增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)水力壓裂與雙井連通實(shí)驗(yàn)仿真研究*

郭 劍，王亦偉，曹文炅，蔣方明

（中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640）

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)水力壓裂與雙井連通實(shí)驗(yàn)仿真研究*

郭 劍，王亦偉，曹文炅，蔣方明?

（中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640）

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced Geothermal System, EGS）作為未來新能源和清潔能源利用的一個(gè)重要方向，受到了世界各國的廣泛關(guān)注。一直以來，野外試驗(yàn)場的工程實(shí)踐和數(shù)值模擬分析是進(jìn)行EGS研究的兩種主要方式。本文通過實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小型試驗(yàn)系統(tǒng)，對EGS的水力壓裂、裂隙監(jiān)測、生產(chǎn)井定位和注水測試進(jìn)行了仿真，成功實(shí)現(xiàn)了注入井-熱儲層-生產(chǎn)井的水力連通，分別以定井口壓力和定注水流量進(jìn)行水力測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，熱儲層的裂隙開度會隨著水力特性而發(fā)生變化，注水壓力較大時(shí)熱儲層的裂隙具有更大的開度和滲流能力。從提升熱儲層經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，實(shí)踐中應(yīng)當(dāng)在較大注水壓力時(shí)對熱儲裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)；干熱巖；地?zé)崮?；仿真試?yàn)

0 引 言

隨著世界范圍內(nèi)能源危機(jī)日益嚴(yán)重，尋找環(huán)境友好型的新型清潔能源已經(jīng)成為世界各國的研究焦點(diǎn)，增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)作為未來新能源利用的一個(gè)重要方向，正獲得世界各國的廣泛關(guān)注。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)是指采用高壓水力壓裂等方法，向地下3～10 km深處的干熱巖體（Hot Dry Rock, HDR）鉆井壓裂形成多裂隙人工熱儲層，并構(gòu)建注入井和生產(chǎn)井循環(huán)回路來提取熱能供發(fā)電使用[1,2]。

干熱巖地?zé)豳Y源儲量巨大，而且具有穩(wěn)定、連續(xù)、清潔、可再生等優(yōu)勢[2,3]。歐美等發(fā)達(dá)國家自從20世紀(jì) 70年代便開始了干熱巖地?zé)豳Y源采集技術(shù)的研究，相繼建立了多座野外試驗(yàn)場或示范電站，例如美國的Fenton Hill EGS、法國的Soultz EGS、英國的Rosemanowes EGS等。經(jīng)過近40年的發(fā)展，EGS在鉆井探測、水力壓裂、人造熱儲、采熱循環(huán)等許多方面取得了重大進(jìn)展，但仍存在一些關(guān)鍵的技術(shù)問題阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用。如何通過水力壓裂形成可供開采的有效熱儲層是EGS亟待解決的關(guān)鍵問題之一，有賴于跨學(xué)科、多方式的綜合研究。

建立野外試驗(yàn)場進(jìn)行工程實(shí)際研究是EGS研究的直接方式，Soultz EGS產(chǎn)生了豐富的研究成果。目前，通過井探數(shù)據(jù)[4-10]研究，Soultz地區(qū)的6口井下一共確定了39個(gè)裂隙區(qū)域[4,7,9]，按照滲流能力的高低劃分為3個(gè)級別：一級（Level I）為主要裂隙區(qū)域，在鉆井過程中伴隨著嚴(yán)重的泥漿損失現(xiàn)象，在水力激發(fā)之前已具有一定的滲流能力，水力激發(fā)之后具有較高的滲流能力；二級（Level II）和三級（Level III）裂隙區(qū)域在水力激發(fā)時(shí)顯示了20%以下的水流損失，水力激發(fā)之后的滲流能力也較低。按照不同的深度范圍可將這39個(gè)裂隙區(qū)域劃歸為3個(gè)群集[11,12]：實(shí)際垂直深度（True vertical depth, TVD） 1 800～2 000 m的Cluster I，TVD 3 000～3 400 m的Cluster II和TVD 4 500～5 000 m的Cluster III。Cluster I包含Level I的具有一定滲透率的主要裂隙區(qū)域，Cluster II雖未包含Level I的裂隙區(qū)域，但由于普遍而強(qiáng)烈的蝕變，該區(qū)域具有大量中小尺度的裂隙，并且導(dǎo)致巖體弱化，從而易于受水力激發(fā)提高滲透率[13]。1997年的水力循環(huán)試驗(yàn)表明GPK1井和GPK2井通過Cluster II區(qū)域形成了良好的連通[14]。Cluster III所在的巖層也具有一定低程度的普遍蝕變，該區(qū)域也是目前熱儲層底部主要的水力通路。

