增强型地热系统实验模拟装配研发进展 科技导报

EGS不同于水热型地热能，其开采处于地层深处的结晶质干热岩内，开展示实工程面临的风险阻力和不愿定性极大。
本研究开展针对性的实验室EGS开拓仿照实验，以剖析开采过程中循环流体工质对深部储层的缝网形态及力学、化学特性的影响规律为根本，厘清EGS开拓过程局部对流换热规律，阐明地下水动力—热通报—力学—化学多场耦合相互影响机制，从而办理干热岩地热能实际开拓中的瓶颈问题。

2.1 高温高压反应釜仿照系统

EGS开拓过程因此注水井、采（抽）水井及连通裂隙带共同实现冷—热水流循环，进而从深部地热储层中提取热量。
当前，国内外针对干热岩与注入水体的研究从热衷于水岩相互浸染后岩体的物理及力学性能变革，到目前更加系统的水岩浸染数值仿照研究，包括去白云化浸染、阳离子交替吸附以及脱硫酸等水文地球化学浸染。
由于提热流体在裂隙储层中的循环会冲破系统的热和化学平衡，与干热岩体浸染会引起不同矿物岩石的沉淀/溶解及流体化学身分变革，进而影响地热能提取效率。
对此，吉林大学许天福团队以高温高压反应釜为核心，设计了一套用于仿照EGS开拓过程水岩耦合浸染机理解析的实验系统（图2）。
该系统以316L型不锈钢材质的高温高压反应釜为核心，通过加热套和热传感器来掌握温度（<150℃），采取空气加压系统（<8 MPa）的办法为岩样供应一个仿照高温高压的环境。
张保建等以河北马头营区花岗岩型干热岩为研究工具，结合实验室压裂实验及水文地球化学仿照等手段，探究去离子水、海水和地下水浸染干热岩后流体的化学组分变革及矿物转移量情形，揭示海水作为循环水体与花岗岩浸染时钠长石与钙长石溶解天生大量的高岭石和沸石沉淀，进而降落热储层堵塞的可能性。

流体流动、换热效率和地球化学反应评价因此干热岩为储层的EGS开拓与利用过程的主要参数，而精确设计和履行EGS的“储层刺激与改造”方法以提热流体与储层岩体的地球化学反应为根本。
采取超临界CO2代替水作为EGS能源开拓的换热工质时不仅能得到地热能，同时由于流动工质在储层内的滤失落浸染还可实现CO2的地质封存。
自此，以CO2为提热工质的EGS开拓利用技能广泛发展。
个中，以超临界压力CO2在岩石裂隙和多孔介质内的对流换热规律研究，包括基于超临界CO2-EGS开拓仿照实验及园地规模数值仿照是当前研究热点。
二氧化碳羽流地热系统（CO2-plume geothermal system，CPGS）通过将超临界CO2注入储层，并与水的驱替过程中被深部高温岩体加热而形成一种空间羽状的分布形态，是一种结合地热能开拓与碳存储的有效办法。
日本三菱综合股料公司探究花岗闪长岩在高温下与CO2-水的室内化学反应，描述了CO2促进次生碳酸盐矿物的沉淀过程。
石岩等基于反应釜系统（图2）进一步改进，将事情温度和压力提升至350℃和30MPa，配备恒温恒压掌握系统探究水—岩—CO2相互浸染机制，并基于多相流、多组分非等温溶质运移反应仿照软件ToughReact建立“超临界CO2—咸水—岩石”三相共存的封闭系统观点模型。
结果进一步表明流体中的CO2使深部咸水的pH值降落，导致周围岩体产生溶解和沉淀，从而显著改变系统的提热率。

2.2 岩心夹持器类渗流仿照系统

目前的研究表明，在以水为流体的EGS履行工程中，随着引发与压裂过程的深入，生产井/注入井与人工地热储层裂隙网络的水力联系会逐步降落，不仅导致换热效率低，进而无法知足地面热能需求，而且会导致20%旁边的流体（水）丢失。
此外，水作为事情流体时，受地质地层布局影响较大，会发生地层矿物溶解、设备堕落结垢征象，这也是目前诸多研究将流体转向以超临界CO2和液氮为压裂液的缘故原由之一。
相较于水，CO2在适宜的温度和压力条件下具备更好的流体力学和热力学特性。
然而，CO2的低比热容同样存在着提热效率低的缺陷，采取高温高压反应釜类系统无法开展多参数条件下渗流特性与换热仿照研究。
因此，以岩心夹持器类为核心搭建的EGS开拓与利用仿照实验系统被广泛研究。

