裂隙展布特征对EGS采热影响的理论数值模拟研究

增强型地热系统(EGS)储层的裂隙展布特征决定了热开采的效果.基于EGS储层压裂得到的裂隙网络呈现出较强的非均匀性,本文构建EGS平行多裂隙非均匀展布模型研究裂隙展布特征对EGS采热影响.为表征裂隙展布的非均匀性,创新地引入了优势流动比的概念.研究结果表明:在体积为500 m×600 m×600 m,初始温度200℃,均匀激发热储层7条裂隙展布,流量为30 kg/s时,储层产出温度可保持储层初始温度15年,并在热开采进行50年后仍能保持较高产出温度192.3℃,电功率为2.88～3.10 MW,电功率的降幅仅为7.1%.非均匀激发热储层的采热性能受到裂隙数量和裂隙展布特征的共同影响.产出温度与裂隙数量呈不严格的正相关性,并与优势裂隙比呈负相关性.非均匀压裂的热储层中,通过封堵优势裂隙或增强储层压裂使裂隙宽度均匀化,均可增强系统的采热性能.综合来看,裂隙数目越多,裂隙宽度分布越均匀,流体产出温度越高,采热效果越好.本文对EGS地热田的储层激发,和人工热储层的构建有一定的指导意义.     

平行多裂隙模型中换热单元体对EGS釆热的影响

增强型地热系统(EGS)是开发深层高温地热能的有效途径.本文在垂直单裂隙模型(SVFM)的基础上构建了平行多裂隙模型(MPFM),验证了其可靠性及优越性,创新地提出了换热单元体(HTU)的概念,将对整体热储层的研究集中于采热基本单元上,并利用此模型对EGS采热过程中裂隙流体及热储层温度场的演化进行模拟.基于介质分类,将采热的影响因素分为流体和岩体.本文针对岩体热储层分别设计多组案例,分析了岩体HTU尺寸及储层初始温度对釆热的影响.结果表明,HTU的厚度与流体产出温度呈负相关,但与热储层的热采率呈正效应;HTU的长度与采出温度和热储寿命呈正相关;热储层的初始温度也与流体采出温度呈正相关,对热储寿命影响不大.因此,热储层激发越充分,对流换热越充分,采热效率越高.注采策略应与热储层的激发情况相配合,才能取得较好的热开采效果.     

基于平行多裂隙模型美国沙漠峰地热田EGS开发数值模拟研究

基于美国沙漠峰地热田地质背景,构建引入围岩的平行多裂隙概念模型对采热过程进行数值模拟研究,结果表明此模型开采沙漠峰热储层是可行的.当系统的循环流量为100kg/s,换热单元体厚度为40 m时,热开采前20年产出温度为210℃,电功率为7.6 MW,50年内产出温度仅下降6.2%,产出温度和产能均符合EGS商业开发的要求.热储激发程度与产出温度、热储寿命呈正相关,并对下伏层围岩热开采呈正效应.裂隙宽度对产出温度影响不大.流量与产出温度及热储寿命呈负相关.     

基于COMSOL的储层参数与层理缝对地热产能影响规律研究

地热能具有绿色、稳定、资源丰富、可再生等优点,可用来发电及工业、住宅供热.应用COMSOL多物理场耦合数值软件通过建立温度-渗流耦合模型,考虑工作介质物性参数随温度的变化,针对热储层参数及层理缝对地热能开发效果的影响展开研究.结果表明:热储压力在开发初期恢复缓慢的原因与开发初期注采井附近温度差异有关;裸眼段长度为40 m时可控热储层厚度为150 m;一注一采井距为300 m时注采系统可控热储层半径为400 m;基质渗透率大于80×10-15m2将影响热储开发寿命;基质孔隙度、基质热传导系数对热储开发影响较小,基质比热容越大越有利于热储开发;层理缝条数、导流能力对热储开发有较大影响,层理缝条数增加,产出液质量流量增加,热突破快,持续开发寿命缩短,层理缝的不合理利用将遮挡注入流体的波及范围.研究成果可为高温地热选层提供有力技术支持.     

