增强型地热系统（EGS）中热能开发力学耦合水热过程分析

【摘要】：以化石燃料为基础构建的能源结构对人类赖以生存的环境产生了越来越大的影响。干热岩（Hot Dry Rock，HDR）作为传统水热型地热的延伸，由于其环境友好性、清洁、可再生和空间分布的广泛性，被认为是21世纪最有潜力的新型能源。 世界目前开采和利用地热资源主要是水热型地热。干热岩是一种没有水或蒸汽的深部高温岩体，主要是各种变质岩或结晶岩类岩体。保守估计地壳中干热岩（3~10千米深处，其温度范围在150~650oC之间）所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。中国地质调查局的最新评价数据显示：中国大陆3~10千米深处干热岩资源总量相当于860万亿吨标煤；若能开采出2％，就相当于中国2010年全国一次性能耗总量（32.5亿吨标煤）的5300倍。 增强型地热系统（Enhanced Geothermal System，EGS），是采用人工形成地热储层的方法，从低渗透性岩体中经济地采出深层热能的人工地热系统，即从干热岩中开发地热的工程。干热岩的开发主要是采用人工形成地热储层，冷水通过注入井注入，进入人工产生的、张开的联通裂隙带，并与高温的岩体接触被加热，然后通过生产井返回地面，形成一个闭式回路，从而实现持续不断提取深部储层中热能的目的。 增强型地热系统中热能开发包含水力压裂和地热开采两个重要阶段。水力压裂阶段，低温高压流体通过注入井打入目标储层，导致天然存在的裂隙应力状态发生变化，从而引发岩石破裂而增大渗透率；地热开采阶段，冷水通过注入井进入人工压裂后的储层，与高温基质发生热交换，然后通过生产井流出到地面进行发电。在这两个阶段中，压力、温度和应力以及它们之间的耦合作用是控制水力压裂效果和热量产出特征的重要因素，也是EGS工程实施的关键科学问题。 本文进行了理论方法和场地应用两个方面的研究工作。在理论方法方面，首先基于考虑温度和压力影响的Biot力学扩展方程，联合TOUGH2中的水热模型，建立了通用的力学耦合水热模型。然后在TOUGH框架内，采用有限元离散方法，建立了耦合数值模型，并开发了热-水动力-力学耦合模拟器TOUGH2Biot。通过两个一维问题和一个实际场地问题验证了所开发的模拟器的可靠性。在场地应用方面，基于随机裂隙网络的等效渗透张量方法和TOUGH2Biot数值分析了美国Desert Peak EGS水力压裂过程，评价了渗透率演化的时空分布特征；基于井筒和储层耦合模拟器T2well数值分析了中国松辽盆地场地级EGS优化开采方案下的开发潜能，并进行了不确定分析。本次研究成果一方面可为以后EGS和地下流动系统中相关热-水动力-力学耦合研究提供必要的评价工具，另一方面可为将来中国EGS开发提供科学的依据和技术支撑。 【关键词】：干热岩 增强型地热系统 水力压裂 优化开采 热-水动力-力学耦合过程 数值模拟
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P314
【目录】：

