多場耦合下深部砂巖熱儲地層形變與傳熱特性的多維度解析一、引言1.1研究背景與意義隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求持續(xù)增長，傳統(tǒng)化石能源的有限性和環(huán)境問題日益凸顯，開發(fā)和利用可再生能源成為應(yīng)對能源危機(jī)和環(huán)境挑戰(zhàn)的關(guān)鍵舉措。地?zé)崮茏鳛橐环N清潔、低碳、可再生的能源，以其分布廣泛、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢，在全球能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著愈發(fā)重要的地位。國際能源署（IEA）指出，地?zé)崮茉跐M足全球能源需求、減少碳排放方面具有巨大潛力，有望成為未來能源體系的重要組成部分。我國地?zé)崮苜Y源豐富，據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局評估，中國大陸336個主要城市淺層地?zé)崮苣昕刹少Y源量折合7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，可實(shí)現(xiàn)供暖（制冷）建筑面積320億平方米；大陸水熱型地?zé)崮苣昕刹少Y源量折合18.65億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，埋深3000-10000m干熱巖型地?zé)崮芑A(chǔ)資源量約為2.5×102?J（折合856萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤），其中埋深在5500m以淺的基礎(chǔ)資源量約為3.1×102?J（折合106萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤）。近年來，我國積極推動地?zé)崮艿拈_發(fā)利用，在政策支持、技術(shù)研發(fā)和項(xiàng)目建設(shè)等方面取得了顯著進(jìn)展。2023年世界地?zé)岽髸l(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至2021年底，中國地?zé)崮苤苯永媚芰φ酆?00.2吉瓦，連續(xù)多年位居世界首位；地?zé)峁┡ㄖ评洌┠芰_(dá)到13.3億平方米，地?zé)岚l(fā)電實(shí)際運(yùn)行的裝機(jī)容量為16兆瓦。在2023-2025年，我國計(jì)劃新增地?zé)崮芄┡ㄖ评洌┟娣e10億平方米，到2035年，地?zé)崮馨l(fā)電裝機(jī)容量將在2025年的基礎(chǔ)上再翻一番。在深部地?zé)崮荛_發(fā)中，砂巖熱儲地層是重要的目標(biāo)儲層之一。然而，在開采過程中，砂巖熱儲地層會受到溫度場、滲流場、應(yīng)力場等多場的耦合作用，這些作用會導(dǎo)致地層發(fā)生形變，影響其傳熱特性，進(jìn)而對地?zé)豳Y源的高效開發(fā)和可持續(xù)利用產(chǎn)生重要影響。當(dāng)溫度升高時，砂巖熱儲地層會發(fā)生熱膨脹，導(dǎo)致地層應(yīng)力狀態(tài)改變，可能引發(fā)地層破裂和變形，影響地?zé)峋姆€(wěn)定性和壽命；滲流場的變化會影響地?zé)崃黧w的流動和傳熱效率，進(jìn)而影響地?zé)崮艿拈_采效率；多場耦合作用還可能導(dǎo)致地層的物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)一步影響地?zé)崮艿拈_發(fā)利用。研究深部砂巖熱儲地層在多場耦合作用下的形變及傳熱特性具有重要的理論和實(shí)際意義。在理論方面，有助于深入理解多場耦合作用下砂巖熱儲地層的物理力學(xué)行為，豐富和完善地?zé)衢_發(fā)的基礎(chǔ)理論。在實(shí)際應(yīng)用中，能夠?yàn)榈責(zé)峋膬?yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，提高地?zé)峋拈_采效率和穩(wěn)定性；為地?zé)崽锏母咝ч_發(fā)提供技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)地?zé)崮艿目沙掷m(xù)利用；為深部砂巖熱儲地層的開發(fā)利用提供理論指導(dǎo)，推動地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在巖石力學(xué)特性研究方面，國外學(xué)者起步較早。Biot早在20世紀(jì)40年代就提出了多孔介質(zhì)固結(jié)理論，為流固耦合研究奠定了重要基礎(chǔ)，該理論考慮了孔隙流體與固體骨架之間的相互作用，揭示了飽和多孔介質(zhì)在受力情況下的變形和滲流規(guī)律，后續(xù)Coussy等人進(jìn)一步拓展，發(fā)展了非飽和土的多場耦合理論，為巖土體在干濕循環(huán)等復(fù)雜條件下的力學(xué)行為研究提供了理論框架。在多場耦合實(shí)驗(yàn)方面，法國里爾科技大學(xué)研發(fā)的三軸耦合試驗(yàn)機(jī)，可以同時施加圍壓、軸向偏應(yīng)力和孔隙水壓力，并得出軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變和側(cè)向應(yīng)變等參數(shù)，為研究巖石在復(fù)雜應(yīng)力和滲流條件下的力學(xué)性能提供了重要實(shí)驗(yàn)手段。在數(shù)值模擬領(lǐng)域，有限元法、有限差分法等數(shù)值方法被廣泛應(yīng)用于巖石多場耦合問題的模擬，如COMSOL、ANSYS等多物理場仿真軟件，能夠?qū)?fù)雜的多場耦合問題進(jìn)行數(shù)值求解，預(yù)測巖石的力學(xué)響應(yīng)。國內(nèi)學(xué)者在多場耦合作用下巖石力學(xué)特性研究方面也取得了豐碩成果。周輝等設(shè)計(jì)了鹽巖裂隙水流–化學(xué)溶蝕的耦合試驗(yàn)裝置，深入研究了鹽巖在水流和化學(xué)作用下的溶蝕特性，為地下鹽巖工程的穩(wěn)定性分析提供了重要參考。在深部頁巖的研究中，科研人員通過研制高溫高壓條件下的三軸試驗(yàn)機(jī)，輔助圍壓和溫度加載及數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)，試驗(yàn)研究了溫度?應(yīng)力?化學(xué)多場耦合作用下深部頁巖的蠕變性能，建立了考慮環(huán)境溫度和化學(xué)作用的高應(yīng)力頁巖非線性蠕變模型，為深部頁巖氣開采等工程提供了理論支持。在數(shù)值模擬方面，國內(nèi)學(xué)者基于有限元等方法，開發(fā)了一系列針對巖石多場耦合問題的數(shù)值模擬程序，如針對干熱巖開發(fā)的EGS-THM耦合分析程序，能夠有效模擬干熱巖儲層在多場耦合作用下的力學(xué)行為和熱傳遞過程。在熱傳導(dǎo)特性研究方面，國外對熱傳導(dǎo)理論的研究較為深入。傅里葉定律作為熱傳導(dǎo)的基本定律，明確了熱傳導(dǎo)速率與溫度梯度成正比的關(guān)系，為熱傳導(dǎo)問題的研究提供了基本的數(shù)學(xué)描述。在材料熱傳導(dǎo)性能研究中，通過實(shí)驗(yàn)和理論分析，深入探究了材料的熱導(dǎo)率、比熱容等熱物性參數(shù)與材料微觀結(jié)構(gòu)、溫度、壓力等因素的關(guān)系。在多場耦合熱傳導(dǎo)研究中，關(guān)注溫度場與其他物理場（如應(yīng)力場、滲流場）的相互作用，通過建立多場耦合模型，研究在多場作用下材料的熱傳導(dǎo)特性變化。國內(nèi)在熱傳導(dǎo)特性研究方面也不斷取得進(jìn)展。針對巖石熱物性參數(shù)的研究，利用光學(xué)掃描設(shè)備（TCS）及BRR巖土比熱容測試儀等先進(jìn)儀器，確定巖石樣品的熱物性參數(shù)，并分析巖石的熱物性參數(shù)與孔隙率、含水量、波速、礦物成分及密度等因素之間的關(guān)系，采用支持向量回歸機(jī)（SVR）模型等方法預(yù)測巖石的導(dǎo)熱系數(shù)。在多場熱效應(yīng)耦合模型研究中，在已有研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步修改和完善耦合分析程序，利用STIMPLAN軟件對儲層進(jìn)行壓裂分析，建立多場熱效應(yīng)耦合模型，并通過實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)際場地進(jìn)行驗(yàn)證，分析修正程序在工程中模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性及適用性，明確系統(tǒng)中各物理場的耦合過程與作用機(jī)理。盡管國內(nèi)外在多場耦合作用下巖石力學(xué)特性和熱傳導(dǎo)特性等方面取得了眾多成果，但仍存在一些不足與空白。在實(shí)驗(yàn)研究方面，多場耦合實(shí)驗(yàn)設(shè)備雖有發(fā)展，但對于一些極端條件（如超高溫、超高壓）下的實(shí)驗(yàn)研究還相對較少，且實(shí)驗(yàn)研究主要集中在常見巖石類型，對于深部砂巖熱儲地層這種特殊儲層的多場耦合實(shí)驗(yàn)研究不夠深入。在數(shù)值模擬方面，多場耦合模型的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率仍有待提高，模型中參數(shù)的選取和確定還存在一定的主觀性和不確定性，對多場耦合過程中復(fù)雜的物理化學(xué)現(xiàn)象的描述還不夠精確。在理論研究方面，多場耦合作用下巖石力學(xué)和熱傳導(dǎo)的本構(gòu)關(guān)系研究還不夠完善，缺乏統(tǒng)一的理論框架來描述多場耦合的復(fù)雜過程，對于多場耦合作用下深部砂巖熱儲地層的形變及傳熱特性的綜合研究還相對薄弱，難以滿足深部地?zé)崮芨咝ч_發(fā)的實(shí)際需求。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容深部砂巖熱儲地層物理力學(xué)特性研究：對深部砂巖熱儲地層的基本物理參數(shù)，如孔隙率、滲透率、密度、礦物成分等進(jìn)行全面測定與分析，明確其基本物理特性，通過室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，研究砂巖在不同溫度、應(yīng)力條件下的力學(xué)性能，包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等，建立深部砂巖熱儲地層在不同工況下的力學(xué)本構(gòu)模型，準(zhǔn)確描述其力學(xué)行為。