除了建設(shè)野外試驗(yàn)場，數(shù)值模擬因成本低、靈活性大和適用范圍廣等特點(diǎn)也是EGS研究的重要方法。一個(gè)有效的熱儲層是由眾多相互連通的裂隙帶構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，如何構(gòu)建熱儲層的數(shù)值模型并對熱量傳遞過程（Thermal-T）、流體流動(dòng)過程（Hydraulic-H）、力學(xué)過程（Mechanical-M）和化學(xué)過程（Chemical-C）進(jìn)行THMC耦合計(jì)算是EGS數(shù)值模擬研究的主要問題[15,16]。目前THMC多場耦合技術(shù)已經(jīng)比較完善，一些學(xué)者較成功地研究了各個(gè)過程的耦合問題[17-20]。在熱儲層模型構(gòu)建方面，目前各學(xué)者采用的模型主要有規(guī)則裂隙網(wǎng)絡(luò)模型[21]、隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)模型[22]和等效多孔介質(zhì)模型等。其中，多孔介質(zhì)模型由于處理簡便而被廣泛采用。一般的單孔隙模型在模擬從熱儲層吸熱時(shí)都把巖石和流體之間假設(shè)為瞬態(tài)熱平衡，計(jì)算結(jié)果一般會高估產(chǎn)熱量。熱非平衡模型[23]、雙孔隙及多孔隙模型[24,25]、雙能量方程模型[26,27]等均能夠在一定程度上更好地模擬巖石和流體間的局部熱交換。

目前EGS面臨的關(guān)鍵問題是：如何在HDR內(nèi)形成有效的人工熱儲層，并讓注入井和生產(chǎn)井經(jīng)由熱儲層裂隙網(wǎng)絡(luò)達(dá)成良好的連通路徑？解決這個(gè)關(guān)鍵問題需要借助于多種方法。野外試驗(yàn)場的研究雖然可以在這方面提供最直接和可靠的工程經(jīng)驗(yàn)，但是需要投入極高的成本，而且不同試驗(yàn)場的研究結(jié)論由于地質(zhì)條件的不同而缺乏普遍適用性。此外，由于地質(zhì)勘探方式的局限，熱儲層內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)難以獲得準(zhǔn)確認(rèn)知，使得這些野外試驗(yàn)場的工程經(jīng)驗(yàn)無法提升為有效的技術(shù)理論。數(shù)值模擬研究雖然簡便易行，能獲得更廣泛的研究結(jié)論，但其本身需要試驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究支持和結(jié)果驗(yàn)證，缺乏一定的可信度。這兩種方法并不能有效地解決目前EGS面臨的關(guān)鍵問題。

