張 博,劉恒偉,竇 斌,田 紅,肖 鵬

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，武漢 430074；2.武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司，武漢 430022)

0 引 言

隨著常規(guī)油氣資源開采難度增大及其在使用過程中帶來越來越多的環(huán)境問題，尋找清潔的可再生能源已成為能源界主要的科學(xué)任務(wù)。地?zé)豳Y源以其清潔、可再生、使用不受環(huán)境影響、儲量大、用途廣泛等優(yōu)勢越來越得到人們的關(guān)注[1-4]。干熱巖 (Hot Dry Rock，HDR)一般指溫度大于150 ℃，埋深約3～10 km，內(nèi)部不存在或含有少量流體(致密不透水)的高溫巖體[5]。美國能源部把開采干熱巖的工程系統(tǒng)統(tǒng)稱為增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)[6]。EGS通過人工壓裂形成地?zé)醿?，使流體流過注入井和生產(chǎn)井之間的裂隙網(wǎng)絡(luò)獲取干熱巖中的地?zé)崮躘6]，幾乎可以用在世界上任何存在高地?zé)崃鞯膮^(qū)域[7]，是目前最熱門的研究方向[4,6]。

1973年，美國在芬頓山(Fenton Hill)首次實(shí)行EGS試驗(yàn)研究[6]，1977年，第1期工程取得成功，鉆孔深達(dá)4.5 km，形成第1個(gè)EGS循環(huán)回路。隨后，日、德、法、澳等國家逐步開展對EGS的研究[8]。除了現(xiàn)場直接試驗(yàn)以外，數(shù)值模擬也是研究EGS的重要方法之一。EGS中的熱-流-固-化(Thermal-Hydrological-Mechanical-Chemical,T-H-M-C)耦合作用是數(shù)值模擬研究的主要問題[9-10]。針對各個(gè)過程的耦合問題，部分學(xué)者對此也做出了成功地研究[11-12]。雷宏武等[13]采用TOUGH2，結(jié)合太沙基固結(jié)理論一維力學(xué)模型的功能模塊以及BIOT固結(jié)理論三維力學(xué)模型的功能模塊，開發(fā)了T-H-M耦合模擬器TOUGH2-Biot。Taron等[14]將TOUGHREACT中模擬熱(T)、水(H)、化學(xué)溶解或沉淀(C)的能力同F(xiàn)LAC3D的力學(xué)(M)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)T-H-M-C的耦合，在可變形、斷裂的多孔介質(zhì)中研究T-H-M-C過程。但是，對EGS工程現(xiàn)場試驗(yàn)，耗資巨大，實(shí)施深達(dá)數(shù)km的鉆井、壓裂等等需要耗費(fèi)幾千萬元甚至上億元的資金，成本及風(fēng)險(xiǎn)極大[15]。而數(shù)值模擬雖能夠獲得廣泛的研究結(jié)論，但是其本身需要大量數(shù)據(jù)檢驗(yàn)與支持，缺少一定的可信度。所以，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的模擬研究對解決EGS問題具有十分重要的意義。

然而，國內(nèi)外針對EGS中的T-H-M-C作用而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)?zāi)M僅有少數(shù)學(xué)者研究。趙堅(jiān)等[16]通過倫敦帝國理工學(xué)院的巖石熱力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，針對真實(shí)巖樣研究了單一狹窄裂隙中的流體與巖石之間的熱交換問題。研究表明，裂隙幾何和表面粗糙度在流體-巖石傳熱過程中起著重要的作用。Robert等[7]利用巖石三軸測試儀AutoLab1500，發(fā)現(xiàn)EGS裂隙網(wǎng)路中的裂隙開度和滲透率在開采過程中的發(fā)展演化會(huì)受到T-H-M-C共同作用，其中化學(xué)作用是影響裂隙發(fā)展演化的驅(qū)動(dòng)因素；另一方面，國內(nèi)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般在室溫下進(jìn)行，以及對裂隙開度、長度以及粗糙度等無法控制，因此無法研究變溫場以及裂隙特征等因素對EGS的影響。

本文研發(fā)了一種能夠精確地模擬裂隙的發(fā)展演化以及T-H-M-C耦合過程的實(shí)驗(yàn)儀器，可改變裂隙特征以及溫度場，從而為EGS提供更多可靠的理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)更加可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 試驗(yàn)裝置

