项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

杨睿月

项目受资助机构

中国石油大学

项目编号

52004299

立项年度

2020

立项时间

未公开

项目级别

国家级

研究期限

未知 / 未知

受资助金额

24.00万元

学科

工程与材料科学-矿业与冶金工程-油气井工程

学科代码

E-E04-E0401

基金类别

青年科学基金项目-重点国际(地区)合作研究项目

关键词

应力循环 ; 干热岩 ; 液氮压裂 ; 疲劳损伤 ; 复杂缝网 ;

参与者AI

陈志明;王佳楠;廖新维;曾联波;赵鹏飞

参与机构AI

中国石油大学;美国德州大学

项目标书摘要：我国干热岩地热资源储量丰富，但是由于高温、高压、高应力等特点，导致裂缝起裂压力高、复杂缝网形成难度大、热能开发效率低。本项目探索低温循环压裂干热岩的造缝能力，通过高—低排量循环交替泵注低温流体使岩石发生冷热循环、应力振荡、疲劳破坏，以期提高改造效率。围绕关键科学问题“温度—压力载荷循环作用下干热岩疲劳损伤机理”,以干热岩常见的类型—花岗岩为研究对象，以液氮为低温压裂液，拟开展:(1)基于冷冻电镜，低温环境下实时观测液氮循环冷却花岗岩微观结构特征，并测量微观力学性质，阐明交变热应力诱导裂纹成核机制;(2)通过真三轴压裂物模实验，研究循环周期、排量注入模式、围压等对花岗岩起裂和扩展的影响规律，揭示温压载荷循环作用下花岗岩的破裂模式和成缝特征;(3)建立低温循环压裂花岗岩热流固—损伤耦合模型，明确热应力—流体压力循环对花岗岩疲劳损伤的耦合作用机制。研究结果可望为干热岩高效储层改造提供理论基础。

Application Abstract: China has abundant of hot dry rock geothermal resources.However,because of the high-temperature,high-pressure and high-stress underground,numerous challenges must be faced on reservoir stimulation such as high fracture initiation pressure and low fracture network complexity,resulting in low efficiency of thermal energy exploitation.This project aims at investigating the stimulation mechanisms of cyclic cryogenic fracturing on hot dry rock.Cyclic cryogenic fracturing means cryogenic fracturing fluid is pumped into the formation in a cyclic manner,i.e.alternate high-injection-rate and low-injection-rate.Formation rocks will be subjected to cyclic freezing-thawing,stress oscillating and fatigue fracturing,which is expected to improve the stimulated reservoir volume.Based on the critical scientific problem“Fatigue-damaging behavior of hot dry rock subjected to cyclic temperature-pressure loadings”,taking granite,a common dry hot rock type,as the research object,and liquid nitrogen as the cryogenic fracturing fluid,we plan to conduct the following researches:First,fracture surface topography of granite in nano-micro scale will be investigated through Cryo-EM and Cryo-SEM under cryogenic in-situ conditions,and nano-micro mechanical properties will be tested,targeting at illuminating the crack nucleation induced by cyclic thermal stress.Second,we intend to conduct laboratory cyclic fracturing tests,fracture initiation/prorogation behavior and fracture network morphology will be studied.The purpose of this session is to set light upon the fracturing mechanism and fracture patterns that induced by cyclic temperature-pressure loadings.Finally,a fully coupled thermal-hydraulic-mechanical-damage model will be established to better understanding the stimulation behavior of hot dry rocks in response to cyclic cryogenic fluid injection,temporal-spatial distribution of temperature,pore pressure and stress will be analyzed,and fatigue fracturing mechanism of granite will be illustrated.The key findings of the project are expected to provide theoretical basis for the efficient development of hot dry rock geothermal resources.

项目受资助省

北京市

项目结题报告(全文)

针对干热岩储层改造存在的起裂压力高、裂缝单一和易诱发地震的瓶颈难题，本项目创新提出了液氮循环压裂干热岩的储层改造新思路。围绕“温度—压力载荷循环作用下干热岩疲劳损伤机理”的关键科学问题，采用宏微观测量、损伤演化、多场耦合相结合的方法展开研究，形成了以下成果:.(1)液氮循环冷却花岗岩微裂缝实时形态特征。采用冷冻电镜、EBSD、AFM等，在低温原位条件下观测、记录、追踪花岗岩在不同液氮循环冷却次数下微观断口形貌特征，分析了液氮循环冷却前后不同矿物强度的演化规律，揭示了交变热应力诱导裂纹形核机制。.(2)液氮低温循环压裂花岗岩裂缝起裂和扩展规律。分析了应力差异系数、循环次数等参数对起裂压力和裂缝形态的影响机制，首次在实验条件下研究了液氮循环压裂裂缝三维形态特征，揭示了液氮循环压裂花岗岩的造缝机理。结果发现液氮循环压裂与清水循环压裂相比，降低破裂压力21.3%~67.2%,并形成以“热应力裂缝+主裂缝+分支裂缝”为特征的立体缝网。.(3)液氮循环压裂应力演化对花岗岩疲劳损伤的作用机制。建立了液氮循环压裂花岗岩热流固—损伤耦合裂缝扩展模型，定量分析了温度—压力循环作用对花岗岩疲劳损伤的耦合机制和累积效应，阐明了低温循环压裂干热岩裂缝形成的力学机制，形成了一整套液氮压裂研究方法。研究成果指导了临兴—神府区块液氮伴注压裂现场应用113井次、雄安新区容城地热田首口深部地热储层酸化压裂增产改造，获得增产12倍。本项目可望为干热岩压裂增产改造提供一种新思路与新方法。.研究成果在SPE Journal、Fuel、Renewable Energy等领域内权威期刊发表论文10篇(SCI/EI 检索9篇、中科院大类一区2篇、TOP期刊2篇),出版专著1部，授权国家发明专利3件，国内外学术会议报告7次；培养博士研究生2人、硕士研究生1人、国外高水平大学联合培养博士生4人。基于项目研究成果，培养的博士生获得国家奖学金，个人入选中国科协青年人才托举工程、荣获全国高等学校矿业石油安全工程领域优秀青年科技人才提名奖。