李庭樑，曹文炅，王亦偉，郭 劍，蔣方明?

（1.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 前 言

隨著全球范圍內(nèi)的氣候變暖、環(huán)境污染等一系列社會(huì)問(wèn)題的加劇，開(kāi)發(fā)利用可再生清潔能源已成為社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。地?zé)崮苜Y源儲(chǔ)量豐富，在眾多可再生能源（例如水能、太陽(yáng)能、海洋能等）中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。開(kāi)發(fā)利用地?zé)崮軐?duì)改善目前的一系列環(huán)境問(wèn)題具有重要意義，資源儲(chǔ)量也決定了其在未來(lái)能源利用中的地位[1-2]。在地球深層的致密巖石具有較高的溫度，貯存有豐富的熱能[3-4]。1970年，美國(guó)的拉斯阿莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室為了提取和利用干熱巖所蘊(yùn)藏的熱能，提出了增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（enhanced geothermal system,EGS）概念，利用高壓水的壓力和化學(xué)試劑的腐蝕性將地下致密的巖石刺激成滲透性較高且相互連通的人工熱儲(chǔ)，隨后將低溫的流體工質(zhì)（水或二氧化碳等）注入到人工熱儲(chǔ)，利用低溫工質(zhì)與高溫巖石之間的直接接觸，提取巖石中的能量，最后將地下的熱流體抽至地面，可用于工業(yè)發(fā)電和居民供暖[1]。

世界各國(guó)在探究干熱巖熱能利用技術(shù)的同時(shí)，先后建立了EGS野外試驗(yàn)場(chǎng)和相應(yīng)的示范電站，比如法國(guó)的Soultz EGS、澳大利亞的Habanero EGS、美國(guó)的Fenton EGS、日本的Hijiori EGS和英國(guó)的Rosemanowes EGS等[5]。通過(guò)對(duì)野外試驗(yàn)場(chǎng)多年的探索和研究，已經(jīng)在選擇靶區(qū)、鉆井技術(shù)、水力壓裂、監(jiān)測(cè)技術(shù)和地面利用等方面取得很大的突破，但是部分技術(shù)難題阻礙了 EGS的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。比如，哪些因素會(huì)影響水力壓裂的走向以及如何形成連通性能良好的EGS熱儲(chǔ)層，這些技術(shù)問(wèn)題的解決需要開(kāi)展與之相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。

通過(guò)建立野外試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)EGS進(jìn)行研究，最具有代表性的是法國(guó)的 Soultz EGS。從 1992年至今，Soultz EGS共鉆有4口地?zé)峋℅PK1、GPK2、GPK3和GPK4）[6]；通過(guò)對(duì)井探數(shù)據(jù)的研究表明[7-9]，Soultz EGS利用水力壓裂的方式形成了多個(gè)裂隙區(qū)域，根據(jù)其滲流能力的不同，主要分為滲透能力較強(qiáng)的一級(jí)（level Ι）裂隙區(qū)域、滲透能力較弱的二級(jí)（level ΙΙ）和三級(jí)（level ΙΙΙ）裂隙區(qū)域。1997 年進(jìn)行的水力循環(huán)實(shí)驗(yàn)表明，GPK1井與 GPK2井之間有著良好的水力連通[10]；但GPK4井在完成水力壓裂后，GPK2井與 GPK3井之間并未形成良好的水力連通，經(jīng)過(guò)兩次的水力壓裂，連通情況并未得到相應(yīng)的改善，這可能是未知斷裂阻礙區(qū)域之間的連通導(dǎo)致[6]。EGS實(shí)際試驗(yàn)中存在較大的不確定性，風(fēng)險(xiǎn)較高，有必要在試驗(yàn)前探究地下的地質(zhì)情況及其對(duì)水力壓裂的影響。