多場耦合作用下深部砂巖熱儲地層形變特性研究：基于熱-流-固耦合理論，建立考慮溫度場、滲流場、應(yīng)力場相互作用的深部砂巖熱儲地層形變數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值模擬方法，分析多場耦合作用下深部砂巖熱儲地層的形變規(guī)律，包括形變的空間分布、時間演化特征等，研究溫度變化、流體滲流、應(yīng)力加載等因素對地層形變的影響機(jī)制，明確各因素的影響程度和作用方式。多場耦合作用下深部砂巖熱儲地層傳熱特性研究：考慮熱傳導(dǎo)、熱對流以及熱輻射等多種傳熱方式，建立多場耦合作用下深部砂巖熱儲地層的傳熱數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，探究傳熱特性，分析不同因素對傳熱效率的影響，如地層滲透率、流體流速、溫度梯度等。通過實(shí)驗(yàn)，測量不同條件下深部砂巖熱儲地層的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)等熱物性參數(shù)，驗(yàn)證和完善傳熱模型。深部砂巖熱儲地層多場耦合作用的現(xiàn)場監(jiān)測與驗(yàn)證：選擇典型的深部砂巖熱儲地?zé)崽?，開展現(xiàn)場監(jiān)測工作，布置溫度、壓力、位移等監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)時獲取多場耦合作用下深部砂巖熱儲地層的物理參數(shù)變化數(shù)據(jù)，將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證多場耦合模型的準(zhǔn)確性和可靠性，對模型進(jìn)行修正和完善，提高模型的預(yù)測能力。基于多場耦合特性的深部地?zé)崮荛_發(fā)優(yōu)化策略研究：根據(jù)深部砂巖熱儲地層的多場耦合形變及傳熱特性研究成果，結(jié)合地?zé)崮荛_發(fā)的實(shí)際需求，提出深部地?zé)崮荛_發(fā)的優(yōu)化策略，包括地?zé)峋牟贾?、開采方案的設(shè)計(jì)、回灌措施的優(yōu)化等，建立深部地?zé)崮荛_發(fā)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，以提高地?zé)崮荛_采效率、降低環(huán)境影響、保障地?zé)崽锏目沙掷m(xù)開發(fā)為目標(biāo)，運(yùn)用優(yōu)化算法求解模型，得到最優(yōu)的開發(fā)方案，并進(jìn)行案例分析和應(yīng)用驗(yàn)證。1.3.2研究方法實(shí)驗(yàn)研究：開展室內(nèi)物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)，使用巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、高溫高壓實(shí)驗(yàn)裝置等設(shè)備，模擬深部砂巖熱儲地層在不同溫度、應(yīng)力、滲流條件下的物理力學(xué)行為，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為理論分析和數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)。進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際地?zé)崽锊渴鸨O(jiān)測儀器，實(shí)時監(jiān)測多場耦合作用下深部砂巖熱儲地層的參數(shù)變化，驗(yàn)證理論和數(shù)值模擬結(jié)果，為研究提供實(shí)際數(shù)據(jù)支持。數(shù)值模擬：利用有限元軟件（如COMSOLMultiphysics、ANSYS等）和自主開發(fā)的耦合計(jì)算程序，建立多場耦合作用下深部砂巖熱儲地層的數(shù)值模型，對地層的形變和傳熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同因素對多場耦合過程的影響，預(yù)測深部砂巖熱儲地層在多場耦合作用下的長期演化趨勢。理論分析：基于傳熱學(xué)、滲流力學(xué)、巖石力學(xué)等基礎(chǔ)理論，建立多場耦合作用下深部砂巖熱儲地層的數(shù)學(xué)物理模型，推導(dǎo)控制方程和邊界條件，從理論上分析地層的形變及傳熱特性，為實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬提供理論指導(dǎo)。運(yùn)用數(shù)學(xué)方法和力學(xué)原理，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析和處理，揭示多場耦合作用下深部砂巖熱儲地層形變及傳熱的內(nèi)在規(guī)律和機(jī)制。二、多場耦合理論基礎(chǔ)2.1多場耦合的基本概念在深部砂巖熱儲地層中，多場耦合指的是溫度場、應(yīng)力場、滲流場等多種物理場之間相互作用、相互影響，形成復(fù)雜的耦合系統(tǒng)。這種耦合現(xiàn)象在深部地?zé)崮荛_發(fā)過程中普遍存在，對砂巖熱儲地層的形變及傳熱特性產(chǎn)生重要影響。溫度場是指物體內(nèi)各點(diǎn)溫度分布所構(gòu)成的場，在深部砂巖熱儲地層中，由于地?zé)崮艿拈_發(fā)，注入冷流體或開采熱流體會導(dǎo)致地層溫度發(fā)生變化，形成溫度場。當(dāng)向地?zé)峋凶⑷氲蜏氐幕毓嗔黧w時，周圍地層的溫度會降低，形成以注水井為中心的低溫區(qū)域，隨著距離注水井距離的增加，溫度逐漸升高，從而形成一個溫度梯度分布的溫度場。應(yīng)力場是指物體內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)所構(gòu)成的場，在深部砂巖熱儲地層中，應(yīng)力主要包括上覆巖層壓力、構(gòu)造應(yīng)力以及由于溫度變化和流體滲流引起的附加應(yīng)力等。上覆巖層壓力隨著深度的增加而增大，對地層產(chǎn)生垂直向下的壓力；構(gòu)造應(yīng)力則是由于地殼運(yùn)動等因素產(chǎn)生的，其方向和大小較為復(fù)雜，可能對地層產(chǎn)生拉伸、壓縮或剪切等不同作用。滲流場是指流體在多孔介質(zhì)中流動所形成的場，在深部砂巖熱儲地層中，地?zé)崃黧w在孔隙和裂隙中流動，形成滲流場。滲流場的特征主要由滲透率、孔隙度、流體黏度以及壓力梯度等因素決定。滲透率高的區(qū)域，流體流動阻力小，流速相對較大；孔隙度大則意味著流體存儲空間大，有利于流體的滲流。在深部砂巖熱儲地層中，溫度場、應(yīng)力場和滲流場之間存在著密切的相互作用關(guān)系。溫度變化會引起巖石的熱膨脹或熱收縮，從而導(dǎo)致應(yīng)力場的改變。當(dāng)溫度升高時，砂巖顆粒受熱膨脹，由于顆粒之間的相互約束，會在巖石內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。若熱應(yīng)力超過巖石的強(qiáng)度極限，巖石可能會發(fā)生破裂，進(jìn)而改變巖石的孔隙結(jié)構(gòu)和滲透率，影響滲流場。應(yīng)力場的變化也會對滲流場和溫度場產(chǎn)生影響。當(dāng)巖石受到外部荷載作用時，孔隙結(jié)構(gòu)會發(fā)生變形，孔隙度和滲透率隨之改變，影響地?zé)崃黧w的滲流。若巖石受到壓縮應(yīng)力，孔隙會變小，滲透率降低，流體滲流變得困難；反之，拉伸應(yīng)力可能使孔隙增大，滲透率提高。應(yīng)力變化還可能導(dǎo)致巖石內(nèi)部的摩擦生熱，從而影響溫度場。滲流場的變化同樣會對溫度場和應(yīng)力場產(chǎn)生作用。地?zé)崃黧w的流動會攜帶熱量，引起溫度場的變化。當(dāng)熱流體從高溫區(qū)域流向低溫區(qū)域時，會將熱量傳遞給周圍巖石，使周圍巖石溫度升高，改變溫度場分布。流體的滲流還會產(chǎn)生孔隙水壓力，改變巖石的有效應(yīng)力，進(jìn)而影響應(yīng)力場。2.2相關(guān)理論及方程2.2.1熱傳導(dǎo)理論熱傳導(dǎo)是指由于溫度差引起的熱能傳遞現(xiàn)象，遵循傅里葉定律。在各向同性的均勻介質(zhì)中，傅里葉定律的表達(dá)式為：q=-\lambda\nablaT其中，q為熱流密度矢量，單位為W/m^{2}，表示單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量；\lambda為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m\cdotK)，是材料的熱物理性質(zhì)，反映了材料傳導(dǎo)熱量的能力，其值越大，材料的導(dǎo)熱性能越好；\nablaT為溫度梯度，單位為K/m，表示溫度在空間上的變化率，方向指向溫度升高的方向，負(fù)號表示熱流方向與溫度梯度方向相反，即熱量從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞。根據(jù)能量守恒定律和傅里葉定律，可以推導(dǎo)出熱傳導(dǎo)方程。對于三維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問題，熱傳導(dǎo)方程的一般形式為：\rhoc\frac{\partialT}{\partialt}=\nabla\cdot(\lambda\nablaT)+Q其中，\rho為材料的密度，單位為kg/m^{3}；c為材料的比熱容，單位為J/(kg\cdotK)，表示單位質(zhì)量的材料溫度升高1K所吸收的熱量；\frac{\partialT}{\partialt}為溫度對時間的偏導(dǎo)數(shù)，單位為K/s，表示溫度隨時間的變化率；Q為內(nèi)熱源強(qiáng)度，單位為W/m^{3}，表示單位體積內(nèi)單位時間產(chǎn)生的熱量，若不存在內(nèi)熱源，則Q=0。在深部砂巖熱儲地層中，熱傳導(dǎo)是熱量傳遞的重要方式之一。當(dāng)?shù)責(zé)崃黧w在砂巖孔隙中流動時，熱量會通過砂巖骨架和孔隙流體進(jìn)行傳導(dǎo)。由于砂巖的導(dǎo)熱系數(shù)相對較低，熱傳導(dǎo)過程相對較慢，但在長時間尺度上，熱傳導(dǎo)對地層溫度分布和地?zé)崮荛_發(fā)仍具有重要影響。