考慮流體損失的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)數(shù)值模擬研究.pdf

1、當(dāng)代社會(huì)對(duì)能源的需求越來(lái)越大，然而，目前作為主要能源的化石燃料一方面面臨著日益枯竭的問題，另一方面也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問題。因此，有必要大力開發(fā)清潔的可再生能源。地?zé)崮苁且环N儲(chǔ)量豐富、清潔的可再生能源，而增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(enhanced geothermal system，EGS)可以持續(xù)提供機(jī)載電能，被認(rèn)為具有巨大的應(yīng)用前景而廣受關(guān)注。為此，一些國(guó)家正積極嘗試相關(guān)的開發(fā)工作，各國(guó)研究者也對(duì)EGS做了很多研究。目前，用于EGS熱開采的工質(zhì)

2、主要是水和CO2，由于地層滲漏等原因，EGS系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，都不可避免地存在著流體損失。然而，在以水為工質(zhì)的EGS(H2O-EGS)系統(tǒng)中，研究者很少考慮水損失的影響;在以CO2為工質(zhì)的EGS(CO2-EGS)系統(tǒng)中，也僅有少數(shù)研究者對(duì)CO2損失（即CO2封存）進(jìn)行了大致的估算，而沒有進(jìn)行系統(tǒng)的模擬和分析;此外，目前對(duì)H2O-EGS和CO2-EGS系統(tǒng)的熱開采的影響因素的分析還不夠完整，并且沒有研究者對(duì)CO2-EGS系統(tǒng)中的CO2封存

3、的影響因素進(jìn)行分析。因此，本文圍繞EGS熱開采過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬工作，主要對(duì)H2O-EGS和CO2-EGS系統(tǒng)的影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究。
　　地層熱物性是研究EGS系統(tǒng)的重要參數(shù)，針對(duì)地層熱物性測(cè)量困難的問題，本文首先提出了一種分析EGS地層熱物性分布的新方法。該方法采用向同心雙井筒地?zé)峋馔仓凶⑷肜渌?、從?nèi)筒中抽出水并測(cè)量外筒中水溫變化的方式，基于外筒中的水溫與地層熱導(dǎo)率、體積比熱容等參數(shù)的關(guān)系，利用蒙特卡洛方法分析EG

4、S地層的熱導(dǎo)率和體積比熱容隨井深的分布。采用該方法對(duì)一口虛擬地?zé)峋M(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果顯示地層熱導(dǎo)率的平均相對(duì)誤差為1％，地層體積比熱容的平均相對(duì)誤差為5％，從而驗(yàn)證了該方法的可行性。該方法能夠分析原始地層條件下的EGS地層熱物性，方便、高效、經(jīng)濟(jì)。
　　為了準(zhǔn)確地分析存在流體損失的EGS熱開采過(guò)程，建立了針對(duì)雙井EGS的三維傳熱-流動(dòng)(thermal-hydrologic，TH)耦合的單孔隙率數(shù)值模型，并進(jìn)行了驗(yàn)證。該模型包括井

5、筒傳熱傳質(zhì)模型和多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)模型兩部分，和考慮流體損失的傳統(tǒng)EGS模型相比，該模型還考慮了井筒與地層的傳熱、由儲(chǔ)層向地層的三維流體損失、儲(chǔ)層滲透率各向異性、熱開采速率。將該三維TH數(shù)值模型應(yīng)用到Fenton Hill EGS，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，模擬得到的注入和產(chǎn)出流量的平均相對(duì)誤差分別為5％和9％，從而驗(yàn)證了該三維TH數(shù)值模型的可行性。基于井筒傳熱傳質(zhì)模型和一個(gè)二維井筒數(shù)值模型，分析了井筒與地層的傳熱的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn):地層的有

6、效傳熱半徑大概為40 m，由于一般EGS中井與井之間的間距大于80 m，因此，在熱開采分析過(guò)程中，可以忽略井與井之間的影響;但是，井筒與地層的傳熱對(duì)結(jié)果有一定的影響，因此，考慮井筒中的傳熱是很有必要的。
　　基于建立的三維TH數(shù)值模型，對(duì)H2O-EGS熱開采的11個(gè)影響因素進(jìn)行了全面的研究和分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著地層滲透率的增大，水損失流量增大，產(chǎn)出流量減小，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)熱開采速率減小而熱突破時(shí)間基本不變，因此，忽略由儲(chǔ)層向地層的水損失

