关键词：
EGS
流体注入
诱发地震
影响因素
地震特征
摘要：
在快速发展的当今社会,传统的化石燃料能源已无法满足日益增长的能源需求和环境保护要求,世界各国都在寻找能源转型的方向。而地热能作为一种优秀的可再生能源,具有清洁低碳、利用高效、可循环再生的特点,有助于减少碳排放,改善地球环境,是未来清洁能源发展的重要组成部分,有助于我国碳达峰和碳中和目标的实现。但是在地热能开发过程中,我们需要对地热储层进行改造从而提取热量,最常用到的方法就是增强型地热系统(EGS),而这可能会带来一些环境负面效应。在EGS开发过程中,流体注入可能会导致诱发地震,诱发地震活动在全世界EGS开发中已有三十多年历史,美国、韩国、法国、瑞士和澳大利亚等国都曾发生过流体注入诱发地震活动。例如在瑞士Besel,由于开发EGS,2006-2007年发生了3500次地震事件,其中3级左右的地震多达4次,致使项目停工并进行灾害补偿。美国Geysers水热型地热田一共进行了两次注水过程,分别在1997年和2003年,在这两年中监测到1.5级以上地震近千次,4.0级以上地震一到两次。在2017年11月15日韩国Pohang EGS开发过程中引发的5.5级地震,造成了大量的人员伤亡和财产损失。因此,减少EGS中的流体注入诱发地震活动已成为地热能开发利用中一个亟待解决的问题。本文以深部热储开发与地下空间利用为背景,针对地下深部热储开发过程中注入流体诱发地震等问题,通过开展室内真三轴大型水力压裂模拟试验并同时进行声发射数据监测、诱发地震发震机制与影响因素数值模拟分析、基于神经网络算法的诱发地震评估方法、韩国Pohang EGS场地和中国青海共和地热田区域的诱发地震评价等工作,对EGS注入流体诱发地震问题开展了相关分析研究,研究内容和相关结论如下:首先通过室内大型三轴水力压裂模拟试验对比了完整岩样与预制断层岩样在水力压裂过程中的不同表现情况,分析了注入速率和预制断层等对于压裂过程中出现的水力裂缝、破裂压力和声发射(AE)参数等产生的影响,通过对声发射信号的提取和分析,分析岩石破裂模式的变化。试验结果表明,在岩样的破裂过程中,声发射能量峰值出现在峰值压力附近,并伴随着大量AE事件。在室温下,随着注入速率的增加,岩样的破裂压力和累积声发射能量也随之增加。而通过对声发射数据的分析表明,断层的存在会使得岩样破裂过程中剪切破裂的比例增加,从而导致累积AE能量的增加。然后通过离散元数值方法建立数值模型,分析注入流体诱发地震机制,评估在流体注入模型中断层分布、地应力状态、天然裂隙的产状、裂隙与断层位置关系以及裂隙聚集程度等参数对于诱发地震的影响。结果表明,断层的存在会增加诱发地震的震级和分布范围,并使得地震点更靠近断层,逆断应力条件下的地震总能量要高于正断应力和走滑应力条件下的地震总能量,天然裂缝的产状主要影响地震的数量和分布范围,而且天然裂缝越集中在断层附近时,地震震级越大,分布范围越远。为了对注入流体诱发地震进行评估,我们基于神经网络算法,选取9项参数作为神经元导入模型,根据不同参数条件下的诱发地震结果,对这些参数进行敏感性分析,按照各项参数对于诱发地震震级的影响程度进行排序,从大到小依次为:应力状态、有无断层、深度、裂缝聚集程度、最大地应力、断层距离、注入体积、裂缝倾角、裂缝与断层夹角。然后以此对模型中的各项参数进行权重修正,以提高模型准确性。最后,通过野外地质调查、数据资料收集和文献查阅等方式,对韩国Pohang EGS工程进行分析,查明场地周围的断层分布及构造条件,基于钻孔数据和震源机制解得到场地附近的地应力状态,然后应用诱发地震评价模型对Pohang EGS场地进行诱发地震影响因素分析和评价。此外还对中国青海共和盆地恰不恰地热田进行了相关研究,结合地热田周边区域断裂分布情况和野外调查得到的天然裂隙发育情况,对恰不恰地热田注入流体诱发地震情况进行评价,结果表明,随着注入量的增加和断层距离的减小,震级也逐渐增加,当注入量达到5000 m时,最大震级接近3级。地震震级在井场附近由中心向外围逐渐减小,在一定程度上受断层构造影响
同方学位论文库
万方期刊数据库
