CN117647449B - 一种室内干热岩循环取热模拟实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种室内干热岩循环取热模拟实验方法，首先在岩石试样中制造贯穿试样的人工裂缝模拟干热岩热储层中的水力裂缝，以不同流量向已压裂的试样中持续注入工质，使工质沿从注入端沿压开的水力裂缝溢出试样直至注入稳定，对工质循环条件下试样中新产生的损伤和破裂进行监测，进而对室内干热岩循环取热模拟实验工质泄露情况进行评估；最后对试样中出现损伤部位进行CT扫描和SEM测试，揭示循环注入参数、岩石微观损伤、工质泄露量之间的关系。本发明模拟干热岩水力压裂后单井原位强制循环换热过程并对其提供理论和实验依据，对于减少工质泄露，增强干热岩循环换热系统可持续性具有积极意义，填补了室内干热岩循环取热评价技术方面的空白。

Description

一种室内干热岩循环取热模拟实验方法
技术领域
本发明涉及干热岩循环取热技术领域，具体涉及一种室内干热岩循环取热模拟实验方法。
背景技术
近年来，随着全球能源需求与日俱增，开发干热岩受到关注并进入蓬勃发展期。干热岩是指地层深处(深埋超过2000m)普遍存在的没有水或蒸汽的、致密不渗透的热岩体，主要是各种变质岩或结晶岩体。开发干热岩常见的方法是建立增强型地热系统(EnhancedGeothermal System,EGS)，其核心是向储层钻井并压裂，形成一定规模的裂缝网络，然后继续向裂缝网络中钻井(一般是1-2口井)，对新钻的井继续开展水力压裂，通过水力裂缝之间的连通构建注入井和生产井的循环回路来提取热能发电。但是，干热岩开发还存在大量的技术风险。从国际上终止的干热岩开发项目来看，水力压裂后未能形成有效的井间连通导致采收率底下，是阻碍干热岩规模化开发的主要原因之一。近年来，在已开展水力压裂的热储层中进行单井循环，使循环换热工质从井中油管中注入热储层，并在热储层水力裂缝中充分吸取热量，再从该井的油管、套管环空间隙中(油套环空)抽至地面，进行换热发电，逐渐展现出了其在循环流体流动基本可控、成本相对较低、无井间有效连通风险等方面的优势，但目前该项技术仍处在起步探索阶段，其中关于单井循环换热过程中的工质泄露问题是需要攻关的关键技术问题之一。主要原因是，单井原位强制循环换热过程中，热-流-固耦合条件下局部应力场会发生改变，引起近井区域围岩易发生不稳定的损伤破裂，造成围岩失稳进而导致循环工质发生泄露。
发明内容
本发明的目的在于提供一种室内干热岩循环取热模拟实验方法，通过模拟实验，对现实中的围岩失稳进而导致循环工质发生泄露提供有效的解决办法，为揭示干热岩原位换热、强制换热等取热方式的内在机理提供依据。
为实现上述目的，本发明的一种室内干热岩循环取热模拟实验方法及工质泄露评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、开展室内水力压裂物理模拟实验，在岩石试样中制造贯穿试样的人工裂缝以模拟干热岩热储层中的水力裂缝，具体包括：
S1.1从岩石试样端面钻孔至岩石试样内部，预置注入管并固封，将试样加热至设定温度，置于压裂实验系统中施加模拟地应力；
S1.2通过泵注管向试样中泵注高压流体，在岩石试样中压裂产生水力裂缝，直至裂缝扩展至岩石试样边界，高压流体溢出岩石试样，对溢出岩石试样的压裂液进行回收并对溢出压裂液的流量进行计量；
S1.3采用声发射手段监测裂缝扩展过程；
步骤S2、以不同的流量向已压裂的岩石试样中持续注入工质，使工质沿沿压开的水力裂缝溢出岩石试样直至注入稳定，同时监测回收端溢出试样工质的流量；
