石油天然氣工程

增強型地熱系統(tǒng)熱流固耦合模型及數(shù)值模擬

孫致學，徐軼，呂抒桓，等

摘要：目的：增強型地熱系統(tǒng)（EGS）利用水力壓裂地下高溫巖體形成人工熱儲，通過載熱流體循環(huán)以提取干熱巖（HDR）所存儲的地熱能，其開采過程包含滲流、熱能交換及巖體介質變形，為典型的熱流固（THM）耦合問題。旨在解決目前關鍵技術難題中如何模擬大規(guī)模復雜裂隙及有效處理裂隙介質中傳熱、滲流與應力過程的多場耦合作用，尤其是研究應力場變化引起裂隙的張開、閉合對介質滲透率和傳熱效率的改變等對EGS的運行狀態(tài)產(chǎn)生的影響，最終研究增強型地熱系統(tǒng)內溫度場、滲流場及應力場的變化關系。方法：基于局部非熱平衡理論，將裂隙巖體視作基于離散裂隙網(wǎng)絡和基質巖體的雙重介質，給出 THM耦合的數(shù)學模型，基于商業(yè)有限元軟件COMSOL Mutilphysics進行二次開發(fā)，實現(xiàn)裂隙巖體溫度場、滲流場和應力場的全耦合求解。利用一個已知解析解的算例驗證耦合模型和全耦合求解方法的正確性。最后利用隨機生成的二維裂隙網(wǎng)絡模型模擬EGS的運行過程，分析干熱巖儲層內滲流、溫度、應力及變形的分布規(guī)律。結果：利用隨機生成的二維離散裂隙網(wǎng)絡模型模擬EGS運行過程得到如下結果，（1）滲流場流速直接影響裂隙巖體中溫度場的變化，研究滲流場的變化規(guī)律對控制ESG的運行有重要意義。（2）EGS中裂隙巖體溫度場分布具有強非均勻性和各向異性，利用水力壓裂產(chǎn)生裂隙，增強巖體的導流能力、提高采熱效率是水力壓裂技術的重要特征，并且裂隙巖體中熱量主要沿裂隙傳輸。（3）在高壓水的作用下，裂隙和基質巖塊的變形提高了系統(tǒng)的導流能力，會加快熱量的傳輸速率；溫度的劇烈變化也會導致巖體應力分布的改變。在EGS儲層中溫度、滲流和應力三場之間是相互影響和制約的。（4）系統(tǒng)可以在某一階段保持穩(wěn)定出力，一段時間后，低溫區(qū)不斷擴大，生產(chǎn)井附近的溫度開始下降，在裂隙面附近由于裂隙水的流速高，水溫下降更快，系統(tǒng)的出力也不斷減?。蝗肟谒疁卦降?，則出口平均水溫下降越快。結論：（1）將巖體視作由離散裂隙網(wǎng)絡和基質巖塊組成的雙重介質，有效考慮裂隙巖體傳熱、滲流與應力過程中的相互作用，建立了相應的THM耦合數(shù)學模型；（2）基于商業(yè)軟件 COMSOL二次開發(fā)，實現(xiàn)了模型的全耦合求解，求解精度更高。對于飽和土熱固結問題，能夠獲得與解析解較為一致的結果，在一定程度上說明了耦合模型的可靠性；（3）在增強型地熱系統(tǒng)的算例分析中，數(shù)值模擬可以得到溫度、滲流及應力各物理場的分布特征，且和現(xiàn)有的一般性結論較為吻合。數(shù)值模擬反映了三場之間的耦合作用規(guī)律，說明干熱巖開采過程中存在較強的THM耦合作用。因此，研究增強型地熱系統(tǒng)的利用效率和運行控制有必要考慮THM三場耦合作用特點。

來源出版物：中國石油大學學報（自然科學版）, 2016,40(6)： 109-117

入選年份：2016