圖1為高溫裂隙滲流模擬裝置示意圖。裝置由4個(gè)系統(tǒng)組成：溫壓控制系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、模擬系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1-注水口；2-出水口；3-巖塊；4-耐高溫與腐蝕的防水密封膠套；5-電加熱板；6-保溫層；7-單一裂隙；8-溫度控制裝置；9-進(jìn)水溫度傳感器；10-進(jìn)水壓力傳感器；11-出水溫度傳感器；12-出水壓力傳感器；13-流量計(jì)；14-高壓柱塞泵；15-恒溫供液槽；16-出液槽；17-支撐劑；18-流速溫度傳感器；19-沙袋；20-定位卡；21-調(diào)節(jié)手柄；22-隔板；23-上頂板；24-出水口；25-計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

圖1 高溫裂隙滲流模擬裝置示意圖

1.1 溫壓控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)主要是由高功率電加熱板以及溫度控制裝置組成。電加熱板的作用是為實(shí)驗(yàn)裝置提供高溫模擬環(huán)境，而溫度控制裝置則是對這種環(huán)境進(jìn)行控制并進(jìn)行監(jiān)測，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)所要求的溫度環(huán)境?？煽販囟仍?5～400 ℃之間。壓力控制系統(tǒng)由壓力調(diào)節(jié)手柄和壓力表構(gòu)成。通過壓力調(diào)節(jié)手柄對系統(tǒng)壓力進(jìn)行控制，并利用壓力表對壓力進(jìn)行監(jiān)測。可控壓力最高可達(dá)60 MPa。

1.2 循環(huán)系統(tǒng)

循環(huán)系統(tǒng)主要是為流體的流動(dòng)提供路徑以及動(dòng)力，以模擬流體在地?zé)衢_采過程中的流動(dòng)狀態(tài)。通過控制流體的狀態(tài)可以研究流體狀態(tài)對于EGS工程效益的影響機(jī)理。包括液槽、流通管道、高壓柱塞泵、控制閥門等。高壓注塞泵可控制流體注入速率0～100 mL/min，提供0～100 MPa的注水壓力。

1.3 模擬系統(tǒng)

模擬系統(tǒng)主要作用是模擬流體在巖石裂縫中的流動(dòng)狀態(tài)。主要由以下5部分組成。

(1)注、出水口。包括1個(gè)注水口，4個(gè)出水口。如圖2所示，注水口1與出水口2距離400 mm，與各出水口之間間隔50 mm，無水通過時(shí)，用蓋子密封。

(2)試驗(yàn)巖樣。包括兩塊長方體巖塊，由一整塊巖石通過劈裂形成。規(guī)格：長×寬為600 mm×100 mm，厚度為40～50 mm。

(3)耐高溫與腐蝕的防水密封膠套。

(4)管閥件、出水槽。

(5)支撐劑。選用陶瓷球體支撐劑，如圖3所示，支撐劑布置在裂隙邊緣，用于支撐裂隙形成開度，開度大小約為1～6 mm。

圖2 進(jìn)水口與出水口布置示意圖

1-進(jìn)水口；2-出水口；17-支撐劑；18-流速溫度傳感器

圖3 支撐劑與流速溫度傳感器布置示意圖

1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過傳感器采集EGS模擬過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)。包括加壓壓力傳感器、進(jìn)水壓力傳感器、出水壓力傳感器、出水溫度傳感器、微型溫度與流量傳感器、液體流量計(jì)、計(jì)算機(jī)。其中，加壓壓力傳感器量程為0～60 MPa，水壓力傳感器量程為0～10 MPa，溫度傳感器量程為(-50～450)±5 ℃，液體流量計(jì)量程為0～500 mL/min。

2 試驗(yàn)步驟

巖石裂隙對流傳熱試驗(yàn)所用巖樣包括兩塊長方體巖塊，由一整塊巖石通過劈裂形成?？煞謩e對各類儲層巖石的平直裂隙或粗糙裂隙開展對流傳熱試驗(yàn)。

(1)制備巖樣。選取規(guī)格為600 mm×100 mm×100 mm的長方體巖樣，可制備沿軸線方向貫通整個(gè)巖樣的平直或粗糙裂隙，在頂面注水孔處鉆孔直至巖樣裂隙，然后可在頂面距注水孔相隔300、350、400以及450 mm處鉆孔作為出水孔，以控制裂隙長度這一變量。

(2)將制好的巖樣放入換熱室中，如要調(diào)節(jié)孔隙率或裂隙開度，則可加入支撐劑，然后調(diào)節(jié)溫度控制裝置，對巖樣進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度達(dá)到試驗(yàn)預(yù)期的溫度時(shí)維持平衡狀態(tài)，使溫度在30 min內(nèi)變化不超過1 ℃，即可進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。溫度的等級可由25～400 ℃，設(shè)定不同的溫度即為不同的變溫場。