步骤S3、结合声发射事件定位、回收废液的流量、注入压力波动，对工质循环条件下岩石试样中新产生的损伤和破裂进行监测，进而对室内干热岩循环取热模拟实验工质泄露情况进行评估；
步骤S4、完成压裂、循环实验后对岩石试样中出现损伤的部位进行CT扫描和SEM测试，揭示循环注入参数、岩石微观损伤、工质泄露量之间的关系。
进一步地，其特征在于，所述岩石试样为干热岩热储层岩石，包括花岗岩和碳酸盐岩。
进一步地，在步骤S1.1中，所述温度与模拟地应力应根据干热岩热储层参数设置，温度范围为150～300℃，地应力按实际热储层地应力差异系数设置。
进一步地，在步骤S1.3中，所述声发射手段为采用声发射探头，声发射探头均匀分布在岩石试样周围。
进一步地，所述新的破裂造成工质沿其他路径泄露伴随的声发射事件出现或声发射能量增加、注入压力会有较大的波动，与工质泄露量成正比，废液回收流量成反比。
进一步地，所述声发射监测、压力-时间曲线从水力压裂开始直至全部实验结束持续记录，废液回收流量从水力压裂实验结束后，循环实验开始前记录，每块岩石试样的循环时间应不少于60分钟。
本发明的有益效果是：
本发明针对“单井循环换热过程中热-流-固耦合条件下局部应力场会发生改变，引起近井区域围岩易发生不稳定的损伤破裂，造成围岩失稳进而导致循环工质发生泄露”提出了一种物理模拟实验的方法流程，对现实干热岩层进行了模拟实验，以获取相关实验参数，揭示了现实中井区围岩的变化规律，填补了技术空白，并针对上述过程中工质泄露问题提出了评价方法，并提出了建立相关模型的具体参数，为揭示干热岩原位换热、强制换热等取热方式的内在机理提供依据。
附图说明
图1为本发明一种室内干热岩循环取热模拟实验方法的流程图；
图2立方试样和岩心试样的物理模型示意图；
图3为本发明注入压力波动曲线图；
图4为本发明声发射能量增加波形示例；
图中，1-立方试样；2-立方试样声发射探头；3-立方试样注入管；4-岩心试样；5-岩心试样声发射探头；6-岩心试样注入管；7-施加围压；8-施加轴压；9-水力压裂阶段；10-循环过程注入压力稳定波动阶段；11-压力上升后快速下降阶段。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参照图1所示，本发明一种室内干热岩循环取热模拟实验方法，包括以下步骤：
步骤S1、开展室内水力压裂物理模拟实验，在岩石试样中制造贯穿试样的人工裂缝以模拟干热岩热储层中的水力裂缝。岩石试样包含两种：一种是大尺寸的立方试样1，如图2(a)所示，其尺寸一般是200mm×200mm×200mm～400mm×400mm×400mm。另一种是岩心试样4，如图2(b)所示，其尺寸为φ50×100mm。具体选择情况视实验仪器类型而定，本方法对于以上两种岩石试样都适用。岩石试样为干热岩热储层岩石，主要包括花岗岩和碳酸盐岩。室内水力压裂物理模拟实验的步骤是：
(1)将岩石试样从端面钻孔至试样长度的2/3处，预置注入管，如图2中的立方试样1中的立方试样注入管3和岩心试样4中的岩心试样注入管6。预置注入管为底端开口，顶部带有与水力压裂实验系统连接螺纹的钢管，立方试样的注入管壁厚2mm，内径18-25mm，岩心试样注入管壁厚1mm，内径8mm。上述两个预置注入管采用环氧树脂植筋胶固封，之后将试样加热至设定温度，置于压裂实验系统中施加模拟地应力，立方试样1施加真三轴围压(σ1、σ2、σ3)，岩心试样4施加假三轴围压(σH、σh)；在岩心试样4圆柱面施加围压7，在岩心试样4的上下端面施加轴压8，如图2(b)所示。
