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硕士学位论文

增强型地热系统人工储层解堵剂及解堵方案研究

StudyonEnhancedGeothermalSystemArtificialReservoir

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202305

地热能是来自于地球内部重力势能转化以及含放射性元素衰变形成的热能，

是一种清洁、高效的新能源，具有分布广、储量丰富、运行稳定和持续性强等优

点。干热岩是深部地热能的重要组成部分，其丰富的热能能够满足工业生产及发

电的需要，现已成为发达国家重点关注的能源之一。增强型地热系统（Enhanced

GeothermalSystems，EGS）是开发利用干热岩的关键性技术，其核心在于通过

人工水力压裂及化学刺激手段在干热岩内部形成具有良好水利连通性的人工裂

隙网。但已建成的干热岩型EGS场地（日本Hijiori、澳大利亚CooperBasin等）

在长期运行工况下的地面泵机压力监测数据表明，人工热储层中的裂隙通道会在

长期的水文地球化学作用下，逐渐发生闭合，裂隙内部阻力逐渐增加，导致干热

岩开发场地产能下降甚至无法生产，严重影响干热岩资源的可持续利用。因此，

进行增强型地热系统解堵研究，对EGS系统的可持续利用具有重要意义。

本文以美国FORGE地热储层为研究对象，开展了水-岩相互作用实验，明

晰了长期运行中人工热储层内会发生的水文地球化学变化；通过人工裂隙典型矿

物在不同环境下的溶蚀规律实验，分析了不同性质流体对于解堵实验的局限性；

基于田口实验法的化学解堵剂组分优选，优选出了满足解堵作业需求的四种解堵

剂组分；借助岩心流动反应实验，对比了四种优选组分解堵剂的动态解堵效果及

其解堵过程中的矿物变化；基于实验室内岩心流动反应实验所得数据，建立的一

维岩心流动反应实验模型，获得了场地级模型所必需的解堵剂-岩石矿物参数条

件，并进一步探究了流动条件下的裂隙典型矿物的溶沉规律；借助

TOUGHREACT，基于现有的FORGE热储层数据，对该地热储层建立二维反应

性溶质运移模型，探讨了注入时长、注入温度和注入流量三种解堵作业条件对于

解堵效果的影响，提出了高效、低成本的增强型地热系统解堵作业方案。

本次研究得到的主要认识如下：

1

（）发生在高温高压人工裂隙内部的水岩反应，会造成钾长石、伊利石溶

解，高岭石和原硅酸的部分分解，裂隙内游离态二氧化硅含量增加，钠长石溶解，

钙长石迅速生成，白云石分解和钙基蒙脱石钠化，还伴随着黑云母发生热液变化，

生成更加稳定的白云母。这些典型矿物会对裂隙的水力连通性构成影响。酸性（土

I

酸）能对碳酸钙盐、绿泥石产生明显溶蚀，部分溶蚀高岭石、钙基蒙脱石和伊利

石，其作为解堵剂基础液的应用前景，优于纯水和碱性（NaOH）。

2

（）在现有土酸酸液体系的基础上加入具有缓释特性的多元酸，能够增强

酸液的缓释特性，兼顾高效解堵与低损害的解堵作业要求。加入多元酸的新型解

H+H+HPO

堵剂的解堵效果与所配伍的溶液中浓度直接相关。浓度过高会使34电

+

离减慢，H浓度过低能够促进HPO的电离，但HPO本身电离速度有限，两

3434

HF

种情况均会导致溶液中浓度较低，解堵效果不理想。

3TOUGHREACT

（）基于的二维场地级解堵模拟实验结果表明：解堵作业

三种影响因素对于解堵作业的促进效果由高到低为：注入时长注入流量注入

温度。解堵剂的解堵效果是从注入井近井区域向远井区域不断扩展的。绝大部分

典型矿物（钠长石、绿泥石、伊利石、方解石、白云石）的溶蚀率与三个影响因

素相关，少部分矿物（钙基蒙脱石、赤铁矿）表现出的性质