【摘要】：為應(yīng)對(duì)單一的能源結(jié)構(gòu)不能滿足現(xiàn)階段發(fā)展理念的迫切要求這一問題,針對(duì)我國(guó)起步晚取得成果少的現(xiàn)狀,開展對(duì)干熱巖資源方面的研究十分迫切。干熱巖開發(fā)利用涉及多學(xué)科交叉,其有關(guān)的科學(xué)問題和工程技術(shù)甚是復(fù)雜,儲(chǔ)層改造和熱能開采是干熱巖取能的兩大關(guān)鍵問題。儲(chǔ)層改造要求掌握壓裂過程中巖石的裂縫發(fā)展形態(tài)及滲透規(guī)律,這就需要準(zhǔn)確掌握巖石力學(xué)性質(zhì)。熱能的開采涉及巖體與水熱交換,它決定著EGS最終的產(chǎn)能,這要求精確認(rèn)識(shí)巖石的熱物性性質(zhì)。干熱巖深處地下,其物理力學(xué)性質(zhì)與常溫?zé)o靜壓狀態(tài)下的巖石物理力學(xué)性質(zhì)存在較大差異,溫度和圍壓作用對(duì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)影響不容忽視,這涉及到溫度-應(yīng)力-流體(THM)多場(chǎng)耦合問題。因此,研究高溫高壓狀態(tài)下的巖石物理力學(xué)性質(zhì)是解決EGS系統(tǒng)兩大核心問題的關(guān)鍵,對(duì)EGS工程的開發(fā)利用具有重要意義。本文以干熱巖研究為背景,主要開展了基于室內(nèi)試驗(yàn)的溫壓影響巖石物理力學(xué)性質(zhì)分析、干熱巖儲(chǔ)層改造和產(chǎn)熱性能分析三個(gè)方面的工作。對(duì)貴德地區(qū)ZR2井3600m以淺巖心進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)和數(shù)值模擬,總結(jié)溫度和圍壓變化條件下各參數(shù)變化規(guī)律,擬合變化曲線得到方程。將各參數(shù)變化方程編制熱壓變化程序HeaPre.f90,嵌入由本課題組開發(fā)的TOUGHREACT-FLAC3D程序中,進(jìn)行熱產(chǎn)出模擬,確定最優(yōu)生產(chǎn)速率和該工況下產(chǎn)熱性能。首先對(duì)青海省貴德盆地巖石樣品結(jié)構(gòu)構(gòu)造、化學(xué)成分和基本物理性質(zhì)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)并分析試驗(yàn)結(jié)果,得知巖石樣品主要由石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、角閃石、白云母、黑云母和絹云母組成,結(jié)構(gòu)多樣化構(gòu)造單一,主要為塊狀構(gòu)造,極少部分是杏仁狀構(gòu)造。巖石薄片致密,孔隙少,且多為分布較均勻的微小孔隙�；◢弾r中釷和鉀含量與正�；◢弾r相符,3100-3600 m深鈾的含量為4.896-12.09μg/g,平均值7.57μg/g遠(yuǎn)超于正�；◢弾r中鈾的含量4.75μg/g,高出了37.2%,高含量放射鈾的衰變給予了貴德盆地豐富的地?zé)崮苜Y源。處于地下深部的巖體,在地應(yīng)力作用下始終保持壓密狀態(tài),深度變化從根本上影響著密度狀態(tài)。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明巖石樣品的密度在2.378-2.843 g/cm~3之間變化,并隨著地層加深而升高。隨著地層的加深,巖石樣品的導(dǎo)熱系數(shù)呈波動(dòng)性變化,振幅減小,100-130℃的淺層低溫地層,導(dǎo)熱系變化范圍2.5-3.6 W/(m·K)極為分散毫無規(guī)律,130℃-150℃以上的地層,巖石樣品的導(dǎo)熱系數(shù)趨于穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定在3.2 W/(m·K)。比熱容隨地層深度加深呈波動(dòng)性變化,波動(dòng)范圍在0.511-0.972 kJ/(kg·K)之間,波動(dòng)過程中比熱容數(shù)值略微有增幅,最后穩(wěn)定在0.823kJ/(kg·K)。巖石的孔隙率隨深度呈跳躍性變化,無明顯規(guī)律;巖石的滲透率隨深度增加逐漸降低,2000 m以淺曲線振幅式升降,2000m后逐漸趨于平穩(wěn)至0.289md。巖石的孔隙率在130℃范圍內(nèi)變化幅度非常大,130-150℃范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定至3.290%。巖石橫波波速和縱波波速均隨著地層深度加深波動(dòng)性上升。橫波波速?gòu)?00 m深的2.718 km/s增加到3600 m深的3.020 km/s,向下深入3100 m增大了10.0%,地層深度縱波波速?gòu)?00 m深的5.102 km/s增加到3600 m深的5.814 km/s,向下深入3100 m增大了12.2%。分別擬合巖石密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、孔隙率、滲透率、波速隨地層溫度變化曲線方程。隨后對(duì)巖石樣品進(jìn)行單軸試驗(yàn)(20-140℃)和三軸試驗(yàn)(30-150℃、0.1-50MPa),巖石單軸試驗(yàn)結(jié)果表明巖石樣品抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度20-80℃區(qū)間隨溫度升高強(qiáng)度增大,在80-140℃區(qū)間隨溫度升高強(qiáng)度降低,變化范圍分別為131.22-143.33-134.33 MPa和10.58-11.55-7.88 MPa。巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角隨溫度升高有減小的趨勢(shì)。巖石的最大變形量隨著圍壓的升高而逐漸增大,最大變形量隨著圍壓的升高而逐漸增大。巖石峰值強(qiáng)度隨圍壓近似成線性增長(zhǎng),圍壓較低時(shí),溫度與峰值強(qiáng)度呈正相關(guān),圍壓較高時(shí),溫度與峰值強(qiáng)度之間呈負(fù)相關(guān)。彈性模量隨溫度變化呈離散性分布,變化規(guī)律不明顯,圍壓與彈性模量之間呈正比例關(guān)系,圍壓越高彈性模量越大。泊松比隨圍壓遞增的變化不規(guī)律,泊松比變化量很小但是變化率很大,說明圍壓對(duì)泊松比也有著促進(jìn)作用,泊松比隨溫度變化規(guī)律與圍壓相似。根據(jù)所得規(guī)律,分別擬合不同圍壓下各參數(shù)隨溫度變化規(guī)律。將與上述物理力學(xué)參數(shù)有關(guān)的擬合方程編制熱壓變化程序HeaPre.f90,嵌入由本課題組開發(fā)的TOUGHREACT-FLAC3D程序中,用來模擬巖石隨溫壓變化的換熱性能。ZR2井地層3200-3400 m處,斯通利波有明顯的“W”反射條紋,裂隙密集程度和裂縫發(fā)育程度高;從3210 m開始,地層電阻率值增大,自然伽瑪值增大,溫梯度增高,其巖漿巖有達(dá)到干熱巖標(biāo)準(zhǔn)的趨勢(shì),將其設(shè)置為壓裂區(qū)段。在壓裂段進(jìn)行不同支撐劑濃度和排量的壓裂模擬,得到最優(yōu)方案:半長(zhǎng)185.7m,高度101.3 m,開度5.4 mm,導(dǎo)流能力255.2 mD·m,滲透率47.3 D。支撐劑濃度不變,隨著施工排量的增加,裂縫裂縫半長(zhǎng)和高度明顯增大,裂縫開度降低,導(dǎo)流能力減弱,滲透率變化不大,施工排量變化顯著影響著水力裂縫的幾何形態(tài)和導(dǎo)流能力。施工排量不變,隨著支撐劑濃度的增加,裂縫半長(zhǎng)和高度幾乎不變,裂縫開度增加,導(dǎo)流能力提高兩倍,滲透率提高顯著,支撐劑的濃度變化顯著影響著水力裂縫的導(dǎo)流能力、開度和滲透率。確定最大生產(chǎn)流速為6 kg/s,20年間的發(fā)電量為0.009-0.039 MW,流動(dòng)阻抗為4 MPa/(kg/s)。
【圖文】：