岩心夹持器是实验室测定岩样渗流特性时用来夹持、保护岩样并密封柱面或端面的基本装置，根据构造可划分为哈斯勒型岩心夹持器、二/三轴向岩心夹持器和带测压孔的岩心夹持器这3类。
在干热岩仿照开拓实验系统中，辅以渗透压力系统、电动/手动围压系统和数据采集与记录系统组成基本的仿照开拓装置，除了用于探究不同流体注采换热效率、化学刺激对储层改造规律的研究外，还可用于仿照EGS热应力致裂机理及储层裂隙发育规律识别与仿照研究等。
腾毅以岩心夹持器改造的高温高压渗流实验系统为核心，分别开展高温岩体注CO2采热仿照实验、高温岩体注水采热仿照实验以及干热岩体水汽交替注入采热仿照实验研究。
该装置通过配备三轴渗流室、增压泵、预热器、高压储气罐、冷凝器等核心装备，与数控采集系统相连，温度最高达300℃，充分仿照高温高压环境下不同流体的渗流采热效率。
根据实验结果，相同围压条件下，注水工况比较注入CO2的采热效率更高，而在更高的温度（>250℃）时，注入CO2的采热效率才会高于注水实验。
为进一步探究超临界压力CO2在岩石裂隙和多孔介质内的对流换热效率，张乐等改装搭建超临界CO2在花岗岩岩石裂隙内对流换热实验系统，系统配有气瓶、储油罐、泵入装置、稳压罐、冷却塔以及高温高压仿照装置（图3（a））。
个中，夹持器（图3（b））浸没于油浴内，可通过旋转夹持器角度实现水平压裂和竖直压裂。
油浴（苯甲基硅油）外壁包裹环状加热带（实现最高温度为280℃），使其不仅可以作为传热介质，还可以利用加压泵供应最高28MPa的围压，以仿照干热岩实际贮存条件。
实验不仅得到边界条件下光滑裂隙内超临界CO2层流流动的局部换热规律，更是基于此提出干热岩裂隙储热流体与高温岩体的对流换热数学模型，为局部非热平衡模型的运用供应支撑。

基于岩心夹持器类渗流仿照系统可开展微不雅观损伤力学和渗流仿照等实验，探究热应力与注入流体的相互浸染关系及裂隙发育规律，揭示裂隙渗流传热机理，构建温度—渗流—应力—损伤耦合模型，以探究不同流体注采井网的最佳采热效果。

2.3 岩石三轴伺服掌握实验系统

针对干热岩与增强型地热系统的研究，岩石力学方面的研究历来都是重点之一。
干热岩储层的力学行为无论是在储层改造方面，还是在后续的地热系统可持续换热方面都起到决定性的浸染。
因此，在进行地热系统干系的研究中，明确干热岩储层岩石的力学性子与应力变形行为是得到稳定可靠研究结果的条件，也是开展后续干热岩地热开拓的根本。
干热岩储层特性和赋存状态具有“高温、高压和高应力”的特色，而岩芯夹持器类实验仿照装置在高应力的精准调控上难以知足条件。
随着技能水平的进一步发展，为了研究岩石在发生屈从后的力学行为，在实验设备上普遍配备伺服系统以掌握在压缩实验过程中对岩石的毁坏。
结合干热岩的高温特色，也有很多研究团队在伺服实验系统的根本上添加加热举动步伐，使实验系统可以针对高温条件下的岩石力学行为进行研究，进而为干热岩储层的开拓和增强型地热系统的培植供应理论根本和参考依据。

