摘要
随着世界能源需求的不断壮大,传统的化石能源已日益枯竭,地热能作为一种极具潜力的清洁可再生能源,对能源结构的调整起到了举足轻重的作用,而增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)因可以持续供应电能,被认为具有巨大的应用前景而引起了广泛关注。EGS热开采效果的完整性评价将对系统能否长期高效稳定开采热能起到决定性作用,过去对系统采热效果的研究都忽视了井筒部分的热损失,或是将地热储层看作是等效多孔介质,这些都与实际差异较大,会对系统产生过高估计。为了更准确地评价EGS热开采效果,本文对井筒传热与随机裂隙网络储层热流耦合进行研究,采用理论研究、室内试验、数值模拟以及现场应用相结合的方式来研究系统的整体采热能力,并对热开采的影响因素进行分析。论文的主要研究内容如下:1、基于地热井井身结构的特点,建立了开放系统产热井井筒与地层传热的数学模型,引入了无量纲时间t_D的连续表达式进行数值求解,通过与解析解的对比,验证了数值解对于长期的地热能开采,具有较强的可靠性;将环形空间等效为固体求解了环空中的等效热导率,并通过分析影响井筒与地层之间传热的各项因素,得出环形空间是减少井筒热损失的关键部分。2、提出了“热损失功率”的概念,并综合评价热流温度与热损失功率两项重要指标对采热井采热效果的影响,得出注入温度越高,井口采热温度及热损失功率也越高,且随注入温度的线性升高,井口水温和井筒热损失功率也呈线性升高变化,这对于井筒的热能损失影响较大;注入流量增大,井口水温也会随之升高,但热损失功率呈降低趋势,且注入流量的线性变化将导致井口水温与热损失功率偏离线性变化,较温度对二者的影响程度而言,相对较弱。故综合考虑热流温度与热损失功率更能体现出热能的开采效果。3、分别开展了裂隙缝网渗流试验与干热岩裂隙岩体渗流传热特性试验,在裂隙缝网渗流试验中,通过加载不同的围压值及调整不同的模型压力值,在注入流量保持不变的条件下,对采出流量进行记录,可得出裂缝的导流能力良好,进而开展干热岩裂隙岩体的渗流与传热特性试验,通过分析6个测温点随时间的温降,得出近水口端水温降低较快而远水口端水温降低较慢,说明随着渗流的进行,对流传热过程就近影响周围的水流温度,水流不断带走岩体中的高温,采出热量。此外,以实验条件为已知条件,开展了与室内试验对比验证的数值模拟分析,将6个测温点温降的模拟结果与试验结果进行对比,结果趋势一致,但模拟结果稍高于试验结果,问题在于模拟过程边界条件为绝热不透水边界,而试验中不可能完全绝热,会有热量损失,随着试验时间的增长,就会产生误差,但温度随时间的下降趋势,数值解与试验解一致性较高,说明数值模拟方法对于研究裂隙岩体的渗流与传热过程是可行的。4、基于渗流理论及质量、动量、能量三大守恒定律,建立了单裂隙、裂隙网络岩体的渗流与传热数学模型,给出了边界条件,应用COMSOL Multiphysics进行有限元数值模拟,且与解析解进行对比,数值解与解析解的最大相对误差为3.9%,从而验证了该裂隙岩体数值模型的可行性;将其应用于单裂隙储层的对井系统中,进行渗流与传热过程模拟,分析单裂隙储层的基岩渗透率、裂隙渗透率、裂隙开度以及注入流量、生产压力、压裂裂隙条数等参数变化下的采出井平均温度、采出井采出流量、热开采速率及储层热提取率的变化规律,为实际储层开发提供可靠理论依据。5、实际储层中含有各种裂隙结构,这些裂隙系统可通过现场测量获得统计参数,利用统计参数以一定的概论分布特征就可以得出与真实地层在统计意义上具有相同特征的离散裂隙网络岩体系统,相对于等效连续介质模型,离散裂隙网络模型更能真实预测裂隙岩体的渗流与传热过程,目前常用的两种裂隙网络模型中,由于多边形模型在三维空间中的几何形状相当复杂,故采用相对简单的Baecher模型,根据Monte–Carlo,在给定统计参数的条件下应用Matlab编程生成了三维随机裂隙网络岩体系统,其中裂隙面用圆形平面代替,由于Matlab图形文件不能直接导入到COMSOL中进行模拟计算,故将Matlab形成的图形文件用坐标转换的形式生成脚本文件导入到Autocad中进行图形实现,最终将其导入到COMSOL中,完成随机裂隙网格储层模型的建模工作。