伊通盆地北部吴家屯热储评价及增强型地热系统潜力研究

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随着科技的发展,人类对能源的需求量逐年提升,传统化石燃料为主的的能源结构给环境带来了巨大的压力,温室效应、大气污染及雾霾等问题日益突出。为了解决以上问题,寻找清洁的可再生替代能源是必经之路,地热能以其分布广泛、储量巨大、清洁环保等特点逐渐被世界各国所重视。中国大陆310km范围内高温地热资源量为2.5×1025J(合857万亿吨标煤),深部高温地热资源的利用需要通过增强型地热系统(Enhanced Geothermal Systems,EGS)实现。EGS的两个关键问题为储层压裂改造问题和热能稳定开采问题,本文基于伊通盆地北部万昌构造带研究区的地热地质资料主要对研究区EGS热能开采问题进行了研究。伊通盆地构造上位于郯庐断裂带北段,为新生代地堑式盆地。盆地内深大活动性断裂构成了深部地幔热源和上部热储层的热力通道;盆地基底大面积(超80%)花岗岩侵入体的分布,酸性岩体较高的导热率及其所含放射性元素,有效的将深部热量向上部储层传输;盆地新生界沉积层厚度达20006000m,很好的阻挡了储层地热能的散失。这些条件使得伊通盆地的大地热流值和地温梯度均高于全球沉积盆地的平均值,盆地属于地堑式盆地地热异常点。为了了解基底储层花岗岩及浅变质砾岩的热物性、基本物理力学等性质,本文对现场所取的花岗岩、浅变质砾岩露头样进行了室内试验研究。花岗岩密度(2.6592.679g/cm3)及浅变质砾岩密度(2.7582.792g/cm3)均较高,岩石的风化程度较低,表明力学性质等试验结果对深部储层的性质有一定的参考意义。浅变质砾岩的力学强度高于花岗岩;两种岩石的孔隙度(花岗岩2.02%,浅变质砾岩小于1%)及渗透率(0.22430.2972×10-15m2)均较低,但花岗岩中出现裂隙的频率较浅变质砾岩高;两类岩石的热物性相似。相同地质条件下由于花岗岩的天然裂隙较多并且力学强度低于浅变质砾岩,花岗岩储层更容易压裂改造。基于以上研究,结合伊通盆地北部万昌构造带吴家屯地区的钻井资料,利用TOUGH2-EOS1软件分别对花岗岩储层及碎裂花岗岩储层分别建立了单裂缝及等效均质水热耦合数值模型,模拟分析了20a间两种储层模型的水热产出能力,并且基于花岗岩单裂缝模型,对井间距、注水温度、注入速率及裂缝渗透率四个参数进行了敏感性分析。分析结果显示:裂缝渗透率和注水温度对系统的流动阻抗影响较大,井间距和注入速率对系统流动阻抗影响不大,但注入速率对注入井处孔压的影响较大;裂缝渗透率、井间距、注入速率均对生产井出水温度影响较大,仅注水温度对系统温度场的影响较小。两种模型的模拟结果显示:储层单裂缝EGS模型,系统的生产流速为10kg/s时,系统运行20a后流动阻抗达到1.203MPa/(kg/s),20a间的平均产热功率为4209.6kJ/s;天然裂隙较多的碎裂花岗岩等效均质模型,当储层渗透率为2×10-13m2时,以40kg/s的注采速率循环25℃左右的水,运行20a后系统的流动阻抗为0.094 MPa/(kg/s),生产温度降幅为9.75%,20a间系统的平均产热功率为21390.84kJ/s,较为经济理想。根据不同储层、不同改造方式水热产出能力的数值模拟结果,表明该区具有较高EGS开发潜力。
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