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增强型地热系统开发中的岩石力学问题与ITASCA专有分析技术

2019-08-28 17:40:52

 

         地热资源作为一种新型可再生能源,是当前技术经济条件和地质条件下,能够从地壳内科学、合理地开发出来的岩石热能源、地热流体热能量及伴生的有用组分。目前可利用的地热资源主要包括:天然揭露的温泉、通过热泵技术开采利用的浅层地温能以及针对深层干热岩体内地热资源的人工开采即增强型地热系统EGS(Enhanced Geothermal Systems)。由于岩石赋存环境的复杂化,深部地热开采对寻求岩石力学基础理论的突破和新方法新工艺的应用提出更为严峻的要求。其中,包括应力(Mechanical)、流体(Hydraulic)、温度(Thermal)等作用场在内的多场耦合作用过程即为深部岩石地热开采需关注的重要基础性问题之一。近年来,全球地热能源开发及利用取得较快发展,也越来越引起各国政府及企业的重视。美国能源部于2015年牵头启动了地热能前沿观测研究项目FORGE,旨在建设地下专业化地热实验室来开展EGS前沿研究,为建立大规模、经济可持续和商业化EGS建设建立系统性的技术储备。这些现状条件给相关的岩石力学、开采工艺和监测等领域的基础理论和技术进步带来了巨大的发展机遇,但显然同时也存在客观严峻的挑战。

        应力、流体、温度分布场之间的相互作用非常复杂。依托包括FORGE在内的岩石力学专项课题,ITASCA针对深部EGS开采研发形成了可能是岩石力学界唯一能够独立完成温度-流体-应力(THM)三场耦合过程模拟的分析技术,为EGS开发重点涉及的压裂改造和裂缝网络管理等环节的生产设计和科学研究提供了前沿性技术手段。

1 能源开采多场耦合作用问题的ITASCA分析技术

        作为全球领先的岩石力学分析与测试领域相关技术与产品供应商,ITASCA在THM三场耦合这一岩石力学专业方向已积累有20余年的技术研发与科研应用经验,相关理论与研发成果以程序模块化的形式集成在FLAC、DEC和PFC三个系列的岩土工程专业分析软件中,以针对性满足不同工程领域和不同层次的多场耦合问题的应用需求。

        能源开采行业通常代表着岩石力学基础理论与技术的最新水平并引领进步方向。自20世纪末至今,受北美及欧洲国家与地区的石油与天然气开采、采矿、地热开发、CO2与核废料处置等行业开发对岩石力学分析方法和技术的驱动作用,同时通过深度参与相关生产活动和科学研究课题(代表性研究课题包括MMT、HBSM、FORGE等)形成的丰富的技术与经验积累, ITASCA针对深部岩石THM三场耦合作用问题已形成两套系统完整的、以非连续介质力学作为背景理论的分析方案:

        DEM分析方法:基于离散元程序3DEC运行环境的温度-流体-应力三场场耦合分析技术。

        — XSite方法:基于离散格子方法(Lattice Model)分析程序XSite运行环境的三场耦合分析技术。

        无论是在岩石深部的传统能源还是新能源开发,由于较之传统方法具有较为明显的经济效益优势,水压致裂技术目前已逐渐成为能源开采的主要手段之一。在经济效益和社会效益因素的综合驱动作用下,往往要求在开采前、开采过程中甚至工程全周期开展水压致裂破裂机制研究,进而依据破裂规模和能量等指标帮助开展工艺优化增加产能或者是控制人工诱发微震触发大型地质构造运动导致严重的地质灾害等。基于非连续介质力学的DEM、XSite流体-应力(HM)耦合方法支持对水压致裂进行全过程模拟和可视化展示,为满足特定需要时(如地热开发运行期产能分析)还可以综合考虑温度场作用,实现温度-流体(TH)、温度-流体-应力(THM)三场耦合作用分析。ITASCA分析方法侧重为多场耦合作用机制性研究工作提供针对性解决方法,较之其他常规性研究方法,以下重点技术环节保证了方法具有的独到优势性:

        非连续介质力学方法:在压裂作用下,岩石破裂本质上是完整岩石转变为破裂的几何非线性问题,非连续介质力学方法对该过程的描述具有先天性优势。 

        材料非线性:与等常规性破裂研究方法如断裂力学将岩石近似处理为线弹性介质不同, ITASCA方法采用丰富全面的本构模型来描述深部岩石极有可能具有的复杂的材料非线性特性,更为合理考虑了岩石力学性质对压裂性质的影响。 