(3)通過壓力調(diào)節(jié)手柄對系統(tǒng)壓力進(jìn)行控制，并利用壓力表對壓力的大小進(jìn)行監(jiān)測，可控壓力最高可達(dá)60 MPa。設(shè)定不同的壓力即為不同的變壓場。

(4)在設(shè)定的溫度與壓力水平下，將第1級滲流流量設(shè)定為1 mL/min，并通過溫度及壓力傳感器記錄進(jìn)口與出口溫度、巖樣內(nèi)外表面的溫度以及進(jìn)出口壓力，圍壓等數(shù)值?？刂茲B流流速增量為1 mL/min，逐漸升高滲流流量直至50 mL/min，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

(5)試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉高壓柱塞泵，待冷卻后可更換巖樣，并重復(fù)(2)～(4)。

3 試驗(yàn)內(nèi)容

在自然界，熱能主要通過熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種方式傳遞，但是在地?zé)犷I(lǐng)域，熱輻射在傳熱方面發(fā)揮作用很小，可忽略不計(jì)，采熱介質(zhì)在巖石裂隙中的流動(dòng)換熱過程屬于對流傳熱，就目前而言，針對巖石裂隙的對流換熱問題研究不多。但是，對流換熱是影響EGS的重要因素之一[17-19]。裂隙開度、裂隙長度、粗糙度、孔隙率、采熱介質(zhì)等對傳熱影響較大。此外，循環(huán)過程中采熱介質(zhì)與巖石發(fā)生水巖相互作用會(huì)對巖石基質(zhì)產(chǎn)生溶蝕作用。本裝置致力于研究對流傳熱以及水巖相互作用，進(jìn)而探索EGS中巖石-流體介質(zhì)對流換熱機(jī)理。

3.1 裂隙特征對傳熱的影響

裂隙特征主要包括裂隙長度、裂隙表面粗糙度、裂隙開度等。

裂隙長度不同，流體流經(jīng)裂隙的狀態(tài)變化程度就不同。本裝置通過控制注水口與出水口距離改變裂隙長度的大小，通過監(jiān)測流體流經(jīng)不同長度裂隙前后的狀態(tài)，以此來研究裂隙長度對傳熱的影響。

裂隙表面不同起伏的程度所產(chǎn)生的流阻也不同。巖石破裂過程中由于內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生不同裂隙面，采用CT掃描技術(shù)可對裂隙面粗糙度進(jìn)行描述，然后在進(jìn)水口和出水口對流體監(jiān)測，從而研究裂隙粗糙度對傳熱的影響。

裂隙開度對傳熱速率、效率有一定的影響。本裝置通過加入不同粒徑的支撐劑來控制裂隙的開度大致為1～6 mm，然后通過對流體流經(jīng)裂隙的狀態(tài)監(jiān)測分析來研究裂隙開度對傳熱的影響。

3.2 孔隙率對傳熱的影響

EGS中構(gòu)造的裂隙網(wǎng)絡(luò)是流體的主要流通通道。因巖石孔隙率遠(yuǎn)小于裂隙孔隙率，因此對巖石孔隙率可忽略不計(jì)，僅用裂隙孔隙率來刻畫裂隙網(wǎng)絡(luò)特征。

本實(shí)驗(yàn)裝置通過加入不同數(shù)量支撐劑來控制支撐劑密度從而控制裂隙孔隙率。巖石裂隙孔隙率

n=1-2πsr2/(3LB)

(1)

式中:s為巖石中支撐劑的數(shù)量；r為支撐劑的半徑；L為巖石的長度；B為巖石的寬度。主要操作方式為：先加入兩塊所述規(guī)格的巖塊，在巖石中間加入不同數(shù)量支撐劑，監(jiān)測流體流經(jīng)裂隙前后的狀態(tài)，研究孔隙率對傳熱的影響。

3.3 采熱介質(zhì)對傳熱的影響

采熱介質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)對于流體與裂隙的換熱效率具有很重要的影響。不同的采熱介質(zhì)與裂隙具有不同的換熱效率。在本裝置中采用不同的循環(huán)流體便可以研究不同采熱介質(zhì)與巖石樣品之間的換熱效率。

