李 寧，趙夢云，王海波，周 彤

(中國石化石油勘探開發(fā)研究院 采油工程研究所，北京 102249)

引 言

干熱巖地熱能是指蘊藏在地下深部高溫巖體中的熱量，是一種分布廣泛、儲量巨大、不受季節(jié)限制、清潔無污染的新型能源[1-3]。干熱巖的巖性以火山巖、變質(zhì)巖和結(jié)晶巖為主，埋深3.0～10.0 km，溫度可達150～650 ℃，儲層巖石致密、滲透性差，無水或極少含水[4-5]。干熱巖地熱能的開發(fā)需要借助水力壓裂等手段建立增強型地熱系統(tǒng)/人工熱儲(EGS)，即在注水井與采出井之間建立連通的裂隙網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)注水井與采出井間的流體循環(huán)，利用高溫巖體與注入流體的熱量交換將能量采出。

國際上除明確了經(jīng)濟有效開采地熱能的人工熱儲改造面積(0.1 km2)、有效換熱面積(1×106m2)等參數(shù)界限以外，還指出采出井的產(chǎn)水速率達到80 kg/s(4.8 m3/min)且縫網(wǎng)的流動阻抗要低[6]。因此，裂縫網(wǎng)絡(luò)的高導流能力是必不可少的改造目標之一，且對于整個人工熱儲的采熱效果和運行壽命具有十分重要的影響[7]。盡管關(guān)于壓裂裂縫導流能力的研究屢見不鮮，但現(xiàn)有的實驗研究往往針對油氣儲層。而干熱巖儲層與油氣儲層相比，最顯著的區(qū)別之一在于地層溫度場的變化。在干熱巖地層的長期注采過程中，由于注入冷水與高溫巖石之間的熱量交換，注水井井底巖石的溫度會顯著降低。大量的室內(nèi)巖石力學測試結(jié)果表明：溫度劇烈變化(低溫沖擊)產(chǎn)生的熱應(yīng)力會使得巖石的物理力學性質(zhì)發(fā)生變化，即形成大量的低溫沖擊誘導裂縫，降低巖石的力學強度和彈性模量等[8-10]。巖石力學強度劣化將會加劇支撐劑的嵌入，從而進一步影響人工裂縫的閉合行為。Luo等[11]研究了含有人工裂縫的花崗巖在熱-流-固耦合作用下的滲流特征，發(fā)現(xiàn)實驗溫度的升高有利于提高能量的交換率。趙強等[12]和Shu等[13]分別研究了溫度對花崗巖支撐裂縫以及粗糙自支撐裂縫滲流特性和換熱效果的影響。隨著溫度的升高，巖石的熱膨脹以及高溫條件下礦物顆粒的壓溶等作用會導致裂縫的等效水力開度降低。目前，關(guān)于低溫沖擊作用對干熱巖壓裂裂縫導流能力影響的實驗研究尚不多見。

本文通過對巖板進行緩慢加熱后快速水冷卻的預熱處理方式模擬干熱巖注采循環(huán)過程中裂縫面所受的低溫沖擊作用。通過開展導流能力評價測試，分析了不同熱處理溫度(即低溫沖擊強度)、支撐劑類型、支撐劑粒徑和鋪砂濃度等因素影響下的裂縫導流能力變化規(guī)律。實驗結(jié)果對于認識干熱巖采熱過程中人工熱儲的生產(chǎn)動態(tài)變化機理具有一定的借鑒意義。

1 導流能力測試實驗

1.1 巖板制備與熱處理

實驗所用花崗巖露頭取自福建省漳州市。該花崗巖的礦物組成以石英為主，質(zhì)量分數(shù)約60.1%；其余依次為斜長石、鉀長石、黏土礦物和方解石，質(zhì)量分數(shù)分別為20.1%、13.6%、3.6%和2.6%。室內(nèi)力學參數(shù)測試結(jié)果表明，該花崗巖原始抗張強度為8.97 MPa，單軸抗壓強度為80.01 MPa，彈性模量為29.04 GPa，泊松比為0.16。

