【摘 要】
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近些年来,中深层地热由于温度较高、可规模化清洁供暖,稳定可靠等优点,已成为冬季清洁供暖的主要能源。在中深层地热开发中,处于寒武系的裂缝型地层温度较高,岩溶或裂缝相对发育,是良好的热储层,但由于裂缝型储层常年受到地下水的冲刷与侵蚀,其渗透特性变化较大。因此,研究岩体裂缝的渗透特性是开发中深层地热的重点内容。本文以中深层寒武系裂缝型地层地热开发为背景,通过试验研究、理论分析、细观表征等研究方法,开展了
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近些年来,中深层地热由于温度较高、可规模化清洁供暖,稳定可靠等优点,已成为冬季清洁供暖的主要能源。在中深层地热开发中,处于寒武系的裂缝型地层温度较高,岩溶或裂缝相对发育,是良好的热储层,但由于裂缝型储层常年受到地下水的冲刷与侵蚀,其渗透特性变化较大。因此,研究岩体裂缝的渗透特性是开发中深层地热的重点内容。本文以中深层寒武系裂缝型地层地热开发为背景,通过试验研究、理论分析、细观表征等研究方法,开展了寒武系单裂隙鲕状灰岩的渗流特性研究,研究结果对中深层地热开发提供了一定的指导意义。具体的研究内容与研究结果如下:(1)通过采用自主研制的高温三轴渗流试验系统,进行不同温度(室温~400℃)、三轴应力(10MPa~35MPa)和渗透压力的渗流试验。分别改变轴向应力与侧向应力,可以发现:随着侧向应力的增加,裂隙岩样的渗透率与裂隙开度均在逐渐降低,在侧向应力上升的初始阶段岩样渗透率降低较快,随着侧向应力逐渐增大,渗透率降低速率逐渐缓慢。随着轴向应力的增加,裂隙岩样的渗透率与裂隙开度整体呈升高趋势,但其变化范围相对于侧向应力的增加对裂隙岩样的渗透率与裂隙开度的作用较小。在本文的所做试验中,裂隙岩样的裂隙开度与渗透率和渗透压力呈正相关,即随着渗透压力的增大而增大,但其增大幅度较小。部分低渗透压力下的裂隙开度与渗透率与高渗透压力相比相差较大,是因为存在启动压力,其较小的原因为施加初始渗透压力要将已经闭合的裂隙通道重新打开。(2)高温渗流试验中,温度的升高是导致岩样裂隙开度与渗透率减小的直接原因,同时,温度也会增加流体与岩石之间的水岩反应速率。压力作用使裂隙面之间的接触由局部点接触变为面接触,并与水岩作用结合产生压溶作用,使裂隙面的溶解物由高应力区扩散到有自由面的低应力区,岩石中的矿物元素则会再次经历溶解-沉淀-重结晶的过程。(3)在进行高温水岩作用试验时,试样类型分为含天然充填物和人工劈裂岩石试样,不同种试样的裂隙开度与渗透率均随时间的推移而逐渐减小,考虑到工程实际中,地热开采储层渗透率的降低会影响抽水速率与供暖效率,为改变此种现象增加加压冲水措施,结果表明加压冲水可使不同温度点下裂隙岩样的渗透率有1.64~5.85倍的明显提高,说明加压冲水的方法是可靠的。同时,试验证明加压冲水操作只是使裂隙面间重新获得了“优势渗流通道”,并不能阻止裂缝面的愈合。(4)在试验过程中发现了两类裂隙鲕状灰岩的愈合现象。具有天然充填物的裂隙岩石在与水岩反应下可在较短时间内发生愈合,而经劈裂开的裂缝岩样在高温水岩作用下也会发生愈合现象,但愈合所需时间较长,裂缝面的矿物会发生溶解-沉淀-重结晶反应过程。并通过对试验前后试样进行显微CT的扫描,观察到其单裂缝在试验后明显变小,从切片图中看到空腔处有晶体的存在,这与打开的裂缝表面观察到的白色晶状体是一致的,可以确定试验中的鲕状灰岩经历了溶解-沉淀-重结晶的过程,从细观的CT视图到宏观的试样前后裂缝面对比图及试验结果皆具有一致性,说明了整个试验操作的准确性与试验结论的可靠性。(5)通过对试验前后的试样裂缝面进行三维形貌扫描,发现有无弱面(原生或充填)对裂隙面粗糙度有较大影响(因劈裂时主要沿弱面劈开)。试验后裂隙面形貌的整体起伏度变化不大,但部分微凸体尖端有破损缺失情况,而且裂隙面剖面线由试验前的棱角分明变得逐渐平滑。在应力、温度和水岩反应耦合作用下,描述裂隙面形貌特征参数的粗糙度系数JRC、裂隙面轮廓算数平均偏差Rn、裂隙面轮廓均方偏差Rrms试验前后均有不同程度的变化,不同试样的JRC值在试验后降低,而Rrms和Rn均有增大趋势。
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