為此，一些學(xué)者開創(chuàng)了第三種方法，即建立實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小型EGS綜合試驗(yàn)系統(tǒng)，可以模擬水力壓裂、裂隙監(jiān)測、采熱循環(huán)等過程，進(jìn)行EGS仿真實(shí)驗(yàn)研究[28,29]。該仿真試驗(yàn)系統(tǒng)具有操控性好、靈活性大和花費(fèi)少等優(yōu)勢，能夠?yàn)镋GS的關(guān)鍵問題提供有效的理論指導(dǎo)。本文通過實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小型EGS試驗(yàn)系統(tǒng)對EGS的水力壓裂、裂隙監(jiān)測、熱儲的注水測試等過程進(jìn)行仿真模擬，一方面嘗試EGS仿真試驗(yàn)研究的可行性，同時(shí)研究人工熱儲層的裂隙特征和水力特性，為EGS的建設(shè)提供參考。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

搭建的EGS仿真試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。根據(jù)各野外試驗(yàn)場的井探研究，干熱巖的成分以花崗巖為主，因此本試驗(yàn)系統(tǒng)以0.40 m×0.40 m×0.48 m的方形花崗巖塊 1模擬干熱巖地?zé)豳Y源，置于防護(hù)容器2中。注入井3和生產(chǎn)井4以內(nèi)徑Φi=6 mm、外徑Φo=12 mm和長L=0.3 m的不銹鋼圓管制作。注入井以Li=0.2 m的深度插入巖石中，通過環(huán)氧樹脂膠與巖石實(shí)現(xiàn)高壓密封連接，其鉆井位置如圖2所示。試驗(yàn)工質(zhì)為21°C恒溫的純凈水，盛于儲液箱5中，通過高壓注射泵輸送至注入井 3，高壓水力作用將巖石壓裂，使巖石內(nèi)部形成可滲流裂隙結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)井4和注入井3通過滲流裂隙實(shí)現(xiàn)水力連通，工質(zhì)從注入井3流經(jīng)巖石內(nèi)部裂隙之后由生產(chǎn)井4采集出來，排出系統(tǒng)。高壓注射泵6采用Teledyne ISCO公司的65DM系列雙泵系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)0.000 01 mL/min到25 mL/min的連續(xù)流量輸送，最大可提供10 000 psi（約69 MPa）的流體壓力。水力壓裂過程中巖石內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)的生成由八通道的聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)7獲得，聲發(fā)射系統(tǒng)的八個(gè)傳感器安置于巖石的表面，如圖2所示，傳感器采集的聲源信號由計(jì)算機(jī)8處理之后可以監(jiān)測裂隙的生成并獲得最終裂隙結(jié)構(gòu)。用聲發(fā)射系統(tǒng)檢測裂隙結(jié)構(gòu)的原理是：巖石內(nèi)部壓裂時(shí)產(chǎn)生的聲波信號被傳感器采集，根據(jù)各個(gè)傳感器采集到的信號到達(dá)時(shí)間關(guān)系，計(jì)算出聲源所在的坐標(biāo)，從而推測巖石內(nèi)部裂隙的結(jié)構(gòu)。

圖1 EGS仿真試驗(yàn)系統(tǒng)圖1 花崗巖塊；2 防護(hù)容器；3 注入井；4 生產(chǎn)井；5 儲液箱；6 高壓注射泵；7 聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)；8 計(jì)算機(jī)Fig. 1 Schematic of experimental system 1 granite rock; 2 protective container; 3 injection well; 4 production well; 5 reservoir tank; 6 syringe pump; 7 acoustic emission detector; 8 computer

圖2 巖石結(jié)構(gòu)以及傳感器、鉆井位置分布圖：以巖石一角為坐標(biāo)原點(diǎn)o，巖石在xyz方向的尺寸分別為0.4 m，0.4 m和0.48 m；1到8為8個(gè)傳感器的布置點(diǎn)；9為注入井的鉆井位置，井口坐標(biāo)為（0.21, 0.2, 0.48）；10為生產(chǎn)井的鉆井位置，井口坐標(biāo)為（0.35, 0.25, 0.48）Fig. 2 Schematic of the rock which show the positions of the sensors and wells: the sizes of rock are 0.4 m, 0.4 m and 0.48 m inx,yandzdirections; sensors remarked with 1 to 8; the injection and production wells remarked with 9 (0.21, 0.2, 0.48) and 10 (0.35, 0.25, 0.48) respectively

