增强型地热系统热流固耦合模型及数值模拟

增强型地热系统(EGS)利用水力压裂地下高温岩体形成人工热储,通过载热流体循环提取干热岩(HDR)所存储的地热能,其开采过程包含渗流、热能交换及岩体介质变形,为典型的热流固(THM)耦合问题。将裂隙岩体视作基于离散裂隙网络和基质岩体的双重介质,给出THM耦合的数学模型,基于商业有限元软件COMSOL Mutilphysics进行二次开发,实现裂隙岩体温度场、渗流场和应力场的全耦合求解。利用一个已知解析解的算例验证耦合模型和全耦合求解方法的正确性。最后利用随机生成的二维裂隙网络模型模拟EGS的运行过程,分析干热岩储层内渗流、温度、应力及变形的分布规律。计算结果表明,储层内的贯通裂隙构成主要导水区,水的对流传热作用明显;高压水注入和温度变化导致岩体裂隙发生位移,改变储层的传输特性,进而影响地热能的提取;考虑THM耦合作用对于研究增强型地热系统的的利用效率和运行规律非常有必要。     

增强型地热系统(干热岩)开发技术进展

 增强型地热系统(EGS),又称干热岩,是一种从低渗透率和低孔隙度的岩层(干热岩)中提取热量从而获取大量热能的一种工程。有关增强型地热系统的研究与开发已有30余年的历史,但以往只局限于美国、英国、法国、德国、瑞士、日本、澳大利亚等国家。中国高温岩体地热开发研究起步较晚,仅少数科研单位在这方面做了理论探讨和国际合作。本文主要讨论了增强型地热系统的基本理念、国内外研究现状与发展趋势、关键技术、存在的问题以及展望。     

高温岩体地热开发的固流热耦合三维数值模拟

针对高温岩体地热开发的工程和物理特征与国际界的相关研究现状，提出了三维裂隙网络的块裂介质固流热耦合数学模型，进而采用三维有限单元方法，进行了高温岩体地热开发过程的数值模拟计算，获得了高温岩体应力、温度及裂缝宽度的变化规律。     

CO_2化学刺激剂对增强地热系统热储层的改造作用

基于松辽盆地徐家围子地区大庆油田钻井的地球物理和地球化学参数,建立反应性溶质运移模型,模拟CO2化学刺激剂对热储层渗透性的改造作用,分析不同地层压力、温度下的刺激效果,并讨论注入水的化学成分对刺激效果的影响。研究结果表明:孔隙度的增加主要源于原生碳酸盐矿物的溶蚀;通过高温高压反应釜模拟不同温度、压力、水化学条件下CO2化学刺激剂与方解石(主要碳酸盐矿物)的化学反应,实验结果反映出的碳酸盐矿物溶蚀规律与数值模拟结果基本一致。     

深部矿井岩层地热能协同开采治理热害数值模拟

提出矿井岩层地热开采方法,并通过建立矿井岩层地热能协同开采多物理场耦合模型分析岩层地热开采的采热性能以及地热开采对井巷的降温效果.研究结果表明:尽管矿井长时间通风可以使巷道内温度降低,但降温缓慢,降温幅度有限;采矿层下方的岩层注水采热后,巷道围岩温度快速降低,巷道内风流温度显著下降;冷质注入岩层降低巷道进风端温度后,巷...     

天然气水合物藏开采数值模拟技术研究进展

中国天然气水合物资源丰富,实现天然气水合物商业化开采,对于缓解中国能源短缺压力具有战略意义。数值模拟是指导天然气水合物藏安全有效开采的重要技术手段,通过对水合物藏产能预测与动态分析,可以实现对开采方法的优选、可采资源评价和开发方案优化。天然气水合物藏开采过程涉及水合物分解相变与气水在地层内渗流传热等多个物理化学过程之间的复杂耦合机理。重点介绍了水合物藏开采现状、水合物藏开采数学模型优化研究、天然气水合物开采数值模拟应用进展,分析了数值模拟研究的核心问题、取得的进展以及当前亟需解决的瓶颈问题,并指出水合物藏开采数值模拟发展趋势,对于开展天然气水合物数值模拟研究具有较好的指导意义。     

