摘要
地热能是赋存于地球内部的一种储量极其丰富的可再生清洁能源。地热能,尤其是深层干热岩地热能的开发和利用,有可能成为解决未来能源危机的重要途径。通常情况下,干热岩的渗透性极差,需要采用工程技术手段进行热储改造后才能进行热能提取。传统以水力化为主的增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,简称EGS)虽然已经历了近50年的发展,但仍未实现干热岩地热能的商业化开采,因此探寻新的干热岩地热能开采方法势在必行。采矿技术经历了近百年的发展,形成了适宜于深部施工的技术体系和装备设施,可以在不同地质条件下实现矿产资源的安全开采。基于此,唐春安教授等提出了基于开挖的增强型地热系统(Enhanced Geothermal System based on Excavation,简称EGS-E),为深层地热能的商业化开采提供了新的解决方案。本文在其概念能模型的基础上,完善了工程结构和工艺流程,凝练了该方法所面临的科学问题和工程难题,并围绕其中的高温岩体损伤和传热等问题,开展了高温岩体物理力学性能、高温巷道围岩损伤机理及裂隙发育特征、高温巷道风流温度演化规律及隔热措施、热储岩体裂隙开度演化机制和热能提取效率等方面的研究,主要工作和研究成果如下:(1)在基于开挖的增强型地热系统的概念模型基础上,完善了工程结构和工艺流程,阐述了该方法在热储改造和热能提取等方面优势,凝练了深部高温高压环境可能面临的关键科学问题以及亟需解决的工程技术难题,为后续相关研究工作的开展奠定了基础。(2)针对基于开挖的增强型地热系统的工程选址和工质选择问题,采用实验方法,对比研究了不同矿物颗粒分布特征的花岗岩在不同冷却方式处理后的物理力学性质变化特征和裂隙演化规律,探讨了矿物颗粒分布特征与冷却方式对高温花岗岩物理力学行为的影响。结果表明:矿物颗粒分布的不均衡性(CoefficientofVariationofmineral grain distribution,简称CV)对高温花岗岩试样的物理力学性能存在显著影响:CV值越高,花岗岩对高温处理的敏感性越强,出现裂隙的时间越早,裂隙的密度越高,高温处理后物理力学性能的变化越显著。随着实验温度的升高,花岗岩试样在加热过程中会产生不可逆的损伤,造成其物理力学性质的改变,而冷却处理进一步增强了这些损伤和改变。冷却方式对高温花岗岩的影响在温度较低时并不明显,随着温度的升高逐渐增强。液氮具有比水更好的冷冲击效果和更强的造缝能力,该结果验证了采用超低温无水液体作为工质进行地热储层改造的合理性。对于温度低于200℃的热储,花岗岩CV值和改造工质对热储改造效果的影响较小;当热储温度达到400℃后,选择CV值高的岩体热储或选择液氮作为改造工质,可以获得更好的热储改造效果。(3)针对基于开挖的增强型地热系统的高温巷道开挖问题,采用RFPA-Therma12D和COMSOL Multiphysics软件,分别构建了热-固耦合和热-流耦合模型,研究了高温巷道围岩和风流温度场演化规律、高温围岩损伤机理及裂隙演化特征,探讨了隔热层降温机理及其敏感因素的作用机制。结果表明:受风流冷锋的影响,巷道围岩的不均匀降温会诱发温度应力,当其超过岩体的抗拉强度时,会导致岩体发生损伤,形成破坏单元;随着通风时间的增加,破坏单元不断增加,并逐渐聚集、连通,最终在巷道岩体内形成环向的等间距裂隙,降低围岩的稳定性。隔热层可以削弱低温风流的温度效应,推迟岩体损伤和裂隙萌生的时间,减少裂隙的数量与长度,同时降低巷道风流温度,延长有效通风距离。隔热层的隔热效果与隔热层参数、风流参数和围岩温度等因素密切相关;合理优化隔热层和风流参数可以保障开挖法EGS-E高温巷道的安全施工。增加隔热层厚度和降低隔热层导热系数可以有效提升隔热层的隔热效果,减少巷道岩体的损伤,同时降低巷道风流温度,延长有效通风距离;降低初始风流温度和提高对流换热系数虽然也能显著降低巷道风流温度和延长有效通风距离,但对巷道岩体温度和应力分布以及岩体破坏的影响较小。有效通风距离的拟合公式可以帮助地热工程师方便准确地进行不同围岩温度和不同工况条件下的高温巷道隔热设计,该结果为合理优化隔热层和风流参数,预防高温岩体损伤,保障高温巷道的安全施工提供了有益帮助。(4)针对基于开挖的增强型地热系统的热储改造问题,采用COMSOL Multiphysics软件,构建了固-热耦合和流-固-热耦合模型,研究了热储岩体裂隙开度的演化规律,以及岩体冷却收缩与裂隙流体压力对裂隙开度的竞争作用机制,并探讨了不同热储改造方式对热能提取效率的影响。结果表明:热储裂隙开度演化受到基岩冷却收缩和裂隙流体压力的竞争影响作用。裂隙流体压力在注入前期主导裂隙开度演化,随着注入时间的增加,基岩冷却收缩不断增强,并在注入后期逐渐成为裂隙开度演化的主控因素;改变工程参数会影响这种竞争关系。增加基岩的冷却收缩和裂隙流体压力均能提升总裂隙开度;但是当基岩冷却收缩起主导作用时,系统的注入能力提升;而当裂隙流体压力起主导作用时,系统的注入能力降低。通过增强技术在热储中生成随机裂隙是提升热能提取效率的最有效的方法;EGS-E可以选择等间距爆破的方式,形成定制化的随机裂隙网络,从而获得最优的热能提取效率。研究结果进一步增强了对地热系统运行过程中裂隙开度演化和热能提取效率的认识,可以为地热工程师在工程选址、热储改造和运行参数优化等方面提供一定的帮助。