若地?zé)峋浇纳皫r熱儲地層溫度較高，熱量會通過熱傳導(dǎo)逐漸向周圍低溫區(qū)域擴(kuò)散，使周圍地層溫度升高，影響地?zé)崽锏臏囟葓龇植肌?.2.2滲流理論滲流是指流體在多孔介質(zhì)中的流動現(xiàn)象。在深部砂巖熱儲地層中，地?zé)崃黧w在砂巖的孔隙和裂隙中滲流，其滲流規(guī)律遵循達(dá)西定律。達(dá)西定律是描述飽和多孔介質(zhì)中一維穩(wěn)定滲流的基本定律，表達(dá)式為：v=-K\frac{\partialh}{\partiall}其中，v為滲流速度，單位為m/s，表示流體在多孔介質(zhì)中的流動速度；K為滲透率，單位為m^{2}，是衡量多孔介質(zhì)滲透性能的重要參數(shù)，反映了多孔介質(zhì)允許流體通過的能力，滲透率越大，流體在其中流動越容易；\frac{\partialh}{\partiall}為水力梯度，表示單位長度上的水頭損失，h為水頭，單位為m，l為滲流路徑長度，單位為m，負(fù)號表示滲流方向與水力梯度方向相反，即流體從高水頭區(qū)域流向低水頭區(qū)域。對于三維滲流問題，達(dá)西定律的向量形式為：\vec{v}=-K\nablah其中，\vec{v}為滲流速度向量，\nablah為水頭梯度向量。在實(shí)際的深部砂巖熱儲地層中，滲流過程往往較為復(fù)雜，可能存在非達(dá)西滲流現(xiàn)象。當(dāng)滲流速度較大或孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜時，流體在多孔介質(zhì)中的流動會偏離達(dá)西定律，此時需要考慮非達(dá)西滲流模型，如Forchheimer方程等，以更準(zhǔn)確地描述滲流過程。非達(dá)西滲流現(xiàn)象會影響地?zé)崃黧w的流動特性和傳熱效率，進(jìn)而對深部地?zé)崮荛_發(fā)產(chǎn)生影響。在滲透率較低的砂巖熱儲地層中，若滲流速度較大，可能會出現(xiàn)非達(dá)西滲流，導(dǎo)致流體流動阻力增大，影響地?zé)崃黧w的開采效率。2.2.3巖石力學(xué)理論巖石力學(xué)主要研究巖石在各種力場作用下的力學(xué)行為，包括巖石的強(qiáng)度、變形、破壞等特性。在深部砂巖熱儲地層中，巖石力學(xué)特性對于理解地層的形變和穩(wěn)定性至關(guān)重要。巖石的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是巖石力學(xué)的重要內(nèi)容之一。對于彈性階段，巖石的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系通常遵循胡克定律。在三維應(yīng)力狀態(tài)下，胡克定律的表達(dá)式為：\begin{cases}\varepsilon_{x}=\frac{1}{E}[\sigma_{x}-\nu(\sigma_{y}+\sigma_{z})]\\\varepsilon_{y}=\frac{1}{E}[\sigma_{y}-\nu(\sigma_{x}+\sigma_{z})]\\\varepsilon_{z}=\frac{1}{E}[\sigma_{z}-\nu(\sigma_{x}+\sigma_{y})]\\\gamma_{xy}=\frac{1}{G}\tau_{xy}\\\gamma_{yz}=\frac{1}{G}\tau_{yz}\\\gamma_{zx}=\frac{1}{G}\tau_{zx}\end{cases}其中，\varepsilon_{x}、\varepsilon_{y}、\varepsilon_{z}分別為x、y、z方向的線應(yīng)變；\sigma_{x}、\sigma_{y}、\sigma_{z}分別為x、y、z方向的正應(yīng)力；\gamma_{xy}、\gamma_{yz}、\gamma_{zx}分別為xy、yz、zx平面內(nèi)的剪應(yīng)變；\tau_{xy}、\tau_{yz}、\tau_{zx}分別為xy、yz、zx平面內(nèi)的剪應(yīng)力；E為彈性模量，單位為Pa，反映了巖石抵抗彈性變形的能力，彈性模量越大，巖石越不容易發(fā)生彈性變形；\nu為泊松比，無量綱，表示巖石在橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比；G為剪切模量，單位為Pa，反映了巖石抵抗剪切變形的能力。當(dāng)巖石受力超過其彈性極限時，會進(jìn)入塑性階段，此時巖石的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)非線性特征。常用的巖石塑性本構(gòu)模型有Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型等。Mohr-Coulomb模型是基于Mohr應(yīng)力圓和庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則建立的，其屈服條件為：\tau=c+\sigma\tan\varphi其中，\tau為剪切強(qiáng)度，單位為Pa；c為黏聚力，單位為Pa，反映了巖石顆粒之間的黏結(jié)力；\sigma為正應(yīng)力，單位為Pa；\varphi為內(nèi)摩擦角，單位為(^{\circ})，反映了巖石顆粒之間的摩擦特性。在深部砂巖熱儲地層中，巖石受到上覆巖層壓力、構(gòu)造應(yīng)力以及溫度變化和流體滲流引起的附加應(yīng)力等多種應(yīng)力的作用。這些應(yīng)力的變化會導(dǎo)致巖石發(fā)生變形和破壞，進(jìn)而影響地層的滲透率和孔隙結(jié)構(gòu)，對滲流場和溫度場產(chǎn)生影響。當(dāng)巖石受到過大的應(yīng)力作用時，可能會產(chǎn)生裂隙，使?jié)B透率增大，地?zé)崃黧w的滲流速度加快，同時也會改變地層的傳熱特性。2.3深部砂巖熱儲地層的特性深部砂巖熱儲地層具有獨(dú)特的物理性質(zhì)、礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)，這些特性對多場耦合作用下的地層形變及傳熱特性產(chǎn)生重要影響。深部砂巖熱儲地層的物理性質(zhì)主要包括密度、孔隙率、滲透率等。密度是指單位體積巖石的質(zhì)量，深部砂巖熱儲地層的密度一般在2.3-2.7g/cm3之間，其大小主要取決于巖石的礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)。礦物成分中石英、長石等含量較高時，密度相對較大；孔隙率較大則會使密度降低?？紫堵适侵笌r石中孔隙體積與巖石總體積之比，是衡量巖石儲集性能的重要指標(biāo)。深部砂巖熱儲地層的孔隙率一般在5%-25%之間，孔隙率的大小與巖石的顆粒大小、分選性、膠結(jié)程度等因素密切相關(guān)。顆粒大小均勻、分選性好、膠結(jié)程度差的砂巖，孔隙率相對較大，有利于地?zé)崃黧w的儲存和運(yùn)移。滲透率是指在一定壓差下，巖石允許流體通過的能力，單位為毫達(dá)西（mD）。深部砂巖熱儲地層的滲透率一般在1-1000mD之間，滲透率的大小主要取決于孔隙結(jié)構(gòu)和連通性?？紫吨睆酱?、連通性好的砂巖，滲透率較高，能夠?yàn)榈責(zé)崃黧w的流動提供良好的通道。深部砂巖熱儲地層的礦物成分主要包括石英、長石、云母等。石英是砂巖中最主要的礦物成分，其含量一般在50%以上，石英具有硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，對砂巖的力學(xué)性質(zhì)和熱傳導(dǎo)性能有重要影響。由于石英的熱膨脹系數(shù)較小，在溫度變化時，能夠限制巖石的熱膨脹，從而影響巖石的應(yīng)力狀態(tài)和形變特性。長石的含量一般在20%-40%之間，長石的種類和含量會影響砂巖的化學(xué)成分和物理性質(zhì)。不同種類的長石，其晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分有所差異，導(dǎo)致其熱膨脹系數(shù)、硬度等物理性質(zhì)也不同，進(jìn)而影響砂巖的整體性能。云母的含量相對較少，一般在5%以下，云母具有片狀結(jié)構(gòu)，其存在會影響砂巖的力學(xué)性質(zhì)和孔隙結(jié)構(gòu)。云母的片狀結(jié)構(gòu)使其在受力時容易發(fā)生滑動，降低砂巖的強(qiáng)度；同時，云母的分布也會影響孔隙的連通性，進(jìn)而影響滲透率。深部砂巖熱儲地層的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括孔隙大小、形狀、連通性等特征。孔隙大小分布范圍較廣，從微孔到宏孔都有存在，微孔的孔徑一般小于100nm，宏孔的孔徑則大于1μm。不同大小的孔隙在多場耦合作用中發(fā)揮著不同的作用，微孔主要影響巖石的吸附性能和擴(kuò)散性能，宏孔則對流體的儲存和運(yùn)移起主要作用。孔隙形狀多樣，有圓形、橢圓形、不規(guī)則形等，孔隙形狀會影響流體在孔隙中的流動阻力和傳熱效率。不規(guī)則形狀的孔隙會增加流體的流動阻力，降低傳熱效率；而圓形或橢圓形孔隙則相對有利于流體的流動和熱量的傳遞?？紫哆B通性是指孔隙之間相互連接的程度，良好的孔隙連通性有利于地?zé)崃黧w的流動和傳熱。若孔隙連通性差，地?zé)崃黧w在巖石中的流動會受到阻礙，導(dǎo)致傳熱不均勻，影響地?zé)崮艿拈_發(fā)效率。三、多場耦合作用下深部砂巖熱儲地層形變特性3.1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及實(shí)驗(yàn)研究深部砂巖在多場耦合作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是理解其形變特性的關(guān)鍵。在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，深部砂巖受到溫度場、滲流場和應(yīng)力場的共同作用，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能會發(fā)生顯著變化，從而導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性特征。在常溫常壓條件下，巖石的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系通?？煞譃閺椥噪A段、塑性階段和破壞階段。在彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，符合胡克定律，巖石能夠完全恢復(fù)其原始形狀和尺寸；隨著應(yīng)力的增加，巖石進(jìn)入塑性階段，此時應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不再線性，巖石發(fā)生不可逆的塑性變形；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到巖石的強(qiáng)度極限時，巖石進(jìn)入破壞階段，出現(xiàn)裂縫擴(kuò)展、破碎等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致巖石的破壞。然而，在多場耦合作用下，深部砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系會發(fā)生改變。溫度的變化會引起巖石的熱膨脹或熱收縮，從而產(chǎn)生附加應(yīng)力，影響巖石的力學(xué)性能。當(dāng)溫度升高時，砂巖內(nèi)部的礦物顆粒會膨脹，由于顆粒之間的相互約束，會產(chǎn)生熱應(yīng)力，使得巖石的彈性模量降低，塑性變形能力增強(qiáng)，進(jìn)而改變應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。滲流場的存在會使巖石孔隙中的流體產(chǎn)生孔隙水壓力，降低巖石的有效應(yīng)力，影響巖石的強(qiáng)度和變形特性。若孔隙水壓力增大，巖石的有效應(yīng)力減小，巖石更容易發(fā)生變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線會發(fā)生相應(yīng)的變化。為了深入研究多場耦合作用下深部砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，開展了一系列實(shí)驗(yàn)，包括三軸實(shí)驗(yàn)和單軸實(shí)驗(yàn)。三軸實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚰M深部砂巖在三維應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為，考慮圍壓、軸壓和孔隙水壓力等因素的影響。實(shí)驗(yàn)采用高精度的巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)具備加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，能夠精確控制實(shí)驗(yàn)條件，獲取準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過程中，首先選取尺寸為直徑50mm、高度100mm的圓柱形砂巖試件，對試件進(jìn)行打磨和加工，使其表面平整光滑，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。將試件安裝在三軸試驗(yàn)機(jī)的壓力室中，通過橡膠套密封，防止流體泄漏。施加圍壓，模擬深部地層的側(cè)向壓力，圍壓分別設(shè)置為10MPa、20MPa、30MPa，以研究不同圍壓條件下砂巖的力學(xué)性能。以一定的速率施加軸壓，同時監(jiān)測試件的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變，記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在實(shí)驗(yàn)過程中，保持孔隙水壓力恒定，設(shè)置為5MPa，以模擬深部砂巖熱儲地層中的實(shí)際滲流條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著圍壓的增加，砂巖的抗壓強(qiáng)度顯著提高。在低圍壓下，砂巖的破壞模式主要為脆性破壞，表現(xiàn)為突然的破裂和斷裂；而在高圍壓下，砂巖的破壞模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐模瑤r石發(fā)生較大的塑性變形后才最終破壞。這是因?yàn)閲鷫旱脑黾酉拗屏藥r石內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展，提高了巖石的承載能力。隨著軸壓的增加，砂巖的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變逐漸增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出非線性特征。在彈性階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似為直線；隨著軸壓的進(jìn)一步增加，巖石進(jìn)入塑性階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率逐漸減小，表明巖石的剛度逐漸降低。單軸實(shí)驗(yàn)則主要研究深部砂巖在單一軸向應(yīng)力作用下的力學(xué)性能，能夠更直觀地反映巖石的基本力學(xué)特性。實(shí)驗(yàn)使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)具有高精度的加載系統(tǒng)和位移測量系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確測量巖石在加載過程中的應(yīng)力和應(yīng)變。實(shí)驗(yàn)選取與三軸實(shí)驗(yàn)相同尺寸的砂巖試件，將試件放置在萬能材料試驗(yàn)機(jī)的加載平臺上，確保試件與加載頭緊密接觸。以恒定的加載速率施加軸向壓力，加載速率設(shè)置為0.05mm/min，實(shí)時監(jiān)測試件的軸向變形，記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲線。單軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度相對較低，與三軸實(shí)驗(yàn)中的抗壓強(qiáng)度相比有明顯差異。在加載過程中，砂巖首先經(jīng)歷彈性變形階段，應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系；隨著應(yīng)力的增加，巖石進(jìn)入塑性變形階段，出現(xiàn)微裂紋的萌生和擴(kuò)展，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸偏離線性；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到單軸抗壓強(qiáng)度時，巖石發(fā)生破壞，出現(xiàn)明顯的裂縫和破碎。通過對比三軸實(shí)驗(yàn)和單軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)圍壓對深部砂巖的力學(xué)性能具有顯著影響。圍壓的存在能夠提高砂巖的抗壓強(qiáng)度和變形能力，改變巖石的破壞模式。在多場耦合作用下，考慮圍壓的影響對于準(zhǔn)確理解深部砂巖熱儲地層的形變特性至關(guān)重要。3.2形變機(jī)制分析在多場耦合作用下，深部砂巖熱儲地層的形變是一個復(fù)雜的物理過程，涉及微觀層面的孔隙結(jié)構(gòu)變化和微裂紋擴(kuò)展等機(jī)制，這些微觀變化是理解地層宏觀形變特性的基礎(chǔ)?？紫督Y(jié)構(gòu)在多場耦合作用下會發(fā)生顯著變化。溫度的升高會導(dǎo)致砂巖顆粒熱膨脹，顆粒間的相對位置發(fā)生改變，從而引起孔隙形狀和大小的變化。當(dāng)溫度從常溫升高到100℃時，砂巖顆粒的熱膨脹會使部分孔隙被壓縮，孔隙直徑減小，而在顆粒接觸部位，由于應(yīng)力集中，可能會產(chǎn)生局部的微裂隙，使得孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。滲流場中的流體流動對孔隙結(jié)構(gòu)也有重要影響。地?zé)崃黧w在孔隙中流動時，會對孔隙壁產(chǎn)生沖刷作用，長期的沖刷可能導(dǎo)致孔隙壁的顆粒脫落，使孔隙逐漸擴(kuò)大。流體中的礦物質(zhì)沉淀也可能堵塞部分孔隙，改變孔隙的連通性和大小分布。在滲透率較高的區(qū)域，流體流速較大，沖刷作用更為明顯，孔隙擴(kuò)大的程度相對較大；而在滲透率較低的區(qū)域，礦物質(zhì)沉淀的影響可能更為突出，孔隙更容易被堵塞。應(yīng)力場的作用同樣會改變孔隙結(jié)構(gòu)。當(dāng)砂巖受到外部應(yīng)力作用時，孔隙會發(fā)生變形。在壓縮應(yīng)力作用下，孔隙會被壓縮變小，孔隙度降低；拉伸應(yīng)力則可能使孔隙張開，甚至產(chǎn)生新的孔隙。若砂巖受到10MPa的壓縮應(yīng)力，孔隙度可能會降低5%-10%，而在拉伸應(yīng)力作用下，孔隙度可能會增加3%-8%，具體變化程度取決于砂巖的巖石力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力大小。微裂紋的擴(kuò)展是深部砂巖在多場耦合作用下形變的另一個重要微觀機(jī)制。溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力是微裂紋萌生和擴(kuò)展的重要驅(qū)動力。當(dāng)溫度變化較大時，砂巖內(nèi)部不同礦物顆粒由于熱膨脹系數(shù)的差異，會產(chǎn)生不均勻的熱變形，從而導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生。當(dāng)熱應(yīng)力超過礦物顆粒間的結(jié)合力時，就會在顆粒邊界處萌生微裂紋。在溫度從20℃升高到200℃的過程中，砂巖內(nèi)部可能會產(chǎn)生大量的微裂紋，這些微裂紋會沿著礦物顆粒邊界和薄弱部位擴(kuò)展。應(yīng)力場中的機(jī)械應(yīng)力對微裂紋的擴(kuò)展也起著關(guān)鍵作用。在外部機(jī)械應(yīng)力的作用下，微裂紋尖端會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得微裂紋更容易擴(kuò)展。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時，微裂紋會迅速擴(kuò)展并相互連通，導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度降低和變形增大。