馮 波,曹云龍,齊曉飛 ,崔振鵬,張?zhí)m新

1.吉林大學(xué)新能源與環(huán)境學(xué)院,長(zhǎng)春 130021

2.河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊(duì),河北 邢臺(tái) 054001

3.山東省地礦工程勘察院,濟(jì)南 250014

0 引言

近年來,隨著化石燃料大規(guī)模使用導(dǎo)致的環(huán)境污染等問題的加劇以及“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出,新型替代能源的開發(fā)和利用正受到越來越多的關(guān)注[1-2]。相較于傳統(tǒng)化石能源,地?zé)豳Y源具有較大的環(huán)保優(yōu)勢(shì),且具備儲(chǔ)量巨大、分布廣泛、開采穩(wěn)定等特點(diǎn),是一種理想的新型可再生清潔能源[3-6]。

地?zé)崮苁堑厍騼?nèi)部以熱能形式存在的能量,近年來地?zé)崮鼙粡V泛地開發(fā)利用[7]。干熱巖是地?zé)崮苤械囊环N類型,是指埋藏在深部不含或微含流體、高溫(≥180 °C)巖體內(nèi)蘊(yùn)藏的可被當(dāng)前技術(shù)利用的巨大能源(hot dry rock ,HDR)[8-9]。熱巖型地?zé)醿?chǔ)層巖石基質(zhì)孔隙度較低,天然裂縫連通性較差,需要對(duì)其進(jìn)行人工改進(jìn),以提高熱能采收率。經(jīng)過改造的干熱巖儲(chǔ)層被稱作增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(enhanced geothermal systems, EGS)[10]。EGS是干熱巖型地?zé)崮芨咝Ю玫囊豁?xiàng)重要技術(shù),受到了全球多個(gè)國家的高度重視。

在EGS中,通常會(huì)通過剪切增產(chǎn)來提高儲(chǔ)層滲透率,從而提高地?zé)岙a(chǎn)量,其中水力效應(yīng)和熱效應(yīng)對(duì)EGS開發(fā)的影響不可忽視[11]?？梢?熱能的開采涉及到裂隙巖體中的傳熱、滲流和力學(xué)變形等多場(chǎng)耦合作用,稱為熱-水動(dòng)力-力學(xué)(THM)耦合[12-13]。這些多物理過程的空間演化復(fù)雜且受大量參數(shù)的影響。數(shù)值方法被認(rèn)為是模擬和分析EGS耦合過程的一種可行方法[14]。利用數(shù)值方法可以有效模擬裂隙巖體中的流體運(yùn)移、熱交換和應(yīng)力演化,對(duì)于控制采熱性能、保證井筒穩(wěn)定性和安全性、提高地?zé)醿?chǔ)層采收率、延長(zhǎng)地?zé)醿?chǔ)層持續(xù)使用壽命等EGS開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)問題分析具有重要的作用[15]。

在EGS的THM耦合方面, Rutqvist等[16]基于TOUGH-FLAC建立了美國Gysers EGS示范工程的 THM模型,用來分析注水策略和注水效果。在水力剪切的基礎(chǔ)上,Xie等[17]提出了一種在 EGS水力壓裂時(shí),估計(jì)剪切起始點(diǎn)、所需壓力以及總剪切增長(zhǎng)方向的模型。Dempsey等[18]開發(fā)了一個(gè)全新的、能反映剪切力作用的數(shù)值模式,將其嵌入到 FEHM (finite element和 mass transfer)中,并將其應(yīng)用于Desert Peak地?zé)崽?取得了良好效果。前人也基于THM耦合理論,開展了裂隙滲透性隨注水溫度、熱膨脹系數(shù)變化規(guī)律的半解析數(shù)值模擬研究[19]。

本次研究以馬頭營(yíng)EGS開發(fā)場(chǎng)地為研究對(duì)象,基于該場(chǎng)地2022年注水試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),采用TOUGH2Biot模擬軟件建立了場(chǎng)地微裂縫流固換熱-水動(dòng)力-力學(xué)(THM)耦合模型,模擬了冷水注入下地?zé)醿?chǔ)層的響應(yīng)情況。本文通過將水力響應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果(包括井口壓力、注入速率)進(jìn)行比較,對(duì)模型進(jìn)行了校準(zhǔn),分析場(chǎng)地前期注水后EGS響應(yīng)情況,預(yù)測(cè)了冷水注入后儲(chǔ)層滲透率的變化規(guī)律和增產(chǎn)帶空間分布范圍,以期對(duì)指導(dǎo)該地區(qū)未來EGS儲(chǔ)層增產(chǎn)作業(yè)和可持續(xù)開發(fā)提供理論支持。