根據(jù)API導流能力測試規(guī)范，將巖樣加工成長度為17.7 cm、寬度為3.8 cm、厚度為2 cm、兩端為半圓形的標準平面巖板[14-15]。目前導流能力測試儀的加熱最高溫度通常在200℃以內(nèi)，難以滿足干熱巖儲層的高溫特征模擬。為此，本實驗采用預熱處理的方式模擬干熱巖人工熱儲采熱過程中注入水對高溫巖石的低溫沖擊作用。預熱處理的具體步驟如下：

(1)將導流巖板置于臺車烘箱，為了避免加熱過程中的熱沖擊作用，設(shè)置5 ℃/min的升溫速率將巖板緩慢加熱至不同的目標溫度(200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃)；

(2)為了保證整個導流巖板達到熱平衡，在加熱溫度達到目標溫度后，維持恒溫4 h；

(3)取出導流巖板，置于水槽中，利用恒速水流(水溫25 ℃)對導流巖板進行快速降溫處理，處理時間為2 h。

該緩慢加熱-快速水冷卻的預熱處理方式可以保證巖石的損傷主要發(fā)生在降溫過程中，在低溫沖擊對巖石物理力學性質(zhì)影響的實驗研究中已得到廣泛采用[16-18]。

1.2 實驗方案

巖板預熱處理后，首先開展電鏡掃描測試對巖板表面的低溫沖擊損傷特征進行觀測。之后，采用FCS-842導流儀開展室溫條件下的干熱巖裂縫導流能力評價測試。本實驗主要考慮不同熱處理溫度、支撐劑類型、支撐劑粒徑以及鋪砂濃度等因素對干熱巖裂縫導流能力的影響。根據(jù)干熱巖地層高應(yīng)力特征，閉合應(yīng)力加載范圍為10～70 MPa，實驗參數(shù)如表1所示。實驗結(jié)束后，對閉合應(yīng)力70 MPa條件下的支撐劑充填層破碎情況進行篩析測試，計算得到不同條件下的支撐劑破碎率。

表1 導流能力實驗參數(shù)

2 低溫沖擊后的裂縫面微觀特征

干熱巖采熱過程中，高溫巖石與循環(huán)流體之間發(fā)生熱量交換，裂縫表面溫度變化劇烈，產(chǎn)生熱誘導應(yīng)力。當熱誘導應(yīng)力超過巖石顆粒之間或顆粒自身的強度時，將會產(chǎn)生大量誘導裂縫[19]。為了直觀觀測低溫沖擊對裂縫表面微觀特征的影響，對不同溫度預熱處理后的巖板表面進行了取樣觀測，測試環(huán)境為常溫常壓條件。部分巖樣低溫沖擊作用后的裂縫面特征如圖1所示，經(jīng)歷400 ℃和500 ℃預熱處理的花崗巖表面可見多條開度明顯的誘導裂縫。這些裂縫一方面可以作為流體的流動通道，另一方面也會影響支撐劑與裂縫面間的相互作用。

圖1 低溫沖擊作用后的裂縫面特征

3 導流能力實驗結(jié)果與分析

3.1 低溫沖擊強度對導流能力的影響

通過將1#—5#巖板緩慢加熱到不同目標溫度并進行快速水冷卻處理，實現(xiàn)對不同低溫沖擊強度的模擬。經(jīng)過不同預熱處理后的裂縫導流能力變化如圖2(a)所示。由圖可知，隨著預熱處理溫度的升高，相同閉合應(yīng)力下的裂縫導流能力逐漸降低。說明低溫沖擊作用會加劇支撐裂縫的失效。當預熱處理溫度為25 ℃和200 ℃時，1#、2#巖板在低閉合應(yīng)力條件下的裂縫導流能力下降相對較慢，當閉合應(yīng)力達到50 MPa后，導流能力隨閉合應(yīng)力升高而快速降低。而當預熱處理溫度超過300 ℃后，3#—5#裂縫導流能力隨閉合應(yīng)力增加快速降低的階段發(fā)生在低閉合應(yīng)力(≤30 MPa)階段。