在三軸實(shí)驗(yàn)中，隨著軸壓的增加，微裂紋的擴(kuò)展速度加快，當(dāng)軸壓接近巖石的抗壓強(qiáng)度時，微裂紋會大量連通，形成宏觀的破裂面，導(dǎo)致巖石破壞。滲流場中的孔隙水壓力同樣會影響微裂紋的擴(kuò)展?？紫端畨毫Φ脑黾訒档臀⒘鸭y尖端的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子，抑制微裂紋的擴(kuò)展；而孔隙水壓力的降低則會使有效應(yīng)力強(qiáng)度因子增大，促進(jìn)微裂紋的擴(kuò)展。在深部砂巖熱儲地層中，當(dāng)?shù)責(zé)崃黧w開采導(dǎo)致孔隙水壓力降低時，微裂紋更容易擴(kuò)展，從而增加地層的形變風(fēng)險(xiǎn)。3.3影響因素研究在深部砂巖熱儲地層中，溫度、應(yīng)力、滲流等因素對地層形變有著顯著的影響，深入研究這些影響規(guī)律對于理解多場耦合作用下地層的力學(xué)行為和地?zé)豳Y源開發(fā)具有重要意義。溫度變化是影響深部砂巖熱儲地層形變的關(guān)鍵因素之一。隨著溫度的升高，砂巖熱儲地層會發(fā)生熱膨脹，導(dǎo)致地層應(yīng)力狀態(tài)改變，進(jìn)而引發(fā)地層形變。當(dāng)溫度從初始溫度升高100℃時，砂巖熱儲地層的體積膨脹率可達(dá)0.5%-1.5%，這會使得地層內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。熱應(yīng)力的大小與砂巖的熱膨脹系數(shù)、溫度變化幅度以及巖石的約束條件密切相關(guān)。若熱應(yīng)力超過砂巖的強(qiáng)度極限，巖石就會發(fā)生破裂和變形，影響地?zé)峋姆€(wěn)定性和壽命。在一些地?zé)衢_發(fā)項(xiàng)目中，由于溫度變化導(dǎo)致的地層形變，使得地?zé)峋坠馨l(fā)生彎曲和破裂，影響了地?zé)崃黧w的開采效率。溫度變化還會對砂巖的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。隨著溫度升高，砂巖的彈性模量和抗壓強(qiáng)度會逐漸降低，塑性變形能力增強(qiáng)。當(dāng)溫度從常溫升高到200℃時，砂巖的彈性模量可能會降低20%-30%，抗壓強(qiáng)度降低15%-25%，這使得砂巖在受到外部荷載作用時更容易發(fā)生變形。這是因?yàn)楦邷貢股皫r內(nèi)部的礦物顆粒發(fā)生熱運(yùn)動，削弱顆粒之間的結(jié)合力，從而降低巖石的力學(xué)性能。應(yīng)力是影響深部砂巖熱儲地層形變的重要因素，包括上覆巖層壓力、構(gòu)造應(yīng)力以及由于溫度變化和流體滲流引起的附加應(yīng)力等。上覆巖層壓力隨著深度的增加而增大，對地層產(chǎn)生垂直向下的壓力，是導(dǎo)致地層形變的主要應(yīng)力之一。在深部砂巖熱儲地層中，深度每增加1000m，上覆巖層壓力約增加25-30MPa，如此大的壓力會使地層發(fā)生壓縮變形，孔隙度降低。構(gòu)造應(yīng)力則是由于地殼運(yùn)動等因素產(chǎn)生的，其方向和大小較為復(fù)雜，可能對地層產(chǎn)生拉伸、壓縮或剪切等不同作用。在構(gòu)造應(yīng)力作用下，砂巖熱儲地層可能會發(fā)生褶皺、斷裂等變形，改變地層的結(jié)構(gòu)和滲透率。在一些地質(zhì)構(gòu)造活躍地區(qū)，構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致砂巖熱儲地層產(chǎn)生大量的斷層和裂隙，增加了地層的滲透性，但也可能引發(fā)地層的失穩(wěn)。附加應(yīng)力同樣會對地層形變產(chǎn)生影響。由于溫度變化和流體滲流引起的附加應(yīng)力，會改變地層的應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致地層發(fā)生形變。溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及流體滲流產(chǎn)生的孔隙水壓力變化，都會對地層的有效應(yīng)力產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響地層的形變。在熱-流-固耦合作用下，附加應(yīng)力與其他應(yīng)力相互作用，使得地層形變更加復(fù)雜。滲流對深部砂巖熱儲地層形變的影響主要通過改變孔隙水壓力來實(shí)現(xiàn)。地?zé)崃黧w在砂巖孔隙和裂隙中流動時，會產(chǎn)生孔隙水壓力，改變巖石的有效應(yīng)力，從而影響地層的形變。當(dāng)孔隙水壓力增大時，巖石的有效應(yīng)力減小，巖石更容易發(fā)生變形。在深部砂巖熱儲地層中，若孔隙水壓力增加10MPa，巖石的有效應(yīng)力可能會降低8-10MPa，導(dǎo)致地層的變形量增大。滲流還會對砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響地層形變。地?zé)崃黧w的流動會對孔隙壁產(chǎn)生沖刷作用，長期的沖刷可能導(dǎo)致孔隙壁的顆粒脫落，使孔隙逐漸擴(kuò)大，改變孔隙結(jié)構(gòu)。這種孔隙結(jié)構(gòu)的改變會影響地層的滲透率和力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)一步影響地層的形變。在滲透率較高的區(qū)域，流體流速較大，沖刷作用更為明顯，孔隙結(jié)構(gòu)的改變對地層形變的影響也更大。四、多場耦合作用下深部砂巖熱儲地層傳熱特性4.1傳熱機(jī)制及實(shí)驗(yàn)研究深部砂巖熱儲地層的傳熱機(jī)制主要包括熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。熱傳導(dǎo)是指熱量通過物質(zhì)分子的熱運(yùn)動，從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞的過程。在深部砂巖熱儲地層中，熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在砂巖顆粒和孔隙流體中。由于砂巖顆粒之間的緊密接觸，熱量可以通過晶格振動和電子遷移等方式在顆粒內(nèi)部傳導(dǎo)；而在孔隙流體中，熱量則通過分子的熱運(yùn)動進(jìn)行傳導(dǎo)。熱對流是指由于流體的宏觀運(yùn)動，熱量隨著流體的流動而傳遞的過程。在深部砂巖熱儲地層中，地?zé)崃黧w在孔隙和裂隙中的流動會導(dǎo)致熱對流的發(fā)生。當(dāng)熱流體從高溫區(qū)域流向低溫區(qū)域時，會將熱量攜帶到周圍的巖石中，從而使周圍巖石的溫度升高；相反，冷流體的流動則會使周圍巖石的溫度降低。熱輻射是指物體通過電磁波的形式向外傳遞熱量的過程。在深部砂巖熱儲地層中，熱輻射的作用相對較小，通?？梢院雎圆挥?jì)。但在高溫條件下，熱輻射的影響可能會變得較為顯著。在一些干熱巖地?zé)衢_發(fā)項(xiàng)目中，由于巖石溫度較高，熱輻射對熱量傳遞的貢獻(xiàn)可能會達(dá)到一定比例。為了深入研究深部砂巖熱儲地層的傳熱特性，開展了傳熱實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用自主研發(fā)的高溫高壓多場耦合實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置能夠模擬深部砂巖熱儲地層的實(shí)際工況，包括高溫、高壓、滲流等條件。實(shí)驗(yàn)裝置主要由壓力控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、滲流系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成。壓力控制系統(tǒng)能夠精確控制實(shí)驗(yàn)過程中的圍壓和孔隙水壓力，圍壓可在0-100MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，孔隙水壓力可在0-50MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；溫度控制系統(tǒng)采用電加熱方式，能夠?qū)?shí)驗(yàn)溫度控制在室溫-300℃范圍內(nèi)，溫度控制精度為±1℃；滲流系統(tǒng)可以控制地?zé)崃黧w的流速和流量，流速可在0.01-10mL/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，流量可在0-100mL/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則能夠?qū)崟r采集實(shí)驗(yàn)過程中的溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。實(shí)驗(yàn)樣品選取具有代表性的深部砂巖，將砂巖加工成直徑50mm、高度100mm的圓柱形試件。在試件內(nèi)部沿軸向和徑向布置多個熱電偶，用于測量試件內(nèi)部不同位置的溫度變化。在試件的兩端分別安裝滲流進(jìn)出口，用于地?zé)崃黧w的注入和流出。實(shí)驗(yàn)過程中，首先將試件放入實(shí)驗(yàn)裝置中，施加一定的圍壓和孔隙水壓力，模擬深部地層的應(yīng)力條件。然后，通過溫度控制系統(tǒng)將試件加熱到設(shè)定溫度，模擬深部地層的溫度條件。待溫度穩(wěn)定后，啟動滲流系統(tǒng)，以一定的流速注入地?zé)崃黧w，開始實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)時采集試件內(nèi)部不同位置的溫度數(shù)據(jù)以及滲流進(jìn)出口的流量和壓力數(shù)據(jù)，記錄實(shí)驗(yàn)過程中的各項(xiàng)參數(shù)變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在熱傳導(dǎo)作用下，砂巖試件內(nèi)部的溫度分布呈現(xiàn)出明顯的梯度變化。隨著時間的推移，熱量逐漸從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域擴(kuò)散，溫度梯度逐漸減小。在熱對流作用下，地?zé)崃黧w的流動對溫度分布產(chǎn)生了顯著影響。