对付单轴实验系统，在其上的大部分研究都是进行岩石力学参数的测试，实验装置紧张是利用轴向的传压杆对样品进行单轴压缩，径向不设置加压举动步伐。
单轴压缩实验装置紧张是在不同条件下对岩石进行单轴压缩实验和单轴拉伸实验，根据实验结果得到岩石样品的抗压强度和抗拉强度。
此外，单轴实验系统也可合营应变监测系统丈量应力与应变的关系用于剖析岩石的物理力学性子。
王帅等利用YSW-600微机掌握电液伺服万能实验机对经由酸液处理后尺寸为50mm×50mm×100mm的方形花岗岩样品进行单轴压缩、直剪和巴西劈裂实验，研究不同酸液配比和不同浸泡韶光对花岗岩力学强度的影响规律。
实验根据经由酸液处理花岗岩样品的强度剖析结果，确定对花岗岩储层进行酸化压裂有利的酸液身分，为花岗岩储层的化学压裂供应有效的参考。
郤保平团队利用YAW-1000型微机掌握电液伺服万能实验机对600℃条件下的花岗岩在经由热冲击后的力学性能进行研究。
实验中首先将加热到高温的岩石经由2h的保温，在担保样品内外温度均衡后分别用60℃和10℃的水对样品进行热冲击，然后参考国际岩石力学学会（ISRM）实验标准对冲击后的岩石样品进行单轴压缩和拉伸实验以测试其抗压和抗拉强度。
在测试过程中，利用实验系统配备的静态应变监测系统和声发射系统同步对岩石样品的应变和声发射数据进行监测。
实验通过样品在拉压过程中的应力应变关系、峰值应变、抗拉和抗压强度剖析岩石样品的毁坏形式以及热刺激对岩石的劣化机制，为水力压裂过程中储层的物性变革与渗透性模型构建供应实验依据。

对付三轴的实验系统，其研究内容比较丰富，但大多是建立在常规三轴系统上的实验。
与单轴系统不同的是，常规三轴实验系统不仅可以用于测试岩石的力学参数，同时也可以利用改造后的实验系统对干热岩开拓中不同过程（如水力压裂、取热循环过程等）中的岩石力学条件进行仿照研究。
靳佩桦等采取太事理工大学自主研发的多功能高温岩石三轴伺服掌握渗透实验机进行花岗岩中单裂隙的渗透性能实验。
实验在500℃的高温中，渗透压力和温度对单裂隙花岗岩样品的裂隙开度和渗透率变革规律进行研究。
该套系统所需的样品为圆柱形岩石，直径为50mm，长度为100mm。
实验机可以施加25MPa的围压和25MPa的轴压。
该系统由液压加载系统、高温三轴压力室、温控加热系统以及渗流测试系统、水温测试系统组成。
该套系统经由改装可以对样品在实验过程中进行加热，最高可以在600℃的条件下对样品进行常规三轴压缩，并实时进行渗透测试。
该套系统除可进行干热岩的热—流—力学耦合实验，也广泛地运用在高温三轴应力浸染下的岩石蠕变和煤的热解等多种实验中。
装置构造如图4所示。

表1总结目前研究中所用的岩石力学实验装置情形，范例设备包括YSW-600微机掌握电液伺服万能实验机、YAW-1000微机掌握电液伺服万能实验机及TAW-2000型伺服掌握三轴实验仪等装置。
在单/三轴压缩实验、力学实验和渗流仿照等方面开展大量研究，可以创造，基于电液伺服岩石力学实验机在EGS仿照开拓方面发挥主要的浸染。

2.4 大尺寸真三轴实验系统

地下岩石受到覆盖层、三维应力-应变相互浸染、布局活动及其他地质过程产生应力的综合影响。
这3个主应力在岩石的力学行为中十分主要，且一样平常情形下3个主应力不会相等。
前文提到的常规三轴实验装置，一样平常围压所在的2个方向上的主应力是相等的，虽然可以在一定程度上知足三轴应力状态下的岩石力学实验哀求，但无法真正仿照地层中真实的三轴应力状态。
因此，须要开拓真三轴设备来仿照3个主应力具有不同大小的环境，通过大尺寸真三轴实验装置可以较好地研究水力压裂裂痕起裂与扩展形态发育规律和多场耦合仿照等研究。