數(shù)值模擬因成本低廉、適用范圍廣和功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)成為研究EGS的一種重要方式。由Soultz EGS等野外試驗(yàn)場(chǎng)的研究結(jié)果可知，眾多相互連通的裂隙帶是構(gòu)成一個(gè)有效熱儲(chǔ)層的必要條件，并且采熱過(guò)程的機(jī)理比較復(fù)雜，包括熱量傳遞（thermal-T）、工質(zhì)流動(dòng)（hydraulic-H）、巖石化學(xué)反應(yīng)（chemical-C）以及巖石力學(xué)（mechanical-M）等過(guò)程的綜合作用結(jié)果。因此，如何構(gòu)建熱儲(chǔ)層的數(shù)值模型并進(jìn)行THMC耦合計(jì)算是EGS數(shù)值模擬研究的重點(diǎn)[11]。目前，一些學(xué)者對(duì)各個(gè)過(guò)程的耦合問(wèn)題進(jìn)行了研究，并取得了相應(yīng)的進(jìn)展[12-14]。規(guī)則裂隙模型[15]、隨機(jī)裂隙模型[16]和多孔介質(zhì)模型是熱儲(chǔ)模型建立的主要來(lái)源。其中，多孔介質(zhì)模型由于計(jì)算效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于熱儲(chǔ)模型。但均勻介質(zhì)模型用于模擬巖石與流體換熱時(shí)，由于其假設(shè)建立在局部熱平衡基礎(chǔ)之上往往會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏高。有學(xué)者提出了利用雙孔隙及多孔隙模型[17-18]、非熱平衡模型[19]、雙能量方程模型[20-21]等可以更好地再現(xiàn)巖石與流體間的局部換熱，此外，亦有學(xué)者對(duì)實(shí)際試驗(yàn)場(chǎng)地的EGS進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[22-24]，以期更加真實(shí)地揭示熱儲(chǔ)層的結(jié)構(gòu)特征。數(shù)值模擬需要物理實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐，而且數(shù)值模型需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

由Soultz EGS的實(shí)際工程和最近興起的EGS數(shù)值模擬可知，野外試驗(yàn)場(chǎng)的建設(shè)雖然可以積累大量的工程經(jīng)驗(yàn)和推動(dòng)EGS工程的商業(yè)化應(yīng)用，但是需要投入大量的人力、物力、時(shí)間成本，而且風(fēng)險(xiǎn)較大，研究結(jié)果的普適性并不高。干熱巖水力壓裂與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室研究可以為實(shí)際工程提供技術(shù)支持和方案優(yōu)化，同時(shí)也能輔助數(shù)值模型開(kāi)發(fā)，提高數(shù)值模型的準(zhǔn)確度。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在水力壓裂室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究方面做了較多工作。1997年，日本山口大學(xué)搭建了水力壓裂和聲發(fā)射裝置對(duì)200 m × 200 m × 200 m的立方巖石進(jìn)行水力壓裂實(shí)驗(yàn)，主要用于采礦、油藏刺激等方面的研究[25]。2000年，中國(guó)石油大學(xué)利用大尺寸真三軸模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了水力壓裂實(shí)驗(yàn)，主要用于石油開(kāi)采等方面的實(shí)驗(yàn)研究[26]。2010年，德國(guó)學(xué)者對(duì)混凝土試樣以及巖石試樣進(jìn)行了水力壓裂實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行模擬分析，主要用于探究巖石-支撐劑系統(tǒng)中復(fù)雜的機(jī)械-水力耦合效應(yīng)[27]。2015年，重慶大學(xué)利用多功能真三軸流固耦合試驗(yàn)系統(tǒng)模擬了煤巖體在三向不等主應(yīng)力下流體的滲流規(guī)律，主要用于煤炭開(kāi)采方面的研究[28]。2016年，重慶大學(xué)等以天然露頭為試樣，開(kāi)展了水平井水力壓裂實(shí)驗(yàn)，分析了裂縫形態(tài)和延伸規(guī)律，主要用于頁(yè)巖氣藏等方面的研究[29]。近年來(lái)，吉林大學(xué)對(duì)Φ50 mm × 100 mm的花崗巖試樣進(jìn)行了三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，并獲得了初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[30]。綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)水力壓裂的研究主要集中在采礦、石油、頁(yè)巖氣等方面，對(duì)干熱巖的水力壓裂室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究并不多見(jiàn)。隨著EGS工程的興起，有必要開(kāi)展干熱巖水力壓裂等方面的研究工作。本文主要介紹了實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了水力壓裂、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)、儲(chǔ)層連通等實(shí)驗(yàn)。通過(guò)監(jiān)測(cè)到的聲發(fā)射數(shù)據(jù)隨時(shí)間的演變過(guò)程，揭示裂縫的擴(kuò)展規(guī)律以及影響裂縫擴(kuò)展的主要因素；通過(guò)水力連通實(shí)驗(yàn)，探討了各個(gè)采出井的流量分配，成功地實(shí)現(xiàn)了從注入井到生產(chǎn)井的水力連通。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果，一方面可推動(dòng)干熱巖水力壓裂、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)等室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的深入研究，為相應(yīng)的數(shù)值模擬提供參數(shù)。另一方面，可為野外試驗(yàn)場(chǎng)地的水力壓裂工藝、儲(chǔ)層改造等提供基礎(chǔ)參數(shù)和技術(shù)支持[31-32]。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由EGS地下環(huán)境模擬器、高壓柱塞泵系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of the experimental system