1 數(shù)值方法

1.1 模擬工具及控制方程

本研究使用TOUGH2Biot模擬器進(jìn)行THM數(shù)值模擬,將Biot固結(jié)模型耦合到非等溫、多組分、多相傳輸?shù)腡OUGH2模擬器上[20-21]。

TOUGH2代碼為模擬地下流系統(tǒng)的熱(T)和水動(dòng)力(H)過程提供了可靠的開源基礎(chǔ)。TOUGH2Biot中的TH耦合進(jìn)程完全繼承于TOUGH2。位移、應(yīng)力和應(yīng)變可以通過求解擴(kuò)展力學(xué)方程得到[22]。在一次迭代過程中,通過TOUGH2計(jì)算流體壓力(p)、溫度(T)和相飽和度(S),再將計(jì)算出來的變量傳入機(jī)械模型中作為已知變量(例如,位移、應(yīng)力和應(yīng)變)用來求解機(jī)械模型中的未知變量,機(jī)械過程通過應(yīng)力相關(guān)的裂縫滲透率向流體提供反饋。

力學(xué)模型假設(shè)巖石可以作為彈性材料移動(dòng),并遵循胡克定律的廣義版本。以應(yīng)力平衡方程、相容方程和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為基礎(chǔ),結(jié)合有效應(yīng)力規(guī)律,以位移(如wx、wy和wz)為主要未知變量,得到常用的Biot固結(jié)模型?？紤]溫度影響,建立了擴(kuò)展的Biot力學(xué)模型[22],見表1。

表1 三維擴(kuò)展Biot力學(xué)模型

1.2 裂隙巖體滲透率演化數(shù)學(xué)模型

在本研究中,儲(chǔ)層裂縫模型通過隨機(jī)建模生成。在模型的每個(gè)網(wǎng)格中存在許多假想的裂縫。將不同傾角、不同傾向裂縫的滲透率轉(zhuǎn)換成滲透率張量,用來表示一組相同傾角、相同傾向裂縫的等效滲透率[23]。令A(yù)=cosβi,B=sinγi,C=sinβi,D=cosγi,則式(1)表示為

(1)

式中:k為滲透率(μm2);n為網(wǎng)格數(shù)目;bi為第i個(gè)網(wǎng)格的等效水力裂縫孔徑(m);li為第i個(gè)網(wǎng)格的縫中流體流動(dòng)距離(m);βi和γi分別為第i個(gè)網(wǎng)格裂縫面趨勢(shì)和傾角(°)。

由式(1)得到的9個(gè)滲透率分量對(duì)于每個(gè)網(wǎng)格來說都是不同的,這些滲透分量(例如kx,ky和kz)在全局框架中被分解,以表示裂縫介質(zhì)的等效滲透率。

斷裂面的應(yīng)力狀態(tài)決定了其產(chǎn)生剪切破壞的能力,所以確定斷裂面的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)于研究裂縫的破壞潛力非常重要。根據(jù)前人[17]研究,作用在斷裂面上的有效正應(yīng)力和剪應(yīng)力的關(guān)系為:

(2)

(3)

式中:j、m、s分別為裂縫面法線相對(duì)于主應(yīng)力軸σx、σy、σz的方向余弦;σ′x、σ′y、σ′z分別為主應(yīng)力軸的有效法向應(yīng)力(Pa);τn為作用在給定網(wǎng)格中斷裂上的剪應(yīng)力(Pa)。

采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則定義破碎巖石的抗剪強(qiáng)度,公式為

Fc=|τn|-μsσ′-c。

(4)

式中:Fc為抗剪強(qiáng)度(Pa);μs為靜摩擦系數(shù);c為內(nèi)聚力(Pa)。

由式(4)可知,當(dāng)Fc> 0時(shí),表示作用在斷裂面上的應(yīng)力狀態(tài)滿足剪切破壞準(zhǔn)則。所以前人提出了基于靜/動(dòng)摩擦模型來評(píng)估剪切位移的假設(shè)[24],如式(5)所示:

(5)

式中:wd為剪切位移(m);τex為超剪切應(yīng)力(Pa);Kf為剪切斷裂剛度(Pa/m);μd為動(dòng)摩擦系數(shù)。

巖石在剪切破壞后物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化,而且在覆蓋層荷載的作用下,巖石會(huì)產(chǎn)生剪切位移,這會(huì)導(dǎo)致巖石的滲透率發(fā)生改變。根據(jù)前人[25]的研究成果,剪切位移與裂隙滲透率的增加有如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系:

