我國為地熱能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供有利支持，使地熱能產(chǎn)業(yè)進入發(fā)展的快車道。我國中深層地熱開發(fā)的兩類基本熱儲包括傳統(tǒng)的水熱型和干熱巖型。傳統(tǒng)的水熱型地熱能開發(fā)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟，目前的技術(shù)難題在于砂巖熱儲的自然回灌效率較低。干熱巖與天然氣水合物被并稱為具有重要意義的未來能源，但高效開發(fā)干熱巖中的能源具有挑戰(zhàn)性，國際上已開展30多項示范工程項目，盡管已逐漸積累干熱巖熱儲建造和開發(fā)經(jīng)驗，但由于地質(zhì)條件的復雜性和差異性等，單個項目的技術(shù)經(jīng)驗無法直接復制應用到下一個項目中，且干熱巖工程項目初期投資大，而目前的經(jīng)濟性較低，導致干熱巖的開發(fā)進展緩慢。

能否開發(fā)干熱巖取決于建立大體積人工熱儲(>1km3)的能力，其需要產(chǎn)生大規(guī)模的裂隙網(wǎng)絡，既保證有大面積的換熱通道進行長期的熱能提取，又避免采熱井發(fā)生過早的熱突破而導致采熱效率降低。在深井(約>5000米)、高溫(>150°C)和高地應力的硬巖(即花崗巖)中建造復雜的裂縫網(wǎng)絡，取決于壓裂前地層中天然裂縫分布、地溫場、應力場和巖石物性等特征和熱儲激發(fā)技術(shù)和激發(fā)方案。

水力壓裂改造前干熱巖儲層中裂縫系統(tǒng)分布和地溫場的合理表征，影響熱儲激發(fā)中裂縫的擴展和裂縫網(wǎng)絡的構(gòu)建，中國科學院武漢巖土力學研究所結(jié)合基于多源數(shù)據(jù)(包括地震、測井、鉆井等)融合的地質(zhì)建模和參數(shù)隨機反演，提出強邊界約束的區(qū)塊尺度熱儲預測方法(圖1)，為熱儲的水力壓裂改造提供地質(zhì)模型。

針對現(xiàn)有水力壓裂商業(yè)軟件大多無法實現(xiàn)復雜不同級別天然裂縫存在情況下的水力壓裂縫扭轉(zhuǎn)、相交和穿越等的模擬，基于擬連續(xù)介質(zhì)理論，考慮復雜縫網(wǎng)擴展、井-縫-孔多重介質(zhì)多相滲流、傳熱傳質(zhì)和熱-流-固多場耦合響應等物理過程，研究人員與重慶大學合作開發(fā)出基于FLAC3D平臺的裂隙巖體多物理場耦合的水力裂縫擴展三維數(shù)值仿真模擬程序，可實現(xiàn)在不同級別天然裂縫和非均質(zhì)性地層中水力裂縫的扭轉(zhuǎn)、相交和穿越等的數(shù)值模擬;開發(fā)的基于CPU和GPU異構(gòu)的并行計算程序，可實現(xiàn)多物理場強耦合條件下百萬級自由度數(shù)值仿真計算的高效和精確求解，已應用于復雜天然裂縫存在條件下干熱巖和頁巖等的水力壓裂儲層改造二維和三維數(shù)值模擬研究中(圖2、圖3)，實現(xiàn)干熱巖水力壓裂儲層改造效果快速產(chǎn)能評價的仿真模擬(圖4)。

針對傳統(tǒng)單一水力壓裂技術(shù)難以在干熱巖內(nèi)建立有效裂縫網(wǎng)絡的難題，研究人員提出冷水交替熱刺激-基質(zhì)化學刺激-水力壓裂聯(lián)合的復合熱儲體積改造技術(shù)，揭示熱刺激、化學刺激對干熱巖微觀損傷的破壞機理，熱刺激和基質(zhì)化學刺激可使干熱巖的滲透能力提高5個數(shù)量級以上，且力學強度具有不同程度損傷(圖5)。在復合刺激工藝流程方面，可先冷水交替循環(huán)注入刺激使壓裂井段周圍產(chǎn)生熱破裂，低溫下注入土酸進行酸化刺激以擴大微破裂的區(qū)域，繼而開展高壓水力壓裂改造形成主裂縫和次級裂縫區(qū)，進一步開展長時間的低壓水力壓裂，以增大刺激裂縫和微裂縫通道。目前，干熱巖復合熱儲刺激工藝處于實驗室研發(fā)階段，下一步研究人員將在場地開展實驗研究。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Geothermal Energy和Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering等上，武漢巖土所副研究員劉賀娟為論文第一作者。

圖1.不同底邊界約束條件下區(qū)塊尺度含復雜裂縫的熱儲層熱模擬與實測數(shù)據(jù)的比較

圖2.不同水力壓裂改造方式在含天然裂縫巖體中產(chǎn)生的二維裂縫網(wǎng)絡

圖3.含天然裂縫巖體中地應力對水力壓裂改造形成的三維裂縫網(wǎng)絡形態(tài)的影響

圖4.不同水力壓裂改造形成的裂縫網(wǎng)絡系統(tǒng)的地熱開采溫度場變化

圖5.熱刺激和化學刺激引起的干熱巖滲透性能變化和力學強度損傷特征