圖2 熱處理溫度對裂縫導流能力和支撐劑破碎的影響

LI等[4]關(guān)于低溫沖擊對花崗巖微觀力學性質(zhì)的影響研究表明：低溫沖擊造成的誘導應(yīng)力會在巖樣表面造成微裂縫并使得裂縫表面的巖石硬度降低。當預熱處理溫度較低時，低溫沖擊作用較弱，裂縫面的軟化現(xiàn)象并不嚴重。此時，裂縫的閉合主要是高閉合應(yīng)力條件下支撐劑的破碎。當預熱處理溫度達到300 ℃以上時，低溫沖擊造成的裂縫面“軟化”程度加劇，誘導裂縫的數(shù)量增加。此時，在低閉合應(yīng)力條件下，支撐劑在裂縫表面的嵌入加劇，導流能力下降較快。隨著閉合應(yīng)力進一步增大，由于支撐劑嵌入使得受力面積增加，支撐劑的破碎得到一定程度抑制，導流能力下降變慢[20-21]。支撐劑充填層的篩析結(jié)果也表明，隨著預熱處理溫度的升高，支撐劑的破碎率顯著降低。相比于未經(jīng)過預熱處理的情況(25 ℃)，預熱處理溫度為500 ℃過程中產(chǎn)生的低溫沖擊作用使得70 MPa下的支撐劑破碎率由30.87%下降到11.68%(圖2(b))。

3.2 支撐劑類型對導流能力的影響

在鋪砂濃度4 kg/m2、預熱處理溫度300 ℃條件下，分別對比了采用40/70目石英砂支撐劑(6#巖板)與40/70目陶粒支撐劑(3#巖板)時的裂縫導流能力與支撐劑破碎情況，測試結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可知，采用承壓能力相對較低的石英砂支撐劑時，導流能力隨著閉合應(yīng)力的升高迅速降低。當閉合應(yīng)力增加到40 MPa時，導流能力由初始的23.8 μm2·cm下降到0.9 μm2·cm，已經(jīng)基本喪失導流能力。實驗后的支撐劑破碎率分析結(jié)果表明，在70 MPa的閉合應(yīng)力條件下，石英砂支撐劑的破碎率高達47.74%。這說明對于巖石硬度較大、應(yīng)力較高的干熱巖儲層而言，采用低強度的石英砂支撐劑并不能有效保持裂縫的高導流能力。

圖3 支撐劑類型對裂縫導流能力和支撐劑破碎的影響

3.3 支撐劑粒徑對導流能力的影響

為了對比支撐劑粒徑對于裂縫導流能力的影響，7#、8#巖板分別選用相同鋪砂濃度下的70/140目陶粒支撐劑和30/50目陶粒支撐劑開展測試并與3#巖板(40/70目陶粒支撐劑)的結(jié)果進行對比。實驗前對3組巖板均進行預熱處理模擬低溫沖擊作用，熱處理溫度為300 ℃。不同粒徑下的導流能力及支撐劑破碎情況如圖4所示。

圖4 支撐劑粒徑對裂縫導流能力和支撐劑破碎的影響

由圖4可知，選用大粒徑的支撐劑能夠獲得較高的導流能力。在10 MPa的閉合應(yīng)力下，30/50目陶粒支撐劑的導流能力分別為40/70目和70/140目陶粒支撐劑導流能力的1.4倍和8.0倍。但是，隨著支撐劑粒徑的增大，支撐劑在裂縫中的運移難度增加，且支撐劑更易發(fā)生破碎。如圖4(a)所示，隨著閉合應(yīng)力的逐漸增加，30/50目陶粒支撐劑與40/70目陶粒支撐劑的導流能力差別逐漸減小。在閉合應(yīng)力70 MPa條件下，30/50目與40/70目陶粒支撐劑的導流能力分別為15.1 μm2·cm和13.0 μm2·cm。實驗后支撐劑充填層的篩析結(jié)果表明，70/140目、40/70目和30/50目陶粒支撐劑的破碎率分別為8.44%、13.53%和25.30%(圖4(b))。

