摘要
随着社会高速发展对能源的要求不断提高,常规化石能源的也会造成碳排放量加剧,同时常规化石能源的紧缺带来了能源结构的转变,能源利用的清洁化、可持续化是未来能源发展的必由之路。地热能作为高效、清洁的能源决定了其在未来能源结构的重要比重,其中干热岩资源作为可用于社会生产的重要能源,温度高、储量大,决定了其必然会成为未来重要能源之一。在地热能利用方面我国紧跟时代步伐,干热岩资源的高效利用方法也在不断探索中,大力发展干热岩资源是实现我国“碳中和”目标的重要途径。作为开发中深层高温干热岩资源用于发电的有效手段,增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)受到了越来越多的关注。面对巨大的干热岩资源储量和环保方面的优势,EGS开采技术也需要随之加强。但现阶段EGS处于起步阶段,鲜有适用于商业推广的理想EGS实际工程。除热储改造技术方面限制外,EGS产热量和运行寿命预测不准确是制约EGS实际工程难以快速普及的重要原因。而对影响EGS热开采的影响因素不明确不准确、热储内流场流动规律不明确是导致EGS产能和运行寿命预测不准确的根本原因。本文为解决EGS产能和寿命的预测问题,以Dupuit公式和吸放热公式为基础建立EGS产能和寿命控制方程,分析EGS热储内的渗流场和换热规律,建立EGS产能和寿命预测公式,并对其进行应用研究和优化,主要研究内容如下:(1)根据EGS热储的特点将热储简化为均质多孔介质模型,分析EGS换热过程,以渗透率为媒介提出将EGS复杂的多场耦合过程简化为流—热(TH)耦合过程,推导EGS产能和寿命控制方程,提出进行EGS产能和寿命计算的重要参数;基于复势函数与压力叠加原理推导分别获得平面多种布井方式的势函数与流函数,计算不同布井方式的压力势和流场的分布规律,提出“以流场分布规律划分单注入井控制面积的流场劈分方法,将多井EGS简化为多个双井EGS分别计算产能和寿命”的思路。(2)基于EGS产能和寿命控制方程和EGS流—热耦合数学模型分析控制方程中重要参数影响因素,设计并搭建了微型渗流换热模型实验系统,开展微型渗流换热实验研究,获得水温和岩体的温度响应规律,验证流—热耦合数值模拟的准确性,并开展实际工况下的双井EGS渗流换热数值模拟实验,分析各影响因素对重要参数的影响,修正重要参数影响因素,获得双井EGS产能和寿命预测公式。(3)研究不同布井方式的压力势和流场的分布规律,计算两注入井连线间最小压力坐标,提出平面多井EGS流场劈分方法:沿相邻注入井与生产井连线所组成夹角的角平分线劈分获得单注入井控制面积;改进水电比拟仪,开展多井水电比拟实验,分析流场中压力势分布规律,定性验证了 EGS流场劈分方法;基于Darcy定律开展平面多井流场有限元数值模拟,分析流场中压力势和流速分布规律,定量验证了 EGS流场劈分方法。(4)基于复势函数和压力势叠加原理分析多井平面流场在压力势叠加后的流量折减机理,研发流速折减实验系统,开展了多井压力叠加实验,验证平面流量折减机理的正确性;开展了多井整体EGS有限元数值模拟和劈分后双井EGS有限元数值模型组的数值模拟,分析井的数量和流量折减对EGS产能和寿命的影响规律,以双井EGS产能和寿命预测公式为基础,修正EGS产能和寿命控制方程中的关键参数,提出了多井EGS产能和寿命预测公式。(5)将EGS产能和寿命预测公式与已有文献案例比较,验证了双井与多井EGS产能和寿命控制方程的正确性;依托云南腾冲县热海地热田,基于EGS产能和寿命预测公式,开展不同布井方式的EGS产能和寿命预测,分析不同布井方式的EGS产能和寿命,提出了 EGS产能和寿命预测公式的应用于优化方法。