高水压和围压温度耦合作用下压裂裂隙渗流特性研究

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地热利用是我国实现“碳达峰”和“碳中和”宏伟目标的解决方案之一,其中干热岩的开发利用是未来地热利用的主攻方向。干热岩热储丰富,但埋深大、提取困难。近些年来随着压裂技术的成熟,通过在干热岩中制造压裂裂隙,以水作为循环载体,利用其渗透性、流动性和高比热性,使得干热岩的开发利用成为可能。水在干热岩压裂裂隙中渗流的过程,同时也是热交换的过程,但是关于水在压裂裂隙中的渗流特性及其影响因素,目前尚未完全了解。本论文作为干热岩开发利用的一项基础研究,采用自主研发的“裂隙介质渗流模拟装置”,以干热岩主要基质花岗岩圆柱体试件(φ100×200 mm)的压裂裂隙(裂隙贯穿试件,宽度100 mm、长度200 mm)为研究对象,开展了高水压(渗流压力4.5~14.5 MPa)、围压(5~15 MPa)、温度(20~80℃)耦合条件下的光滑裂隙和压裂裂隙的系列渗流模拟实验和溶质运移试验,以期获得高压热水作用下的压裂裂隙渗流特性。主要研究结论如下:1.压裂裂隙中水的流动呈现出明显的非线性渗流特性。在10~15 MPa围压条件下,渗流量很小,约为0.9~2.3 ml/min;当渗流压力达到围压的80%左右,会对裂隙岩石产生“劈裂作用”,渗流量明显提升,但依然远低于同等条件下光滑裂隙渗流量。2.围压通过改变裂隙隙宽进而影响其渗流特性。围压上升(5 MPa增加到15MPa),压裂裂隙隙宽下降,渗流阻力增大,渗流量下降;围压持续时间增加(0h到48 h),压裂裂隙隙宽会持续下降,渗流阻力持续增大,渗流量相应下降;围压卸载(15 MPa下降到5 MPa),压裂裂隙渗流量不会回升。3.温度通过影响水的运动粘滞系数进而改变其渗流特性,对隙宽影响作用很小。温度升高(20℃升高到80℃),水的运动粘滞系数下降,流动性增强,5 MPa围压下压裂裂隙渗流量有所增加,但是温度升高对15 MPa围压条件下压裂裂隙渗流量无提升作用;80℃高温水对压裂裂隙中“劈裂现象”发生后的流量有较明显的提升作用。4.支撑剂的使用可明显改善压裂裂隙的渗流情况。支撑剂对隙宽的支撑效果明显,使用支撑剂后,围压增加(5 MPa增加到15 MPa)对渗流的影响可以忽略;压裂裂隙在使用支撑剂后,水力隙宽不但远高于原水力隙宽,也高于光滑裂隙水力隙宽,其渗流能力接近甚至超过同等围压条件下的光滑裂隙。5.在温度(25℃和80℃)、围压(5 MPa和10 MPa)及渗流量(4~5 ml/min)条件下,压裂裂隙中溶质运移的弥散系数明显高于光滑裂隙;压裂裂隙中,两区模型比CDE(convection dispersion equation,对流弥散方程)模型能够更好地表征示踪剂的运移过程;在多组围压条件下,纵向弥散系数D值均随着流量增加而增大,且随温度的升高而增加,而Peclet数却随着温度的升高而在减小,因此对流作用引起的溶质运移比率下降,弥散作用引起的溶质运移比率增强,但仍以对流为主。6.各影响因素耦合作用时,对裂隙渗流的作用大小排序:粗糙度>围压>渗流压力>温度。与光滑裂隙相比,压裂裂隙渗流特性变化显著,在15 MPa围压下,流态是非线性;渗流阻力提高了两个数量级;输水能力远低于光滑裂隙;渗透系数K<0.001 m/d,相当于不透水的粘土;渗透性极差,渗透率k<1 m D;临界雷诺数降到个位数。压裂裂隙低渗透率与其裂隙成因和表面形态有关:水力压裂形成的粗糙裂隙,在围压作用下形成闭合,恢复到压裂前的完整致密状态,造成裂隙渗透率大幅下降。
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