• 内容提要5-10
• ABSTRACT10-19
• 图目录19-23
• 表目录23-24
• 第1章 绪论24-42
• 1.1 研究背景和选题依据24-26
• 1.1.1 研究背景24-25
• 1.1.2 选题依据25-26
• 1.2 干热岩资源潜力和增强型地热系统示范工程26-30
• 1.2.1 干热岩地热能潜力26-27
• 1.2.2 EGS 示范工程27-30
• 1.3 国内外研究现状、发展趋势及存在问题30-39
• 1.3.1 增强型地热系统储层改造和效果评价数值模拟30-33
• 1.3.2 增强型地热系统地热能开采数值模拟33-34
• 1.3.3 增强型地热系统数值模拟软件34-39
• 1.3.4 存在问题和发展趋势39
• 1.4 研究内容和技术方法及路线39-40
• 1.4.1 研究内容39
• 1.4.2 技术方法和路线39-40
• 1.5 论文创新点40-42
• 第2章 增强型地热系统力学耦合水热模型42-58
• 2.1 力学和水热耦合数学模型42-51
• 2.1.1 水热过程数学模型42
• 2.1.2 力学过程数学模型42-45
• 2.1.3 井筒中水热耦合模型和井筒-储层水热耦合方法45-48
• 2.1.4 TOUGH2 模拟器中相关过程刻画的改进48-50
• 2.1.5 力学和水热耦合方法50-51
• 2.2 力学和水热耦合过程的数值模型51-54
• 2.2.1 时空离散51-54
• 2.2.2 离散方程的建立54
• 2.3 方程组求解方法54-56
• 2.3.1 非线性方程组求解54-55
• 2.3.2 线性方程组求解55-56
• 2.4 本章小结56-58
• 第3章 增强型地热系统力学耦合水热模型模拟程序开发58-74
• 3.1 单机版计算程序开发58-61
• 3.1.1 水热耦合模型求解模块58-60
• 3.1.2 力学模型求解模块60
• 3.1.3 井筒-储层水热耦合流程60-61
• 3.2 计算程序并行策略61-68
• 3.2.1 网格区域优化分割63-64
• 3.2.2 数据读入和分配64
• 3.2.3 系数矩阵的并行组装64-65
• 3.2.4 线性方程组的并行求解65-68
• 3.3 程序验证68-73
• 3.3.1 一维固结沉降模型解析解和数值解对比68-69
• 3.3.2 一维热传导引起的沉降模型解析解和数值解对比69-70
• 3.3.3 与实际场地数据和 TOUGH2-FLAC3D对比70-73
• 3.4 本章小结73-74
• 第4章 美国 DESERT PEAK EGS 水力压裂过程数值模拟74-98
• 4.1 DESERT PEAK EGS 水力压裂概况74-76
• 4.2 水力压裂模型建立76-83
• 4.2.1 概念模型76-77
• 4.2.2 数学模型77-78
• 4.2.3 模拟器选择和模型参数78-83
• 4.2.4 网格剖分83
• 4.3 模型校正83-88
• 4.4 结果分析88-95
• 4.4.1 温度时空变化特征88-90
• 4.4.2 压力时空变化特征90-91
• 4.4.3 渗透率变化时空演化特征91-95
• 4.5 讨论95-97
• 4.5.1 温度对水力压裂的影响95
• 4.5.2 不同模式水力压裂比较95-97
• 4.6 本章小结97-98
• 第5章 中国松辽盆地场地级 EGS 地热能开采优化设计98-124
• 5.1 松辽盆地 EGS 场地概况和靶区选择99-102
• 5.1.1 区域地质概况99-101
• 5.1.2 EGS 靶区选择101-102
• 5.2 优化开采模型建立102-106
• 5.2.1 概念模型102-103
• 5.2.2 水热数学模型和优化目标103-104
• 5.2.3 模拟器选择和模型参数104-105
• 5.2.4 网格剖分105-106
• 5.3 优化结果106-115
• 5.3.1 优化后的参数106-108
• 5.3.2 优化后的生产特征108-109
• 5.3.3 优化后的温度和压力时空变化特征109-115
• 5.4 模型不确定分析115-120
• 5.4.1 布井方式的影响115-116
• 5.4.2 渗透率的影响116-117
• 5.4.3 裂隙间隔的影响117-118
• 5.4.4 井筒直径的影响118-119
• 5.4.5 埋深的影响119-120
• 5.5 优化开采过程中的力学变化特征120-122
• 5.6 本章小结122-124
• 第6章 结论和建议124-128
• 6.1 结论124-126
• 6.2 建议126-128
• 参考文献128-142
• 附录A TOUGH2BIOT 中力学模型有限元离散142-150
• 附录B 随机裂隙网络的渗透张量150-156
• 附录C TOUGH2BIOT 模拟器输入输出文件和运行说明156-168
• 主要符号说明168-170
• 作者简介、攻读博士学位期间科研成果及所获奖项170-174
• 致谢174

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