相较于油气储层中的水力压裂，干热岩储层压裂更为繁芜。
Frash等开拓一种大尺寸真三轴装置（尺寸为300mm×300mm×300mm），由真三轴加热设备、钻孔设备、液压系统和仪器系统组成（图5（a））。
该装置能够实现高温环境下岩石样品的多井钻井和水力压裂的实验室仿照测试，通过此大尺寸真三轴装置仿照完全花岗岩标本中产生的功能二元EGS储层。
仿照条件包括储层条件下的钻井、水力压裂、声发射导向生产井眼钻井、储层流动剖析、再增产以及水力脉冲增产实验。
天生的数据包括压力、流速、温度、声发射、应变和产生的裂痕范围图，同时还丈量岩石的补充材料参数，进一步补充完善实验室规模的EGS油藏数据集。
Yin等采取岩石力学试验系统（MTS）通用材料测试仪进行巴西分裂实验。
水力压裂实验采取中南大学研制的三轴电液伺服实验系统，实现高温地下真三轴应力环境下的水力压裂实验，从地质和工程角度剖析影响HDR水力压裂的温度依赖成分（图5（b））。
实验结果表明，在变温度参数条件下，热损伤和热冲击导致储层起爆压力随温度升高而降落。
随着温度的升高，软化程度增大。
压裂后，HDR初始裂痕在热冲击和残余压力的浸染下连续扩展，裂痕扩展规模随着温度的升高而增大。

综合目前研究可获知，国外有代表性的大尺寸真三轴压裂改造仿照实验装置包括：英国斯伦贝谢剑桥研究中央的全尺寸钻井仿照实验装置（轴压：207MPa；围压：138MPa；最高温度：315℃）、英国斯伦贝谢剑桥研究中央全尺寸钻井仿照实验装置（轴压：17.9MPa；围压：103.5MPa；最高温度：200℃）、日本通产省资源环境技能综合研究所钻井仿照实验装置（轴压：135MPa；围压：100MPa；最高温度：150℃）。
海内代表团队紧张有：东北大学、中国矿业大学、太事理工大学、中国石油大学、中国科学院广州能源研究所及中国科学院武汉岩土力学研究所等。
海内产品基本为低廉甜头设备，可根据需求自主设计，售价及后期掩护费相对国外产品较低，但当前产品功能及拓展性方面仍有待提高。
基于此，Zhang等设计了多功能大尺寸真三轴储层改造实验装置，创新性地实现针对不同尺寸岩心、不同温度、围压、孔压和不同流量的固液两相泵入，以及不同井筒完井工艺条件下的储层改造及渗流仿照实验，可耐压50MPa，实现传感器丈量范围为35~200℃的精确丈量。
如图5（c）所示，该套系统配备有地应力加载模块、稳压精控模块、压裂与渗流实验仿照模块，并供应主/被动声波结合的声发射检测、温压场和应力应变场检测及压后激光扫描丈量等丰富的评价手段。
该装置具备功能丰富、操作简便安全、性价比高的突出特点，有助于构建EGS开拓与储层改造技能创新实践平台。

干热岩地热能开拓利用涉及多学科多层面的科学技能，环绕压裂储层改造和热流循环示踪监控等关键技能，基于EGS仿照实验室装置开展室内实验对探究高温高压条件下流体压裂、渗流仿照、裂隙系统监测等研究尤为必要。

目前国内外针对EGS开拓与利用建立的实验仿照装置依据形式特点与功能分为4大类（图6），第1类为高温高压反应釜类反应系统。
该类装置构造大略，便于操控，所需岩样试样较小，常用于水—岩或水—岩—气多相反应过程热储矿物理化性子的变革规律及储层改造影响等研究。
高温高压反应釜系统可实现样品封闭条件下的快速升温升压，在不同储层矿物理化性子剖析及数值仿照研究方面供应紧张根本理论支撑。
第2类紧张因此岩心夹持器为核心的EGS开拓实验仿照系统。
比较于反应釜系统，此类装置更为系统化和模块化，一样平常会配备恒压恒流泵、鼓风烘箱、冷凝器。
岩样尺寸相较反应釜要更大，通过手摇泵实现X、Y、Z 3个方向的围压，仿照干热岩开拓实验情景。
由于实验尺寸的增加，该类装置更多地可用于热应力与水力压裂的浸染机理研究，以及压裂液对储层改造的研究，包括储层刺激、裂隙渗透效果、裂隙发育规律等。