1.1 EGS地下環(huán)境模擬器

如圖2所示，地下環(huán)境模擬器由控制系統(tǒng)、巖石輸運(yùn)系統(tǒng)、真三軸加壓系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、溫度壓力采集系統(tǒng)和工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)等部分組成。利用真三軸加壓系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石的加壓和加熱，可以更真實(shí)地模擬深層地下巖石所處的實(shí)際環(huán)境。加壓裝置由三組外部液壓油缸組成，相互獨(dú)立，可以在X（左右）、Y（前后）、Z（垂直）三個(gè)方向獨(dú)立加壓；加熱系統(tǒng)通過(guò)在墊塊內(nèi)裝配加熱棒等裝置，可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)面獨(dú)立加熱，加熱最高溫度可達(dá)250℃，并且在巖石表面包裹有絕熱性能良好的絕熱板，保證其試樣處于設(shè)定的溫度。通過(guò)溫度和壓力采集系統(tǒng)可以對(duì)注入口和采出口工質(zhì)的溫度和壓差監(jiān)測(cè)、巖石溫度以及三軸壓力監(jiān)測(cè)；工質(zhì)循環(huán)部分可以對(duì)循環(huán)流體進(jìn)行儲(chǔ)存和收集；實(shí)驗(yàn)可加載的試樣尺寸最大可達(dá)400 mm × 400 mm × 400 mm；試樣的6個(gè)表面由高強(qiáng)度的墊塊包裹，可將軸向力均勻傳遞到試樣，3個(gè)方向最大載荷分別可達(dá)2 500 kN；通過(guò)改變?cè)嚇拥某叽缁蛘吒淖兗虞d的載荷，可以模擬不同壓力條件下地下深層巖石的真實(shí)情況。

圖2 EGS地下環(huán)境模擬器及熱力過(guò)程綜合實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 EGS underground environment simulator and thermalhydraulic comprehensive experimental set-up

1.2 高壓柱塞泵系統(tǒng)

如圖3所示，高壓柱塞泵系統(tǒng)采用 Teledyne ISCO公司的 S65DM 系列雙泵系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)0.000 01～25 mL/min的連續(xù)流量注入，最大可提供10 000 psi（約69 MPa）的流體壓力，流量和壓力的調(diào)節(jié)精度分別為0.3%和0.5%。

圖3 Teledyne S65DM雙泵系統(tǒng)Fig.3 Teledyne S65DM dual pump system

1.3 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

如圖4所示，聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)是由聲發(fā)射監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)、聲發(fā)射探頭和前置放大器等部分組成，本實(shí)驗(yàn)中的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)采用多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀，在試樣的三個(gè)端面共安裝8個(gè)聲發(fā)射探頭及對(duì)應(yīng)的前置放大器，試樣與探頭采用耦合劑粘結(jié)，有效地監(jiān)測(cè)巖石內(nèi)部的裂縫擴(kuò)展情況。

圖4 多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.4 Multi-channel acoustic emission monitoring system

1.4 實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程

將試樣放置在EGS地下環(huán)境模擬器中，通過(guò)真三軸加壓系統(tǒng)在X、Y、Z三個(gè)方向加載一定的壓力，利用高壓柱塞泵系統(tǒng)精確地控制水力注射量，并采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等多種方式，探究地下真實(shí)環(huán)境中巖石內(nèi)部裂縫擴(kuò)展規(guī)律以及儲(chǔ)層的水力連通。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