        复杂应力条件的描述:支持复杂初始应力参数的直接输入,同时考虑施工扰动对原位地应力的改造作用及其对岩石破裂响应特征的影响。 

        破裂过程模拟:针对断裂构造等地质缺陷,拥有确定性方法和随机裂隙网络(DFN)两种描述方法。在地质条件与工程条件的综合作用下,岩体内破裂的萌生与扩展在模拟中表现为自然演变的过程,破裂位置和空间形态等无需预先定义。由此可见,除针对已知破裂的机制验证外,ITASCA破裂模拟技术还可以实现任意位置和形态破裂扩展过程的预测分析。 

        流体模拟:含有多孔介质流(完整岩石)和裂隙流(破裂)两种流动模拟技术,完整岩石内的流体与破裂内的流体可在块体边界部位进行物质交换,因此可以用来模拟压裂液滤失效应。 

        温度模拟:ITASCA温度模拟技术支持传导(岩石内)和对流(破裂内)两种温度作用方式,岩石与破裂内流体可在接触(破裂)边界部位交换热能量。 

        支撑剂模拟:支持支撑剂输送模拟,考察其对破裂的影响作用。 

        复杂压裂过程模拟:支持多段压裂流体-应力耦合作用过程、以及温度场参与作用的真时间历程模拟。

        成果输出:丰富多样的成果输出数据(如破裂机制、范围、微震能量等),满足破裂机制分析和方案设计应用需要。

        DEM分析方法与XSite方法的不同之处首先在于二者采用了不同的非连续介质力学理论。此外,差异则突出体现在XSite是为满足压裂设计方案评估优化进行压裂机制研究而特别定制研发的专业化方法,其依据压裂开采工艺设计的流程化应用环境具有简单明了、便于快捷掌握的特点;而基于3DEC程序运行环境的DEM分析方法则具有更好的通用性。

图1:ITASCA水压致裂流体-应力耦合应用案例
左图:多段压裂诱发复杂形态的破裂结构;右图:既有破裂应力阴影对后期破裂扩展过程及形态的影响

2 地热能前沿观测研究计划(FORGE)

        水压致裂技术是目前在深部岩体进行地热能源开发所采用的主要开采工艺,在压裂改造和运营过程中普遍面临较为典型的应力、流体与温度场综合参与的三场耦合作用问题。以ITASCA参与的地热能前沿观测研究计划项目(FORGE:Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy)为例,后续讨论重点介绍ITASCA分析方法在该项目中的应用,以较为全面的体现方法所具有的技术特点和对多场耦合问题的解决能力。

2.1 项目简介

        2015年4月,地热能前沿观测研究项目FORGE由美国能源部牵头启动,旨在建立一个地下实验室来开展增强型地热系统EGS的前沿研究,据此建立大规模、经济可持续和商业化EGS建设所需要的技术。该计划的研发工作集中于加强认识控制EGS成功与否的关键机理、如何在基岩地层中建立和维护裂缝网络,研发内容包括但不限于创新型钻井技术、储层压裂技术、以及井连通性和流动测试。

        FORGE计划由三个阶段构成。第一阶段于2015年启动,由5个团队分别在加利福尼亚州、爱达荷州、内华达州、俄勒冈州和犹他州选择地下实验室候选场地(图2)。2016年夏季,美国能源部组织专家对上述团队的工作进行了审查。根据审查结果,选中桑迪亚国家实验室(内华达州的Fallon场地)和犹他大学(犹他州的Miford场地)牵头团队进入第二阶段。在该阶段,研究团队开展了丰富的勘探工作,据此更为合理的描述热能储层地质条件开展压裂设计方案评估并针对诱发地震制定缓解计划。2018年春季,经地质、环境影响与投资等关键因素的综合分析与评估,美国能源部确定犹他州Milford场地进入第三阶段。第三阶段工作的重点将是通过研发项目的设立,为增强型地热系统储层的钻探、激发(压裂改造)和维护(保持裂缝网络连通性)寻求新的方法与工艺,如可提高钻进速度、改进地质导向及在极端环境中开展随钻测井的工艺方法,智能示踪剂和其他裂缝量化表征方法,储层监测技术,储层建模和模拟方法等。Milford场地位于盐湖城以南350km处,占地5km2,深度500m以下为结晶基岩(花岗岩和片麻岩),在不到3km的深度处温度就超过了175oC。

