【摘 要】
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深部地热能是一种清洁、丰富的可再生资源。我国地热能资源储量极其丰富,大力开发地热能等非常规能源对保障国家能源战略安全和改善能源结构具有重要意义。我国地热资源以干热岩资源为主,其储层普遍具有埋藏深、超低渗和缺水等特点,勘查开发和技术发展难度大。水力压裂技术是增强型地热系统开发的关键技术,通过多簇射孔增大储层改造体积和降低施工成本,然而现场作业结果表明裂缝未到达预计压裂效果。由于现场水力裂缝监测难度大
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深部地热能是一种清洁、丰富的可再生资源。我国地热能资源储量极其丰富,大力开发地热能等非常规能源对保障国家能源战略安全和改善能源结构具有重要意义。我国地热资源以干热岩资源为主,其储层普遍具有埋藏深、超低渗和缺水等特点,勘查开发和技术发展难度大。水力压裂技术是增强型地热系统开发的关键技术,通过多簇射孔增大储层改造体积和降低施工成本,然而现场作业结果表明裂缝未到达预计压裂效果。由于现场水力裂缝监测难度大和水力压裂试验过程较短,难以实时监测裂缝扩展路径及其力学响应,无法全面掌握多裂缝动态扩展规律与缝间应力干扰机理。无声压裂膨胀剂(Soundless Cracking Demolition Agent,SCDA)压裂类似于高粘度流体或超低渗岩石水力压裂的特殊形式,具有作用时间长、性能稳定等特点。SCDA压裂试验能获得关于裂缝成长和应力分布的更多信息,对于揭示多裂缝扩展规律和应力阴影效应具有重要的科学价值和工程意义。通过调整SCDA压裂作业参数优化裂缝扩展轨迹,将有助于指导现场压裂施工方案优化。本文采用理论分析、室内试验和数值模拟等方法对多裂缝动态扩展规律、应力阴影效应和压裂作业参数优化问题开展了研究,主要研究内容如下:(1)根据弹性理论和厚壁圆筒模型设计了 SCDA钢管应变测试,推导了孔内膨胀应力发展公式,并分析了其膨胀作用规律。建立了受内压作用的多孔压裂应力分布计算模型,预测了孔间区域的应力集中和分布情况,表明钻孔间距增加能弱化应力集中程度。(2)通过SCDA压裂技术开展了不同初始边界应力条件和压裂作业参数影响下的花岗岩多孔压裂试验研究。综合利用声发射定位、应变测量和真实裂缝监测等手段,获得了裂缝扩展过程中的声发射事件时空演化、裂缝扩展路径和应力演化结果,全面揭示了多裂缝动态扩展规律和应力阴影效应。(3)提出了破裂面面积、粗糙度和表面裂缝分形维数等参数计算方法,用于定量评价压裂试样的裂缝形态和破裂面特征。基于不同初始应力条件、注入方案、钻孔方位和钻孔间距下的SCDA压裂试验效果,建立了花岗岩多孔压裂作业参数优选方案。(4)利用ABAQUS软件建立了 SCDA压裂扩展有限元数值模型,研究了 SCDA压裂的多裂缝动态扩展规律。通过分析压裂过程中的裂缝扩展路径和应力重分布情况,深入研究了多裂缝动态扩展规律和应力阴影效应,为试验现象和理论分析结果提供了进一步解释。
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