利用热-孔隙流体耦合有限元数值模拟研究干热岩开发温度下降过程——以青海共和盆地恰卜恰地区干热岩开发为例.pdf
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1、第6 6 卷第7 期2023年7 月刘汉青,胡才博,赵桂萍等2 0 2 3.利用热-孔隙流体耦合有限元数值模拟研究干热岩开发温度下降过程恰卜恰地区干热岩开发为例.地球物理学报,6 6(7):2 8 8 7-2 9 0 2,doi:10.6038/cjg2022P0833.Liu H Q,Hu C B,Zhao G P,et al.2023.Thermal-hydraulic finite element simulation of temperature decrease process duringhot dry rock exploitation:A case study in the Q
2、iabuqia area,Gonghe Basin,Qinghai Province.Chinese J.Geophys.(inChinese),66(7):2887-2902,doi:10.6038/cjg2022P0833.地球物理学报CHINESE JOURNAL OF GEOPHYSICSVol.66,No.7Jul.,2023呈一一以青海共和盆地利用热-孔隙流体耦合有限元数值模拟研究干热岩开发温度下降过程以青海共和盆地恰卜恰地区干热岩开发为例刘汉青,胡才博*,赵桂萍,石耀霖中国科学院大学地球与行星科学学院,中国科学院计算地球动力学重点实验室,北京10 0 0 49摘要水力压裂是干热岩
3、(HDR)开发最常用到的压裂方式,水力压裂形成的裂缝网络为增强地热系统的运行(EGS)提供了高渗透率的人工储层.本文在系统总结前人关于共和盆地水力压裂实验、数值模拟资料和现场水力压裂监测结果的基础上,引人了离散裂缝网络(DFN),利用多物理场模拟软件COMSOLMultiphysics建立了共和盆地恰卜恰地区干热岩开采过程中的二维裂缝-基质热-孔隙流体耦合模型,并讨论了裂缝开度和基质渗透率对干热岩开采温度下降过程的影响.结果表明,裂缝网络是流体运移的主要通道.温度下降和早期压力变化范围沿着裂缝延伸,并向周围被裂缝分割的基质扩展.裂缝开度和基质渗透率是影响干热岩地热开采过程中温度下降的重要因素.
4、当裂缝开度越大时,流体运移范围就越大,储层温度和产出水温下降就越快,储层下降范围就越广,热突破时间和运行寿命就越短.当基质渗透率越大时,越有利于流体进入基质进行热量交换,越容易从干热岩中提取热量,产出水温下降越快,运行寿命越短.关键词水压致裂;共和盆地;干热岩;离散裂隙网络doi:10.6038/cjg2022P0833Thermal-hydraulic finite element simulation of temperature decrease processduring hot dry rock exploitation:A case study in the Qiabuqia ar
5、ea,中图分类号P313,P314Gonghe Basin,Qinghai Province收稿日期2 0 2 1-11-0 8,2 0 2 2-0 6-2 1收修定稿LIU HanQing,HU CaiBo*,ZHAO GuiPing,SHI YaoLinCollege of Earth and Planetary Science,University of Chinese Academy of Sciences;Key Laboratoryof Computational Geod ynamics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,Chi
6、naAbstract Hydraulic fracturing is widely employed for hot dry rock(HDR)exploitation,providing afracture network that facilitates high-permeability of artificial reservoirs in Enhanced Geothermal System(EGS).This study establishes a 2D thermal-hydraulic coupling model for fracture-matrix media tosim