(6)

式中:Δk為滲透率增加幅度百分比;Δkmax為滲透率增加幅度百分比最大值;w5和w95分別為最大滲透率增加5%和95%對(duì)應(yīng)的剪切位移。

利用公式(1)—(6),可以評(píng)價(jià)裂縫性地?zé)醿?chǔ)層與冷水注入相關(guān)的滲透率演化。

2 模型建立

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國河北省樂亭縣馬頭營(yíng)凸起區(qū)(圖1)。馬頭營(yíng)凸起區(qū)北部為燕山褶皺帶,西南為黃驊坳陷,東南為膠遼隆起區(qū),且被樂亭凹陷、柳南洼陷、石臼坨凹陷所包圍。區(qū)內(nèi)存在大而深的斷裂,其是熱量和物質(zhì)通過地殼上升的優(yōu)先通道[27]。

據(jù)文獻(xiàn)[26]修編。

工作區(qū)內(nèi)地層從老到新依次為:太古宇(Ar)、寒武系(∈)、奧陶系(O)、中生界(Mz)、古近系(E)、新近系(N)和第四系(Q)。新生界為局部蓋層,巖性主要為變粒砂巖和黏土巖。馬頭營(yíng)凸起區(qū)熱流值大于75 mW/m2,略高于全球平均熱流值[28],地溫梯度一般在30 ～ 50 ℃/km之間,中部地區(qū)最高可達(dá)70 ℃/km左右[29-30]。

研究區(qū)目標(biāo)儲(chǔ)層為太古寺組變質(zhì)花崗巖,主要埋深為4 200～4 500 m,最高溫度略高于150 ℃。主要礦物成分為鉀長(zhǎng)石(30%,體積分?jǐn)?shù),下同)、斜長(zhǎng)石(33%)、石英(20%)、綠泥石(15%)和黑云母(2%)[31]。

為進(jìn)一步探明深層高溫地?zé)豳Y源,前人在馬頭營(yíng)地?zé)崽锎蛄硕嗫谔骄?。具有該巖性特征的探井溫度測(cè)井曲線如圖2所示。地下4 000 m最高溫度可達(dá)200 ℃,溫度超過150 ℃的區(qū)域超過600 km2。該地?zé)醿?chǔ)層為單塔子群白廟組(Arb),其主要由灰白色變粒巖及淺粒巖組成,這套地?zé)醿?chǔ)層溫度較高、巖性致密、滲透率低、無流體,符合增強(qiáng)型地?zé)醿?chǔ)層的特征。地?zé)釁^(qū)儲(chǔ)層巖性由下至上為太古宇單塔子群白廟組變粒巖及淺粒巖、新近系泥巖、第四系松散沉積[32]。

圖2 馬頭營(yíng)隆起帶鉆孔深度剖面巖石巖性和溫度分布特征

根據(jù)前人使用XRMI(哈里伯頓電成像)技術(shù)測(cè)得的M-2井天然裂縫遙測(cè)圖(圖3)分析,研究區(qū)地下4 200～4 500 m處存在大量天然裂縫,天然裂縫密度為0.02～0.26條/m,裂縫寬度在幾十μm量級(jí)。地層最大主應(yīng)力方向?yàn)镾EE—NWW[33]。

a. 已識(shí)別裂縫的蝌蚪圖;b. 裂縫群傾角方位;c. 裂縫群傾角走向。圖3b、3c中百分?jǐn)?shù)表示裂隙數(shù)的百分比。

2.2 研究區(qū)循環(huán)試驗(yàn)

從2022-06-25開始,在馬頭營(yíng)M-1井進(jìn)行了一系列不同注入壓力和溫度的注水測(cè)試,如圖4所示,根據(jù)井口壓力(WHP)將增產(chǎn)方案分為2個(gè)階段:階段Ⅰ,2022-06-25—2022-07-23, 井口壓力總體維持在24 MPa,井口注入溫度為35～40 ℃;階段Ⅱ,2022-07-24—2022-08-26,井口壓力較高,變化范圍在3 MPa左右,井口注入溫度為40～45 ℃。

