增强型地热系统地下渗流场的模拟分析

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1、第3O卷第6期计算物理Vo1．30．No．62013年11月CHINESEJOURNALOFCOMPUTATIONALPHYSICSN0v．．2013文章编号：1001-246X(2013)06-0871-08增强型地热系统地下渗流场的模拟分析陈继良，蒋方明，罗良(中国科学院可再生能源重点实验室，中国科学院广州能源研究所先进能源系统实验室，广州510640)摘要：采用自行开发的数值模型，模拟分析循环流体在双井增强型地热系统(EGS)地下热储中的渗流过程，系统分析不同水力渗透条件热储中流场形态的变化规律．结果表明，重力作用和流体动静压转换造成的“基础压差”与循环流体在地下裂隙岩体中的沿

2、程阻力之间的相对大小是决定热储中流场分布形态的重要因素，而循环流量大小对热储内渗流场形态影响非常有限．基于此，我们提出水平井和多井环绕布局两种抑制流体短路的方案，为EGS的建设提供理论指导．关键词：增强型地热系统；干热岩；地下渗流；数值模拟；多孔介质中图分类号：P314TK529文献标识码：A0引言、近年来，随着全球化石燃料总量的加速减少及其开发利用所带来的环境污染日益加剧，发展可再生绿色能源的呼声日益高涨．地下3km～10km的低渗透性干热岩(hotdryrock，HDR)中储存着大量的热能．为经济地开发这部分能源，美国拉斯阿莫斯国家实验室(LosAlamosNationalLab

3、oratory)于1970年提出了增强系地热系统(enhancedgeothermalsystem，EGS)的概念．EGS通过人工手段如水力激发等方式在干热岩中建立高渗透性的人工热储，然后注入低温流体介质，置换HDR中的热能，热流体开采出来后用于地面发电⋯．增强型地热系统资源储量丰富，供能稳定连续且污染物排放量小，具有很大的研发价值和广阔的应用前景。川．在EGS的运行过程中，循环流体在地下裂隙岩体中的渗流行为对系统的采热有关键影响．流体渗流过程与流体物理性质、热储的有效渗透率和裂隙网络的分布紧密相关．通过不同手段建立的人工热储内流体流通空间和整体有效渗透率往往很不相同．目前常用的增强

4、地下岩石渗透性方法可总结为水力激发(hydraulicstimulation)、热力致裂(thermallyinducedfracturing)和基岩酸化(matrixacidizing)三大类。．水力激发通过注入高压流体来拓展岩石中的天然裂隙或创造新的裂隙，使用该技术建立的热储渗透率空间分布相对均匀，目前在石油工业和干热岩热利用技术中应用广泛；热力致裂的利用地下岩石被注入冷流体冷却所产生的热应变来扩展或制造裂隙，使用该技术建立的热储内注入井附近的岩体孔隙率和渗透率明显较高，常用于对温度较高的火山岩或变质岩等致裂；基岩酸化通过注入的酸性流体和基质岩石之间的化学反应来增强渗透率，操作成

5、本低而致裂效率高，但裂隙形成难以有效控制、技术要求较高．流体在地下热储中的流动过程控制因素多而复杂，流体被灌人地下后，可能会出现这样一种流动分布状态：大部分流体仅通过一条或几条主要流动通道直接从注入井迁移至生产井，热储中有相当一部分岩石很难接触到采热流体．热储内的这种流动现象通常称为优势流动(preferentialflow)，当优势流动现象较为严重时，就演化为流体短路(flowshort．circuit)¨。．采热过程中，位于流体主要流通路径附近的岩石热量被迅速采集，温度降低很快，运行一段时间后，由于传热温差降低，大量流体将在未被充分加热的情况下流人生产井，造成采出流体温度下降，而

6、此时流体流动较慢区域处的岩石可能还保持在较高的温度．这就造成在热储内还留存有大量可开采热能的情况下，采出流体温度就已低于生产要求．因此，流体短路不利于EGS热量的充收稿日期：2013—03—07：修回日期：2013—06—0l基金项目：863计划项目(2012AA052802)、中科院“百人计划”及国基青年基金(51206174)资助项目作者简介：陈继良(1989一)，男，研究生，从事增强型地热系统地下热流研究，E-mail：chenjl@ms．giec．ac．cn通讯作者：蒋方明，研究员，博士生导师，E—mail：jiangfm@ms．giec．1ie．el872计算物理第30卷分

7、开采．运行寿命是衡量EGS电站经济性的一个重要指标，工程上将其定义为系统采出流体温度高于某一标准的持续运行时长．实地运行试验也表明，流体在人工热储中出现的流通短路会严重降低EGS采热效率和运行寿命．探索流体短路的形成机制进而抑制或避免这种现象对提高EGS的经济性具有重要意义．虽然裂隙的几何形态和空间分布强烈影响流体在热储中的流动，但热储内裂隙网络非常复杂，精确构建与实际情形相同的物理模型非常困难．使用数值模拟方法对EGS进行研究，依据对热储内裂隙的物理描述