图2:FORGE增强型地热系统地下实验室候选场地分布

        在FORGE项目第一、二阶段实施过程中,ITASCA作为成员单位之一全面参与了由桑迪亚国家实验室针对COSO和FALLON两个候选场地牵头开展的方案可行性论证专项课题,其中,针对FALLON候选场地论证工作包含了两个阶段的研究成果,工作内容较为全面完整更具代表性。FALLON场地位于内华达州中西部卡森盆地的大盆地内,盆地被第四纪沉积物覆盖,包括冲积扇、风积和湖泊沉积物。中新世晚期至第四纪盆地充填物沉积物厚度为0.5至>1 km,上覆渐新世-中新世火山岩和较小的沉积岩,火山段厚度为0.5至1.0公里。区域受NE向正断层切割,岩性主要由白垩纪花岗质和深成岩体侵入形成的三叠纪-侏罗纪变质岩组成。该正断层同时向东和西倾斜。FALLON因其特定地质条件,丰富可用的包括温度、渗透性在内的历史监测数据,现有完善的基础设施而被选为候选场地。

2.2 ITASCA工作内容及研究成果

        ITASCA方面承担的工作内容主要是采用具有的专有方法研究破裂激发压裂改造效果和断层稳定性分析评价,为产能和储层安全性评估提供依据。以更具代表性FALLON候选场地为例,涉及工作环节包括但不限于:

        — 构建区域尺度的地质模型:综合勘探工作成果,构建如图3左图所示区域尺度的储层模型。模型较为完整地考虑了储层的基本地质条件,包括区域性长大断裂和初始应力场分布特征,其中地应力输入直接采用了Blanksma等人于2018年获得的研究成果。

        — 构建精细化储层模型开展模型分析:以区域尺度地质模型为基础,进一步考虑必要的次级结构面分布条件形精细化储层模型。在该模型基础上开展如下分析内容:

             1. 采用XSite方法开展压裂机制分析,形成压裂方案的初步概念设计。

             2. 以钻孔结构面编录成果为依据,采用随机节理网络技术进一步模拟次级优势性裂隙,形成可采用基于3DEC运行环境的DEM方法开展耦合分析的数值模型(图3右),模型中考虑的结构面数量约为2000条。

图3:FALLON三维地质与数值模型

             3. 破裂压裂改造方案比选分析:采用DEM方法针对压裂改造过程开展流体-应力(HM)耦合作用模拟,采用破裂面积和裂隙开度等指标对比评价了约为2500m埋深条件下裸眼和套管两种完井方式的分段(6段)压裂效果,两种压裂方案的主要区别在于采用了不同的设计液压水平和加载历程。依据图4、图5对比可见,采用套管完井压裂方式的压裂效果要优于裸眼完井。

图4:压裂效果评价:破裂面积

图5:基于破裂面积比和裂隙开度指标的压裂效果评价

             4. 断层稳定性评价:压裂段附近发育有区域性断裂构造F14和F15,压裂设计在满足产能要求的同时还应兼顾断层稳定性。依据破裂响应采用地震矩等能量指标评价断层稳定性的研究表明(图6),两种压裂方案在压裂改造过程中均不会诱发附近断裂构造出现滑移破坏。

             5. 运行其产能分析:在EGS开发过程中,并不是上述所有作用场之间的相互作用都要考虑。EGS运行期主要目标是在储层内流体与岩体充分接触前提下,使生产井在保持较高流量同时确保足够长的储层寿命,应力场作用可不予考虑即简化为一个在温度场作用下裂隙介质的渗流问题。该项工作是第三阶段的重点工作内容,此处不再作进一步论述。

 

 图6:基于破裂诱发微震地震矩指标的断层稳定性评价

 

 

专业特长

  1. FLAC3D-TOUGH3耦合接口研发
  2. 增强型地热系统开发中的岩石力学问题与ITASCA专有分析技术
  3. “颗粒流PFC软件高端用户2019年度峰会暨PFC培训”圆满落幕

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