圖4 研究區(qū)Ⅰ、Ⅱ階段現(xiàn)場(chǎng)增產(chǎn)處理過程中井口壓力、注入速率的變化

本次模擬的時(shí)變注入過程基于M-1井的流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。由圖4可知,M-1井的實(shí)際注入過程總體上可分為2個(gè)階段,前期注入速率為14.08 kg/s,后期注入速率為19.47 kg/s。在整個(gè)注入過程中,由于設(shè)備維修、電動(dòng)機(jī)過熱等原因,M-1井共計(jì)停泵29次,其中4次時(shí)間較短(2 h以內(nèi)),在本次模擬中忽略不計(jì)。故本次模擬的注入過程共考慮了25次停泵,并對(duì)間隔較短的停泵過程進(jìn)行了合并。

2.3 概念模型建立

研究場(chǎng)地主要目的儲(chǔ)層巖性為花崗巖,儲(chǔ)層內(nèi)含有大量天然裂隙,儲(chǔ)層巖石物性參數(shù)見表2。儲(chǔ)層距地表4 100 m,花崗巖儲(chǔ)層內(nèi)部根據(jù)裂隙的分布可劃分為3段,其中,上段和下段均為不透水基巖,各厚100 m,中段為人工裂隙儲(chǔ)層,厚300 m。花崗巖儲(chǔ)層孔隙度小,含水量低,無補(bǔ)給來源;花崗巖儲(chǔ)層底部為恒溫恒壓邊界,注水過程中無位移,注水井筒忽略流體沿井筒的摩擦壓力損失,其余邊界采用開放流動(dòng)邊界。概念模型如圖5所示。

圖5 研究區(qū)目的層概念模型

表2 研究區(qū)儲(chǔ)層巖性參數(shù)與裂隙變形參數(shù)

2.4 數(shù)值模型建立

2.4.1 模型空間離散

根據(jù)前人鉆井測(cè)井資料和鉆孔成像結(jié)果提供的信息,建立了馬頭營(yíng)干熱巖場(chǎng)地系統(tǒng)的概念模型(圖5)。模型頂部位于地表以下4 100 m處。模型幾何尺寸水平方向?yàn)?00 m×800 m,垂直方向?yàn)?00 m。z軸與最大主應(yīng)力(σV)方向一致。x軸和y軸分別與中間主應(yīng)力(σH)和最小主應(yīng)力(σh)對(duì)齊。中心注入?yún)^(qū)(200 m×200 m×200 m)網(wǎng)格尺寸為10 m,周邊區(qū)域網(wǎng)格尺寸增大至50 m。注入井位于區(qū)域中心,注入井半徑為0.1 m。與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果一致,注入段位于花崗巖儲(chǔ)層,厚度為50 m(圖6)。

圖6 研究區(qū)計(jì)算網(wǎng)格剖面圖

模型在縱向上劃分為3段。其中,上段和下段均為不透水基巖,各厚100 m,中段為人工裂隙儲(chǔ)層,網(wǎng)格尺寸為10 m,厚度300 m。

2.4.2 定解條件

根據(jù)儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)的實(shí)際條件,設(shè)定儲(chǔ)層初始溫度為160 ℃。區(qū)域中心初始流體壓力為45 MPa,與現(xiàn)場(chǎng)得到的初始流體壓力相等。壓力剖面是根據(jù)靜水壓力指定的。初始地質(zhì)力學(xué)條件來自于前人研究[32]。最大主應(yīng)力為垂直應(yīng)力梯度,約為25 MPa/km,對(duì)應(yīng)于上覆地層的體積密度。中間主應(yīng)力方向約為正東方向(x軸,σH),梯度為19 MPa/km。最小主應(yīng)力方向約為正北向(y軸,σh),梯度為28 MPa/km[34]。

參考場(chǎng)地研究調(diào)查資料[32]可知,4 000 m深度上儲(chǔ)層的溫度及壓力并無明顯變化,因此將模型的溫度和壓力條件分別設(shè)置為160 ℃、40 MPa。為了模擬不同的注入過程,將時(shí)變Dirichlet邊界條件應(yīng)用于注入井。忽略了沿井筒的摩擦壓力損失,可以有效地將井口高壓傳導(dǎo)到注入段。模型域的大部分邊緣(即恒壓恒溫)采用開放流動(dòng)邊界,底部邊界采用零熱量、零質(zhì)量流動(dòng)邊界條件。我們施加了一個(gè)限制,零位移法向底部和橫向邊界面,而頂邊界允許自由移動(dòng)。