(2)通过注入管向岩石试样中泵注高压流体，本实施例中采用清水或滑溜水，在岩石试样中压裂产生水力裂缝，直至裂缝扩展至岩石试样边界，高压流体溢出岩石试样，压裂排量一般20mL/min～80mL/min，然后对溢出岩石的压裂液进行回收，并监测其流量；
(3)采用声发射手段监测裂缝扩展过程，声发射手段即采用声发射探头进行监测，如图2(a)中的立方试样声发射探头2及图2(b)中的岩心试样声发射探头5，一般立方试样1采用16通道监测，岩心试样4采用8通道监测。声发射探头均布在岩石试样的周围，进行全方位监测。
步骤S2、以不同的流量向已压裂的试样中持续注入工质，工质为清水。使工质从注入端进入，沿压开的水力裂缝溢出岩石试样，直至注入稳定，同时监测从岩石试样溢出的工质流量。这一过程是模拟在已进行压裂的干热岩热储层中进行单井循环强制换热，循环流量小于20mL/min，注入方式采用定流量、阶梯升(降)等方式，循环过程中同时监测声发射事件的位置和能量、回收工质的流量、注入压力波动，当工质稳定循环时，注入压力会在某一值附近波动，且该过程不会产生声发射事件，同时废液回收流量不会有明显波动。
步骤S3、结合声发射事件定位、回收废液的流量、注入压力波动，对工质循环条件下岩石试样中新产生的损伤和破裂进行监测，进而对室内干热岩循环取热模拟实验工质泄露情况进行评估。具体评估方法为：通过发射事件的出现或声发射能量的增加、注入压力会有较大的波动以及废液回收流量的突然下降判断工质是否泄露。具体为：新的破裂造成工质沿其他路径泄露伴随的声发射事件出现或声发射能量增加、注入压力会有较大的波动，裂缝破裂程度与工质泄露量成正比，废液回收流量成反比。其中声发射能量增加的指标为声发射声波信号的振幅超过正常波动的5倍；注入压力会有较大波动是注入压力首先出现憋压现象，注入压力上升超过现稳定压力的20％，然后原裂缝面出现新的损伤/破裂后，注入压力又迅速下降至原稳定压力以下；废液回收流量下降的标准是减少超过20％。图3显示了水力压裂阶段9、循环过程注入压力稳定波动阶段10和压力上升后快速下降阶段11三个阶段，初期注入压力相对较为平稳，随后注入压力首先出现憋压现象，注入压力上升超过现稳定压力的20％，然后原裂缝面出现新的损伤/破裂后，注入压力又迅速下降至原稳定压力以下。如图4所示，声发射能量增加是指声发射声波信号的振幅超过正常波动的5倍。另外，声发射监测、压力-时间曲线应从水力压裂开始直至全部实验结束持续记录，废液回收流量从水力压裂实验结束后，循环实验开始前记录，每块岩石试样的循环时间应不少于60min。
步骤S4、完成压裂、循环实验后对试样中出现损伤的部位进行CT扫描和SEM测试，揭示循环注入参数、岩石微观损伤、工质泄露量之间的关系。结合声发射定位结果确定岩石损伤/破裂的位置，将岩石试样沿水力裂缝剖切，对损伤/破裂位置进行CT扫描和SEM测试，厘清岩石微观损伤行为，在此基础上揭示循环注入参数(注入流量，工质类型)、岩石微观损伤(新产生破裂的几何参数或损伤范围)、工质泄露量(注入量与回收量之差)。
温度与模拟地应力应根据干热岩热储层参数设置，温度范围150～300℃；地应力按实际热储层地应力差异系数设置，例如，热储层最大水平主地应力为150MPa，最小水平主地应力为110MPa，上覆地应力为95MPa，则立方试样三组模拟地应力设置为15MPa、11MPa、9.5MPa，岩心试样围压15MPa，轴压11MPa。
废液(溢出试样的压裂液或工质溢出液)通过回收装置进行回收，其置于模拟地应力加载装置下方，压裂液、循环工质溢出岩石试样后会经压裂实验系统全部(除附着在试样和压裂实验机表面的)流入回收装置内。
