流体饱和岩石热致裂增渗机制与方法研究

During many engineering applications, such as oil & gas production, geothermal energy exploitation, and carbon dioxide geological sequestration, the reservoir will undergo thermal gradient. Such thermal gradient will result in the thermal expansion or contraction within rocks and induce abundant micro-fractures. The newly fracture networks will greatly change the characteristics of fluid and thermal transportation in the rock, and will potentially affect the success of subsurface engineering projects. The current researches mainly focused on the thermal fracturing of dry rock, the mechanisms of thermal fracturing and permeability enhancement of saturated rock by local thermal loading under reservoir conditions are not understood clearly. Our research plans to disclose the mechanisms of rock thermal fracturing and permeability enhancement under high pressure and saturated state, and discuss the feasibility of thermal stimulation and control methods under reservoir conditions. First, the micro damage evolution characteristics, effective thermal conductive properties and permeability enhancement mechanisms of saturated rock under different thermal loading methods and different saturated fluids are to be studied with comprehensive experiment methods such as NMR, SEM, permeability tests and so on. Then, the micro damage constitutive model of saturated rock under thermal loading, the effective thermal conductivity model, permeability evolution model, and coupled Thermal-Hydrological-Mechanical-Chemical model will be developed, and the corresponding finite element code will be programmed to solve this multi-physics coupling problem. The evolutions of thermal induced fracture and enhanced permeability will be analyzed, which will be verified by laboratory simulation test. Finally, the technical limitations of reservoir suitable for thermal fracturing will be given, and the thermal fracturing and control methods will be developed. It will provide key technical supports for engineering application.

在油气开采、地热开发、CO2埋存等工程应用中，储层岩石通常经历温度变化，这会导致岩石因热胀冷缩而产生大量微裂缝，改变储层渗流特性，为工程的成功实施带来潜在影响。目前主要集中于干燥岩石热致裂研究，流体饱和条件下岩石热致裂增渗机理及规律尚未掌握。为了深入揭示流体饱和岩石的热致裂增渗机制，探讨储层条件下岩石热致裂与控制的可行性，本研究拟利用NMR、SEM、岩石物性测试等手段，对不同热加载方法、不同流体饱和条件下局部热加载岩石的细观损伤演化特征、有效热传导特性、渗透率改善机制加以研究，建立热作用下的岩石细观破裂本构模型、有效热传导模型、渗透率演变模型以及热-流-力-化学耦合数学模型，开发多物理场耦合有限元计算程序，分析流体饱和岩石热致裂裂缝和渗透率演化规律，并利用室内物理模拟实验进行验证，在此基础上确定岩石热致裂增渗技术界限，形成岩石热致裂增渗与控制方法，为工程应用提供关键技术支撑。

非常规油气、干热岩等资源的开发是我国未来能源接替的主要战场之一，利用压裂技术开采该类资源是常用的手段。传统的水力压裂技术在储层中可产生多条主裂缝，从宏观尺度上改变流体渗流状态。但该技术形成的裂缝密度相对较小，因此寻求一种从微观上提高裂缝密度的方法凸显重要。岩石热开裂技术为提高裂缝密度提供了一种有效解决手段。由于储层矿物的非均质性，当温度变化时导致相邻矿物颗粒之间的热膨胀不匹配，从而产生大量微裂缝，形成发育良好的裂缝网络。本项目从工程应用实际出发，首先创建了一套高压环境下岩心热致裂实验系统与方法，实现饱和流体岩心热开裂实验；其次，采用理论分析、室内实验和数值模拟相结合的手段，对流体饱和岩石的热致裂增渗机制和增渗规律进行研究；最后，建立了一套岩石热开裂渗透率技术界限图版，并提出提出了一种“先对储层进行水力压裂、然后在水力裂缝内进行微波加热”的岩石热致裂增渗与控制方法。研究结果表明：岩石饱和不同的化学溶液后进行高温热处理，渗透率相对于干燥状态或者饱和水状态有显著提高，饱和KCl的岩心样品加热到800℃后渗透率增加了将近10倍，这说明饱和一定的化学溶液有助于提高岩石热力增渗效果；急剧改变温度变化（淬冷）能获得更好的增渗效果；对于渗透率小于0.1毫达西的致密超低渗储层，仅采用高温加热的方式便可获得很好的增渗效果；对于渗透率在1~10毫达西之间的特低渗岩石，高温热处理之前注入化学溶剂KCl饱和岩石，采用较高的加热速率加热到目标温度，并进行长时间的保温，亦可获得良好的热开裂增渗效果；对于低渗和中渗岩石，高温热处理之前注入KCl溶剂饱和岩石，采用较高的加热速率加热到目标温度，并进行长时间保温，最后进行急剧冷却，可较大程度地提高岩石渗透率。项目研究结果验证了流体饱和岩石热力增渗的可行性。研究结果不仅能够发展和丰富现有的储层改造手段，而且还可以为热致裂技术在二氧化碳地质埋存、地下采矿、核废料地下处置等方面的应用提供理论依据。