當(dāng)?shù)責(zé)崃黧w流速較大時，熱對流作用增強(qiáng)，熱量傳遞速度加快，試件內(nèi)部的溫度分布更加均勻；而當(dāng)?shù)責(zé)崃黧w流速較小時，熱對流作用較弱，溫度分布主要受熱傳導(dǎo)控制，溫度梯度較大。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，溫度和滲透率對傳熱特性有重要影響。隨著溫度的升高，砂巖的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)增大，傳熱效率提高。當(dāng)溫度從50℃升高到150℃時，砂巖的導(dǎo)熱系數(shù)可能會增加10%-20%，熱擴(kuò)散系數(shù)增加15%-25%，這使得熱量在砂巖中的傳遞速度加快，有利于地?zé)崮艿拈_發(fā)利用。滲透率的變化也會影響傳熱特性，滲透率較高的砂巖，地?zé)崃黧w的流動阻力較小，熱對流作用較強(qiáng)，傳熱效率更高。在滲透率為100mD的砂巖中，地?zé)崃黧w的流速相對較大，熱對流作用明顯，能夠更有效地將熱量傳遞到周圍巖石中；而在滲透率為10mD的砂巖中，流體流動阻力較大，熱對流作用較弱，傳熱效率相對較低。4.2熱物性參數(shù)分析深部砂巖的熱物性參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等，在多場耦合作用下會發(fā)生顯著變化，這些變化對地層的傳熱特性有著重要影響。導(dǎo)熱系數(shù)是衡量材料導(dǎo)熱能力的重要參數(shù)，它決定了熱量在深部砂巖熱儲地層中的傳導(dǎo)速率。在多場耦合作用下，深部砂巖的導(dǎo)熱系數(shù)受到多種因素的影響。溫度的變化會導(dǎo)致砂巖內(nèi)部礦物顆粒的熱運(yùn)動加劇，改變顆粒間的接觸狀態(tài)和熱傳導(dǎo)路徑，從而影響導(dǎo)熱系數(shù)。隨著溫度的升高，砂巖的導(dǎo)熱系數(shù)一般會呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當(dāng)溫度從常溫升高到一定程度時，礦物顆粒的熱振動增強(qiáng)，有利于熱量的傳導(dǎo)，導(dǎo)熱系數(shù)增大；但當(dāng)溫度繼續(xù)升高，巖石內(nèi)部可能會出現(xiàn)微裂紋等缺陷，增加了熱傳導(dǎo)的阻力，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)減小。在溫度從50℃升高到150℃的過程中，砂巖的導(dǎo)熱系數(shù)可能會先增加10%-20%，而后在溫度進(jìn)一步升高時逐漸減小?？紫督Y(jié)構(gòu)的變化對導(dǎo)熱系數(shù)也有顯著影響?？紫堵实脑黾訒股皫r的有效導(dǎo)熱面積減小，導(dǎo)熱系數(shù)降低。當(dāng)孔隙率從10%增加到20%時，導(dǎo)熱系數(shù)可能會降低15%-25%，這是因?yàn)榭紫吨械目諝鈱?dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于砂巖顆粒，孔隙的增多會阻礙熱量的傳導(dǎo)?？紫兜倪B通性和形狀也會影響導(dǎo)熱系數(shù)。連通性好的孔隙有利于熱量的傳遞，而不規(guī)則形狀的孔隙會增加熱傳導(dǎo)的路徑和阻力，降低導(dǎo)熱系數(shù)。滲流場中的流體流動同樣會影響導(dǎo)熱系數(shù)。地?zé)崃黧w的流動會攜帶熱量，增強(qiáng)熱對流作用，從而改變有效導(dǎo)熱系數(shù)。當(dāng)?shù)責(zé)崃黧w流速較大時，熱對流作用增強(qiáng)，有效導(dǎo)熱系數(shù)增大，熱量傳遞速度加快。在滲透率較高的區(qū)域，地?zé)崃黧w流速相對較大，有效導(dǎo)熱系數(shù)比滲透率低的區(qū)域可能會高出20%-30%，這使得熱量能夠更快速地在砂巖中傳遞。比熱容是指單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高1K所吸收的熱量，它反映了材料儲存熱量的能力。在多場耦合作用下，深部砂巖的比熱容也會發(fā)生變化。溫度的升高會使砂巖內(nèi)部的晶格振動和分子熱運(yùn)動加劇，增加了材料儲存熱量的方式，從而導(dǎo)致比熱容增大。當(dāng)溫度從常溫升高到200℃時，砂巖的比熱容可能會增加10%-15%，這意味著在相同的熱量輸入下，砂巖溫度升高的幅度會減小。礦物成分的變化也會對比熱容產(chǎn)生影響。不同礦物具有不同的比熱容，因此砂巖中礦物成分的改變會導(dǎo)致整體比熱容的變化。若砂巖中石英含量增加，由于石英的比熱容相對較低，砂巖的整體比熱容可能會降低；反之，若長石等比熱容較高的礦物含量增加，砂巖的比熱容則會增大。孔隙流體的存在也會影響比熱容。孔隙流體的比熱容與砂巖骨架不同，流體的存在會改變砂巖的等效比熱容。當(dāng)?shù)責(zé)崃黧w充滿孔隙時，由于流體的比熱容較大，砂巖的等效比熱容會增大，使其在吸收或釋放熱量時的溫度變化更加平緩。4.3影響因素研究應(yīng)力、滲流、巖石特性等因素對深部砂巖熱儲地層的傳熱特性有著顯著影響，深入探究這些因素的作用機(jī)制，對于準(zhǔn)確理解和優(yōu)化地?zé)崮荛_發(fā)過程中的傳熱過程具有重要意義。應(yīng)力的變化會對深部砂巖熱儲地層的傳熱特性產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)巖石受到外部應(yīng)力作用時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，進(jìn)而影響熱傳導(dǎo)路徑和熱傳遞效率。在壓應(yīng)力作用下，巖石顆粒間的接觸更加緊密，熱傳導(dǎo)能力增強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)可能會增大。研究表明，當(dāng)壓應(yīng)力從10MPa增加到30MPa時，砂巖的導(dǎo)熱系數(shù)可能會增大5%-10%，這是因?yàn)閴簯?yīng)力使顆粒間的接觸面積增大，熱阻減小，熱量傳遞更加順暢。而在拉應(yīng)力作用下，巖石內(nèi)部可能會產(chǎn)生微裂紋，這些微裂紋會增加熱傳導(dǎo)的阻力，降低導(dǎo)熱系數(shù)。若拉應(yīng)力導(dǎo)致巖石產(chǎn)生大量微裂紋，導(dǎo)熱系數(shù)可能會降低8%-12%，微裂紋的存在使熱量傳遞需要繞過這些缺陷，增加了熱傳遞的路徑和難度。應(yīng)力還會影響巖石的孔隙結(jié)構(gòu)，間接影響傳熱特性。當(dāng)巖石受到應(yīng)力作用時，孔隙會發(fā)生變形，孔隙度和滲透率發(fā)生改變，進(jìn)而影響地?zé)崃黧w的流動和傳熱。在高應(yīng)力條件下，孔隙被壓縮，孔隙度降低，地?zé)崃黧w的流動通道變窄，流速減小，熱對流作用減弱，傳熱效率降低。而在低應(yīng)力條件下，孔隙相對較大，地?zé)崃黧w流動較為順暢，熱對流作用較強(qiáng)，有利于熱量的傳遞。滲流對深部砂巖熱儲地層傳熱特性的影響主要通過熱對流和對孔隙結(jié)構(gòu)的改變來實(shí)現(xiàn)。地?zé)崃黧w在孔隙中流動時，會攜帶熱量，形成熱對流，從而增強(qiáng)熱量的傳遞。當(dāng)?shù)責(zé)崃黧w流速增大時，熱對流作用增強(qiáng)，傳熱效率提高。在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)?shù)責(zé)崃黧w流速從0.1mL/min增加到1mL/min時，傳熱效率提高了30%-40%，這是因?yàn)榱魉俚脑黾邮沟脽崃磕軌蚋斓乇粠У街車鷰r石中，加快了熱量的傳遞速度。滲流還會對砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變傳熱特性。地?zé)崃黧w的長期沖刷可能導(dǎo)致孔隙壁的顆粒脫落，使孔隙逐漸擴(kuò)大，改變孔隙結(jié)構(gòu)，影響熱傳導(dǎo)和熱對流。若孔隙壁的顆粒脫落導(dǎo)致孔隙連通性增強(qiáng)，地?zé)崃黧w的流動更加順暢，熱對流作用進(jìn)一步增強(qiáng)，傳熱效率也會相應(yīng)提高；但如果孔隙擴(kuò)大導(dǎo)致巖石的骨架結(jié)構(gòu)受到破壞，熱傳導(dǎo)能力可能會下降，對傳熱產(chǎn)生不利影響。巖石特性，如礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)等，對傳熱特性也有著重要影響。不同礦物成分的熱導(dǎo)率存在差異，從而影響砂巖的整體傳熱性能。石英的熱導(dǎo)率相對較高，長石的熱導(dǎo)率相對較低，若砂巖中石英含量較高，其導(dǎo)熱系數(shù)相對較大，傳熱效率更高。當(dāng)砂巖中石英含量從40%增加到60%時，導(dǎo)熱系數(shù)可能會增大10%-15%，這使得熱量在砂巖中的傳遞速度加快，有利于地?zé)崮艿拈_發(fā)利用。孔隙結(jié)構(gòu)的特征，如孔隙率、孔隙大小和連通性等，對傳熱特性有著顯著影響?？紫堵实脑黾訒股皫r的有效導(dǎo)熱面積減小，導(dǎo)熱系數(shù)降低。當(dāng)孔隙率從10%增加到20%時，導(dǎo)熱系數(shù)可能會降低15%-25%，這是因?yàn)榭紫吨械目諝鈱?dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于砂巖顆粒，孔隙的增多會阻礙熱量的傳導(dǎo)。孔隙大小和連通性也會影響傳熱特性，大孔隙和連通性好的孔隙有利于地?zé)崃黧w的流動和熱對流，從而提高傳熱效率；而小孔隙和連通性差的孔隙則會限制地?zé)崃黧w的流動，降低傳熱效率。五、多場耦合作用下深部砂巖熱儲地層形變與傳熱耦合效應(yīng)5.1耦合模型建立基于前面章節(jié)對深部砂巖熱儲地層形變特性和傳熱特性的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，綜合考慮溫度場、滲流場和應(yīng)力場之間的相互作用，建立深部砂巖熱儲地層的多場耦合數(shù)學(xué)模型。在熱-流-固耦合理論框架下，溫度場控制方程基于熱傳導(dǎo)理論建立?？紤]到深部砂巖熱儲地層中可能存在內(nèi)熱源（如化學(xué)反應(yīng)生熱等），熱傳導(dǎo)方程為：\rhoc\frac{\partialT}{\partialt}=\nabla\cdot(\lambda\nablaT)+Q其中，\rho為砂巖的密度，c為比熱容，T為溫度，t為時間，\lambda為導(dǎo)熱系數(shù)，Q為內(nèi)熱源強(qiáng)度。