太原盆地地下水污染数值模拟

提出了一个越流含水层系统地下水污染的数学模型，模型应用 于描要这太原盆地地下水污染，ＣＩ浓度和水位计算结果与野外观测结果拟合良好。文中还 探讨了现行溶质运移模型求解中井点附近容易出现不合理结果的原因，并从理论上给出正确的表达式。     

带压开采底板破坏规律的三维数值模拟研究

从带压开采的角度建立了带压开采的三维固流耦合数学模型及其数值解法，并针对太原市东山煤矿带压开采，进行了三维固流耦合数值模拟，对带压开采底板的应力分布规律进行了详细的探讨，为进一步防治矿井突水提供理论依据。     

地气耦合系统中下垫面气候效应的数值模拟

区域气候环境的变化，不仅受大尺度气候环境的影响，而且在一定程度上还取决于该区域下垫面状况的改变。本文利用一维十六层地气耦合模式研究了陆地下垫面特征变化对近地层气候的影响，分析了大气边界层垂直温度特征、地面温度变化特征以及地面能量平衡和转换特征、试验结果表明下垫面特征是影响区域气候的一个重要因子，其变化对边界层垂直温度结构、地面温度日变化以及地面能量平衡和转换机制具有重要的影响，进而改变一个地区的区域气候状况。     

基于BP神经网络的增强型地热系统产热性能：以伊通盆地花岗岩体热储层为例

探究EGS工程采热性能,对提高系统产热效率、延长储层寿命是至关重要的。本研究以伊通盆地北部昌27井实际地质构造、岩性、地热特征及热物性测试为基础,以地下4054‐4168m花岗岩为热储层建立三水平井水热耦合数值模型,并在此水平井模型基础上建立BP神经网络热储产热能力预测模型,研究了不同影响因素对系统换热过程的影响。结果表明：BP神经网络预测生产温度、焓值差和压力差与水平井数值模型的相对误差基本不超过±1.0%、±2.0%和±3.0%,预测准确性较高。水平井地热开采中,对系统生产温度造成影响较大的因素是井间距和注入速度,对系统发电效率造成影响较大的因素是注入速度和裂隙渗透率。综合考虑各影响因素交互作用,采用三水平井开采地热能可选择开采方案井间距600m,注入温度60℃,注入速度23kg/s,裂隙渗透率1×10-10^m2^{。在该工况下系统的经济寿命可达}32年,累积发电量为605.9 GW h,比基础模型提高7.4%。     

共和盆地干热岩特征及利用前景

 2011 年以来,国家及青海省政府在青海省海南藏族自治州共和县恰卜恰镇地区相继开展了一批地热资源勘察工作,发现共和盆地基底由印支期花岗岩组成,岩体地温梯度异常明显,最高可达11.5℃/100 m,2200 m 左右温度达到150℃,3000 m 岩体温度接近200℃,预计4000 m 时温度可达260℃以上,表明盆地具有分布广泛、埋深相对浅的干热岩资源。利用此干热岩资源,不仅填补中国新能源利用的一项空白,而且对当地人居条件改善、工农业发展具有现实意义。     

2018年地热勘探开发热点回眸

 2018年地热领域研究热点纷呈：世界各国在地热发电领域发展迅猛,中国面临着很大的机遇和挑战,地热勘查逐步走向精细化,地热开发逐步走向集约化,地热利用逐步走向综合化。地热成为地质界真正的热点,封闭式井下换热技术、采灌均衡地热评价技术、地热-太阳能等混合能源开发利用等方面相关技术和规范不断完善,在理论方面,地热开发过程与微地震的发生之间的机制认识更进一步,干热岩开发理论更加深入,此外,围绕地热流体的生态环境、微生物以及油田地热开发方面也呈现出创新性的见解。     

浅层地热能与干热岩资源潜力及其开发前景对比分析

 浅层地热能与干热岩是地热能中最具潜力的部分,前者通过给建筑供暖(制冷)减少国家能源需求,后者则通过高温发电增加国家可再生能源供给,两者都具有资源潜力大、清洁环保的优势,其开发技术地源热泵与增强型地热系统也具有原理上的相似性。本文对比分析了浅层地温能与干热岩的基本概念、资源潜力、节能效果、经济效益、环境影响等,讨论了两者间的优缺点及开发前景,针对中国地热资源赋存特征及国家能源发展规划,提出了未来地热向深部发展的建议。     