①由野外試驗(yàn)場(chǎng)的井探數(shù)據(jù)得知，大多數(shù)場(chǎng)地的干熱巖成分以花崗巖為主。因此，本實(shí)驗(yàn)中采用400 mm × 400 mm × 400 mm的花崗巖塊來(lái)模擬地下真實(shí)干熱巖地?zé)豳Y源。

②在花崗巖上提前布置相應(yīng)的進(jìn)口井與出口井。本實(shí)驗(yàn)采用一注四采的布井方式，注入井與采出井的深度均為200 mm，其中注入井的結(jié)構(gòu)為階梯狀，見(jiàn)圖5；四個(gè)出口井分別距相鄰邊100 mm。

③利用巖石輸運(yùn)系統(tǒng)將花崗巖放置在EGS地下環(huán)境模擬器中，并在花崗巖的4個(gè)表面共安裝8個(gè)聲發(fā)射探頭，可以有效地監(jiān)測(cè)花崗巖內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展情況。聲發(fā)射探頭與井的位置分布見(jiàn)圖5。

④開(kāi)啟真三軸加壓系統(tǒng)，在X方向（左右）加載800 kN的載荷，Y（前后）、Z（垂直）方向分別加載500 kN的載荷。

⑤開(kāi)啟高壓柱塞泵系統(tǒng)與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)。

⑥壓裂實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉高壓柱塞泵系統(tǒng)與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將高壓柱塞泵系統(tǒng)卸載為0。

⑦在四個(gè)出口井安裝透明玻璃軟管，進(jìn)行水力連通實(shí)驗(yàn)。

⑧開(kāi)啟高壓柱塞泵系統(tǒng)，在入口井以30 mL/min定流量注入，觀測(cè)四個(gè)出口井液位的情況。

⑨可視化水力連通實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉高壓柱塞泵系統(tǒng)，并將高壓柱塞泵系統(tǒng)卸載為 0，隨后將真三軸加壓系統(tǒng)的壓力卸載為0。

⑩分析泵壓曲線、聲發(fā)射數(shù)據(jù)以及出口井液位變化情況，完成巖石水力壓裂及連通性的綜合分析。

圖5 試樣結(jié)構(gòu)、聲發(fā)射探頭與鉆井位置分布圖Fig.5 Illustration of rock sample structure,acoustic emission probe and drilling position distribution

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)巖樣的水力壓裂實(shí)驗(yàn)，利用監(jiān)測(cè)到的聲發(fā)射事件數(shù)據(jù)分析了裂隙擴(kuò)展規(guī)律，同時(shí)探討了影響裂隙走向的因素；通過(guò)進(jìn)行相應(yīng)的水力連通實(shí)驗(yàn)，探究了流體的泄漏情況以及相應(yīng)的回收率。

2.1 水力壓裂

通過(guò)在XYZ三個(gè)方向加載不同的載荷，模擬深層地下的應(yīng)力環(huán)境，從而探究地下主應(yīng)力對(duì)構(gòu)建EGS熱儲(chǔ)層的影響。通過(guò)高壓柱塞泵系統(tǒng)對(duì)巖石進(jìn)行水力壓裂，利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)水力壓裂過(guò)程中裂隙的生成與發(fā)展進(jìn)行檢測(cè)。試樣的起裂壓力大約為20 MPa，該壓力保持一段時(shí)間，隨后壓力驟減，與此同時(shí)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到裂隙的聲波信號(hào)，表明巖石內(nèi)部已經(jīng)有裂隙生成，聲發(fā)射事件隨時(shí)間的擴(kuò)展見(jiàn)圖 6。如圖 6a，將產(chǎn)生的聲發(fā)射事件隨時(shí)間進(jìn)行累積，并根據(jù)聲發(fā)射事件的變化趨勢(shì)將其劃分為三個(gè)時(shí)間段（第一時(shí)段、第二時(shí)段、第三時(shí)段），如圖6b～圖6d為俯視圖，其中a、b、c、d、e分別代表注入井與采出井，橢圓圈L1、L2、L3、L4分別表示聲發(fā)射事件的邊界。第一個(gè)時(shí)間段內(nèi)生成的聲發(fā)射事件數(shù)據(jù)用紅色圓球表示，第二個(gè)時(shí)間段內(nèi)生成的聲發(fā)射事件數(shù)據(jù)用綠色圓球表示，第三個(gè)時(shí)間段內(nèi)生成的聲發(fā)射事件數(shù)據(jù)用藍(lán)色圓球表示。在水力壓裂實(shí)驗(yàn)的第208 s出現(xiàn)第一個(gè)聲發(fā)射事件，在第一個(gè)時(shí)間段內(nèi)（208～220 s），聲發(fā)射事件迅速增多且主要集中在注入井底附近，如圖6b；在第二個(gè)時(shí)間段內(nèi)（220～240 s）聲發(fā)射事件隨時(shí)間緩慢增加，逐漸向周圍擴(kuò)展，主要朝最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展，如圖6c；在第三個(gè)時(shí)間段內(nèi)（240～268 s），聲發(fā)射事件先增多后平穩(wěn)再迅速增多，最后趨于平穩(wěn)；最終得到的聲發(fā)射事件主要向三個(gè)方向擴(kuò)展，如圖6d所示。