2.4.3 初始滲透率

儲(chǔ)層的天然裂隙分布基于前人鉆孔研究(圖 3)。表3列出了不同層段的裂縫密度、傾向和傾角。壓裂層段天然裂隙密度為0～5條/5m,隙寬在幾十μm數(shù)量級(jí)。統(tǒng)計(jì)顯示,天然裂隙與區(qū)域構(gòu)造方向一致,平均走向?yàn)?6°,傾角平均為60°,與區(qū)域張性應(yīng)力背景產(chǎn)生的裂隙結(jié)果非常一致。為了表現(xiàn)垂向方向上裂隙密度的差異,壓裂模型每個(gè)網(wǎng)格中生成的裂隙數(shù)目根據(jù)表3中的裂隙密度確定。每個(gè)網(wǎng)格裂隙的傾向和傾角隨機(jī)規(guī)律一致,按照表3裂隙密度生成。

表3 儲(chǔ)層隨機(jī)裂隙生成參數(shù)設(shè)置

由前人[26]研究可知,初始裂縫孔徑b= 2 μm。根據(jù)式(1)計(jì)算初始滲透率kx、ky、kz的分布,結(jié)果如圖7所示。裂縫滲透率計(jì)算模型表明,裂縫性地?zé)醿?chǔ)層滲透率各向異性是裂縫各向異性的函數(shù)。

圖7 研究區(qū)初始裂縫滲透率在x、y、z方向上的空間分布三維圖

2.4.4 儲(chǔ)層性質(zhì)及參數(shù)

儲(chǔ)層的主要參數(shù)均通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)量,靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)的選取依據(jù)前人[35]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)式(5)和式(6),可通過Δkmax計(jì)算剪切斷裂剛度,式(6)中的參數(shù)參考水力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[25]。THM模型的主要參數(shù)值如表2所示。

2.5 模型驗(yàn)證

為了解系統(tǒng)是否正確響應(yīng)流體注入,以及邊界和初始條件是否正確設(shè)置,需要對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,以確保模型的正確性[36]。本次模型校準(zhǔn)是通過2022-07-28的注入試驗(yàn)進(jìn)行的,選取了注入試驗(yàn)中的一部分?jǐn)?shù)據(jù),注入速率從14.08 kg/s增加到了19.47 kg/s,在這期間注入經(jīng)過了1次停泵,停泵時(shí)注入速率變?yōu)?。把這部分?jǐn)?shù)據(jù)的注入流速、溫度等數(shù)據(jù)放入建立好的模型中,利用實(shí)測(cè)注入流速模擬儲(chǔ)層改造過程中井口壓力的變化趨勢(shì),通過調(diào)整儲(chǔ)層的物性參數(shù)將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果擬合。由于本次模擬過程中場(chǎng)地巖石的物性參數(shù)已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)室測(cè)得,數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,所以在模擬過程中主要調(diào)整的是由隨機(jī)裂縫介質(zhì)模型在儲(chǔ)層中產(chǎn)生的隨機(jī)裂隙;并且由于在裂隙的隨機(jī)產(chǎn)生過程中設(shè)置的裂隙產(chǎn)狀與實(shí)際場(chǎng)地大致一致,所以在模型校正時(shí)應(yīng)盡量不改變裂縫的傾向和傾角。綜上,在本次模型校正的過程中主要是調(diào)整隨機(jī)裂隙生成模型中裂隙的隙寬,通過反復(fù)校正,模擬壓力曲線與實(shí)測(cè)壓力曲線吻合良好(圖8)。

圖8 研究區(qū)2022年進(jìn)行的注入試驗(yàn)中觀測(cè)和模擬井口壓力變化對(duì)比圖

3 結(jié)果與討論

3.1 現(xiàn)場(chǎng)注入試驗(yàn)歷史擬合

3.1.1 階段Ⅰ

儲(chǔ)層的壓裂主要包括2個(gè)階段。階段Ⅰ注水速率為14.08 kg/s,持續(xù)29 d,如圖9所示。模擬曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合,在注入早期,注水流速極不穩(wěn)定,由于注水流速波動(dòng)的時(shí)間間隔很短,小于模型所設(shè)置的最小時(shí)間步長(zhǎng);所以在模擬的過程中將其中注入速率上下波動(dòng)的部分進(jìn)行了合并處理,即按照平均注入速率進(jìn)行設(shè)置。在29 d內(nèi)井口停注多次,實(shí)測(cè)井口壓力和模擬壓力都呈現(xiàn)上下波動(dòng)的趨勢(shì),說明在注入過程中裂隙之中已經(jīng)充滿水,且并未出現(xiàn)新的裂隙和裂隙開度增大的情況。