干热岩研究现状与展望

 干热岩蕴藏着巨大的热能,是世界发达国家积极开发的重要资源之一。在干热岩技术基础上提出的增强型地热系统,已经历40 余年的研究,在理论研究和工程实践中取得了重要成果,积累了丰富经验。本文总结世界干热岩的研究发展历程、示范工程中失败和成功的经验,论述开发过程中关键科学技术的重要成就和不足之处,阐明今后的技术发展方向,对包括干热岩在内的高温地热资源开发利用提出了展望。     

干热岩资源开发工程储层激发研究进展

 干热岩作为清洁可再生能源, 在中国分布广泛。初步估算, 10 km 可开发利用的干热岩资源占地热资源总量的90%, 经济地获取深部干热岩资源成为迫切任务。干热岩资源开发最关键的技术是储层建造, 为满足商业化开发的目的, 激发后储层必须达到一定体积的有效换热空间, 同时开采井应满足理想的开采流量及保证较长的开采年限。本文总结目前国际干热岩工程的储层激发情况及相关关键技术。     

福州温泉区地下热水有限元数值模拟研究

福州温泉区蕴藏着丰富的地下热水,然而长时间的过量开采,已造成地热水位下降,热水资源逐渐枯竭.针对这一状况,在对福州市温泉区复杂的地质概况及水文地质条件进行概化的基础上,对热田区热水动态进行三维有限元数值模拟,对其允许开采量进行了现状评估与预测分析     

饱和含水冻土区埋地管道水热耦合数值模拟

通过对冻土区管道运行研究,提出针对管道安全运行的措施.采用有限容积法,得到多年冻土多孔介质水热耦合数学模型,地表面温度采用随年周期性变化条件,应用SIMPLER算法对模型进行数值求解.通过对无保温层和有相同厚度两种保温材质的管道在春季、夏季和冬季的土壤温度场进行数值模拟,显示在地表温度波动的条件下,热流密度随土壤温度波动呈现周期性变化.在长期运行管道中,无保温措施的管道周围冻土融化剧烈,管壁热流密度大且振幅波动大.使用厚度为40mm的两种保温材料中,40 mm聚氨酯保温效果较好.冻土区运行管道应加敷导热系数较小的保温材料,可极大降低融化深度,保护管道安全运行.     

汝城干热岩地热资源研究

 汝城热水镇出露98℃天然热泉,该地区深部干热岩地热资源相当可观。通过大量钻孔地温测量和大地热流测试等勘探工作,评估了该地区干热岩地热资源的基本情况。勘探结果表明,研究区内平均地温增温梯度为18.7℃/100 m,最高值达35.2℃/100 m,主要高温钻孔的大地热流量介于60~170 MW/m²,地热资源较为可观。该地热田的热源来自深部岩浆余热,热储主要是F₁、F₃断裂带上盘及其他次级断层派生的密集裂隙系统。区内热水河以东花岗岩体为浅部水热热储盖层;热水河以西震旦系的板岩为深部热源盖层。模拟结果表明,研究区地热田热储层下底面温度为260℃,热储层上顶面温度为255℃,热储层以上厚度为3500~4000 m。汝城地区热储埋藏深度较浅,热储温度较高,是较好的干热岩开发靶区。     

汽车排烟余热回收强化换热管的数值模拟与分析

对汽车排烟余热回收装置的双斜向流线型内肋换热管进行了数值模拟研究,主要分析了内肋的结构特性参数对换热性能的影响。结果表明,流线型内肋在肋长、肋倾角、肋高度和肋间距上存在最优值,分别为38mm,45°,2.5mm和60mm。当Re=1.2×104～5×104时,与同条件下普通圆管相比,努塞尔数Nu可增加54.5%～90.7%,摩擦阻力系数f增加157.6%～204.2%;同时,双斜向流线型内肋管内场协同角从90°减小到80°,换热效果显著提升。运用场协同理论分析,发现管内场协同角在每一个内肋附近都出现骤减现象,并体现其为换热效果增强的主要原因。