圖6 水力壓裂實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)到聲發(fā)射事件數(shù)據(jù)隨時(shí)間的擴(kuò)展Fig.6 Hydraulic fracturing experiment monitoring the dynamic expansion of microseismic data

圖7顯示了水力壓裂后產(chǎn)生的聲發(fā)射事件分布情況，圖7a為聲發(fā)射事件在XY面上的投影圖，從中可以清楚地看到微震數(shù)據(jù)隨著壓裂的進(jìn)行主要朝著三個(gè)方向擴(kuò)展：沿井a(chǎn)和井b連線方向擴(kuò)展、沿最大主應(yīng)力X方向和沿井a(chǎn)和井c連線方向擴(kuò)展；同時(shí)，在圖7b和圖7c中示出了聲發(fā)射事件在XZ和YZ面上的投影圖，根據(jù)聲發(fā)射事件的最終分布以及聲發(fā)射事件隨時(shí)間的擴(kuò)展趨勢(shì)，由圖7b可以明顯地看出沿最大主應(yīng)力X方向擴(kuò)展的聲發(fā)射事件大部分都處在一個(gè)與XZ平面近似平行的平面上，為了更清楚的展示這個(gè)平面，用 F2來(lái)表示。由圖7c可以明顯地看出沿井a(chǎn)和井b連線方向和沿井a(chǎn)和井c連線方向的聲發(fā)射事件大部分都處于近似水平面上，其中沿井a(chǎn)和井b連線方向擴(kuò)展的聲發(fā)射事件大都處于平面F1上，且聲發(fā)射事件發(fā)生的位置較深；沿井a(chǎn)和井c連線方向擴(kuò)展的聲發(fā)射事件大都處于平面F2上，且聲發(fā)射事件發(fā)生的位置較淺。

由圖6和圖7可知，在高壓的水力壓力作用下，裂隙的生成具有一定的時(shí)間屬性：裂隙最開(kāi)始在注入井a(chǎn)的底部生成并向深度方向擴(kuò)展，隨著水力壓裂的進(jìn)行，裂隙主要沿著最大主應(yīng)力的方向（X負(fù)方向）擴(kuò)展，最終的聲發(fā)射事件數(shù)據(jù)主要集中在三個(gè)橢圓方向 L2、L3、L4，向著采出井 b、巖石左側(cè)和采出井c方向擴(kuò)展。同時(shí)，觀察到在橢圓區(qū)域L1內(nèi)有三個(gè)時(shí)間段產(chǎn)生的聲發(fā)射事件數(shù)據(jù)，表明在注入井的附近進(jìn)行了相對(duì)充分的壓裂；聲發(fā)射事件數(shù)據(jù)的密集度在一定程度上反映了該區(qū)域的滲透率與孔隙率大小，一般情況下聲發(fā)射事件點(diǎn)密集的地方滲透率高于聲發(fā)射事件點(diǎn)稀疏的地方[33-35]，表明在近井區(qū)域熱儲(chǔ)層的滲透率高于遠(yuǎn)井區(qū)域的滲透率。