圖9 研究區(qū)階段I的模擬和實(shí)測(cè)井口壓力對(duì)比圖

3.1.2 階段Ⅱ

在注水階段Ⅱ,注水速率為19.47 kg/s,持續(xù)34 d,如圖10所示。模擬曲線與實(shí)測(cè)曲線基本吻合,由于這個(gè)階段注入速率變大,可以看到這個(gè)階段的井口壓力要高于階段Ⅰ。在注入56 d以前,井口壓力的變化規(guī)律同階段Ⅰ一樣,隨著注入泵的注和停,井口壓力分別呈現(xiàn)上升和下降的趨勢(shì)。56 d以后,井口的壓力減小,說明此刻儲(chǔ)層內(nèi)形成了新的裂隙或者是裂隙開度增大。

圖10 研究區(qū)階段Ⅱ的模擬和實(shí)測(cè)井口壓力對(duì)比圖

為了進(jìn)一步解釋這種現(xiàn)象,選取離井口水平距離10 m的網(wǎng)格(Ele_1)進(jìn)行單獨(dú)分析。由于冷水的注入,導(dǎo)致該單元的溫度降低,壓力升高,有效應(yīng)力降低,這種現(xiàn)象可以用摩爾圖和應(yīng)力圓的運(yùn)動(dòng)來表示(圖11):在注水階段開始時(shí),Ele_1中裂隙的初始應(yīng)力狀態(tài)還未達(dá)到破壞包絡(luò)層,表現(xiàn)為井口壓力隨著注水停注變化;持續(xù)注水到達(dá)第56天,由于熱應(yīng)力和水力應(yīng)力的變化,Ele_1中裂隙的應(yīng)力狀態(tài)移動(dòng)到破壞包絡(luò)層,所以表現(xiàn)為Ele_1的裂隙被破壞,Ele_1的滲透性被改變。

總的來說,所構(gòu)建模型能夠較為準(zhǔn)確地再現(xiàn)M-1井注入水之后儲(chǔ)層的應(yīng)力響應(yīng)。經(jīng)過63 d的儲(chǔ)層注入增產(chǎn)處理,該模型能夠證明儲(chǔ)層內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生水力剪切破壞,注入井周圍滲透率顯著提高。

3.2 儲(chǔ)層滲透率變化規(guī)律

前文已經(jīng)提到,經(jīng)過2個(gè)階段的注入,儲(chǔ)層井附近的網(wǎng)格已經(jīng)發(fā)生破壞,本模型模擬了現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂之后儲(chǔ)層破壞的范圍(圖12)。由于該研究區(qū)內(nèi)最大水平主應(yīng)力與中間水平主應(yīng)力相差不大,所以模型表現(xiàn)為滲透率沿最大與中間主應(yīng)力變化差別不大。沿最大水平主應(yīng)力方向(約正東向)擴(kuò)展的最大值為22 m,沿垂直方向有中等擴(kuò)展,沿最小主應(yīng)力方向(約正北向)有最小擴(kuò)展。這主要是因?yàn)榱芽p的最佳定向面取決于最大水平主應(yīng)力方向。

a. z=235 m 的x-y平面;b. y =415 m 的x-z平面;c. x=405 m的y-z平面;d. 三維增產(chǎn)帶區(qū)域。

在整個(gè)場(chǎng)地循環(huán)注水完成之后,注入井附近儲(chǔ)層滲透率全面提高。如圖12所示,注水井附近儲(chǔ)層最大滲透率增加了29倍,x方向上的平均滲透率增加了1.50倍,y方向的平均滲透率增加了1.10倍,z方向的平均滲透率增加了1.05倍,平均滲透率增加倍數(shù)不高的原因是注水井注水時(shí)間短,增產(chǎn)帶擴(kuò)展的空間距離不大,只占儲(chǔ)層的很小一部分。圖12d為場(chǎng)地循環(huán)注水試驗(yàn)后模擬預(yù)測(cè)儲(chǔ)層的三維增產(chǎn)帶范圍,可見滲透增強(qiáng)區(qū)域的體積約10萬m3。

4 儲(chǔ)層在不同注入模式下增產(chǎn)帶預(yù)測(cè)