圖 1.1 我國(guó)地?zé)崮苜Y源分布圖[5]選題依據(jù)干熱巖（Hot-Dry-Rock）是一種儲(chǔ)藏較深溫度一般高于 200℃的高溫巖部只存在較少液體甚至沒有液體[7]。將干熱巖能源開發(fā)利用的系統(tǒng)被稱地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS）。干熱巖的成分絕大多數(shù)是侵入巖，也有變質(zhì)巖和沉。干熱巖內(nèi)部的熱能是其開采的主要能源，所以干熱巖內(nèi)部的溫度便成開采價(jià)值的關(guān)鍵依據(jù)[8]。干熱巖的開發(fā)利用是需要多學(xué)科交叉運(yùn)用的復(fù)雜系統(tǒng)，干熱巖資源的開復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及巖石學(xué)，力學(xué)、工程地質(zhì)、工程熱物理學(xué)、地探技術(shù)與地質(zhì)鉆探學(xué)等學(xué)科[9]。EGS 系統(tǒng)開發(fā)的基本原理[1][3]（圖 1.2加壓利用深井注入深度 2~6 千米的地下巖層，，然后高壓水滲透或者流入

表現(xiàn)相對(duì)地溫，異常值相對(duì)較低，以藍(lán)色調(diào)為主。圖2.2貴德-扎倉(cāng)溝地區(qū)遙感數(shù)據(jù)提取溫度分布圖 2.2 為突出地面高溫地?zé)岬姆植家?guī)律。大于 12 ℃的地區(qū)分布規(guī)律非常明顯：分布范圍主要位于貴德盆地南部，尤其以扎倉(cāng)寺地區(qū)比較明顯；扎倉(cāng)寺地?zé)岱植紖^(qū)高溫?zé)岱植济娣e較大；扎倉(cāng)寺西南部，高溫地?zé)岱植汲尸F(xiàn)明顯的線性關(guān)系，
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：P314

【參考文獻(xiàn)】

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7 汪集e

本文編號(hào)：2641286