3.4 水巖相互作用

EGS循環(huán)過程中，采熱介質(zhì)會(huì)對巖石基質(zhì)產(chǎn)生溶蝕作用且溶蝕的物質(zhì)會(huì)在裂隙下游沉淀。在EGS高溫高壓條件下，這種溶蝕作用會(huì)加劇。本裝置利用采熱介質(zhì)在系統(tǒng)中進(jìn)行長期循環(huán)模擬，通過監(jiān)測循環(huán)前后采熱介質(zhì)的物質(zhì)變化以及裂隙特征變化，從而對水巖相互作用進(jìn)行研究，為EGS工程采熱介質(zhì)選取以及循環(huán)過程中裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)展演化趨勢提供理論依據(jù)。

4 結(jié)果處理

若要獲得通用性規(guī)律，則需要進(jìn)行多次試驗(yàn)，考慮到試驗(yàn)可能失敗等因素，所花費(fèi)的人力、物力、成本等是超過可接受范圍的，而利用相似原理以及量綱分析對解決問題有很大幫助。研究對流傳熱問題，無量綱特征數(shù)有雷諾數(shù)(Re)、普朗特?cái)?shù)(Pr)、努塞爾數(shù)(Nu)等，利用這些無量綱特征數(shù)可使結(jié)果更有通用性。

對流傳熱的總傳熱量

Q=cmΔT=cm(T2-T1)

(2)

式中:c為導(dǎo)熱介質(zhì)的比熱容，kJ/(kg · K)；m為導(dǎo)熱介質(zhì)(一般為水)的質(zhì)量流速，kg/s，可由試驗(yàn)流量換算而來;T1及T2分別代表進(jìn)口、出口溫度，℃，可直接測得。

導(dǎo)熱介質(zhì)的對流換熱系數(shù)：

h=Q/[2LB(Ts-Tw)]

(3)

式中:Q為總傳熱量，J/s；L為巖樣長度，m；Ts為巖樣裂隙內(nèi)表面溫度，℃，裂隙中的流速溫度傳感器可測；Tw為導(dǎo)熱介質(zhì)平均溫度，可取進(jìn)出口溫度均值。

雷諾數(shù)計(jì)算，對本文巖石單裂隙滲流的非圓形管道，特征長度應(yīng)取當(dāng)量直徑，為4倍水力半徑，水力半徑為過水?dāng)嗝婷娣e除以濕周，公式如下：

(4)

由于對過水?dāng)嗝?，b?B，故

Re≈2bρv/μ

(5)

又流速v可換為流量除以斷面面積，則有

Re=2ρq/(Bμ)

(6)

式中:v為流速，m3/s，可由流速溫度傳感器測得；ρ為流體密度，可查相關(guān)資料或通過實(shí)驗(yàn)獲得；q為流量，m3/s；b為巖樣上下兩塊的間距；μ為采熱介質(zhì)運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)，m2/s，查找相關(guān)資料或通過實(shí)驗(yàn)獲得。

普朗特?cái)?shù)計(jì)算：

Pr=μ/a

(7)

式中:μ為采熱介質(zhì)運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)，m2/s；a為熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

熱擴(kuò)散系數(shù)可由下式計(jì)算：

a=λ/(ρc)

(8)

式中:λ為采熱介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)，可查閱相關(guān)資料或通過實(shí)驗(yàn)獲得；ρ為采熱介質(zhì)密度，kg/m3，查閱相關(guān)資料；c為采熱介質(zhì)比熱容，kJ/(kg · K)。

努塞爾數(shù)計(jì)算：

Nu=hH/λ

(9)

式中:h為對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；H為傳熱層厚度，m，大約為巖樣高度。

5 結(jié) 語

自主研發(fā)的EGS T-H-M-C耦合模擬裝置有望通過試驗(yàn)的方式研究EGS中的T-H-M-C耦合作用，彌補(bǔ)了現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值模擬中的不足之處，而且可為數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)支持，對現(xiàn)場試驗(yàn)起到一定的指導(dǎo)意義。該裝置可實(shí)現(xiàn)更高的溫度場模擬，改變裂隙的長度，添加支撐劑改變裂隙的開度及裂隙孔隙度等優(yōu)勢，通過本裝置可進(jìn)行裂隙特征、裂隙孔隙率、采熱介質(zhì)以及水巖相互作用等因素對對流換熱的影響，利用相似原理，選用無量綱特征數(shù)如雷諾數(shù)(Re)、普朗特?cái)?shù)(Pr)、努塞爾數(shù)(Nu)等表征對流換熱效果，可使結(jié)果更有通用性?？偟膩碚f，本EGS模擬裝置結(jié)構(gòu)原理簡單，操作方便，數(shù)據(jù)可靠。模擬實(shí)驗(yàn)過程中取得的各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均可以自動(dòng)記錄到計(jì)算機(jī)中，建立專用的數(shù)據(jù)庫，方便科研人員的查閱。