裂隙岩体剪切—渗流—传热特性及断层地热开发研究

论文摘要

高温地热资源是一种极具竞争力的清洁可再生能源,可通过建造增强型地热系统进行开发利用。建造该系统的关键技术之一是水力剪切增透,即通过注水诱发地热储层中的裂隙剪切滑动,增大裂隙张开度,提高热储渗透性。因此,需要研究裂隙岩体水力剪切滑移机制、剪切-渗流-传热特性等问题。论文采用理论分析、实验探究、建立模型和数值实验相结合的方法,给出了多因素影响下的裂隙岩体剪切滑移机制及判别准则;开展了实时高温下花岗岩单轴抗压实验和实时高温下花岗岩裂隙直剪实验,得到了岩石物理力学性质及碎屑粒径分级随温度的变化规律,揭示了高温下裂隙岩体剪切滑移的力学及变形特性;为表征岩体剪切行为,提出了剪切过程中裂隙表面粗糙度退化原理,建立了裂隙岩体剪切本构模型及剪切-渗流模型,模拟了单裂隙岩体和裂隙网络岩体的剪切-渗流-传热特性,揭示了裂隙岩体在剪切过程中渗流场和温度场的演化规律;最后,基于羊八井地热田地质条件,建立了断层地热开发系统模型,并进行了生产分析,为高温地热资源开发利用提供了一种新模式。主要成果如下:（1）基于莫尔-库伦破坏准则,提出了裂隙表面粗糙度、倾角、注水压力、地应力等因素共同影响下的裂隙岩体剪切破坏准则。利用该准则,开展了裂隙网络水力剪切滑移特征分析,揭示了多因素影响下的裂隙岩体水力剪切滑移作用机理。主要成果:1)水力剪切的发生具有阶段性和突发性。在裂隙网络中,随着注水压力的增加,发生水力剪切的裂隙数量开始基本不变,然后急剧增加。2)裂隙发生水力剪切具有侧压系数依赖性;热储越深越有利于水力剪切技术的实施。3)表面粗糙度和裂隙倾角对裂隙水力剪切具有重要影响,增加注水压力并不能促使倾角较小的裂隙发生剪切破坏。（2）开展了实时高温下花岗岩单轴压缩实验和粒径分级实验,揭示了温度对抗压强度、弹性模量、破坏模式和粒径分级的影响。主要成果:1)温度的升高会弱化岩石的抗压强度和弹性模量。2)高温加剧了岩石的破碎程度。随着温度的增高,中粒碎屑整体呈现降低趋势,细粒和微粒碎屑呈现增加趋势。3)岩体的高温环境会提高水力剪切刺激效果和增强热储渗透性:一方面,温度的升高弱化了岩石物理力学性质,降低了水力剪切刺激的注水压力;另一方面,高温使岩石破碎程度加剧,内部裂隙增多,与地热流体接触面积增大。（3）研制了高温下裂隙岩体直剪试验系统,研究了裂隙表面粗糙度、法向应力、温度等因素共同影响下的裂隙岩体在剪切过程中的力学及变形特性,揭示了剪切过程中温度和粗糙度对裂隙岩体剪应力和法向位移的影响机理。主要成果:1)高温裂隙花岗岩在剪切过程中,剪应力-剪切位移曲线可分为四个阶段:应力调整阶段、应力上升阶段、峰值阶段和峰后阶段。法向位移随剪切位移的增加可分为三个阶段:位移调整阶段、位移增高阶段和稳定阶段。2)随着粗糙度的增加,剪切强度逐渐增加,最大法向位移逐渐增大。随着温度的增加,剪切强度稍有降低,最大法向位移逐渐减小。3)高温下裂隙岩体剪切破坏机制体现在三个方面:咬合断裂、摩擦碾压和凹凸体相互填充。4)水力剪切过程中,由于凹凸体咬合产生应力集中,会在原有裂隙周围产生新的拉裂隙,增加了储层有效热交换面积。（4）为表征岩体剪切行为,提出了裂隙面粗糙度退化的基本原理,建立了粗糙度退化和峰后加速退化模型,进一步建立了裂隙岩体剪切本构模型和剪切-渗流模型。以剪切过程中引起的裂隙开度变化为桥梁,在热流固耦合方程框架下建立了的裂隙岩体剪切-渗流-传热模型,并提出了相应的求解方法。（5）采用所提出的裂隙岩体剪切-渗流-传热模型,开展了单裂隙及裂隙网络的渗流-传热数值试验,揭示了裂隙岩体在剪切过程中的渗流特性和温度场演化规律。主要成果:1)基岩温度降低带分布形态与裂隙形态一致。2)水力剪切提高了裂隙渗透性,但加速降低了裂隙周围温度;实际热量提取过程中,对粗糙裂隙进行水力剪切增透效果会更好。3)水力剪切完成以后,影响提取热量的主控因素由出水口流量向出水口温度转移。4)地热生产中,“颈缩”现象制约了热量提取效率,应尽量防止“颈缩”路径的产生,尽可能形成均匀分布的裂隙网络。（6）根据羊八井地质条件,建立了断层型地热开发利用模型,对单井和多井生产进行了分析。