摘要
能源始终是人类赖以生存的动力源泉和社会发展的关键因素,随着科技发展和工艺提升,以煤炭和石油为主导的传统能源结构开始向非化石能源转型,其中可再生能源的利用率逐年上升,将在改善生态环境、缓解能源危机、促进能源安全使用等方面发挥重要作用。作为分布广、储量大和环境友好的地热能,近年来在勘查-开发-利用-评价-保护等方面取得了长足发展,并且相比于其他可再生能源,地热能在稳定性、因地制宜性、梯级利用方面具有较大的优势。浅层地温能容易开发利用,但热品质较低;深部地热资源热品质较高,但开发困难且成本高;同时水热型地热资源面临回灌难及水质污染等问题;而中深层岩土体热量兼顾高、低品质热资源优势,通过同轴换热器以“取热不取水”的模式开采,可以有效实现资源-环境可持续化发展。基于上述需求,本文围绕寒区冬季清洁供暖问题,以中深层同轴换热器热开采、射孔和局部刺激热储强化为研究内容,主要从理论分析、现场监测、室内试验和数值模拟相结合等方法深入展开。首先,从“源、储、盖、通”四个层面对中深层同轴换热开展可行性分析,表明研究区中深层地热资源禀赋优良。采用分布式光纤温度传感器、热电阻和超声波流量计,对同轴换热器全深度实时监测,开展地温特征和流体温度时空演化研究。同时考虑非供暖期和间歇运行模式,分析岩土体温度动态响应过程。结果表明,研究区平均地温梯度为0.0507℃/m,大地热流值可以估算为126.75m W/m~2,首个非供暖期热恢复率可达96.96%。同轴换热器初始阶段运行的系统性能系数可达8.04,间歇期的性能系数可达6.14。环空流体温度在运行期间呈非线性演化,而在停歇期呈与地温特征类似的线性增加。其次,根据同轴换热器现场监测数据,建立同轴换热有限元数值模型,基于传热理论和热阻分析,开展采热强度、换热器组成属性、热储特征和循环流速对流体温度演化和岩土体温度动态响应机理研究。结果表明,管内流体处于湍流状态,较大的热负荷不利于系统长期运行和热恢复。增加外管及降低内管的热导率可以提高系统热性能,降低内管及增加外管的半径可以提高热产出。增大内管半径可以降低压力降和雷诺数,进而减少泵功耗。高导热水泥可以降低热阻,提高热产出。在热开采过程中,岩土体与流体之间的传热在钻孔附近被强化。高热导率、致密、较深的地层对于提高系统热性能更加有利。间歇运行模式中运行时间越长,停歇时间越短,对系统热性能及岩土体热恢复越不利。浅层岩土体与流体的热传导是反向的,深部岩土体中热影响范围随深度增加而扩大,运行20a后井底周围受影响区域可达近50m。然后,采用射孔技术对封闭式同轴换热器进行热储强化,开展流体在岩石通道内部的流动和传热试验研究,并对多通道岩样开展弹性波速和单轴抗压强度试验,分析通道效应对传热过程和力学损伤的影响机理。结果表明,流体在1~5孔时主要表现为非线性流动,在7~13孔时主要以达西流动为主,通道的孔径和数量增加可以使压力降减小,提高平均对流换热系数,雷诺数和岩石温度的增加可以强化传热。岩样纵波波速介于2.1~2.8km/s之间,横波波速介于1.2~1.5km/s之间,多通道岩样动弹性模量介于6.8~10.5GPa之间,动泊松比介于0.26~0.31之间,且平均波速、弹性模量和泊松比均随着通道数量的增加而降低。岩样的应力-应变曲线呈现压密、线弹性、塑性屈服和应变软化四个阶段,遵循稳定型破坏展布规律。通道数量的增加会显著降低单轴抗压强度。岩样主要以张拉裂纹为主,呈现典型的柱状劈裂破坏。最后,在射孔形成通道的基础上采用局部刺激法进一步热储强化,针对热储等效为多孔介质,开展对流传热试验研究。结果表明,流体在多孔介质中以非线性流动,渗流阻力主要由惯性力提供,压力降随着雷诺数、温度和围压的升高分别增加、降低和增加。升高雷诺数、颗粒温度和围压可以强化传热性能。针对热储为离散裂隙介质,根据JRC节理粗糙度系数和3D打印技术制备粗糙裂隙岩样,考虑支撑剂对渗流和传热的影响,开展渗流传热试验和模型研究,分析粗糙特征对渗流和传热的影响机制。结果表明,增加围压将显著降低流体流速和水力开度,渗流试验中的开度处于毫米级别,支撑剂可以使等效水力开度提升1倍。增加轴向粗糙度将阻碍流体流动,径向粗糙度形成的凸起更容易发生渗流优势路径。升高温度使裂隙导流能力降低,支撑剂使粗糙裂隙面受力不均并容易产生破损。高流速使岩石温度迅速降低,温度和流速的增加可以提高采热率。粗糙度及其方向性对换热性能有较大影响,轴向粗糙度的凸起使流体发生湍流作用而强化传热。径向粗糙度形成的渗流优势路径会降低换热性能。裂隙壁面温度沿着轴向距离逐渐升高,壁面上的冷锋形状为锯齿状。粗糙度形成的表面特征会影响流速分布,对局部换热性能产生影响。本文研究成果可为推广利用中深层同轴换热及热储强化取热提供理论指导和技术支撑。