现场压裂施工与室内压裂模拟实验仍存在着诸多差异，主要体现在以下几个方面：首先储层条件是无法更改的，储层岩石的物理力学性质，热储层温度以及地应力的大小和方向是较为复杂的，非均质性很强，物理模拟实验仅能代表某一种或几种情况；其次，现场施工工艺步骤更为复杂，但室内物理模拟实验是根据现场施工以及相似性准则来实施的，且主要参数在实验之中均有所涉及，因此实验结果能为现场压裂施工提供一定的实验参考。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下可以作出的各种变化，都处于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种室内干热岩循环取热模拟实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、开展室内水力压裂物理模拟实验，在岩石试样中制造贯穿试样的人工裂缝以模拟干热岩热储层中的水力裂缝，具体包括：
S1.1从岩石试样端面钻孔至岩石试样内部，预置注入管并固封，将岩石试样加热至设定温度，置于压裂实验系统中施加模拟地应力；
S1.2通过泵注管向试样中泵注高压流体，在岩石试样中压裂产生水力裂缝，直至裂缝扩展至岩石试样边界，高压流体溢出岩石试样，然后对溢出岩石试样的压裂液进行回收并对溢出压裂液的流量进行计量；
S1.3 采用声发射手段监测裂缝扩展过程；
步骤S2、以不同流量向已压裂的岩石试样中持续注入工质，使工质沿沿压开的水力裂缝溢出岩石试样直至注入稳定，同时监测回收端溢出试样工质的流量；
步骤S3、结合声发射事件定位、回收废液的流量、注入压力波动，废液是指溢出试样的压裂液或工质溢出液，对工质循环条件下岩石试样中新产生的损伤和破裂进行监测，进而对室内干热岩循环取热模拟实验工质泄露情况进行评估，具体为：新的破裂造成工质沿其他路径泄露伴随的声发射事件出现或声发射能量增加、注入压力会有较大的波动，裂缝破裂程度与工质泄露量成正比，废液回收流量成反比；其中声发射能量增加的指标为声发射声波信号的振幅超过正常波动的5倍；注入压力会有较大波动是注入压力首先出现憋压现象，注入压力上升超过现稳定压力的20%，然后原裂缝面出现新的损伤/破裂后，注入压力又迅速下降至原稳定压力以下；废液回收流量下降的标准是减少超过20%；
步骤S4、完成压裂、循环实验后，对岩石试样中出现损伤的部位进行CT扫描和SEM测试，揭示循环注入参数、岩石微观损伤、工质泄露量之间的关系。
2.根据权利要求1所述的一种室内干热岩循环取热模拟实验方法，其特征在于，所述岩石试样为干热岩热储层岩石，包括花岗岩和碳酸盐岩。
3. 根据权利要求1所述的一种室内干热岩循环取热模拟实验方法，其特征在于，在步骤S1.1中，所述温度与模拟地应力应根据干热岩热储层参数设置，温度范围为150～300℃，地应力按实际热储层地应力差异系数设置。
4.根据权利要求1所述的一种室内干热岩循环取热模拟实验方法，其特征在于，在步骤S1.3中，所述声发射手段为采用声发射探头，声发射探头均匀分布在岩石试样周围。
5.根据权利要求1所述的一种室内干热岩循环取热模拟实验方法，其特征在于，在步骤S3中，对工质循环条件下岩石试样中新产生的损伤和破裂进行监测时，所述声发射事件定位、注入压力波动产生的压力-时间曲线从水力压裂开始直至全部实验结束持续记录，废液回收流量从水力压裂实验结束后循环实验开始前记录，每块岩石试样的循环时间不少于60分钟。
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