粗糙单裂隙换热特征及全局灵敏度分析研究

干热岩开采时,往往需要借助于压裂手段对储层改造形成换热通道,因此,热储裂隙中的对流换热过程对干热岩采热有重要影响．借助于巴西劈裂试验得到粗糙单裂隙,利用三维激光扫描仪扫描裂隙面得到裂隙的点云数据,经处理之后导入至COMSOL Multiphysics数值模拟软件,建立二维粗糙单裂隙对流换热模型,分析其对流换热特性并开展Morris全局灵敏度分析．结果表明：出口温度和平均对流换热系数随粗糙度增加而增加．局部对流换热系数与裂隙起伏度和波动程度呈强相关性,局部粗糙度较高,换热效率可有效得到提高．在裂隙开度较大（大于40μm）或初始流速较高（大于50 mm/s）时,平均和局部对流换热系数在粗糙度越高时增幅越明显．体积流速与裂隙起伏度有强相关性,起伏度越大的位置对应体积流速越大．压力差随着粗糙度的增大而平缓增加．裂隙开度、初始流速、流体比热容和岩石热导率是花岗岩粗糙单裂隙对流换热过程中的灵敏参数,这些参数对模型的换热效率影响较大,并且与其他参数的相互作用也越强．该研究能够揭示流体在粗糙裂隙中的换热特征,并且找到影响对流换热的主控因素,为增强型地热系统优化设计提供科学依据．     

急剧冷却作用下高温岩石细观损伤与增渗机制研究

干热岩储层改造与开发中不可避免地存在低温流体对高温岩石的冷冲击.首先分析了不同岩样升温过程的渗透率演化,随后开展600℃内急剧冷却前后渗透率、细观结构损伤和岩石力学性能测试试验,最后基于THM-D耦合开展了急剧冷却作用下高温岩石损伤数值模拟,探讨急剧冷却作用下高温岩石的细观损伤与增渗机制.结果表明：急剧冷却处理温度升高,岩石损伤加剧、渗透能力增加、力学性能降低;岩石矿物组成非均质性越强、矿物颗粒几何形状越不规则、杨氏模量越大、抗拉抗压强度越小均有利于岩石发生热致裂;高温岩石受冷冲击,低温诱导热应力作用于岩石产生拉伸破坏,低温流体流入致裂裂隙形成新的温度梯度,随着岩石换热低温诱导热应力先增加后降低.     

高温地热开采热流固耦合模型及综合评价方法

干热岩(HDR)是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源,是地热开发研究热点.目前针对地热产能模拟的研究存在热流固(THM)耦合模型考虑因素不全,地热开发效果评价目标单一且缺少定量评价的问题.基于离散裂缝模型,建立了地热开发的热流固耦合模型,采用COMSOL实现了THM模型求解,依据多个地热开发评价指标进行模糊综合评价.首先借助两个THM耦合案例,验证了模型的可靠性及准确性.随后通过层次分析法计算出各项地热开发评价指标的权重,并结合模糊综合评判,对给出的EGS案例进行模拟计算和综合评价.结果表明:压裂裂缝连通注入井和采出井时,热突破时间短,采出温度下降快;水平布井比垂直布井的采出温度下降更快.依据模糊综合评价分析,水平井开采地热要整体优于垂直井开采地热,一注两采开采地热要优于一注一采,垂直井开采地热时,水力压裂裂缝建议不连通注采井.     

热应力影响下干热岩水压致裂数值模拟

干热岩水压致裂过程中低温诱导热应力与注入水压共同影响裂缝的萌生与扩展。首先通过THM耦合分析了低温压裂液注入过程中注入水压与热应力的相互作用及其对裂缝萌生的影响,随后建立描述岩石细观结构的THMD耦合模型对热应力影响下高温岩石水压致裂过程进行初探。结果表明：低温压裂液注入高温岩石产生的热应力包括岩石自身温度梯度形成的热应力与岩石颗粒非均匀膨胀导致的热应力,并在井筒周围呈现为拉应力。高注入压力将抑制热应力导致的多裂缝萌生,井筒附近热应力的存在对注入压力也具有削弱作用。基岩温度升高,裂缝萌生阶段更多裂缝在井筒附近起裂,缝网沿最大地应力方向的扩展速度减慢,但改造规模增加,同时多裂缝的存在也使得裂缝延伸压力增加。     

基于ABAQUS平台的水力裂缝扩展有限元模拟研究

随着扩展有限元理论的深入研究,利用扩展有限元方法模拟水力压裂具有了一定的可操作性。相比于常规有限元方法,XFEM方法具有计算结果精度高和计算量小的优点。但是,如何模拟射孔孔眼、如何模拟流体与岩石相互作用以及分析水力裂缝的扩展规律仍然是难题。以研究水力压裂裂缝扩展规律为目的,建立了岩石多孔介质应力平衡方程、流体渗流连续性方程和边界条件。通过有限元离散化方法对耦合方程矩阵进行处理。通过富集函数定义初始裂缝（射孔孔眼）,选择最大主应力及损伤变量D分别作为裂缝起裂和扩展判定准则,利用水平集方法模拟水力裂缝扩展过程。数值模拟结果显示：增加射孔方位角、压裂液排量和减小水平地应力差,起裂压力上升;黏度对起裂压力无明显影响。增加射孔方位角、压裂液排量、黏度和减小水平地应力差值有助于裂缝宽度的增加。增加水平地应力差值、压裂液排量和减小射孔方位角以及压裂液黏度有助于裂缝长度增加,反之亦然。基于ABAQUS的水力裂缝扩展有限元法可对不同井型和诸多储层物性参数及压裂施工参数进行分析,且裂缝形态逼真,裂缝面凹凸程度清晰,结果准确。此研究可作为一种简便有效研究水力压裂裂缝扩展规律的方法为油田水力压裂设计与施工提供参考与依据。     

基于THMD耦合的干热岩径向井压裂裂缝扩展

构建大规模裂缝网络是干热岩有效开发的关键.借助径向井在诱导裂缝转向与多缝形成方面的优势,提出采用径向井压裂干热岩储层.基于温度-渗流-应力-损伤(THMD)耦合模型,考虑压裂过程中低温诱导热应力作用,首先探讨了干热岩径向井压裂裂缝扩展机理及径向井诱导作用下热应力与注入压力对应力场的扰动机制,随后分析了储层温度、径向井方位角对裂缝形态的影响规律.结果表明：采用径向井压裂干热岩在径向井的辅助冷却作用下低温诱导热应力加剧,径向井的存在有利于储层拉应力提升,干热岩径向井压裂与直井压裂相比损伤单元数增幅51.63%.基岩温度升高径向井引导裂缝偏转能力增强.径向井方位角增加有利于压裂损伤区域缝网沟通,降低流体流动阻抗.