圖7d為最終得到的聲發(fā)射事件數(shù)據(jù)三維圖?？梢杂^察到向三個(gè)方向擴(kuò)展的聲發(fā)射事件數(shù)據(jù)主要集中在三個(gè)平面內(nèi)：橢圓區(qū)域L2中的聲發(fā)射事件數(shù)據(jù)主要集中在平面F1內(nèi)；橢圓區(qū)域L3中的聲發(fā)射事件數(shù)據(jù)主要集中在平面F2內(nèi)，平面F2近似平行于XZ平面；橢圓區(qū)域L4中的聲發(fā)射事件數(shù)據(jù)主要集中在平面F3內(nèi)。此外，裂縫擴(kuò)展面F1、F2、F3均近似平行于最大主應(yīng)力方向，與最小主應(yīng)力方向垂直，與現(xiàn)有的水力壓裂理論相一致。為了模擬地下巖石的真實(shí)環(huán)境，在水力壓裂實(shí)驗(yàn)中將巖石的最大主應(yīng)力方向設(shè)置為X方向，由圖6和圖7可知，裂縫沿著最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展，因此在巖石的左側(cè)面會(huì)有裂縫生成。

此外，實(shí)驗(yàn)中的注入井和采出井均在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)之前完成鉆井。由于注入井a(chǎn)與采出井b相距最近且與最大主應(yīng)力方向上近似平行，因此，在水力壓裂實(shí)驗(yàn)中，巖石的裂縫會(huì)向采出井b與采出井c擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在水力壓裂的作用下，地下的主應(yīng)力環(huán)境會(huì)在很大程度上影響裂隙的走向，尤其是地下最大主應(yīng)力會(huì)直接影響裂隙的走向；同時(shí)地下已有的斷裂層或者未知的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)裂隙的走向產(chǎn)生一定的影響，因此在實(shí)際工程中，應(yīng)該最大程度地利用地下主應(yīng)力以及已知的地下斷裂層等信息，更加高效地建立連通性能良好的熱儲(chǔ)層。

圖7 水力壓裂實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)到聲發(fā)射事件分布示意圖Fig.7 Schematic diagram of the distribution of acoustic emission events monitored by hydraulic fracturing experiments

2.2 水力連通實(shí)驗(yàn)

在水力壓裂后，為探究熱儲(chǔ)層的水力連通性以及更加直觀地評(píng)價(jià)各個(gè)井采出流量的分配，開(kāi)展了水力連通實(shí)驗(yàn)，通過(guò)在四個(gè)采出井布置內(nèi)徑為7.5 mm的透明塑料軟管來(lái)直觀地觀測(cè)采出液體的速率和高度，從而評(píng)價(jià)入口井到各個(gè)采出井的連通性能。

實(shí)驗(yàn)采用定流量注入，注入流量為30 mL/min。在采出井的軟管中提前灌注一定高度的液體，通過(guò)在注入井定流量注入液體，觀察各個(gè)井液體上升的速率以及上升的高度。在采出井b和采出井c處有采出液體，且采出井b的液體采出量和液體上升速率明顯高于出口井c，在出口井d與出口井e并沒(méi)有觀察到采出液體；在注水時(shí)間達(dá)2 min時(shí)，出口井b液柱高度為12.5 cm，出口井c液柱高度為2 cm，如圖8所示。通過(guò)觀察最終生成的聲發(fā)射事件，可以得知在沿井a(chǎn)和井b連線方向擴(kuò)展的聲發(fā)射事件相對(duì)于沿井a(chǎn)和井c連線方向擴(kuò)展的聲發(fā)射事件密集程度更高，數(shù)量更多，可以認(rèn)為在沿井a(chǎn)和井b連線方向上的滲透率高于沿井a(chǎn)和井c連線方向上的滲透率。因此出口井b采出的液體更多。