1.2 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)分為水力壓裂試驗(yàn)和注水試驗(yàn)兩個(gè)過程，先通過水力壓裂試驗(yàn)獲得所需的人工熱儲層，再以此人工熱儲層進(jìn)行注水試驗(yàn)，研究其水力特征。對于水力壓裂試驗(yàn)，先將注入井3插入到巖石內(nèi)部并通過環(huán)氧樹脂膠密封接合。再接入高壓注射泵6，設(shè)定一定的流量向巖石內(nèi)部注入流體工質(zhì)。成功進(jìn)行水力壓裂之后，通過聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)獲得的巖石內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)，在巖石上表面選取合適的位置鉆孔并安裝生產(chǎn)井 4，進(jìn)行注入井-熱儲層-生產(chǎn)井的注水測試。試驗(yàn)中，工質(zhì)的傳輸采用定流量和定壓力兩種方案，分別調(diào)節(jié)工質(zhì)的流量和注入井的注水壓力，全面研究熱儲層的水流量-壓力特性。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水力壓裂

水力壓裂試驗(yàn)分兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段注射泵以2 mL/min的定流量從注入井向巖石內(nèi)部注水，隨著井口壓力的逐漸上升，持續(xù)注水約15 min之后，井口壓力上升至21 MPa之后開始驟降至13 MPa，聲發(fā)射監(jiān)測儀開始檢測到裂隙聲波信號，表明巖石內(nèi)部開始有裂隙生成，之后關(guān)閉注射泵停止注水，這一階段聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，在高壓水力作用下從注入井的底部開始有裂隙生成。從聲源位置結(jié)構(gòu)判斷，裂隙從井底生成開始向各個(gè)方向均有所擴(kuò)展，但主要擴(kuò)展方向?yàn)閤軸正方向，略向y軸正方向偏離。由于此次壓裂的裂隙范圍較小，因此重啟注射泵開始第二階段的水力壓裂，以1 mL/min的定流量繼續(xù)向巖石內(nèi)部注水，井口壓力再度上升至20 MPa，聲發(fā)射監(jiān)測儀再次檢測到裂隙生成的聲波信號，這一壓裂過程持續(xù)3 min之后停止注水，最終聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

比較圖4和圖3可以發(fā)現(xiàn)，第二階段的裂隙在第一階段的基礎(chǔ)上繼續(xù)擴(kuò)張，向各個(gè)方向均有更大范圍的裂隙生成?？梢钥闯鰞蓚€(gè)明顯的變化趨勢：一，裂隙沿著原來的主要方向（x軸正方向，略向y軸正方向偏離）繼續(xù)行走，最終斜向接近巖石表面；二，裂隙從原來的井底附近向更深的區(qū)域有所擴(kuò)展。聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果表明，這兩次水力壓裂在注入井向x軸正方向的巖石區(qū)域產(chǎn)生了一些裂隙結(jié)構(gòu)，并且存在一條主要的裂隙通道，其路徑是從注入井底部開始沿x軸偏y軸向巖石表面和深層擴(kuò)展。

圖3 第一次水力壓裂試驗(yàn)聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果（a）沿y軸正方向視圖；（b）沿x軸負(fù)方向視圖；（c）沿z軸負(fù)方向視圖；（d）立體效果視圖Fig. 3 Cloud pictures of acoustic sources during the first hydraulic fracturing process (a) view of positivey; (b) view of minusx; (c) view of minusz; (d) three-dimensional view

圖4 第二次水力壓裂試驗(yàn)聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果（a）沿y軸正方向視圖；（b）沿x軸負(fù)方向視圖；（c）沿z軸負(fù)方向視圖；（d）立體效果視圖Fig. 4 Cloud pictures of acoustic sources during the second hydraulic fracturing process (a) view of positivey; (b) view of minusx; (c) view of minusz; (d) three-dimensional view