其余2类因此电液伺服三轴掌握系统和大尺寸真三轴实验系统为代表的实验仿照系统，也是目前用于研究EGS的功能最全、尺寸最大的大型仿照实验平台。
得益于该类装置尺寸较为适宜，配置功能较为完好，可完备在实验室开展研究，可较为完全地仿照实现高温岩体注水（气）采热实验，构建高温岩体采热数值模型，以获取最佳的开采模式与参数。
装置平台以微机掌握电液伺服万能实验机为核心，实现更高的温度和更大试样尺寸的研究。
装置配置完好，具备多功能监测及加载模块，可用于热—流—固—化多场耦合传热特性及储层改造规律研究，比较夹持器类小型反应系统，较大的岩样和高温高压环境可更为贴切地仿照EGS开拓过程可能面临的问题，对付实际工程具有光鲜的辅导意义。

随着环球对可再生能源的关注进步神速，干热岩作为一种清洁、高效、可持续的新能源受到广泛重视。
国外研究并履行EGS工程利用较早，早期如美国位于新墨西哥州Fenton Hill的干热岩项目，涌现水力联系差，反复压裂无法形成对井系统的问题；英国能源部和欧共体联合帮助Camborne矿业学院履行的Rosemanowes项目同样涌现水力压裂的裂隙与人工裂痕系统绝不相关的问题。
后期包括瑞典的Fjällbacka项目（1984—1994），以及德国的Falkenberg（1978—1983）项目，在吸取美国和英国的履历教训后相继开拓较大的EGS项目，诸多的现场实验为干热岩资源开拓供应宝贵履历的同时也暴露出目前的紧张关键问题，包括：（1）干热岩地质条件繁芜，钻井困难，压裂效果差且难以预测；（2）压裂造储过程繁芜，裂隙发育受地应力、热应力、流体压力及类型等多成分影响；（3）多场耦合条件下传热效率、储层演化规律及注采参数优化与调控关键方法。
干热岩开拓是一个别系工程，上述关键问题涵盖干热岩开拓过程其自身的理化特性变革规律以及开采条件与技能的优化与调控2方面，尤其是在压裂造储、储层裂隙缝网发育、流动取热换热机制方面须要深入挖掘，这也是目前国内外科研院所致力于办理的科学难点。
目前，干系的EGS实验仿照装置在干热岩资源评估及开拓利用方面发挥着重要浸染。
经由长期发展，干热岩实验仿照装置呈现出以下发展趋势。

1）实验装置不断向大型化方向发展。
一方面，实验样品尺寸的不断增大，以压裂实验为例，更大的试样尺寸可以确保裂痕有较为充足的有效扩展范围，从而增大裂痕扩展的韶光和空间尺度，避免注入压力较快地扩散到实验边界从而影响裂痕持续扩展过程。
同时，大尺寸的相似试样给几何相似比尺的设定供应更大的空间，能够实现从局部的机理研究扩大到区域化的物理场研究，从而更好地辅导实际工程设计。
相较于小尺寸试样，大尺寸试样可以布设更多的监测点位来监测岩石变形、流体分布、渗流传热等干系过程，从而在压裂或注采物理仿照过程得到更全面、更精确的实验数据。
另一方面，随着研究储层深度的不断增大，实验过程的仿照地应力也需进一步加大，从而更贴近实际热储层条件，这意味着须要更大的加载油缸和反力框架，以使实验装置所需的整体体积空间增大。
大型装置同时可以测试更多参数，得到更全面的岩石力学、渗流变形等综合信息。
总之，大尺寸真三轴类实验仿照系统可配置高精度、高稳定性的流体注入掌握与采集系统，开拓能仿照地下非均质特点的干系材料及设备，以深入解析实验过程水—热—力—化耦合浸染机制，阐明储层缝网发育规律与流体注采换热效率，这对辅导实际工程设计具有主要意义。

