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实施增强型地热系统(EGS)的化学刺激实验研究

庄亚芹  
【摘要】:在全球气候变暖的背景下,各国政府都非常重视节能减排。地热能作为一种可再生清洁新能源,已成为传统化石能源的有效替代品之一。发达国家研究表明,利用增强型地热系统(EGS Enhanced Geothermal Systems)发电,几乎不受外界环境影响,且几乎不对人类环境产生污染和破坏,而且这种能源非常丰富,有很大的开发利用潜力。增强型地热系统是从地下深部低渗透性干热岩体通过人工压裂技术后,经济地采出相当数量地热能的人工地热系统。在EGS工程中,经常会遇到生产井/注入井与人工地热储层裂隙网络的水力联系较差,无法满足EGS的产能需求。为了拓展裂隙网络,增大裂隙渗透性,通常利用EGS化学刺激,即以低于地层破裂压力的注入压力向井附近热储层裂隙注入化学刺激液,依靠其化学溶蚀作用使组成岩石的矿物溶解来增加地层的渗透性。本论文以青海海南州共和盆地的干热岩石为研究对象,通过静态和动态两组化学刺激实验,研究化学刺激剂对岩样的溶蚀、溶解作用及生成蚀变矿物的特征,进一步揭示化学刺激剂提高岩样渗透率的机制。为今后共和盆地增强型地热系统的化学刺激技术的实施提供理论依据,具有一定的指导意义。静态化学刺激实验是以高温高压反应釜为实验仪器,开展了不同温度、不同时间和不同化学刺激剂类型条件下,化学刺激剂与岩石样品的实验研究。研究结果表明:(1)氢氧化钠、盐酸和土酸三种化学刺激剂与岩石样品反应,均能提高岩石的渗透率,且土酸的刺激效果最为显著。(2)在实验过程中随着温度的升高和时间的延长,对于氢氧化钠这种刺激剂来说,反应后岩石样品的渗透率也随之提高;对于盐酸这种刺激剂来说,反应后岩石样品的渗透率略有提高;对于HF浓度小于5%的土酸来说,反应后岩石样品的渗透率均有明显提高,但当HF浓度为7%时,土酸与岩石矿物发生强烈的化学反应,反应过程中产生的蚀变矿物阻塞先前形成的微裂隙,岩石样品的渗透率反而呈现下降的现象。(3)氢氧化钠对石英的溶蚀作用强烈,反应后溶液中主要溶解的离子为Si,Ca、Mg、Al和Fe等金属元素在碱性溶液中易产生沉淀,溶液中这些离子的浓度很低。反应后Na与Si和Al结合形成方沸石,Na浓度降低,且Na浓度的减少量随着反应温度的提高而增大。(4)盐酸主要溶蚀长石类矿物,相较于其他离子而言,反应后溶液中K和Na的含量较多,盐酸对石英的溶解能力很弱,反应后的溶液中未检测出蚀变矿物的析出。(5)土酸与石英和长石均发生剧烈的化学反应,溶液中K主要来源于正长石的溶解,K容易结合Al、Si和F分别生成片状的氟铝酸钾和正方体状氟硅酸钾,随HF浓度的增加,生成该蚀变矿物的量也会增加。溶液中Si主要来源于石英和长石的溶解,Si的浓度随HF浓度的增大明显增加,溶液中Si过饱和生成球状的二氧化硅。为了模拟实际工程中化学刺激液注入钻井并渗入到岩石裂隙中发生的化学反应,本论文利用岩心流动仪开展了动态化学刺激实验。研究结果表明:(1)注入盐酸和土酸后岩石渗透率均有提高,且土酸对岩石渗透率的提高效果明显大于盐酸,注入氢氧化钠碱性刺激剂后,岩石渗透率没有增加反而降低。(2)对于盐酸这种溶解能力较弱的化学刺激剂,较低的注入流速可增加酸与岩石的接触时间,有利于矿物的溶解。但对于溶蚀能力较强的土酸而言,在相对较低的注入流速条件下,对岩石样品的溶蚀程度就可以达到最高,使溶解组分更可能从液相中沉淀出来而沉积于样品裂隙,导致样品渗透率相对于有所下降。(3)盐酸和土酸主要依靠溶蚀裂隙表面的长石类矿物用以提高岩心的渗透率,土酸对长石类矿物的溶蚀能力明显更高于盐酸。氢氧化钠化学刺激剂对长石类矿物溶蚀能力有限,但对石英的溶蚀能力明显强于前两者,但与岩石样品反应后部分溶解组分以非定形态形式沉淀,致使岩心渗透率降低,且渗透率的降低程度随注入流速的增大而加剧。结合岩样与化学刺激剂的静态浸泡实验和动态流动实验,可知较于盐酸和氢氧化钠,土酸对岩石样品的刺激效果最为理想。其中土酸中HF的浓度严重影响着刺激的效果,HF的浓度过低和过高均不利于渗透率的提高,当HF的浓度为3~5%时,既可有效溶蚀岩石,使其产生新的裂隙而渗透率增大,又不至与在溶蚀岩石后由于大量形成蚀变矿物而导致渗透率转而降低,为共和盆地实施增强型地热系统的最佳化学刺激剂配方。


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