4.1 模擬方案

前文模擬中校正了模型的參數(shù),使之與實(shí)際場(chǎng)地參數(shù)吻合。從得出的結(jié)果可以看出,由于增產(chǎn)時(shí)間不長(zhǎng)和間歇注入等原因,場(chǎng)地儲(chǔ)層的增產(chǎn)范圍擴(kuò)展距離不長(zhǎng),增產(chǎn)帶還有進(jìn)一步提升的可能。根據(jù)馬頭營(yíng)研究區(qū)實(shí)際場(chǎng)地條件,注水井M-1與抽水井M-2相距200 m,所以想達(dá)到最理想的生產(chǎn)狀態(tài),空間增產(chǎn)帶最好沿應(yīng)力最大的方向擴(kuò)展,盡可能達(dá)到200 m。根據(jù)前人[4]研究,裂縫性地?zé)醿?chǔ)層滲透率的提高主要是由注入冷卻和壓力升高共同作用引起的,并且在致密儲(chǔ)層初期采用冷水增產(chǎn)是提高注水井附近儲(chǔ)層滲透率的較好選擇。因此有理由認(rèn)為,合理地增大注入壓力和降低初期注水溫度將有利于儲(chǔ)層滲透率的提高。

考慮溫度、壓力的影響,并且結(jié)合實(shí)際場(chǎng)地條件,設(shè)計(jì)如表4所示的模擬方案。表4的9個(gè)方案中,方案a—c探討了注入壓力對(duì)增產(chǎn)帶擴(kuò)展的影響,方案d—f探討了溫度對(duì)增產(chǎn)帶擴(kuò)展的影響,方案g—i探討了注入速率對(duì)增產(chǎn)帶擴(kuò)展的影響,時(shí)間都設(shè)置為100 d。

表4 儲(chǔ)層增產(chǎn)模擬方案

4.2 模擬結(jié)果

為了深入了解流體壓力對(duì)EGS演變的作用,本次研究構(gòu)建了3種不同注入壓力下的熱-水動(dòng)力-力學(xué)耦合模型,具體的模擬參數(shù)見表4中方案a—c。在模擬過程中,逐步提升了井口壓力并保持模型的熱物理特性恒定不變。 模擬結(jié)果見圖13。

圖13 模型預(yù)測(cè)100 d后不同井口壓力下z=230 m x-y平面的增產(chǎn)帶范圍

根據(jù)圖13的模擬結(jié)果可知,在以20 MPa定壓注入的時(shí)候,儲(chǔ)層的增產(chǎn)帶范圍擴(kuò)展到近100 m,且注入井附近裂隙開度增長(zhǎng)了約34倍;隨著壓力增長(zhǎng)到40 MPa,儲(chǔ)層的增產(chǎn)帶范圍擴(kuò)展到近200 m,且注入井附近裂隙開度增長(zhǎng)了約47倍。

儲(chǔ)層增產(chǎn)帶范圍隨著注入壓力的增大而增大,這主要?dú)w因于2個(gè)因素:1)井口壓力的提升會(huì)顯著減小儲(chǔ)層的有效應(yīng)力,從而進(jìn)一步觸發(fā)已有裂縫的剪切破裂;2)壓力梯度的增強(qiáng)能夠把冷水更有效地推進(jìn)到熱儲(chǔ)層中,進(jìn)而擴(kuò)大了增產(chǎn)帶的范圍。 因此,三維THM耦合模擬的結(jié)果表明,在地?zé)醿?chǔ)層中,注入冷卻和壓力增高兩者共同作用導(dǎo)致了滲透率的提高。在水力剪切的情況下,現(xiàn)有裂縫再次剪切激活,主要是由熱應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力共同驅(qū)動(dòng)的(即注入壓力小于最小主應(yīng)力)。然而,適中的注入壓力可以誘發(fā)現(xiàn)有裂縫的剪切破裂,并且擴(kuò)大增產(chǎn)區(qū)域。本文模擬結(jié)果與Yuan等[11]在美國Raft River地區(qū)進(jìn)行水力壓裂增產(chǎn)數(shù)值模擬得到的結(jié)果類似,即隨著注入壓力增大,儲(chǔ)層增產(chǎn)帶的范圍也隨之?dāng)U大。

同時(shí),為了深入研究熱應(yīng)力對(duì)EGS演變的影響,我們對(duì)3種不同注入溫度下的THM耦合模型進(jìn)行了模擬,具體參數(shù)見表4中方案d—f。在模擬過程中,井口注入溫度從20 ℃增加到60 ℃,并保持注入壓力不變。模擬結(jié)果見圖14。

從圖14的模擬結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn),在注入溫度為20 ℃時(shí),儲(chǔ)層的增產(chǎn)帶范圍擴(kuò)展最大,達(dá)160 m,最大開度變化為46倍。隨著注入溫度提高,儲(chǔ)層的增產(chǎn)帶范圍逐漸變小。但是值得注意的是,在方案e和方案f的注入條件下,增產(chǎn)帶的范圍相差其實(shí)并不大(圖14b、c),主要差別在于注入井周圍裂隙開度變化幅度。如以40 ℃注入時(shí),注入井附近裂隙被壓裂的幅度更大,開度變大的范圍也比以60 ℃注入時(shí)更大。

