增强型地热系统中注水后诱发地震的排放控制

文摘   2024-12-22 11:35   安徽  
摘要:深层地热储层可以为全球提供广泛的可再生清洁能源。然而,为了创造足够的注入性和热提取能力而对这些储层进行水力压裂时,经常会在储层压裂期间,特别是在压裂后诱发地震,这引发了公众的担忧。本研究旨在为注水后诱发地震提供一种可能的解释,并了解其如何响应井口排放控制这一常见的工业实践。为此,我们对一个概念模型进行了耦合水力-力学模拟,该模型包括一个深层花岗岩储层,该储层被一个长裂缝网络所穿透,并且附近存在一个处于临界应力状态的断层。我们发现,在停止注水后数月内,有多种机制触发注水后诱发地震:(1)孔弹性应力传递法向应力和剪切应力,导致断层上的未排水压力积累;(2)以裂缝为主导的孔隙压力向断层的迁移;(3)沿断层向预应力断层块的压力扩散,这种扩散因裂缝膨胀引起的断层渗透性变化而得以促进。在这种情况下,井口排放导致井筒附近区域的压力迅速下降,但远离井筒的区域压力变化不大。由此导致的断层面上的孔隙压力和剪切应力的减弱可能不足以防止断层重新激活。井口排放可能会出乎意料地加速断层滑动,因为井口排放会迅速缓解断层上的法向应力,这不仅使应力状态更接近失效条件,还通过略微增加断层的渗透性加速了沿断层孔隙压力的扩散。我们表明,只有当破裂起始于与井筒紧密相连且具有足够水力连接的结构时,井口排放才能有效控制注水后诱发地震。未来的研究应着眼于在考虑相关触发机制的基础上,优化压裂和压裂后设计,并通过与地下特征的有效结合来控制注水后诱发地震。

1. 引言 (Introduction)

- 背景:文章讨论了在增强型地热系统(EGS)中,水力压裂技术用于创建导水通道,以及这一过程可能引发的地震问题。

- 研究目的:研究旨在探讨水力压裂后地震活动的可能解释,并了解其对井筒放压(bleed-off)这一常见工业实践的响应,以控制此类地震活动。

2. 方法 (Methods)

- 模型几何:构建了一个概念模型,包括一个深花岗岩储层和与之相交的长裂缝网络,以及一个附近的、临界应力状态的断层。

- 材料属性:为模型分配了花岗岩储层和裂缝的典型属性,包括渗透性和杨氏模量。

- 数值模型描述:使用有限元方法模拟储层刺激过程中的流体注入和压力变化。

3. 结果 (Results)

- 基线模拟:模拟了水力压裂过程中孔隙压力的变化,以及对断层稳定性的影响。

- 裂缝网络与断层的相互作用:分析了裂缝网络与断层之间的相互作用,以及这些相互作用如何影响断层的稳定性。

- 放压对断层再活化的影响:探讨了放压对断层再活化的影响,包括孔隙压力和剪切应力的变化。

4. 讨论 (Discussion)

- 地震触发机制:讨论了多种可能的地震触发机制,包括孔隙弹性应力变化、未排水孔隙压力积累和断层渗透性变化。

- 放压的有效性:分析了放压在控制注水后地震活动方面的有效性,以及这些活动如何受到储层特性和地质结构的影响。

- 监测和模型校准:强调了对EGS项目不同阶段的准确地表特征和持续监测的重要性,以及如何利用物理基础模型来识别和最小化注水引发的地震风险。

5. 结论 (Conclusions)

- 多重机制触发地震:发现多种机制可能触发EGS项目中的地震活动,包括孔隙弹性应力变化和孔隙压力扩散。

- 放压的局限性:指出放压可能无法有效控制注水后地震活动,尤其是在储层体积扩展和孔隙压力传播方面。

- 优化注入和放压协议:强调了根据涉及的耦合过程和地下结构特征优化注入和放压协议的必要性,并通过适当的监测和持续地表特征来控制注水后地震活动。

参考文献
Kivi, I. R., Vilarrasa, V., Kim, K. I., Yoo, H., & Min, K. B. (2024). Bleed-off control on post-injection seismicity in enhanced geothermal systems. Underground Space.

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