2.2 熱儲層水力特性測試

為了實(shí)現(xiàn)從注入井經(jīng)熱儲層到生產(chǎn)井的水力連通，生產(chǎn)井的鉆井位置選在這條裂隙通道上，最終在圖2所示的位置鉆了0.3 m深的井孔并安裝生產(chǎn)井，從生產(chǎn)井采集到了流體工質(zhì)。試驗(yàn)按兩種注水條件進(jìn)行，一種是定注入井口壓力，另一種是定注入井口流量。定壓條件下，先給定7 MPa的壓力，然后按0.5 MPa的階梯依次遞減至1 MPa，再按照相同階梯遞增至7 MPa，每一次壓力調(diào)節(jié)穩(wěn)定之后記錄流體流量，所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。從圖5可見，工質(zhì)的流量隨著井口壓力的增大而增大，高壓（4 MPa以上）時(shí)增幅比低壓時(shí)大，兩組數(shù)據(jù)都反映了相同的規(guī)律。比較圖5的兩組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，壓力從高遞減，再從低遞增之后，后者所獲得的流量比前者有一定的減少，高壓時(shí)相差更為明顯。以上現(xiàn)象可能是熱儲層內(nèi)裂隙開度的變化導(dǎo)致的。一方面，裂隙的開度會隨著注水壓力的增大而增大，也即高壓力條件使得裂隙具有更大的滲流能力，因此流量在高壓時(shí)增幅比低壓時(shí)更大。另一方面，初始即施加高壓使得裂隙張開一定程度，隨著壓力的遞減而收縮之后，再逐漸增大壓力時(shí)裂隙的開度會比從高壓遞減時(shí)要小，因此反映在圖5中即是兩組流量的差異。

圖5 定壓注水測試流量-壓力關(guān)系Fig. 5 The flow rate varies with the pressure of constant pressure injection tests

圖6為定壓注水的滲透率隨壓力的變化。滲透率K根據(jù)達(dá)西定律采用下式計(jì)算：

式中，μ為工質(zhì)動(dòng)力粘性系數(shù)，根據(jù)工質(zhì)溫度取值為1.003×10–3kg·m–1·s–1；L為注入井和生產(chǎn)井的水平距離，本試驗(yàn)中其值為0.15 m；Q為注入井到生產(chǎn)井的工質(zhì)流量，由試驗(yàn)測得；A為熱儲層的橫截面積，根據(jù)試驗(yàn)巖石尺寸，取值為0.4 m×0.48 m；ΔP為注入井和生產(chǎn)井井口壓力之差，注入井井口壓力即為注射泵提供的壓力，生產(chǎn)井井口壓力取大氣壓0.101 MPa。從圖6可以看出，熱儲層的滲透率隨著注水壓力的增大而增大，而且在壓力遞減時(shí)大于壓力遞增時(shí)，反映了裂隙開度隨著注水壓力而變化。

圖6 定壓注水測試滲透率-壓力關(guān)系Fig. 6 The permeability varies with the pressure of constant pressure injection tests

圖7和圖8給出了定流量測試的結(jié)果。初始給定流量為2.6 mL/min，然后按0.2 mL/min的階梯依次遞減至0.2 mL/min，再以相同階梯遞增至2.6 mL/min，每一次流量調(diào)節(jié)穩(wěn)定之后記錄注水壓力。定流量測試下所反映的裂隙的開度隨著流量的變化規(guī)律與定壓測試下基本一致，流量遞減時(shí)的壓力小于之后流量遞增時(shí)的壓力，表明前者比后者具有更大的裂隙開度，圖8的兩組滲透率數(shù)據(jù)比較也反映了這點(diǎn)。

圖7 定流量注水測試壓力-流量關(guān)系Fig. 7 The pressure varies with the flow rate of constant flow rate injection tests

