科创中国

干热岩是一种新兴的地热能源， 一般指温度大于150℃，埋深3~10km， 内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。据中国科学院估算，中国大陆地区3~10km 深度段的干热岩地热资源总量为 20.9×106EJ，相当于 714.9×1012t 标准煤，约为美国本土干热岩储量的 1.5 倍。因此干热岩被认为是 21 世纪最有潜力的新型能源。目前，通过水力压裂改造形成人工热储裂隙系统是经济开采深层热能的有效方法。然而，由于干热岩埋藏较深，岩石塑性特征增强，使人工裂缝复杂性程度降低， 易导致注水井和生产井之间形成短路， 产生“热突破”现象， 即换热面积和换热时间缩小， 从而导致生产井井口温度过低而丧失利用价值。因此，如何增强缝网复杂程度是提高干热岩采热效率的关键技术之一。我们率先在国内提出将暂堵转向压裂技术用于提高干热岩采热效率，联合研制了干热岩高温高压水力压裂实验系统、厚壁筒膨胀致裂系统和暂堵剂可视化运移与封堵实验系统等关键装置，实现了干热岩暂堵转向压裂技术方案的高效设计与工程参数优化。干热岩高温高压水力压裂实验系统由轴压加载系统、孔隙压力加载系统、围压加载系统和计算机控制系统组成。

轴压加载系统由固定框架和伺服液压泵组成，伺服液压系统可提供的最大轴向载荷为 2000KN。围压加载系统主要由压力室、增压泵和液压硅油组成，增压泵按照指令实行不同的应力加载模式，围压最大可加载至 100 MPa。孔压加载系统主要由高压泵组和注水管线组成，注水泵根据不同的加载方式通过管线向井筒内注入清水，孔隙压力最大可加载至 70MPa。计算机控制系统主要包括自主开发的控制软件和各种应力应变传感器，能够实时采集应力加载过程中应力应变等数据，并且对不同的加载模式发出控制指令。常规暂堵剂运移与封堵效率评价未考虑温度效应，团队基于Euler-Lagrange 方法，构建了 CFDDEM 双向耦合算法，并搭建了高温条件下暂堵能力评价实验平台，高精度捕捉了高温干热岩复杂裂隙内暂堵剂运移与封堵过程，揭示了高温环境中暂堵剂的运移与封堵机制。

随着全球经济的迅速发展，人们对能源的需求量越来越大。但是，人们长期所依赖的常规能源，如煤、石油、天然气等都是一次性不可再生能源，而且在利用这些常规能源时不可避免地对人类生存环境产生巨大的污染。因此，学者们都在积极寻找其他清洁的、可再生的新型替代能源。 干热岩是一种清洁、可再生，其内部没有或极少量含有水或蒸汽的热岩体能源，主要由各种变质岩或结晶类岩体组成，较常见的岩石有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等。其埋深较浅、温度较高、有开发经济价值，保守估计地壳中干热岩(3-10km深处)所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。 水力压裂技术是提取干热岩资源地热能的一项重要技术，常规水力压裂形成的缝网结构较为单一，因此干热岩采热效率往往不够理想。暂堵转向压裂是提高干热岩缝网复杂程度的一项新技术手段，通过向人工裂隙内加入暂堵剂，提升缝内净压力，迫使人工裂隙发生转向，以增加人工缝网复杂程度。本项目的目的在于克服现有技术的不足，提供一种模拟暂堵剂在干热岩粗糙裂隙内输运过程的数值方法，以解决现有技术中数值模拟无法真实反映暂堵剂运动状态的问题。

汪道兵，博士，讲师，硕士生导师。

本项目采用欧拉-拉格朗日描述方法对暂堵剂在干热岩粗糙裂隙内的运移过程进行研究，构建了干热岩粗糙裂隙物理模型，将流体视作连续相，将暂堵剂看作离散相，既考虑流体流动对暂堵剂运动的影响，又考虑暂堵剂运动对流体的影响，还考虑温度变化(通过能量方程实现)和裂隙粗糙表面对暂堵剂力学封堵性能的影响，从而实现连续相和离散相的双向耦合计算，达到同时考虑连续相和离散相相互作用，准确求解流-固双向耦合问题的目的。 进一步地，单个暂堵剂的运动遵循牛顿第二运动定律，在拉格朗日坐标系下求解其运动方程，得到不同时刻暂堵剂的位置、速度和受力情况等信息，从而克服了欧拉-欧拉描述方法的缺陷，真实地反映了暂堵剂在流场中的运动过程，经试验，效果显著。

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