此外，在停止注水后，出口井b處的流體仍然繼續(xù)升高，最終約升高2 cm，這是由于停止注水后，巖石中水力壓裂形成的裂縫收縮導(dǎo)致出口井b處的液體升高，因此，在水力壓裂結(jié)束以后有必要對(duì)形成的裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。同時(shí)，還觀察到在正對(duì)巖樣的左側(cè)面XZ面上有流體泄漏。通過(guò)計(jì)算得知，在注水期間，井b的液體回收率為9.19%，井c的液體回收率為 1.47%，采出井的液體總回收率達(dá)10.66%，其余的流體一部分從巖石的表面泄漏，另一部分滲透在巖石中。見(jiàn)表1所示。

圖8 水力連通實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Hydraulic connectivity experiments

表1 各井液體回收情況表Table 1 Liquid recovery of each well

3 結(jié)論與展望

模擬地下真實(shí)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由EGS地下環(huán)境模擬器、高壓柱塞泵系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等部分組成。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)巖樣在單軸、雙軸、真三軸應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)特性與流體滲流規(guī)律的研究。系統(tǒng)可在X、Y、Z三個(gè)方向分別提供2 500 kN的載荷；同時(shí)通過(guò)高壓柱塞泵系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)0.000 01 ～25 mL/min的連續(xù)流量注入，最大可提供69 MPa的流體壓力；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)面獨(dú)立加熱，加熱最高溫度可達(dá) 250℃，可以較真實(shí)地模擬深層地下的環(huán)境。

利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行了水力壓裂、聲發(fā)射事件監(jiān)測(cè)、儲(chǔ)層連通等實(shí)驗(yàn)研究。有效監(jiān)測(cè)到了巖石內(nèi)部的裂縫擴(kuò)展情況，獲得了有效的多裂隙熱儲(chǔ)層，并實(shí)現(xiàn)了注入井到采出井的水力連通。根據(jù)監(jiān)測(cè)到的聲發(fā)射事件數(shù)據(jù)可以清楚地了解到聲發(fā)射事件發(fā)生的位置、時(shí)間屬性等信息。

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)研究，可知在水力壓裂的作用下，深層地下的應(yīng)力環(huán)境會(huì)在很大程度上影響裂隙的走向，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水力裂縫的擴(kuò)展面平行于最大主應(yīng)力方向，與最小主應(yīng)力方向垂直，與已有的油氣壓裂理論相符合。此外，實(shí)驗(yàn)的注入井和采出井均在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)之前完成鉆井，水力壓裂中聲發(fā)射事件朝著采出井b和采出井c擴(kuò)展，表明地下已有的斷裂層或者未知的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)裂隙的走向產(chǎn)生一定的影響。因此，在實(shí)際工程中最大程度地利用地下主應(yīng)力和已知的地下斷裂層等信息，可以有效地控制裂隙的擴(kuò)展方向和形成連通性能良好的熱儲(chǔ)層。

注入井附近在三個(gè)時(shí)間段內(nèi)均有聲發(fā)射事件數(shù)據(jù)產(chǎn)生，表明在注入井附近的壓裂相對(duì)充分，在近井區(qū)域熱儲(chǔ)層的滲透率要高于遠(yuǎn)井區(qū)域的滲透率。水力連通實(shí)驗(yàn)表明水壓減小后，巖石中形成的裂縫會(huì)相應(yīng)收縮。因此，對(duì)注入井附近和形成的裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理，可以更有效地開(kāi)采干熱巖熱量。

通過(guò)水力連通實(shí)驗(yàn)清楚地監(jiān)測(cè)到各個(gè)井采出流量的分配情況，從而可以直觀地評(píng)價(jià)入口井到各個(gè)采出井的連通性能，對(duì)比沿井a(chǎn)和井b連線方向擴(kuò)展的聲發(fā)射事件和沿井a(chǎn)和井c連線方向擴(kuò)展的聲發(fā)射事件，結(jié)果表明滲透率與聲發(fā)射事件的密集程度相關(guān)，因此推測(cè)可利用聲發(fā)射事件的密集程度來(lái)估測(cè)滲透率的相對(duì)大??；同時(shí)，流體回收率達(dá)到了10.66%。

實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有靈活性大、操作方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)。后續(xù)擬對(duì)不同巖性的巖石進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為實(shí)際工程提供技術(shù)支持和優(yōu)化方案，縮短實(shí)際工程工期、降低成本并規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也為數(shù)值模擬提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完善數(shù)值模型，提高模型計(jì)算的準(zhǔn)確度。