7、ulate the extraction of HDR geothermal energy in the Qiabuqia area,Gonghe Basin usingCOMSOL Multiphysics software.The model incorporates insights from previous hydraulicfracturing experiments,numerical simulation,and on-site hydraulic fracturing monitoring data in基金项目国家自然科学基金面上项目(42 0 7 4117)和中央高校基本
8、科研业务费专项资金(E1E40413X2)资助.第一作者简介刘汉青,男,1996 年生,硕士研究生,主要从事干热岩开发数值模拟与人工诱发地震研究.E-mail:l i u h a n q i n g 191 m a i l s.u c a s.a c.c n*通讯作者胡才博,男,副教授,主要从事地球动力学和行星科学研究.E-mail:h u c b u c a s.a c.c n2888the Gonghe Basin.This study investigates the influence of fracture aperture and matrix permeability onthe
9、 temperature decrease process of HDR exploitation.The simulation results demonstrate thatthe fracture network is the main channel for fluid migration.The temperature decrease and earlypressure change range extend along the fractures and then extend to the surrounding matrixdivided by the fractures.T
10、he fracture aperture and matrix permeability significantly influence thetemperature decrease process of HDR exploitation.When the fracture aperture is larger,thewider the fluid migration range,the faster the temperature decrease of the reservoir outputwater,and the shorter the thermal breakthrough t
11、ime and the operating lifetime.Higher matrixpermeability enhances fluid entry into the matrix for efficient heat exchange,leading to fasteroutput water temperature decrease and earlier operating lifetime.Keywords Hydraulic fracturing;Gonghe Basin;Hot Dry Rock(HDR);Discrete Fracture Network(DFN)0引言干热
12、岩(HotDryRock,简称HDR)是指低孔隙度、低渗透率、埋深数千米的高温岩体.干热岩中的地热能被称为干热岩型地热资源(汪集旸等,2012Kalininaetal.,2 0 12).地热资源的开发在初始阶段以水热型地热资源为主,数值模拟很早便被用于水热型地热资源生产过程的研究(Donaldson,1970;Mercer and Pinder,1973;Iglesias et al.,1986;Antinez et al.,1994;Dobson et al.,2004),这些研究为之后干热岩开发过程数值模拟提供了基础.干热岩人工压裂方法通常有水力压裂、化学压裂和热压裂等.水力压裂是目前最常
