干热岩水压致裂过程中的热-水-力耦合机理

Hot dry rock contains huge amount of geothermal energy and is one of the most promising resources being explored all over the world. Hydraulic fracturing is the main technical means to stimulate the thermal reservoir in the development of hot dry rock. By means of indoor experiment, theoretical modeling and numerical simulation, this research aims to study the mechanism of thermal-hydraulic-mechanical coupling and numerical models of hydraulic fracturing in the geothermal system. Firstly, hydraulic and mechanical properties of thermal reservoir rocks under the effects of temperature are presented. The mechanism of the hydraulic-mechanical properties of thermal reservoir rocks under high temperature is revealed by indoor tests. Then, hydraulic fracturing tests on fractured rock mass under normal temperature are conducted to reveal the shear slip mechanism of the pre-existing fissures under hydraulic pressure, and the corresponding numerical model is established. Finally, hydraulic fracturing testss on the fractured rock mass under the condition of temperature change are conducted to reveal effects of water-heat exchange on the fracturing process, the model of thermal-hydraulic-mechanical coupling is established for simulation of hydraulic fracturing in hot dry rock, and the corresponding software platform is developed. Research results can provide theoretical support for parameter optimization design of hydraulic fracturing process and performance assessment of reservoir stimulation effects in China's exploration of hot dry rock.

干热岩热能蕴藏量巨大，是世界各国都积极开发的重要资源，水压致裂是干热岩储层改造的主要技术手段。本项目拟采用室内试验、理论建模和数值模拟相结合的方法，研究干热岩水压致裂过程中的热-水-力耦合机理及数值计算模型。首先，提出热储层岩石在温度作用下的水-力学特性测试方法，利用室内试验揭示高温作用下热储层岩石的水-力学特性演化机制；然后，开展常温条件下的裂隙岩体水压致裂试验，揭示水压作用下原生裂隙的剪切滑移机制，并建立相应的数值计算模型；最后，开展温度变化条件下的裂隙岩体水压致裂试验，揭示水-热交换条件对水压致裂过程的影响，建立模拟干热岩水压致裂过程的热-水-力耦合计算模型，并编制相应的软件平台。研究成果可为我国干热岩开采水压致裂过程的参数优化设计和储层改造效果评价提供理论支持。

干热岩热能蕴藏量巨大，是世界各国都积极开发的重要资源，水压致裂是干热岩储层改造的主要技术手段。本项目拟采用室内试验、理论建模和数值模拟相结合的方法，研究干热岩水压致裂过程中的热-水-力耦合机理及数值计算模型。首先，基于离散裂隙网络模型，提出了一种模拟二维非稳定渗流过程的等效方法。在此基础上，结合改进刚体弹簧方法，通过引入考虑断裂能的渐进拉裂破坏准则，建立一种新的水压致裂过程数值计算模型。应力、变形、裂隙扩展过程计算采用改进刚体弹簧方法,非稳定渗流计算采用等效离散裂隙网络模型。给出细观渗流参数的确定方法,通过与弹性稳定流条件下厚壁圆筒的解析解对比，验证弹性稳定流条件下水力耦合计算格式的正确性。通过厚壁圆筒水压致裂算例验证所给模型模拟水压致裂过程的能力。然后，提出了三维基质-裂隙网络（Equivalent Matrix-Fracture Network）方法，并编写了相应计算软件（FPMSeep-3D，登记号：2017SR730066），用于裂隙多孔介质（如岩质边坡、地下含水层等）渗透特性研究。该方法使用三维空间中的二维三角形界面网络描述裂隙和基质的渗透特性，并自然地考虑了两种介质间的水量交换。最后，提出一种三维复杂裂隙岩体的渗流传热耦合数值模型。将Forchheimer 方程与雷诺方程耦合得到非线性渗流控制方程，然后结合传热控制方程，基于局部热非平衡理论，考虑温度场的变化对流体物性的影响，建立了三维复杂裂隙岩体非线性渗流-传热耦合数值模型，通过非线性渗流实验数据和渗流传热耦合解析解验证了本文方法的有效性，之后研究了裂隙开度对三维复杂裂隙岩体非线性流动行为以及复杂裂隙岩体域内温度分布的影响。研究成果可为我国干热岩开采水压致裂过程的参数优化设计和储层改造效果评价提供理论支持。