2）实验装置智能化水平不断提升。
随着实验样品尺寸的增大，标准样品的制作、加工以及装卸等过程给单一的人工操作带来较大的寻衅，必须辅以自动化程度较高的机器化和智能化手段，尤其是近些年打算机算力、传感器监测、智能3D打印等领域的快速发展，越来越多的智能化掌握、多数据监测、数字孪生和数据自动处理等手段被用于物理仿照实验，能够提升效率的同时亦可担保实验的可靠性。
通过智能化的手段自动网络和处理大量实验数据并输出直不雅观结果，有利于对多物理场耦合浸染开展更深入的研究。

3）实验装置平台向模块化、组合式发展。
物理仿照实验平台的大型化一定会带来更高的研发和制作本钱，构造固定、功能单一化的实验装置平台在实际利用过程中局限性较大。
因此，目前的大型实验平台多采取模块化、组合式的办法，将共性部分进行统一考虑和设计，通过将不同功能的实验模块集成在一个实验台上，可以灵巧组合并进行综合测试。
不仅如此，仿照装置模块化设计也会带动专项部件的发展，如便携式的岩石传热参数测定仪、应力丈量仪等，均可以直接应用于实际钻井现场，进行井下岩石热物性参数的在线测定，为大型实验平台供应赞助测试或校准核对等帮助。

随着技能进步，干热岩实验仿照装置平台必将向更加风雅化、专业化、智能化的方向发展，为中国干热岩资源开拓供应更加直接有力的技能支撑。
与此同时，除了在装置平台方面挖掘完善之外，开拓能仿照地下非均质、非各向同性特点的实验材料对仿照评价干热岩规模化开拓同样具有主要意义。
由于地层存在裂痕、层间不均质打仗等繁芜情形，其热传导和渗盛行为具有明显的非均质、非各向同性特色。
而现有设备多为空想均质各向同性模型，须要研发设置人工界面、裂隙的岩心样品载荷设备，或组装多层不同岩心的堆积实验材料，开拓集成热、力、化多功能的新型实验装置，可使实验条件贴近实际繁芜地质情形的仿照，进而得到更丰富可靠的实验数据，大幅提升研究支撑工程的能力。

设备不断地向大型化发展，紧张面向的是干热岩地热资源开采过程中的钻井建井、压裂造储发育规律和注采换热效率与稳定性的关键科学问题，大型仿照实验平台应聚焦于高温—高应力—高致密性—天然裂痕发育等储层环境的构建、高温钻井—压裂造储—循环注采一体化全流程仿照、布井方位及压裂注采工艺参数的实现、高温高压条件下监测及密封方法4个方面进行研究。
基于此，笔者所在团队提出了大型仿照装置平台设计思路及功能特点，如图7所示。
以现阶段干热岩开拓实验装置/平台研究为根本，聚焦实验平台开拓拟办理的关键问题，环绕“高温钻探技能、高温高压仿照材料、深部赋存环境仿照、热储区裂隙蜕变机理、三场演化风雅化监测和实验室内模块化组装及运行”等6个方面，开拓大尺寸真三轴的智能化模块化实验平台，实现注采实验、监测剖析全过程实验的室内完成。
基于上述研究思路，该平台设计功能由5个子系统构成，包括深地相似仿照系统、高温高压压裂系统、热储区采热系统、注水采热仿照系统和数据监测剖析系统。
以大尺寸岩样相似仿照材料为根本，仿照不同地层条件，开展智能钻井技能创新研究，仿照深地高温高压环境，开展不同压裂液的压裂造储、缝网发育规律研究，基于多传感器构建注采换热的三维可视化展示系统，结合数据自动采集剖析系统，获取更详细的力学、热学和水化学等实验数据，从而更加详细地研究热储区形成机理和繁芜的热—力—化耦合浸染机制。

综上所述，建立一套大尺寸真三轴的模块化、智能化干热岩开拓仿照实验平台，除了在提升能量利用效率和降落开拓本钱等方面进行改造提升，在功能方面，也该当考虑打算流体力学预测热流动规律、声波—电磁测井联合解析技能和人工智能数据剖析方面，进而全面创新繁芜地热过程干热岩开拓利用模式。