增强型地热系统热储层的流阻模型分析

Enhanced geothermal system (EGS) has been becoming a major developing direction for the exploitation of geothermal energy. A detailed study on the structural characteristics in the subsurface heat reservoir is of critical importance to the design and construction of an EGS. This project is aimed to develop a flow resistance model, in which the meandering flow path consisting of fractures is simplified to be an equivalent flow resistance network, with which to explore or deduce the interior structural characteristics of the heat reservoir. We will conduct laboratory-scale hot dry rock geothermal heat mining experiments. Acoustic emission data during hydraulic fracturing of rocks and data obtained from fluid circulation tests will be used to instruct the model establishment, to calibrate and validate the developed model. The validated model will be further used to analyze the heat reservoir of a practical EGS, such as Soultz EGS. With the help of the published microseismic monitoring and fluid circulation data, we attempt to deduce quantitative structural parameters of the heat reservoir, including the quantity of fractures, fracture location, fracture length and aperture, and etc.

增强型地热系统（EGS）可能成为地热能开发利用的主要方向。研究地下热储内裂隙结构特征对于增强型地热系统的建设具有重要意义。本项目拟开发流阻分析模型，将复杂裂隙通道简化为等效流阻网络，对热储内传热传质过程进行模拟分析，通过流阻模型的有效构建以及参数反演来探究热储内部裂隙结构。开展实验室规模的干热岩模拟开采试验，以声发射监测数据和采热循环数据校验和指导流阻模型的开发，建立通过模型结果推演热储裂隙结构的有效方法。还拟将该方法应用于典型EGS野外试验场，借助微震监测数据和水热测试数据构建热储流阻模型，通过模型计算和分析获得热储内裂隙数目、裂隙开度、长度和位置等量化信息。

本项目搭建实验室规模的小型综合试验系统，对增强型地热系统的地下过程进行仿真试验研究。成功进行了水力激发实验，并且监测了裂隙生成过程，获得了有效的水力连通热储层。分别在定压和定流量条件下进行了水力循环测试，结果表明，裂隙的渗流能力随着注水条件而变化，反映了裂隙结构的不稳定。流量和压力越大，热储层的渗流能力越强，流量和压力的减小会导致热储层裂隙的收缩从而降低渗流能力。本项目的试验结果表明，从改善热储层水力特性的角度考虑，应当在较大的压力条件下对具有一定渗流能力的裂隙结构进行加固处理。本项目搭建的小型综合试验系统从一定程度上验证了用仿真实验研究干热岩采集的可行性，为干热岩的研究方法提供一种学术参考。. 本项目也成功开发了热储层流阻网络模型，耦合了热储层的裂隙数目、长度、开度等结构参数，研究了实际热储层（Soultz EGS）的水力特征。研究结果表明，各种结构特征的热储层都可以转化为相似结构的流阻网络模型，热储层的总流阻受模型级数和赋值方式的影响较小，而与裂隙总数呈现出线性递增的关系。通过拟合的线性关系式，成功的推算了Soultz EGS的热储层渗流裂隙数目，并对其结构进行了分析。最终将仿真实验的数据和流阻网络模型相结合，推算了人工热储层裂隙开度。该模型分析方法可为热储层的裂隙结构研究提供新的理论指导。