6、以储层中存在两组正交裂隙网络为例,建立包含注采井裸眼段的随机裂隙网格储层模型,根据裂隙网络储层的TH耦合模型,模拟储层的渗流与传热过程,并对裂隙条数、裂隙平均迹长及注采井井间距变化的条件下,采出井平均温度、采出井采出流量、采出井热开采速率及储层热提取率的变化规律进行研究,分析裂隙统计参数及井筒布局对储层采热效果的影响,实现了三维裂隙网络储层的模型生成及模拟过程,并输出了影响采热效果的重要结果数据,对指导储层建设及评价系统采热能力等方面具有重要现实意义。7、分别建立了注入井井筒与地层瞬态传热模型、随机裂隙网络储层渗流与传热模型以及采出井井筒与地层瞬态传热模型,并以注入井井底处的平均水温及流量作为随机裂隙网络储层注入井裸眼段的平均水温及流量值,对储层进行模拟,模拟得出的采出井裸眼处的平均水温与流量值作为采出井井底处的水温与流量初值,再对采出井井筒进行瞬态传热模拟,最终得出采出井井口处的平均水温与热焓值。这一方法对于EGS整体采热效果的评价具有可实现性,不仅能对注、采井的热量转换进行采热评价,还能对随机裂隙网格储层中的温度、压力及流量变化进行模拟分析,还可考虑井筒与裂隙网格储层的耦合作用,同时,提高了计算效率,实现了EGS采热过程的注入井、随机裂隙网格储层及采出井这一循环水流通道的整体模拟。8、对青海共和盆地EGS储层进行了开采分析评价,模拟中考虑了水的黏度随温度的变化,且考虑顶底面地层的流量与热量损失,不考虑水、基岩的压缩性,在此基础上得出的结论更具有真实性。基于该储层模型分析了注入温度、注入流量、生产压力及裂隙渗透率、裂隙开度的变化对采出井井底与井口温度、采出井井口温度与热焓、采出流量与热开采速率、以及注入井井底压力与流动阻抗的影响,得出注入温度对流动阻抗的影响较大,注入流量对开采前中期的流动阻抗影响较大,生产压力对采出温度、热焓、采出流量及热开采速率、流动阻抗的影响都比较大,生产压力增大会使流体损失增多,降低采出流量,还能阻碍流体向采出井方向流动,流动阻抗增大;裂隙渗透率对采出温度、流量及注入井井底压力都有较大影响,且渗透率越大,影响越明显,当k_f由5.0×10~(-11)m~2增大2倍至1.0×10~(-10)m~2时,可使30年的采出井井底温度降低4.8%,而当k_f由1.0×10~(-10)m~2增大2倍至2.0×10~(-10)m~2时,开采30年后的井底温度却降低了16.2%;同理,同样的渗透率增量,可使采出流量分别升高21.59%与56.89%;热开采速率分别提高13.73%与17.35%;注入井井底压力分别降低2.58%与7.39%;流动阻抗分别降低21.53%与45.12%,说明渗透率的大小对裂隙渗流流量的影响较大,进而影响采热效果。裂隙开度相比于裂隙渗透率而言,对系统采热效果影响较小,主要在于裂隙开度的细微变化对裂隙渗流流量的影响不大。9、采出井井底水温在开采初期由于与基岩发生渗流传热,从基岩中吸热而温度较高,井口温度因随井深的降低逐渐向周围地层损失热量而低于井底温度,随着时间的增长,基岩中被水流带走的热量越来越多,从而导致储层底基岩的温度降低,进而使得采出井井底处的水温也随之降低,降低温度的水流在经采出井采出地面的过程中与周围地层的温差减小,热损失量减小,故井底与井口水温温差随着开采时间的增长而降低,可见,考虑采出井井筒部分的热损失对系统热开采的初、前、中期有重要意义,而开采初、前、中期又是系统热开采速率与热提取率升高最快的时期,即系统效率最大的时期,忽略井筒部分的热损失将导致系统采热效果被高估,为了减少热损失,可采取在采出井抽热管壁上涂保温材料或增加隔热管长度的方式,这样可以有效地减小热损失,提高热能利用效率。