注入溫度越低,儲(chǔ)層增產(chǎn)帶的擴(kuò)展越大。隨著溫度的逐步上升,儲(chǔ)層增產(chǎn)帶逐漸變小,這主要是由于注入冷水引起冷卻收縮,減小了有效應(yīng)力。另外,井口周圍滲透率的提高也為冷水深入儲(chǔ)層提供了正反饋;因此,適度降低注入溫度可增強(qiáng)儲(chǔ)層的水力壓裂能力,從而更好地破壞裂隙。然而,過低的溫度會(huì)導(dǎo)致水的黏度增大,進(jìn)而降低流動(dòng)性;故在實(shí)際EGS發(fā)展過程中,應(yīng)避免過長(zhǎng)時(shí)間地使用過冷水。在方案e和方案f模擬結(jié)果的啟示下可以得出,在實(shí)際工程應(yīng)用中,如果只考慮水力壓裂的穿透效果,注入溫度的影響考慮優(yōu)先級(jí)可以適當(dāng)降低。合理的應(yīng)用手段是在水力壓裂致密儲(chǔ)層的初期適當(dāng)?shù)刈⑷肜渌?這是提高儲(chǔ)層滲透率的有效手段。根據(jù)Cheng等[37]的室內(nèi)試驗(yàn)研究,不同溫度儲(chǔ)層水力壓裂在增產(chǎn)帶擴(kuò)展范圍方面無明顯差異,推測(cè)其結(jié)論與本文模擬差異原因可能是由于溫度變化本身對(duì)增產(chǎn)帶范圍變化影響不大,模擬是結(jié)果實(shí)際過程的抽象與理想化的結(jié)果,可能會(huì)導(dǎo)致與實(shí)際結(jié)論產(chǎn)生微小誤差。

由于實(shí)際場(chǎng)地大多數(shù)時(shí)間為定速率注入,所以為了探究注入速率對(duì)場(chǎng)地儲(chǔ)層增產(chǎn)帶的影響,我們進(jìn)行了3個(gè)不同注入速率下的THM耦合模擬,具體參數(shù)見表4中方案g—i。在改變注入速率的過程中同時(shí)保持模型的熱物理特性恒定不變。模擬結(jié)果如圖15所示。

圖15 模型預(yù)測(cè)100 d后不同注入流速下z=230 m x-y平面的增產(chǎn)帶范圍

從圖15可以看出,儲(chǔ)層增產(chǎn)帶的范圍隨著注入速率的增大而增大,這是由于在注入過程中井附近儲(chǔ)層的壓力增大,即當(dāng)注入速率增加時(shí),地?zé)峋械膲毫σ矔?huì)隨之增加。高壓力可以推動(dòng)地層中的巖石產(chǎn)生裂隙,這樣地?zé)崃黧w可以在巖石中流動(dòng),增產(chǎn)帶的范圍隨之?dāng)U大。并且,持續(xù)較大的流量注入使儲(chǔ)層中壓力增大的范圍變大,導(dǎo)致更廣闊的地區(qū)產(chǎn)生裂隙。同時(shí),高壓力導(dǎo)致周圍巖石中的微小裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大,形成新的地?zé)崃髀窂?。本文的模擬結(jié)果與Cheng等[37]的室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果一致,即當(dāng)注入速率增加時(shí),儲(chǔ)層積攢的能量也會(huì)隨之提高,從而增加儲(chǔ)層裂隙擴(kuò)展范圍。

5 結(jié)論與建議

1)干熱巖儲(chǔ)層在水力壓裂增產(chǎn)過程中,若處于特定的拉應(yīng)力狀態(tài)下,滲透率沿最大水平主應(yīng)力方向增加幅度最大,沿垂直方向增加幅度中等,平行于最小主應(yīng)力方向增加幅度最小。

2)水力壓裂過程中,注入流體的溫度對(duì)儲(chǔ)層改造的影響較大,注入流體的溫度降低,可以提高工作流體的穿透性,使儲(chǔ)層增產(chǎn)帶擴(kuò)展范圍變大;因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中,在水力壓裂的初期合理采用冷水增產(chǎn)是提高儲(chǔ)層滲透率的有效手段。

3)儲(chǔ)層增產(chǎn)帶的范圍隨著注入速率的增大而增大。