圖8 定流量注水測試滲透率-流量關(guān)系Fig. 8 The permeability varies with the flow rate of constant flow rate injection tests

圖9將定壓測試和定流量測試的數(shù)據(jù)綜合成流量-壓力關(guān)系圖進(jìn)行比較?？梢园l(fā)現(xiàn)，注水壓力在3 MPa以下時(shí)，各種測試條件的流量基本相同，表明此時(shí)的壓力條件對裂隙的開度并未造成影響。注水壓力在3 MPa以上時(shí)，各組流量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出差異，除了壓力遞減的一組，其他三組的數(shù)據(jù)差異也較小，而且壓力遞增和流量遞增這兩組的數(shù)據(jù)曲線幾乎重合，表明這兩組測試時(shí)的裂隙開度變化比較一致。以上的試驗(yàn)結(jié)果表明，在巖石壓裂形成熱儲層之后，其裂隙的開度并不穩(wěn)定，會隨著注水壓力作用而發(fā)生變化，在注水壓力較低的情況下會發(fā)生裂隙收縮現(xiàn)象。因此，為了提升熱儲層的經(jīng)濟(jì)性，增大裂隙的開度和滲流能力，需要采取一定的措施對熱儲層進(jìn)行加固處理。目前Soultz EGS采用了支撐劑配送的方式[1]，也正是基于加固熱儲層的目的。

圖9 定壓和定流量測試數(shù)據(jù)綜合圖Fig. 9 The flow rate varies with the pressure of all tests

3 結(jié)論與展望

（1）本文嘗試通過實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小型綜合試驗(yàn)系統(tǒng)對增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的地下過程進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究，成功實(shí)現(xiàn)了對巖石內(nèi)部的高壓水力壓裂并且對水力壓裂過程中的裂隙生成過程以及最終結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，獲得了有效的多裂隙網(wǎng)絡(luò)熱儲層，成功選取了生產(chǎn)井的鉆井位置并且從生產(chǎn)井采集到了流體工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了注入井-熱儲層-生產(chǎn)井的水力學(xué)連通。

（2）分別在定壓和定流量條件下進(jìn)行了注水試驗(yàn)，結(jié)果表明裂隙的開度隨著注水壓力或流量的變化而變化，在高注水壓力時(shí)裂隙的開度更大，而注水壓力減小會導(dǎo)致裂隙開度的收縮。因此，為了提升熱儲層的經(jīng)濟(jì)性，提高裂隙的滲流能力，應(yīng)當(dāng)在較大的壓力條件下對具有一定開度的裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。

（3）實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的EGS小型綜合試驗(yàn)系統(tǒng)具有操控性好、靈活性大、花費(fèi)少等優(yōu)勢，可以方便地更換巖石材料進(jìn)行研究，獲得的成果具有更大地區(qū)范圍的借鑒意義。而且由于實(shí)驗(yàn)成本小和靈活性高，可以為數(shù)值模擬提供更豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，促進(jìn)數(shù)值模擬方法的完善和準(zhǔn)確性的提高。可以預(yù)計(jì)，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的綜合實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究的緊密結(jié)合將會作為重要的研究方式出現(xiàn)在未來的EGS研究中。

[1] Tester J W, Anderson B J, Batchelor A S, et al. The future of geothermal energy: Impact of enhanced geothermal systems (EGS) on the united states in the 21st century[R]. Massachusetts Institute of Technology, 2006.

[2] 張建英. 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)資源開發(fā)利用研究[J].中國能源, 2011, 33(1): 29-37.

[3] 汪集暘, 胡圣標(biāo), 龐忠和, 等. 中國大陸干熱巖地?zé)豳Y源潛力評估[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2012, 30(32): 25-31.