主要成果:1)断层地热系统热储良好,具有可行性。断层近水平剪切带区域的温度为350℃450℃之间,距离岩浆囊5001000 m,该地段可视为连通的裂隙网络,形成多重U型回路,持续生产。2)出水口温度与注水速率、生产方式相关。由于远距离生产井下渗流路径长,较近距离生产在热量提取上有一定的优势。3)多井生产时,背压差大小对远距离生产井影响较大,对于近距离生产井影响较小。远距离生产井背压不宜高于近距离生产井背压,主要原因是背压高会产生低流量,使得生产井之间的不平衡进一步增加。4)保守估计,投资约3.0亿元,在羊八井地热田可建造一座30 MW的断层型地热示范工程,年发电量2.6×108kW·h。5)深部地热规模是巨大的,但是由于地热系统裂隙网络的单一性,开采出的热量是极其有限的。在实际生产中,应综合采用以下技术策略:出水井井筒做好保温、封堵最短渗流路径、适当的背压生产、均布生产系统防止地温失衡、辅以水力压裂技术丰富裂隙网络。该论文有图106幅,表10个,参考文献207篇。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• abstract
• 变量注释表
• 1 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 研究意义
•   1.3 国内外研究现状
•   1.4 研究内容及技术路线
• 2 裂隙岩体剪切滑移机制
•   2.1 裂隙岩体剪切滑移判别准则
•   2.2 基于Monte-Carlo法的裂隙网络生成
•   2.3 裂隙网络岩体剪切滑移机制及特征分析
•   2.4 本章小结
• 3 实时高温下花岗岩物理力学特性实验研究
•   3.1 试样制备及实验方法
•   3.2 高温下花岗岩抗压强度和弹性模量
•   3.3 破坏模式及粒径分级特征
•   3.4 本章小结
• 4 高温裂隙岩体直剪实验研究
•   4.1 试样选取及制备
•   4.2 试验系统和实验方法
•   4.3 常温下完整花岗岩剪切特性
•   4.4 温度和粗糙度对花岗岩裂隙剪应力和法向位移的影响
•   4.5 热力耦合下裂隙岩体剪切曲线基本形态及破坏机制
•   4.6 热力耦合下裂隙岩体剪切破坏特征
•   4.7 本章小结
• 5 裂隙岩体剪切-渗流-传热模型
•   5.1 裂隙面摩擦系数影响因素分析
•   5.2 基于粗糙度退化的裂隙剪切本构模型
•   5.3 基于粗糙度退化的裂隙剪切渗流模型
•   5.4 基于粗糙度退化的剪切本构模型参数分析
•   5.5 裂隙岩体剪切-渗流-传热模型及其特点
•   5.6 本章小结
• 6 裂隙岩体剪切-渗流-传热模拟研究
•   6.1 热物理力学参数的确定
•   6.2 单裂隙渗流传热分析
•   6.3 剪切作用下单裂隙岩体渗流传热分析
•   6.4 剪切作用下裂隙网络渗流传热分析
•   6.5 本章小结
• 7 断层地热开发系统及生产分析
•   7.1 羊八井地质概况
•   7.2 F-EGS生产系统模型及渗流-传热稳态转非稳态求解策略
•   7.3 F-EGS地热生产分析
•   7.4 本章小结
• 8 结论与展望
•   8.1 结论
•   8.2 论文创新点
•   8.3 不足与展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张洪伟

导师: 万志军

关键词: 深部开采,深部地热资源开发,裂隙岩体,剪切

来源: 中国矿业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 中国矿业大学

基金: 国家自然科学基金项目(51674242),中央高校基本业务费(2017CXNL01,2017XKZD06),江苏省优势学科建设工程项目

分类号: P314

DOI: 10.27623/d.cnki.gzkyu.2019.000049

总页数: 184

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