在實(shí)際的深部砂巖熱儲地層中，內(nèi)熱源可能來自于地?zé)崃黧w與巖石礦物之間的化學(xué)反應(yīng)，雖然這種熱源強(qiáng)度相對較小，但在長期的地?zé)衢_發(fā)過程中，其對溫度場的影響不容忽視。滲流場控制方程依據(jù)達(dá)西定律，考慮到非達(dá)西滲流以及流體壓縮性等因素進(jìn)行修正。對于非飽和滲流，采用擴(kuò)展的達(dá)西定律：\vec{v}=-K\frac{k_{r}}{\mu}(\nablah-\rhog\nablaz)其中，\vec{v}為滲流速度向量，K為滲透率張量，k_{r}為相對滲透率，\mu為流體黏度，h為水頭，\rho為流體密度，g為重力加速度，z為垂直坐標(biāo)。在深部砂巖熱儲地層中，由于孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和非均質(zhì)性，相對滲透率會隨著飽和度的變化而顯著改變，從而影響滲流場的分布。應(yīng)力場控制方程基于巖石力學(xué)理論，考慮巖石的彈性、塑性和損傷特性。在彈性階段，遵循胡克定律；進(jìn)入塑性階段后，采用合適的塑性本構(gòu)模型（如Mohr-Coulomb模型）描述巖石的力學(xué)行為：\sigma_{ij,j}+f_{i}=\rho\ddot{u}_{i}其中，\sigma_{ij}為應(yīng)力張量，f_{i}為體積力，\rho為巖石密度，\ddot{u}_{i}為加速度。在多場耦合作用下，巖石的損傷會導(dǎo)致其力學(xué)性能下降，從而改變應(yīng)力場的分布，如微裂紋的擴(kuò)展會使巖石的有效承載面積減小，應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇。三場之間的耦合關(guān)系通過以下方式體現(xiàn)：溫度變化引起巖石的熱膨脹或熱收縮，產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而影響應(yīng)力場；應(yīng)力場的變化會改變巖石的孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響滲透率，對滲流場產(chǎn)生作用；滲流場中的流體流動攜帶熱量，影響溫度場的分布，同時孔隙水壓力的變化也會改變巖石的有效應(yīng)力，影響應(yīng)力場。將熱傳導(dǎo)方程中的溫度T作為變量代入應(yīng)力場控制方程中，用于計(jì)算熱應(yīng)力。假設(shè)巖石的熱膨脹系數(shù)為\alpha，則熱應(yīng)力\sigma_{T}可表示為：\sigma_{T}=\alpha(T-T_{0})\delta_{ij}其中，T_{0}為初始溫度，\delta_{ij}為克羅內(nèi)克符號。當(dāng)溫度從初始溫度T_{0}升高\(yùn)DeltaT時，熱應(yīng)力會相應(yīng)增加，導(dǎo)致巖石內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變。在滲流場控制方程中，滲透率K是應(yīng)力和溫度的函數(shù)。隨著應(yīng)力的增加，巖石孔隙被壓縮，滲透率降低；溫度變化也會導(dǎo)致巖石礦物顆粒的膨脹或收縮，進(jìn)而影響孔隙結(jié)構(gòu)和滲透率。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合或理論推導(dǎo)，可以建立滲透率與應(yīng)力、溫度的函數(shù)關(guān)系，如：K=K_{0}\exp\left[-C_{1}(\sigma-\sigma_{0})-C_{2}(T-T_{0})\right]其中，K_{0}為初始滲透率，C_{1}和C_{2}分別為應(yīng)力和溫度對滲透率影響的系數(shù)，\sigma為有效應(yīng)力，\sigma_{0}為初始有效應(yīng)力。在實(shí)際的深部砂巖熱儲地層中，通過對不同應(yīng)力和溫度條件下的滲透率測試，可以確定這些系數(shù)，從而準(zhǔn)確描述滲透率的變化。在溫度場控制方程中，考慮滲流引起的熱對流項(xiàng)。熱對流項(xiàng)q_{conv}可表示為：q_{conv}=\rho_{f}c_{f}\vec{v}\cdot\nablaT其中，\rho_{f}為流體密度，c_{f}為流體比熱容，\vec{v}為滲流速度向量。當(dāng)滲流速度較大時，熱對流項(xiàng)對溫度場的影響顯著，能夠加快熱量的傳遞速度，改變溫度場的分布。通過上述耦合關(guān)系，將溫度場、滲流場和應(yīng)力場的控制方程聯(lián)立，形成多場耦合數(shù)學(xué)模型，全面描述深部砂巖熱儲地層在多場耦合作用下的形變及傳熱特性。5.2數(shù)值模擬分析利用數(shù)值模擬軟件COMSOLMultiphysics對建立的多場耦合模型進(jìn)行求解，深入分析深部砂巖熱儲地層在多場耦合作用下形變與傳熱的耦合過程和相互影響。在數(shù)值模擬過程中，首先根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，對深部砂巖熱儲地層進(jìn)行合理的幾何建模?？紤]到地?zé)衢_發(fā)區(qū)域的范圍和形狀，構(gòu)建一個三維的長方體模型，模型尺寸為長500m、寬300m、高200m，以真實(shí)反映地?zé)崽锏膶?shí)際規(guī)模和地層結(jié)構(gòu)。在模型中，明確劃分出不同的區(qū)域，包括砂巖熱儲層、圍巖等，以便準(zhǔn)確模擬不同區(qū)域的物理特性和多場耦合行為。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格對模型進(jìn)行離散，確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足數(shù)值計(jì)算的要求。在關(guān)鍵區(qū)域，如地?zé)峋車涂赡馨l(fā)生較大形變與傳熱變化的區(qū)域，進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，以提高模擬的精度。在距離地?zé)峋?0m范圍內(nèi)，將網(wǎng)格尺寸細(xì)化至1m，而在遠(yuǎn)離地?zé)峋膮^(qū)域，網(wǎng)格尺寸適當(dāng)增大至5-10m，既能保證計(jì)算精度，又能控制計(jì)算量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定和相關(guān)文獻(xiàn)資料，合理設(shè)置模型的初始條件和邊界條件。初始條件包括初始溫度、初始應(yīng)力和初始滲流狀態(tài)等。設(shè)定初始溫度為150℃，模擬深部地層的高溫環(huán)境；初始應(yīng)力根據(jù)上覆巖層壓力和構(gòu)造應(yīng)力估算，上覆巖層壓力按每100m深度增加2.5MPa計(jì)算，構(gòu)造應(yīng)力在水平方向上設(shè)置為10MPa；初始滲流狀態(tài)設(shè)定為地?zé)崃黧w處于靜止?fàn)顟B(tài)，孔隙水壓力為10MPa。邊界條件包括溫度邊界條件、應(yīng)力邊界條件和滲流邊界條件。在模型的頂部和底部，設(shè)置為絕熱邊界條件，即熱流密度為0，以模擬地層與外界的絕熱狀態(tài)；在模型的側(cè)面，設(shè)置為恒定溫度邊界條件，溫度為150℃，保持與深部地層溫度一致。在應(yīng)力邊界條件方面，在模型的頂部施加與上覆巖層壓力相等的均布壓力，底部固定，限制垂直方向的位移；側(cè)面施加水平方向的約束，模擬實(shí)際的地質(zhì)應(yīng)力環(huán)境。在滲流邊界條件方面，在模型的一側(cè)設(shè)置為定流量邊界條件，模擬地?zé)崃黧w的注入，注入流量為50m3/d；另一側(cè)設(shè)置為定水頭邊界條件，水頭高度與初始孔隙水壓力相對應(yīng)，以保證流體的正常流動。通過數(shù)值模擬，得到了多場耦合作用下深部砂巖熱儲地層形變與傳熱的時空演化規(guī)律。在溫度場方面，隨著地?zé)崃黧w的注入，靠近注水井區(qū)域的溫度迅速降低，形成明顯的溫度降漏斗。在注水井周圍半徑50m范圍內(nèi)，溫度在100天內(nèi)下降了30-40℃，而隨著距離注水井距離的增加，溫度下降幅度逐漸減小。在100天后，距離注水井200m處的溫度僅下降了5-10℃。隨著時間的推移，溫度降漏斗逐漸向外擴(kuò)展，影響范圍不斷增大。應(yīng)力場的變化與溫度場密切相關(guān)。由于溫度降低導(dǎo)致砂巖熱儲地層收縮，在注水井周圍產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力。在注水井周圍半徑30m范圍內(nèi)，拉應(yīng)力達(dá)到了5-8MPa，超過了砂巖的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致巖石產(chǎn)生微裂紋，這些微裂紋的產(chǎn)生進(jìn)一步改變了巖石的力學(xué)性能和滲流特性。在遠(yuǎn)離注水井的區(qū)域，由于溫度變化較小，應(yīng)力變化也相對較小，主要以壓應(yīng)力為主，壓應(yīng)力大小在1-3MPa之間。滲流場的變化受到溫度場和應(yīng)力場的共同影響。溫度降低使地?zé)崃黧w的黏度增加，導(dǎo)致滲流阻力增大，流速減小。在注水井周圍，由于應(yīng)力變化導(dǎo)致巖石孔隙結(jié)構(gòu)改變，滲透率降低，進(jìn)一步阻礙了流體的流動。在注水井周圍半徑20m范圍內(nèi)，滲透率降低了30%-40%，流速減小了50%-60%。而在遠(yuǎn)離注水井的區(qū)域，滲透率和流速的變化相對較小，分別降低了10%-20%和20%-30%。通過對模擬結(jié)果的分析，清晰地揭示了形變與傳熱的耦合過程和相互影響。溫度變化引起的熱應(yīng)力導(dǎo)致地層形變，而地層形變又改變了孔隙結(jié)構(gòu)和滲透率，進(jìn)而影響滲流場和傳熱過程。滲流場中的流體流動攜帶熱量，進(jìn)一步改變溫度場分布，形成復(fù)雜的多場耦合循環(huán)。在注水井周圍，由于溫度降低產(chǎn)生的熱應(yīng)力使巖石產(chǎn)生微裂紋，孔隙結(jié)構(gòu)改變，滲透率降低，地?zé)崃黧w流速減小，導(dǎo)致熱量傳遞減緩，溫度降漏斗的擴(kuò)展速度也相應(yīng)減?。欢谶h(yuǎn)離注水井的區(qū)域，由于溫度變化較小，應(yīng)力和滲流場的變化相對較小，熱量傳遞相對穩(wěn)定，溫度場的變化也較為平緩。5.