[4] Genter A, Cuenot N, Dezayes C, et al. How a better characterization of a deep crystalline reservoir can contribute to improve EGS performance at Soultz[C]//1st European Geothermal Review. Mainz, Germany: Geothermal Energy for Electric Power Production, 2007: 34-40.

[5] Valley B, Dezayes C, Genter A. Multiscale fracturing in the Soultz-sous-Forets basement from borehole image analyses[C]//Proceedings EHDRA Scientific Conference. Soultz-sous-Forets, France: EHDRA, 2007: EP6-WP5.

[6] Dezayes C, Genter A, Valley B. Structure of the low permeable naturally fractured geothermal reservoir at Soultz[J]. Geoscience, 2009, 342(7): 517-530.

[7] Dezayes C, Genter A, Valley B. Overview of the fracture network at different scales within the granite reservoir of the egs Soultz site (Alsace, France)[C]//Proceedings World Geothermal Congress. Bali, Indonesia: EHDRA, 2010.

[8] Sausse J, Dezayes C, Genter A. Characterization of fracture connectivity and fluid flow pathways derived from geological interpretation and 3D modelling of the deep seated EGS reservoir of Soultz (France)[C]//33rd Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. Stanford, California, USA: Stanford University, 2008.

[9] Castera J, Dezayes C, Calcagno P. Large-scale 3D geological model around the Soultz site[C]//Proceedings of the EHDRA scientific conference. Soultz-sous-Forets, France: EHDRA, 2008.

[10] Sausse J, Dezayes C, Dorbath L, et al. 3D model of fracture zones at Soultz-sous-Forets based on geological data, image logs, induced microseismicity and vertical seismic profiles[J]. Comptes Rendus of Geoscience, 2010, 342(7): 531-545.

[11] Dezayes C, Genter A, Gentier S. Fracture network of the EGS Geothermal Reservoir at Soultz-sous-Forêts (Rhine Graben, France)[C]//Geothermal Resources Council Transactions. California, USA: Palm Springs, 2004.

[12] Genter A, Castaing C, Dezayes C, et al. Comparative analysis of direct (core) and indirect (borehole imaging tools) collection of fracture data in the Hot Dry Rock Soultz reservoir (France)[J]. Journal of Geophysical Research, 1997, 102(B7): 15419-15431.

[13] Hooijkaas G R, Genter A, Dezayes C. Deepseated geology of the granite intrusions at the Soultz EGS site based on data from 5 km-deep boreholes[J]. Geothermics, 2006, 35(5/6): 484-506.

[14] Bruel D. Impact of induced thermal stress during circulation tests in an engineered fractured geothermal reservoir[J]. Oil & Gas Science and Technology, 2002, 57(5): 459-470.

[15] 王曉星, 吳能友, 張可霓, 等. 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)開發(fā)過程中的多場耦合問題[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2012, 39(2): 126-130.

[16] 王曉星, 吳能友, 蘇正, 等. 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)數(shù)值模擬研究進(jìn)展[J]. 可再生能源, 2012, 30(9): 90-94.

[17] Kohl T, Megel T. Coupled hydro-mechanical modelling of the GPK3 reservoir stimulation at the European EGS site Soultz-sous-Forets[C]//30th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. Stanford, California, USA: Stanford University, 2005.

[18] Kohl T, Megel T. Predictive modeling of reservoir response to hydraulic stimulations at the European EGS site Soultz-sous-Forets[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2007, 44(8): 1118-1131.

[19] Taron J, Elsworth D, Min K B. Numerical simulation of thermal-hydrologic- mechanical-chemical processes in deformable, fractured porous media[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2009, 46(5): 842-854.

[20] Taron J, Elsworth D. Coupled mechanical and chemical processes in engineered geothermal reservoirs with dynamic permeability[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2010, 47(8): 1339-1348.

[21] Hicks T W, Pines R J, Willis-Richards J, et al. A hydro-thermo-mechanical numerical model for HDR geothermal reservoir evaluation[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 1996, 33(5): 499-511.