13、用的方法(陈作等,2 0 19;解经宇等,2 0 2 2).国内外对干热岩水力压裂的研究很多,实验室水力压裂模拟、数值模拟、现场水力压裂监测被广泛运用于世界各地的增强地热系统(Enhanced Geothermal System,简称 EGS)项目中,并再根据水力压裂研究结果进行开采过程模拟(Tran and Rahman,2007;Cipolla et al.,2008;Hofmann et al.,2014a,2014b;Zhang et al.,2014;张伟等,2 0 19a,2019b).水力压裂技术的成熟使干热岩开发成为了可能,数值模拟技术同样被引人了干热岩生产模拟,不过干热岩开采
14、过程中人工裂缝与基质存在巨大差异(H a y a s h ie t a l.,19 9 9),这也使得干热岩与水热型地热资源的数值模拟不尽相同.同时由于是工程尺度,所用到的数值模拟手段也与盆地、板块尺度热演化模拟有着本质的区别,其中盆地、板块尺度热演化模拟更多考虑构造热演化的影响,而干热岩生产更注重热-流体的耦合作用(He,2 0 12;何丽娟等,2017).在水热型地热资源数值模拟过程中,可以不地球物理学报(Chinese J.Geophys.)66卷考虑裂缝的影响,但干热岩开发过程中水力裂缝引起的流体渗流能力和换热能力与基质存在巨大差异,前人往往引人离散裂缝网络(Discrete Frac
15、tureNetwork,简称DFN)来表征这种差异.Hofmann等(2014a)通过商用DFN模拟器MShale生成干热岩水力压裂裂缝,在此基础上利用有限差分储层模拟器CMGSTARS建立了加拿大northernAlberta油砂矿区花岗岩干热岩储层的流-热(TH)耦合模型;Jacquey等(2 0 16)在总结德国柏林GroB Schonebeck地区干热岩水力压裂裂缝特征的基础上,结合地质资料建立了一个包含水力压裂裂缝、天然断层的人工干热岩储层的几何模型,基于该模型利用有限元模拟器OpenGeoSys建立了干热岩储层开采过程中的热-流-固(THM)耦合热弹性多孔介质数值模型;Deb等(2
16、 0 2 0)建立了墨西哥Acoculco地区干热岩储层开采过程的数值模拟模型,该模型把压裂增产区域视为渗透率增加的裂隙岩体,研究了可变等效裂缝渗透率对储层温度变化的影响.国内同样有很多关于干热岩开采过程数值模拟的研究.Xing(2 0 14)使用基于图像的多材料自动网格划分方法和非线性耦合有限元求解器,对极其不均匀的裂隙多孔介质中这种瞬态地热流动行为进行了数值模拟;Sun等(2 0 17)建立了裂隙干热岩中THM耦合过程的数学模型,利用COMSOLMultiphysics数值模拟软件对澳大利亚库珀盆地的干热岩EGS项目开采过程建立了裂缝-基质模型,以研究地热储层中的传热特征;曲占庆等(2 0
17、 17)基于离散裂缝模型,建立了地热开发的THM耦合模型,采用 COMSOLMultiphysics实现了THM耦合模型求解;Liu等(2 0 2 0)基于野外调查的自然断层/裂缝分布,结合MATLAB生成的离散裂缝网络(DFN),选择COMSOLMultiphysics软件模拟了辽东半岛三股刘汉青等:利用热-孔隙流体耦合有限元数值模拟研究干热岩开发温度下降过程7期一以青海共和盆地恰卜恰地区干热岩开发为例流地区断裂发育的花岗岩中地热开采中的传热过程,青海共和盆地恰卜恰地区贮藏有丰富的干热岩资源.对于共和盆地干热岩的成因、分布、地热特征、地质特征、岩石物理特征,前人已经做了大量的地质与地球物理勘
18、探研究(张森琦等,2 0 18;张超等,2018,2 0 2 0;张盛生等,2 0 19;谢文苹等,2 0 2 0;唐显春等,2 0 2 0),并基于水力压裂实验和数值模拟结果,对恰卜恰地区干热岩水力压裂提供了理论上的指导(周舟等,2 0 19;雷治红,2 0 2 0;卢运虎等,2 0 2 0;都保平等,2 0 2 0;Cheng et al.,2020;Lei et al.,2020).徐胜强等(2 0 2 1)和周健等(2 0 2 1)对青海共和盆地恰卜恰地区进行了一定程度场地水力压裂,并通过地面测斜仪对水力压裂过程进行了监测.这些地质地球物理勘探、水力压裂实验、数值模拟和前期场地压裂监测
19、结果为我们开展干热岩开采过程的温度时空演化的数值模拟提供了必要的研究基础.关于共和盆地干热岩生产过程的数值模拟,前人做了大量有益的工作.岳高凡等(2 0 15)利用TOUGH2系列模拟软件,建立了共和盆地增强地热系统干热岩生产过程中的单一均质等效模型,研究了温度和压力变化;Xu等(2 0 18)利用地下水模拟仿真程序TOUGH2V2.0,建立了共和盆地恰卜恰地区基质-裂隙水平井热-多孔介质流体耦合模型,很好地讨论了温度场的变化过程;Chen等(2 0 19)考虑了开放边界条件与封闭边界条件对共和盆地干热岩储层开发过程中温度下降产生的影响,采用的也是单一均质等效多孔介质;李良振等(2 0 19)