3.4 鋪砂濃度對導流能力的影響

9#和10#巖板分別設(shè)計1 kg/m2、2 kg/m2的鋪砂濃度開展導流能力測試，并與3#巖板(鋪砂濃度4 kg/m2)結(jié)果進行對比。同樣，實驗前對巖板進行300 ℃的預熱處理。導流能力隨閉合應(yīng)力的變化情況及支撐劑充填層的最終破碎率對比如圖5所示。

圖5 鋪砂濃度對裂縫導流能力和支撐劑破碎的影響

由圖5(a)可知，在1 kg/m2的低鋪砂濃度下，40/70陶粒支撐劑的導流能力隨閉合應(yīng)力的升高迅速降低。當閉合應(yīng)力達到30 MPa時，基本喪失導流能力。這主要是因為：一方面，低溫沖擊促進了支撐劑在裂縫表面的嵌入，使得低鋪砂濃度下的縫寬損失更加明顯；另一方面，裂縫表面軟化后，支撐劑對裂縫面的擠壓也會造成裂縫表面部分礦物顆粒的破碎和脫落，碎屑堵塞支撐劑充填層孔隙，加劇導流能力的損失。上述機理，即使在2 kg/m2的鋪砂濃度下，對導流能力仍有顯著的影響。閉合應(yīng)力達到70 MPa時，2 kg/m2鋪砂濃度的陶粒導流能力由初始的24.9 μm2·cm下降至0.7 μm2·cm。而當鋪砂濃度提高到4 kg/m2時，在70 MPa的閉合應(yīng)力條件下仍能保持13.0 μm2·cm的導流能力，分別為鋪砂濃度1 kg/m2和2 kg/m2時的162.5倍和19.1倍。這說明提高支撐劑鋪砂濃度能夠有效降低低溫沖擊作用對導流能力的傷害，使干熱巖儲層壓裂裂縫系統(tǒng)維持高導流能力需求，從而保證熱儲長期具有良好的注采循環(huán)效果。

支撐劑破碎率分析結(jié)果表明，鋪砂濃度對于支撐劑破碎率的影響相對較弱(圖5(b))。鋪砂濃度由1 kg/m2升高到4 kg/m2，支撐劑充填層的破碎率僅由15.38%下降至13.53%。這說明支撐劑破碎并不是不同鋪砂濃度下導流能力變化差異的主要原因。鋪砂濃度越低，支撐劑充填層的厚度越小。因此，支撐劑嵌入對裂縫寬度的影響越顯著。

4 結(jié) 論

(1)隨著裂縫面經(jīng)歷的低溫沖擊作用增強，相同閉合應(yīng)力下的裂縫導流能力逐漸降低，支撐劑破碎率降低。低溫沖擊作用較弱(<300 ℃)時，導流能力在高閉合應(yīng)力下降低明顯，與支撐劑的破碎有關(guān)；低溫沖擊作用較強(≥300 ℃)時，導流能力在低閉合應(yīng)力下發(fā)生明顯降低，與支撐劑的嵌入加劇有關(guān)。

(2)鋪砂濃度4 kg/m2條件下，支撐劑粒徑越大，裂縫導流能力越高，但支撐劑破碎率越高。在高閉合應(yīng)力(70 MPa)下，30/50目與40/70目陶粒的導流能力相當且明顯高于70/140目陶粒的導流能力。

(3)采用高強度陶粒、提高支撐劑鋪砂濃度能夠有效降低低溫沖擊作用對裂縫導流能力的傷害。70 MPa閉合應(yīng)力條件下，鋪砂濃度為4 kg/m2的導流能力可以達到鋪砂濃度1 kg/m2和2 kg/m2時導流能力的162.5倍和19.1倍。