7、將會(huì)過(guò)高估計(jì)整個(gè)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的熱開采速率;水損失比例隨著儲(chǔ)層平均滲透率與地層滲透率的比值的增大而減小，當(dāng)該比值大概小于2000時(shí)，有必要考慮水損失;現(xiàn)有大多數(shù)文獻(xiàn)所采用的均勻儲(chǔ)層滲透率假定，將會(huì)過(guò)高估計(jì)熱開采;豎直方向的儲(chǔ)層滲透率分量對(duì)熱開采的影響很小，而水平方向的兩個(gè)儲(chǔ)層滲透率分量對(duì)熱開采的影響較大，并且這兩個(gè)水平方向的儲(chǔ)層滲透率分量的比值大概等于1∶1時(shí)的熱開采性能最高;多孔介質(zhì)的初始溫度對(duì)熱開采有重要影響，因此有必要考慮隨著儲(chǔ)層冷卻

8、引起的水的熱物性的變化;注入井或產(chǎn)出井趨近于儲(chǔ)層邊緣時(shí)，產(chǎn)出流量會(huì)減小從而抑制熱開采，并且熱突破時(shí)間不隨注入井與儲(chǔ)層中心的距離而變化，因此建議兩井應(yīng)該布置在距離儲(chǔ)層邊緣20-25 m的位置;固定兩井位置，增大儲(chǔ)層體積對(duì)熱開采的影響很小，因此為了提高EGS性能，增大儲(chǔ)層體積應(yīng)該配合優(yōu)化布井方案同時(shí)進(jìn)行;最佳的開孔長(zhǎng)度等于儲(chǔ)層豎直方向尺寸;隨著產(chǎn)出壓力的增大，水損失流量緩慢增大，而產(chǎn)出流量減小，從而抑制熱開采;結(jié)果顯示熱突破時(shí)間主要與產(chǎn)出流

9、量和水損失流量有關(guān)，因此水損失對(duì)熱開采有重要影響。
　　在上述模型的基礎(chǔ)上，考慮隨時(shí)間變化的流體壓力和速度分布，將穩(wěn)態(tài)流動(dòng)發(fā)展到瞬態(tài)流動(dòng)，并基于該發(fā)展的三維TH數(shù)值模型對(duì)CO2-EGS系統(tǒng)中的熱開采和CO2封存進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，同時(shí)對(duì)CO2-EGS和H2O-EGS系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比研究。固定注入與產(chǎn)出壓力之差不變，研究了不同注入壓力條件下的兩種EGS系統(tǒng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CO2-EGS系統(tǒng)和較低注入壓力條件下的H2O-EGS系統(tǒng)的儲(chǔ)層平均滲透率

10、相差較小，即儲(chǔ)層流體平均壓力相差較小，此外，CO2-EGS系統(tǒng)需要較高的注入壓力而H2O-EGS系統(tǒng)不需要，因此，CO2-EGS系統(tǒng)和較低注入壓力條件下的H2O-EGS系統(tǒng)兩者具有較好的可比性。對(duì)比發(fā)現(xiàn)CO2-EGS比H2O-EGS具有較高的熱開采性能，并且CO2-EGS的熱開采的優(yōu)勢(shì)在較低的儲(chǔ)層平均滲透率、較低的儲(chǔ)層初始溫度、較小的井筒深度和較高的地層滲透率的情況下更大。與H2O-EGS相比，CO2-EGS具有較高的流體損失流量（尤其

11、是在較高的儲(chǔ)層平均滲透率、較高的儲(chǔ)層初始溫度和較小的井筒深度的情況下），并且具有較低的流體損失比例（尤其是在較低的儲(chǔ)層平均滲透率和較低的儲(chǔ)層初始溫度的情況下），這顯示目前所通常采用的基于H2O-EGS的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算CO2封存是不準(zhǔn)確的。對(duì)于 CO2-EGS，隨著地層滲透率的增大，流體損失流量和流體損失比例都增大，而熱開采速率緩慢減小，這顯示地層滲透率對(duì)CO2封存和熱開采都具有重要的影響，因此有必要考慮由儲(chǔ)層向地層的CO2損失。

12、r>　　上述研究結(jié)果顯示，CO2-EGS系統(tǒng)可以在熱開采的同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO2封存，因此，本文最后基于發(fā)展的三維TH數(shù)值模型，針對(duì)CO2-EGS，分別分析了注入?yún)?shù)對(duì)熱開采和CO2封存的影響。隨著注入壓力的增大，產(chǎn)出流量和穩(wěn)態(tài)熱開采速率增大，并且流體損失流量和流體損失比例也增大;因此，增大注入壓力將促進(jìn)CO2-EGS的熱開采并增大CO2封存量。隨著產(chǎn)出壓力的增大，產(chǎn)出流量和穩(wěn)態(tài)熱開采速率減小，而流體損失流量和流體損失比例增大;因此，增大產(chǎn)出壓