我國(guó)為地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展提供有利支持，使地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)進(jìn)入發(fā)展的快車道。我國(guó)中深層地?zé)衢_(kāi)發(fā)的兩類基本熱儲(chǔ)包括傳統(tǒng)的水熱型和干熱巖型。傳統(tǒng)的水熱型地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟，目前的技術(shù)難題在于砂巖熱儲(chǔ)的自然回灌效率較低。干熱巖與天然氣水合物被并稱為具有重要意義的未來(lái)能源，但高效開(kāi)發(fā)干熱巖中的能源具有挑戰(zhàn)性，國(guó)際上已開(kāi)展30多項(xiàng)示范工程項(xiàng)目，盡管已逐漸積累干熱巖熱儲(chǔ)建造和開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和差異性等，單個(gè)項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)無(wú)法直接復(fù)制應(yīng)用到下一個(gè)項(xiàng)目中，且干熱巖工程項(xiàng)目初期投資大，而目前的經(jīng)濟(jì)性較低，導(dǎo)致干熱巖的開(kāi)發(fā)進(jìn)展緩慢。

能否開(kāi)發(fā)干熱巖取決于建立大體積人工熱儲(chǔ)(>1km3)的能力，其需要產(chǎn)生大規(guī)模的裂隙網(wǎng)絡(luò)，既保證有大面積的換熱通道進(jìn)行長(zhǎng)期的熱能提取，又避免采熱井發(fā)生過(guò)早的熱突破而導(dǎo)致采熱效率降低。在深井(約>5000米)、高溫(>150°C)和高地應(yīng)力的硬巖(即花崗巖)中建造復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，取決于壓裂前地層中天然裂縫分布、地溫場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和巖石物性等特征和熱儲(chǔ)激發(fā)技術(shù)和激發(fā)方案。

水力壓裂改造前干熱巖儲(chǔ)層中裂縫系統(tǒng)分布和地溫場(chǎng)的合理表征，影響熱儲(chǔ)激發(fā)中裂縫的擴(kuò)展和裂縫網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所結(jié)合基于多源數(shù)據(jù)(包括地震、測(cè)井、鉆井等)融合的地質(zhì)建模和參數(shù)隨機(jī)反演，提出強(qiáng)邊界約束的區(qū)塊尺度熱儲(chǔ)預(yù)測(cè)方法(圖1)，為熱儲(chǔ)的水力壓裂改造提供地質(zhì)模型。

針對(duì)現(xiàn)有水力壓裂商業(yè)軟件大多無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜不同級(jí)別天然裂縫存在情況下的水力壓裂縫扭轉(zhuǎn)、相交和穿越等的模擬，基于擬連續(xù)介質(zhì)理論，考慮復(fù)雜縫網(wǎng)擴(kuò)展、井-縫-孔多重介質(zhì)多相滲流、傳熱傳質(zhì)和熱-流-固多場(chǎng)耦合響應(yīng)等物理過(guò)程，研究人員與重慶大學(xué)合作開(kāi)發(fā)出基于FLAC3D平臺(tái)的裂隙巖體多物理場(chǎng)耦合的水力裂縫擴(kuò)展三維數(shù)值仿真模擬程序，可實(shí)現(xiàn)在不同級(jí)別天然裂縫和非均質(zhì)性地層中水力裂縫的扭轉(zhuǎn)、相交和穿越等的數(shù)值模擬;開(kāi)發(fā)的基于CPU和GPU異構(gòu)的并行計(jì)算程序，可實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)強(qiáng)耦合條件下百萬(wàn)級(jí)自由度數(shù)值仿真計(jì)算的高效和精確求解，已應(yīng)用于復(fù)雜天然裂縫存在條件下干熱巖和頁(yè)巖等的水力壓裂儲(chǔ)層改造二維和三維數(shù)值模擬研究中(圖2、圖3)，實(shí)現(xiàn)干熱巖水力壓裂儲(chǔ)層改造效果快速產(chǎn)能評(píng)價(jià)的仿真模擬(圖4)。

針對(duì)傳統(tǒng)單一水力壓裂技術(shù)難以在干熱巖內(nèi)建立有效裂縫網(wǎng)絡(luò)的難題，研究人員提出冷水交替熱刺激-基質(zhì)化學(xué)刺激-水力壓裂聯(lián)合的復(fù)合熱儲(chǔ)體積改造技術(shù)，揭示熱刺激、化學(xué)刺激對(duì)干熱巖微觀損傷的破壞機(jī)理，熱刺激和基質(zhì)化學(xué)刺激可使干熱巖的滲透能力提高5個(gè)數(shù)量級(jí)以上，且力學(xué)強(qiáng)度具有不同程度損傷(圖5)。在復(fù)合刺激工藝流程方面，可先冷水交替循環(huán)注入刺激使壓裂井段周圍產(chǎn)生熱破裂，低溫下注入土酸進(jìn)行酸化刺激以擴(kuò)大微破裂的區(qū)域，繼而開(kāi)展高壓水力壓裂改造形成主裂縫和次級(jí)裂縫區(qū)，進(jìn)一步開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)間的低壓水力壓裂，以增大刺激裂縫和微裂縫通道。目前，干熱巖復(fù)合熱儲(chǔ)刺激工藝處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，下一步研究人員將在場(chǎng)地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Geothermal Energy和Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering等上，武漢巖土所副研究員劉賀娟為論文第一作者。

圖1.不同底邊界約束條件下區(qū)塊尺度含復(fù)雜裂縫的熱儲(chǔ)層熱模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較

圖2.不同水力壓裂改造方式在含天然裂縫巖體中產(chǎn)生的二維裂縫網(wǎng)絡(luò)

圖3.含天然裂縫巖體中地應(yīng)力對(duì)水力壓裂改造形成的三維裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的影響

圖4.不同水力壓裂改造形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的地?zé)衢_(kāi)采溫度場(chǎng)變化

圖5.熱刺激和化學(xué)刺激引起的干熱巖滲透性能變化和力學(xué)強(qiáng)度損傷特征