[22] Kolditz O, Clauser C. Numerical simulation of flow and heat transfer in fractured crystalline rocks: application to the Hot Dry Rock site in Rosemanowes (U.K.)[J]. Geothermics, 1998, 27: 1-23.

[23] Shaik A R, Rahman S S, Tran N H, et al. Numericalsimulation of fluid-rock coupling heat transfer in naturally fractured geothermal system[J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31(10): 1600-1606.

[24] Yang Y, Yeh H. Modeling heat extraction from hot dry rock in a multi-well system[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29(8/9): 1676-1681.

[25] Kalinina E, McKenna S, Hadgu T, et al. Analysis of the effects of heterogeneity on heat extraction in an EGS represented with the continuum fracture model[C]//37th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. Stanford, California, USA: Stanford University, 2012.

[26] Jiang F, Luo L, Chen J. A novel three-dimensional transient model for subsurface heat exchange in enhanced geothermal systems[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2013, 41(1): 57-62.

[27] 陳繼良, 蔣方明. 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)熱開采過程的數(shù)值模擬研究[J]. 新能源進(jìn)展, 2013, 1(2): 187-195.

[28] Frash L, Gutierrez M. Development of a new temperature controlled true-triaxial apparatus for simulating enhanced geothermal systems (EGS) at the laboratory scale[C]//37th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. Stanford, California, USA: Stanford University, 2012.

[29] Frash L, Gutierrez M, Hampton J. A laboratory investigation of reversible permeability decline effects during flow through stimulated fracture networks: implications for improved EGS reservoir operation methodologies[C]//38th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. Stanford, California, USA: Stanford University, 2013.

Laboratory-scale Hydraulic Fracturing Research and Injection Tests of Enhanced Geothermal System

GUO Jian, WANG Yi-wei, CAO Wen-jiong, JIANG Fang-ming
(Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)

Enhanced geothermal system (EGS), as an important direction for new and clean energy development, is gaining increasing attentions across the world. Direct engineering practice research in field test site and theoretical analysis by numerical simulation are mainly two kinds of EGS research methods. We conducted laboratory-scale tests for EGS research. The hydraulic fracturing of rocks was performed and the fracture structures were identified by using the acoustic emission data. Valid heat reservoir of hydraulic connection from the injection well to the production well through the fractures is obtained after the installation of the production. Then we performed the injection tests in the heat reservoir at a constant pressure of constant flow rate. It is found that the fracture apertures of reservoir vary with the injection conditions. A higher pressure or a larger flow rate leads to larger fracture apertures. In order to enhance the reservoir permeability, the fractures in reservoir should be reinforced in higher pressure condition for which the reservoir permeability is relatively large.

enhanced geothermal system (EGS); hot dry rock; geothermal energy; laboratory-scale EGS

TK521

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.06.005

2095-560X（2014）06-0434-07

郭 劍（1985-），男，博士，助理研究員，主要從事強(qiáng)化換熱、增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)方面的研究工作。

王亦偉（1985-），男，碩士，助理研究員，主要從事電子器件冷卻散熱、增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)研究。

曹文炅（1983-），男，博士，助理研究員，主要從事增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)、復(fù)雜熱流體系統(tǒng)的數(shù)值方法及模型等方面的研究工作。

蔣方明（1973-），男，博士，研究員，主要從事增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)、電化學(xué)能源/動(dòng)力系統(tǒng)（包括燃料電池、鋰電池等）基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)研發(fā)，以及復(fù)雜熱流體系統(tǒng)的數(shù)值方法及模型等方面的研究工作。

2014-07-24

2014-10-08

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（863計(jì)劃）（2012AA052802）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51206174，51406213）；廣東省自然科學(xué)基金博士啟動(dòng)項(xiàng)目（S2013040013967）

? 通信作者：蔣方明，E-mail：jiangfm@ms.giec.ac.cn