合作案例

增強型地熱開采(EGS)數值模擬問題與ITASCA專有分析技術

 

         地熱資源作為一種新型可再生能源,是當前技術經濟條件和地質條件下,能夠從地殼內科學、合理地開發出來的巖石熱能源、地熱流體熱能量及伴生的有用組分。目前可利用的地熱資源主要包括:天然揭露的溫泉、通過熱泵技術開采利用的淺層地溫能以及針對深層干熱巖體內地熱資源的人工開采即增強型地熱系統EGS(Enhanced Geothermal Systems)。由于巖石賦存環境的復雜化,深部地熱開采對尋求巖石力學基礎理論的突破和新方法新工藝的應用提出更為嚴峻的要求。其中,包括應力(Mechanical)、流體(Hydraulic)、溫度(Thermal)等作用場在內的多場耦合作用過程即為深部巖石地熱開采需關注的重要基礎性問題之一。近年來,全球地熱能源開發及利用取得較快發展,也越來越引起各國政府及企業的重視。美國能源部于2015年牽頭啟動了地熱能前沿觀測研究項目FORGE,旨在建設地下專業化地熱實驗室來開展EGS前沿研究,為建立大規模、經濟可持續和商業化EGS建設建立系統性的技術儲備。這些現狀條件給相關的巖石力學、開采工藝和監測等領域的基礎理論和技術進步帶來了巨大的發展機遇,但顯然同時也存在客觀嚴峻的挑戰。

        應力、流體、溫度分布場之間的相互作用非常復雜。依托包括FORGE在內的巖石力學專項課題,ITASCA針對深部EGS開采研發形成了可能是巖石力學界唯一能夠獨立完成溫度-流體-應力(THM)三場耦合過程模擬的分析技術,為EGS開發重點涉及的壓裂改造和裂縫網絡管理等環節的生產設計和科學研究提供了前沿性技術手段。

1 能源開采多場耦合作用問題的ITASCA分析技術

        作為全球領先的巖石力學分析與測試領域相關技術與產品供應商,ITASCA在THM三場耦合這一巖石力學專業方向已積累有20余年的技術研發與科研應用經驗,相關理論與研發成果以程序模塊化的形式集成在FLAC、DEC和PFC三個系列的巖土工程專業分析軟件中,以針對性滿足不同工程領域和不同層次的多場耦合問題的應用需求。

        能源開采行業通常代表著巖石力學基礎理論與技術的最新水平并引領進步方向。自20世紀末至今,受北美及歐洲國家與地區的石油與天然氣開采、采礦、地熱開發、CO2與核廢料處置等行業開發對巖石力學分析方法和技術的驅動作用,同時通過深度參與相關生產活動和科學研究課題(代表性研究課題包括MMT、HBSM、FORGE等)形成的豐富的技術與經驗積累, ITASCA針對深部巖石THM三場耦合作用問題已形成兩套系統完整的、以非連續介質力學作為背景理論的分析方案:

        DEM分析方法:基于離散元程序3DEC運行環境的溫度-流體-應力三場場耦合分析技術。

        — XSite方法:基于離散格子方法(Lattice Model)分析程序XSite運行環境的三場耦合分析技術。

        無論是在巖石深部的傳統能源還是新能源開發,由于較之傳統方法具有較為明顯的經濟效益優勢,水壓致裂技術目前已逐漸成為能源開采的主要手段之一。在經濟效益和社會效益因素的綜合驅動作用下,往往要求在開采前、開采過程中甚至工程全周期開展水壓致裂破裂機制研究,進而依據破裂規模和能量等指標幫助開展工藝優化增加產能或者是控制人工誘發微震觸發大型地質構造運動導致嚴重的地質災害等?;诜沁B續介質力學的DEM、XSite流體-應力(HM)耦合方法支持對水壓致裂進行全過程模擬和可視化展示,為滿足特定需要時(如地熱開發運行期產能分析)還可以綜合考慮溫度場作用,實現溫度-流體(TH)、溫度-流體-應力(THM)三場耦合作用分析。ITASCA分析方法側重為多場耦合作用機制性研究工作提供針對性解決方法,較之其他常規性研究方法,以下重點技術環節保證了方法具有的獨到優勢性:

        非連續介質力學方法:在壓裂作用下,巖石破裂本質上是完整巖石轉變為破裂的幾何非線性問題,非連續介質力學方法對該過程的描述具有先天性優勢。 

        材料非線性:與等常規性破裂研究方法如斷裂力學將巖石近似處理為線彈性介質不同, ITASCA方法采用豐富全面的本構模型來描述深部巖石極有可能具有的復雜的材料非線性特性,更為合理考慮了巖石力學性質對壓裂性質的影響。 

        復雜應力條件的描述:支持復雜初始應力參數的直接輸入,同時考慮施工擾動對原位地應力的改造作用及其對巖石破裂響應特征的影響。 

        破裂過程模擬:針對斷裂構造等地質缺陷,擁有確定性方法和隨機裂隙網絡(DFN)兩種描述方法。在地質條件與工程條件的綜合作用下,巖體內破裂的萌生與擴展在模擬中表現為自然演變的過程,破裂位置和空間形態等無需預先定義。由此可見,除針對已知破裂的機制驗證外,ITASCA破裂模擬技術還可以實現任意位置和形態破裂擴展過程的預測分析。 

        流體模擬:含有多孔介質流(完整巖石)和裂隙流(破裂)兩種流動模擬技術,完整巖石內的流體與破裂內的流體可在塊體邊界部位進行物質交換,因此可以用來模擬壓裂液濾失效應。 

        溫度模擬:ITASCA溫度模擬技術支持傳導(巖石內)和對流(破裂內)兩種溫度作用方式,巖石與破裂內流體可在接觸(破裂)邊界部位交換熱能量。 

        支撐劑模擬:支持支撐劑輸送模擬,考察其對破裂的影響作用。 

        復雜壓裂過程模擬:支持多段壓裂流體-應力耦合作用過程、以及溫度場參與作用的真時間歷程模擬。

        成果輸出:豐富多樣的成果輸出數據(如破裂機制、范圍、微震能量等),滿足破裂機制分析和方案設計應用需要。

        DEM分析方法與XSite方法的不同之處首先在于二者采用了不同的非連續介質力學理論。此外,差異則突出體現在XSite是為滿足壓裂設計方案評估優化進行壓裂機制研究而特別定制研發的專業化方法,其依據壓裂開采工藝設計的流程化應用環境具有簡單明了、便于快捷掌握的特點;而基于3DEC程序運行環境的DEM分析方法則具有更好的通用性。

圖1:ITASCA水壓致裂流體-應力耦合應用案例
左圖:多段壓裂誘發復雜形態的破裂結構;右圖:既有破裂應力陰影對后期破裂擴展過程及形態的影響

2 地熱能前沿觀測研究計劃(FORGE)

        水壓致裂技術是目前在深部巖體進行地熱能源開發所采用的主要開采工藝,在壓裂改造和運營過程中普遍面臨較為典型的應力、流體與溫度場綜合參與的三場耦合作用問題。以ITASCA參與的地熱能前沿觀測研究計劃項目(FORGE:Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy)為例,后續討論重點介紹ITASCA分析方法在該項目中的應用,以較為全面的體現方法所具有的技術特點和對多場耦合問題的解決能力。

2.1 項目簡介

        2015年4月,地熱能前沿觀測研究項目FORGE由美國能源部牽頭啟動,旨在建立一個地下實驗室來開展增強型地熱系統EGS的前沿研究,據此建立大規模、經濟可持續和商業化EGS建設所需要的技術。該計劃的研發工作集中于加強認識控制EGS成功與否的關鍵機理、如何在基巖地層中建立和維護裂縫網絡,研發內容包括但不限于創新型鉆井技術、儲層壓裂技術、以及井連通性和流動測試。

        FORGE計劃由三個階段構成。第一階段于2015年啟動,由5個團隊分別在加利福尼亞州、愛達荷州、內華達州、俄勒岡州和猶他州選擇地下實驗室候選場地(圖2)。2016年夏季,美國能源部組織專家對上述團隊的工作進行了審查。根據審查結果,選中桑迪亞國家實驗室(內華達州的Fallon場地)和猶他大學(猶他州的Miford場地)牽頭團隊進入第二階段。在該階段,研究團隊開展了豐富的勘探工作,據此更為合理的描述熱能儲層地質條件開展壓裂設計方案評估并針對誘發地震制定緩解計劃。2018年春季,經地質、環境影響與投資等關鍵因素的綜合分析與評估,美國能源部確定猶他州Milford場地進入第三階段。第三階段工作的重點將是通過研發項目的設立,為增強型地熱系統儲層的鉆探、激發(壓裂改造)和維護(保持裂縫網絡連通性)尋求新的方法與工藝,如可提高鉆進速度、改進地質導向及在極端環境中開展隨鉆測井的工藝方法,智能示蹤劑和其他裂縫量化表征方法,儲層監測技術,儲層建模和模擬方法等。Milford場地位于鹽湖城以南350km處,占地5km2,深度500m以下為結晶基巖(花崗巖和片麻巖),在不到3km的深度處溫度就超過了175oC。