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與對比為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)室條件下開展了多場耦合實(shí)驗(yàn)，對深部砂巖熱儲地層在溫度場、滲流場和應(yīng)力場耦合作用下的形變及傳熱特性進(jìn)行了測量。實(shí)驗(yàn)裝置采用自主研發(fā)的高溫高壓多場耦合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠精確控制溫度、壓力和滲流條件，模擬深部砂巖熱儲地層的實(shí)際工況。實(shí)驗(yàn)過程中，選用與數(shù)值模擬相同的深部砂巖樣品，將其加工成尺寸為直徑50mm、高度100mm的圓柱形試件。在試件內(nèi)部沿軸向和徑向布置多個熱電偶，用于測量溫度分布；在試件表面粘貼應(yīng)變片，測量不同方向的應(yīng)變；同時，通過壓力傳感器監(jiān)測孔隙水壓力和圍壓的變化。實(shí)驗(yàn)設(shè)定了與數(shù)值模擬相似的初始條件和邊界條件，包括初始溫度為150℃、初始孔隙水壓力為10MPa、圍壓為20MPa等。實(shí)驗(yàn)過程中，以恒定的流速注入地?zé)崃黧w，模擬實(shí)際的地?zé)衢_采過程。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，數(shù)值模擬得到的溫度場、應(yīng)力場和滲流場分布與實(shí)驗(yàn)測量值總體趨勢一致，但在一些細(xì)節(jié)上存在差異。在溫度場方面，數(shù)值模擬預(yù)測的溫度降漏斗范圍和溫度變化趨勢與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，但在靠近注水井區(qū)域，數(shù)值模擬結(jié)果略高于實(shí)驗(yàn)測量值，最大偏差約為5℃。這可能是由于數(shù)值模擬中對熱傳導(dǎo)系數(shù)的取值存在一定誤差，以及實(shí)驗(yàn)過程中存在一定的熱損失，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測量的溫度略低。在應(yīng)力場方面，數(shù)值模擬得到的應(yīng)力分布與實(shí)驗(yàn)測量的應(yīng)變數(shù)據(jù)反演得到的應(yīng)力結(jié)果基本一致，但在局部區(qū)域，如注水井周圍的高應(yīng)力集中區(qū)，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定偏差，最大偏差約為1MPa。這可能是因?yàn)閿?shù)值模擬中采用的巖石力學(xué)本構(gòu)模型無法完全準(zhǔn)確地描述巖石在復(fù)雜多場耦合作用下的力學(xué)行為，實(shí)際巖石的力學(xué)性能可能受到多種因素的影響，如微裂紋的擴(kuò)展、巖石的各向異性等，而這些因素在模型中未能得到充分考慮。在滲流場方面，數(shù)值模擬預(yù)測的流體流速和流量與實(shí)驗(yàn)測量值較為接近，但在滲透率較低的區(qū)域，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定差異，最大偏差約為15%。這可能是由于數(shù)值模擬中對滲透率的計(jì)算模型存在一定局限性，實(shí)際的砂巖孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滲透率的變化受到多種因素的影響，如孔隙結(jié)構(gòu)的變形、顆粒的遷移等，而數(shù)值模擬難以完全準(zhǔn)確地描述這些復(fù)雜的物理過程。綜合對比分析實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的差異，主要原因包括材料參數(shù)的不確定性、模型假設(shè)的局限性以及實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際地質(zhì)條件的差異等。在后續(xù)的研究中，需要進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)值模擬模型，改進(jìn)材料參數(shù)的確定方法，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性；同時，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究，完善實(shí)驗(yàn)技術(shù)和測量方法，盡可能模擬實(shí)際地質(zhì)條件，為數(shù)值模擬提供更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，從而更深入地理解多場耦合作用下深部砂巖熱儲地層的形變及傳熱特性。六、工程應(yīng)用案例分析6.1某地?zé)衢_發(fā)工程案例介紹以位于華北平原的某深部砂巖熱儲地?zé)衢_發(fā)工程為例，該工程所在區(qū)域?qū)儆诘湫偷某练e盆地構(gòu)造，地質(zhì)條件復(fù)雜且具有代表性。該區(qū)域地層主要由第四系、新近系和古近系組成，深部砂巖熱儲地層主要為古近系砂巖，埋深在2000-3000m之間。古近系砂巖熱儲地層的厚度約為200-300m，巖性主要為中粗粒砂巖，礦物成分以石英、長石為主，石英含量約為60%，長石含量約為30%，其余為云母等礦物。巖石的孔隙率在15%-20%之間，滲透率在50-150mD之間，具有較好的儲熱和滲流性能。在開發(fā)方案方面，該工程采用了“一采一灌”的開采模式，共布置了10對采灌井，井間距為300-500m。采水井和回灌井均采用套管完井方式，套管直徑為273mm，井深達(dá)到熱儲層底部，以確保能夠充分開采和回灌地?zé)崃黧w。地?zé)崃黧w的開采溫度約為80-90℃，開采流量為50-80m3/h，開采的地?zé)崃黧w通過地面換熱系統(tǒng)進(jìn)行熱量交換，用于區(qū)域供暖。換熱后的地?zé)嵛菜ㄟ^回灌井回灌至熱儲地層，回灌壓力控制在10-15MPa之間，以保證回灌的順利進(jìn)行。為了監(jiān)測地?zé)衢_發(fā)過程中深部砂巖熱儲地層的變化，在工程區(qū)域內(nèi)布置了多個監(jiān)測點(diǎn)，包括溫度監(jiān)測點(diǎn)、壓力監(jiān)測點(diǎn)和位移監(jiān)測點(diǎn)。溫度監(jiān)測點(diǎn)采用高精度熱電偶，埋設(shè)在不同深度的砂巖熱儲地層中，實(shí)時監(jiān)測地層溫度的變化；壓力監(jiān)測點(diǎn)采用壓力傳感器，安裝在采灌井的井口和井內(nèi)不同深度，監(jiān)測地?zé)崃黧w的壓力變化；位移監(jiān)測點(diǎn)采用高精度水準(zhǔn)儀和全站儀，定期測量地面和井壁的位移情況，以監(jiān)測地層形變。6.2多場耦合作用下的工程問題分析在該地?zé)衢_發(fā)工程中，深部砂巖熱儲地層在多場耦合作用下出現(xiàn)了一系列與形變和傳熱相關(guān)的問題。隨著地?zé)衢_發(fā)的持續(xù)進(jìn)行，采灌井周圍的深部砂巖熱儲地層發(fā)生了明顯的形變。通過位移監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，采水井周圍的地層出現(xiàn)了沉降現(xiàn)象，最大沉降量達(dá)到了50mm，而回灌井周圍的地層則出現(xiàn)了一定程度的隆起，最大隆起量為30mm。這主要是由于采水井抽取地?zé)崃黧w后，地層壓力降低，巖石骨架承受的有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致地層壓縮沉降；而回灌井注入地?zé)嵛菜沟貙訅毫ι?，巖石骨架有效應(yīng)力減小，引起地層膨脹隆起。在長期的溫度變化和應(yīng)力作用下，采灌井周圍的砂巖熱儲地層產(chǎn)生了微裂紋，這些微裂紋的擴(kuò)展降低了巖石的強(qiáng)度，增加了地層的滲透性，進(jìn)一步加劇了地層的形變。微裂紋的產(chǎn)生使得巖石的有效承載面積減小，在相同的應(yīng)力作用下，巖石更容易發(fā)生變形，同時，微裂紋為地?zé)崃黧w的流動提供了額外的通道，改變了滲流場的分布，進(jìn)而影響了傳熱過程。深部砂巖熱儲地層的傳熱效率也受到了多場耦合作用的顯著影響。在開發(fā)初期，地?zé)崃黧w的開采溫度較高，能夠滿足區(qū)域供暖的需求。但隨著開采時間的增加，采水井周圍的地層溫度逐漸降低，導(dǎo)致地?zé)崃黧w的開采溫度下降，影響了供暖效果。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在開采1年后，采水井周圍100m范圍內(nèi)的地層溫度下降了10-15℃，地?zé)崃黧w的開采溫度也相應(yīng)降低了5-8℃。這主要是由于采水井抽取地?zé)崃黧w后，熱量被不斷帶出地層，而回灌井注入的地?zé)嵛菜疁囟认鄬^低，無法及時補(bǔ)充熱量，導(dǎo)致地層溫度逐漸降低。滲流場的變化也對傳熱效率產(chǎn)生了影響。由于地層形變導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)改變，滲透率降低，地?zé)崃黧w的流動阻力增大，流速減小，使得熱量傳遞速度減慢。在滲透率較低的區(qū)域，地?zé)崃黧w的流速減小了30%-40%，傳熱效率降低了20%-30%，這使得熱量難以有效地傳遞到采水井周圍，進(jìn)一步加劇了地層溫度的下降。6.3應(yīng)對策略與效果評估針對該地?zé)衢_發(fā)工程中出現(xiàn)的多場耦合問題，采取了一系列針對性的應(yīng)對策略，并對其實(shí)施效果進(jìn)行了評估。為了緩解地層形變問題，優(yōu)化了采灌方案。調(diào)整采灌井的運(yùn)行參數(shù)，包括開采流量和回灌流量，使采灌達(dá)到平衡，減少地層壓力的變化。將采水井的開采流量從原來的80m3/h降低至60m3/h，同時將回灌井的回灌流量從50m3/h提高至60m3/h，通過這種調(diào)整，使采灌井周圍的地層壓力變化減小，有效減緩了地層形變的速度。采用了回灌井優(yōu)化技術(shù)，包括優(yōu)化回灌井的結(jié)構(gòu)和回灌方式。對回灌井進(jìn)行了擴(kuò)徑處理，增加了回灌井的有效過水面積，提高了回灌效率；采用了間歇回灌方式，避免了連續(xù)回灌導(dǎo)致的地層壓力過高，減少了地層隆起的風(fēng)險(xiǎn)。通過這些措施，回灌井周圍的地層隆起量得到了有效控制，從原來的最大隆起量3