1.938 6,而随水饱和度S_w的增加而增加。当54.8 % w<78.6 % 时,n小于1.938 6;当S_w>78.6 % 时,n大于1.938 6。     

天然气水合物降压开采储层稳定性模型分析

储层稳定性是天然气水合物开采所面临的关键问题。本文基于多孔介质流体动力学和弹性力学,建立了天然气水合物降压开采储层稳定性数学模型,包括储层沉降和井壁稳定性分析两个方面,并以墨西哥湾某处水合物藏的基本参数为例,进行了水合物降压开采储层稳定性的模拟计算。结果表明,在水合物降压开采的过程中,孔隙流体压力降低导致了储层的沉降,最大的沉降发生在井壁附近,水合物分解会加剧储层的沉降;降低井孔压力会造成井壁破坏的潜在危险,在井壁附近,周向和垂向应力达到最大处容易发生失稳破坏,地层的水平应力差会增加井壁的不稳定性。     

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。     

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。     

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。     

增强型地热系统垂直裂隙热储热开采过程数值模拟

增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)作为开采深层地热资源最为有效的方法已经成为国际研究热点。充分探究EGS运行时热储内热量的开采过程对评估EGS性能及今后EGS商业开采过程中工程优化控制有着重要意义。文章建立了平行相间的垂直裂隙系统EGS开采模型,运用FLUENT软件对多平行垂直裂隙情形下增强型地热系统热储热开采过程进行了数值模拟。同时,通过改变对热储热开采过程有影响的裂隙宽度和水流速度两个参数,对比研究了其对热储热开采过程的影响。研究结果显示,裂隙宽度和水流速度对热储热开采过程影响较大,且影响效应几乎一致。当裂隙宽度为1 mm、裂隙水流速度为1 cm/s时,开采20 a时间内无论是裂隙宽度扩大1倍还是水流速度提高1倍,对热储内经济可用热能的开采率提升均超过25%,对热储内热能开采速率提升达到252%。     

主动、被动大陆边缘天然气水合物成藏模式对比

不同大陆边缘(主动、被动)沉积物中天然气水合物(以下简称水合物)赋存的控制因素与成藏模式有所差异,开展二者之间的对比研究对于指导水合物勘探具有重要的意义。为此,以主动大陆边缘卡斯凯迪亚(Cascadia)和日本南海(Nankai)海槽、被动大陆边缘布莱克海台(Blake Ridge)和尼日尔三角洲盆地(Niger Delta Basin)等典型水合物成藏区为研究对象,借助于综合大洋钻探(IODP)航次资料解剖和数值模拟分析等手段,从应力场的角度探讨了上述两种背景下含甲烷流体的驱动样式,进而对比分析了主动、被动大陆边缘水合物的成藏模式。研究结果表明:①主动大陆边缘以侧向挤压应力为气体垂向运移提供了驱动力和通道,引诱深部游离气和原位生物气沿断裂运移,气体运移通道主要为俯冲—增生产生的断层、断裂和滑塌体;②主动大陆边缘粉砂和砂质粉砂等粗粒浊流沉积孔隙度大、渗透性好,并且增生楔上沉积物厚度大,是水合物成藏较为有利的储集空间;③较之于主动型大陆边缘,被动大陆边缘虽然缺少俯冲带造成的侧向应力,但在其内巨厚沉积层塑性物质及高压流体、陆缘外侧火山活动等的共同作用下,产生垂向加积和拉张应力,形成的扩散型...