圖2:FORGE增強型地熱系統地下實驗室候選場地分布

        在FORGE項目第一、二階段實施過程中,ITASCA作為成員單位之一全面參與了由桑迪亞國家實驗室針對COSO和FALLON兩個候選場地牽頭開展的方案可行性論證專項課題,其中,針對FALLON候選場地論證工作包含了兩個階段的研究成果,工作內容較為全面完整更具代表性。FALLON場地位于內華達州中西部卡森盆地的大盆地內,盆地被第四紀沉積物覆蓋,包括沖積扇、風積和湖泊沉積物。中新世晚期至第四紀盆地充填物沉積物厚度為0.5至>1 km,上覆漸新世-中新世火山巖和較小的沉積巖,火山段厚度為0.5至1.0公里。區域受NE向正斷層切割,巖性主要由白堊紀花崗質和深成巖體侵入形成的三疊紀-侏羅紀變質巖組成。該正斷層同時向東和西傾斜。FALLON因其特定地質條件,豐富可用的包括溫度、滲透性在內的歷史監測數據,現有完善的基礎設施而被選為候選場地。

2.2 ITASCA工作內容及研究成果

        ITASCA方面承擔的工作內容主要是采用具有的專有方法研究破裂激發壓裂改造效果和斷層穩定性分析評價,為產能和儲層安全性評估提供依據。以更具代表性FALLON候選場地為例,涉及工作環節包括但不限于:

        — 構建區域尺度的地質模型:綜合勘探工作成果,構建如圖3左圖所示區域尺度的儲層模型。模型較為完整地考慮了儲層的基本地質條件,包括區域性長大斷裂和初始應力場分布特征,其中地應力輸入直接采用了Blanksma等人于2018年獲得的研究成果。

        — 構建精細化儲層模型開展模型分析:以區域尺度地質模型為基礎,進一步考慮必要的次級結構面分布條件形精細化儲層模型。在該模型基礎上開展如下分析內容:

             1. 采用XSite方法開展壓裂機制分析,形成壓裂方案的初步概念設計。

             2. 以鉆孔結構面編錄成果為依據,采用隨機節理網絡技術進一步模擬次級優勢性裂隙,形成可采用基于3DEC運行環境的DEM方法開展耦合分析的數值模型(圖3右),模型中考慮的結構面數量約為2000條。

圖3:FALLON三維地質與數值模型

             3. 破裂壓裂改造方案比選分析:采用DEM方法針對壓裂改造過程開展流體-應力(HM)耦合作用模擬,采用破裂面積和裂隙開度等指標對比評價了約為2500m埋深條件下裸眼和套管兩種完井方式的分段(6段)壓裂效果,兩種壓裂方案的主要區別在于采用了不同的設計液壓水平和加載歷程。依據圖4、圖5對比可見,采用套管完井壓裂方式的壓裂效果要優于裸眼完井。

圖4:壓裂效果評價:破裂面積

圖5:基于破裂面積比和裂隙開度指標的壓裂效果評價

             4. 斷層穩定性評價:壓裂段附近發育有區域性斷裂構造F14和F15,壓裂設計在滿足產能要求的同時還應兼顧斷層穩定性。依據破裂響應采用地震矩等能量指標評價斷層穩定性的研究表明(圖6),兩種壓裂方案在壓裂改造過程中均不會誘發附近斷裂構造出現滑移破壞。

             5. 運行其產能分析:在EGS開發過程中,并不是上述所有作用場之間的相互作用都要考慮。EGS運行期主要目標是在儲層內流體與巖體充分接觸前提下,使生產井在保持較高流量同時確保足夠長的儲層壽命,應力場作用可不予考慮即簡化為一個在溫度場作用下裂隙介質的滲流問題。該項工作是第三階段的重點工作內容,此處不再作進一步論述。

 

 圖6:基于破裂誘發微震地震矩指標的斷層穩定性評價

 

 

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