20、以地应力调查结果和震源机制解反演结果为依据,利用MIDASGTSNX模拟了共和盆地恰卜恰地区干热井GR2井区的构造应力场;崔翰博等(2 0 2 0)利用COMSOLMultiphysics软件,基于热流固耦合理论,建立了垂直二维平面双重孔隙介质渗透率水流传热模型;雷治红(2 0 2 0)在展开水力压裂实验和数值模拟的基础上,利用地下水模拟仿真程序TOUGH2V2.0,建立了共和盆地恰卜恰地区三个垂直井水的热-流-固耦合数值模型,并讨论了裂缝间距、井间距、注水速率等因素对产出水温度和流体压力的影响.共和盆地恰卜恰地区已有的数值模型按介质不同可划分为单一均质等效模型和裂缝-基质模型,单一均质等效模
21、型难以考虑裂缝在空间位置分布的随机性,没有讨论流体压力场和速度场的变化(Xu et2889al.,2 0 18;雷治红,2 0 2 0).崔翰博等(2 0 2 0)建立的热-流-固耦合模型是二维垂直面的,而干热岩水力裂缝多为高角度裂缝,需要建立水平模型以更好地反映物理场变化.在前人的研究基础上,本文基于有限元热-孔隙流体耦合数值模拟,以共和盆地恰卜恰地区GR1井干热岩开发预研究为例,建立了二维平面的干热岩水力裂缝网络模型,利用COMSOLMultiphysics有限元模拟软件研究干热岩高压注水开发的温度下降过程,考虑了裂缝与基质渗流特性、流体交换和热量传递能力的差异,讨论了裂缝开度和基质渗透率
22、对温度变化的影响.1土地质背景与地热特征1.1石研究区域构造地质背景共和盆地位于青藏高原东北缘,青海湖以南,中国青海省东部,介于3 5 2 7 N3656N,9 8 46 E10122E之间.共和盆地位于多个造山带和块体交接转换的重要结点地区,一般认为形成于新生代时期,先后经历了多期次的构造演化,是一个西北窄、东南宽近乎菱形的断陷盆地(郭安林等,2 0 0 4;张森琦等,2 0 18;雷治红,2 0 2 0).共和盆地北界受宗务隆山一青海南山断裂带控制,西界为鄂拉山断裂带,东临西秦岭造山带,南部是阿尼玛卿造山带(孙延贵,2004).在构造上,盆地内和盆地边界深大断裂发育,这些断裂切穿地壳,到达
23、地慢软流层,热量沿着断裂进入浅层地壳,为恰卜恰地区较高地热梯度和干热岩的形成提供了条件(王瑞娟,2 0 0 9).1.2共和盆地恰卜恰地区地热特征高海拔的青藏高原地区,以新生代的地壳增厚和壳源热聚集为特色,是地热资源的富集区(胡圣标等,2 0 13.青海共和盆地地热资源分布广泛,地热储层主要位于2 10 0 m以下的印支期花岗岩地层(图1a).共和盆地恰卜恰地区干热岩分布在共和县恰卜恰镇一上塔迈村一带,呈椭圆状,东西长16 km,南北宽10 km,面积近16 0 km,即著名的恰卜恰干热岩体(严维德,2 0 15;张超等,2 0 18;张森琦等,2 0 18;张盛生等,2 0 19).GR1井
24、位于共和县东南方向,经纬度3 6 15 N,10 0 3 9 E(张森琦等,2 0 18;图1b).共和盆地恰卜恰地区基底花岗岩段温度梯度为3 9.0 45.2 km-1,平均值为41.3 km-1;热导率介于2.0 7 2.3 1W(m K)-1之间,平均2890地球物理学报(Chinese J.Geophys.)(a)98E37.0N36.5N36.0N66卷99E100E200040006000m瓦洪山鄂拉山断裂带101E宗务隆一青海南山断裂日月山102E-37.0N36.5N36.0N戈壁一阿拉善一35.5N柴达木盆地青藏高原35.0N+(b)3626/N,10027E茂断裂阿尼玛卿造
25、山带西秦岭造山带2-35.5N35.0N3456共和县GR1#7108119统沉(堆)积物;10:断裂带;11:恰卜恰地区干热岩分布。in the Qiabuqia area of the Gonghe Basin1l:The distribution of hot dry rock in the Qiabuqia area.02.55km龙羊峡水库3606N,10053E图1共和盆地恰卜恰地区地质构造背景和地热资源分布图(a)青海共和盆地地质构造背景图,其中的蓝框放大之后为图(b)的区域;(b)青海共和盆地恰卜恰地区地热资源分布图(据冯艳芳等,2 0 18,1:2 5 0 0 0 0 青海省
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