增强型地热系统热流耦合水岩温度场分析

增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,简称EGS)作为深层地热资源开采最有效方法已成为国际研究热点.其中多场耦合是EGS研究中的关键部分,但目前对最基础和最重要的热流耦合研究仍不充分,特别是对热流耦合下热传导过程和采热效率的研究还不透彻.本文构建了针对EGS单裂隙热流耦合的数学模型,模型主要控制热流耦合时水岩温度场的演化,以展现热流耦合下的热传导过程,并以此计算了裂隙宽度和裂隙水流速率对水岩温度场的影响,分析了裂隙特征对采热效率的影响.计算表明,在特定的开采条件下,都有相应的岩体温度场影响半径;热量从高温岩体传至裂隙流体的过程显示为进水口为低温区,以水流方向为轴,向两侧岩体对称展开的三角形热传导模式;裂隙宽度和裂隙流体速度对裂隙两侧的岩体温度场和采热半径产生明显影响,但裂隙长度总体上对采热率表现为正效应,而裂隙宽度和裂隙流体速度在一定范围内对采热率表现为负效应;裂隙宽度与裂隙流体速度对水岩温度场具有完全一致的影响效果.模型的对比验证确认了本模型的合理性和优越性.文中最大的创新点和亮点是首次推导给出了EGS热流耦合水岩温度场演化特征的简明数学表达式,另一亮点是基于岩体热传导系数来考虑耦合过程的热传导量.     

高温地热开采热流固耦合模型及综合评价方法

干热岩(HDR)是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源,是地热开发研究热点.目前针对地热产能模拟的研究存在热流固(THM)耦合模型考虑因素不全,地热开发效果评价目标单一且缺少定量评价的问题.基于离散裂缝模型,建立了地热开发的热流固耦合模型,采用COMSOL实现了THM模型求解,依据多个地热开发评价指标进行模糊综合评价.首先借助两个THM耦合案例,验证了模型的可靠性及准确性.随后通过层次分析法计算出各项地热开发评价指标的权重,并结合模糊综合评判,对给出的EGS案例进行模拟计算和综合评价.结果表明:压裂裂缝连通注入井和采出井时,热突破时间短,采出温度下降快;水平布井比垂直布井的采出温度下降更快.依据模糊综合评价分析,水平井开采地热要整体优于垂直井开采地热,一注两采开采地热要优于一注一采,垂直井开采地热时,水力压裂裂缝建议不连通注采井.     

地热深井生产过程的井筒传热数值模拟

从地热储层中提取热流体的过程中,在井筒流体与周围地层之间存在着热量交换,使得热流温度发生着变化,为探究流体在生产井中的热量损失过程,本文的目的 是开发一种可靠的数值模型用以说明地热井在生产过程中的流动与换热问题,在此选取COMSOL Multiphysics建立了仿真模型,并对模拟结果进行了解析验证.井筒热量损失的表征要素除了温度以外,热损失功率也起着至关重要的作用,为了全面评价地热生产井的热能损失,故对井口水温及热损失功率两项评价指标进行研究,分析得出水的操作参数及环空热导率变化对井筒热损失的影响.研究结果表明:(1)数值模拟中应用TD代数表达式的连续形式与解析模型中应用Ramey定义的f(t)不连续函数表达式进行热流温度的求解时,对于较长的生产时间,数值解与解析解吻合良好.(2)井底水温的线性变化也将带来井口水温和井筒热损失功率的线性变化,井口水温和井筒热损失功率随井底水温的变化直线斜率随时间的增加略有减小,纵截距也略有减小,说明时间越长,井口温度升高的越慢,井筒热损失功率增大的越小,系统越趋于稳定状态.(3)增量为10 kg/s的采出流量与增量为10℃的井底水温相比,对井口水温的升高及热损失功率的减小影响程度均相应减弱,最终也将趋于稳定状态.(4)环空热导率对井口水温和井筒热损失功率的影响呈现相反的效应,即环空热导率增大井口水温降低,井筒热损失功率增大.结论 认为,综合考虑热流温度及井筒热损失功率两项指标对于高效地热能开采,提高热能利用率等方面具有重要意义,并可全面评价井筒的热量损失大小,为地热能开发提供可靠理论依据.     

增强型地热系统开发技术研究进展

增强型(或工程型)地热系统(简称EGS)是指从地下3～10km低渗透岩体中经济开采深层地热的人工热能系统,主要用于发电.作为目前地热领域的重要发展方向,其研究受到发达国家的高度重视,但我国对增强型地热系统的研究还基本处于空白.本文从增强型地热系统的概念和开发思路入手,总结资源勘查、人工储层建造、地热田生产以及监测等阶段需要的科学与工程方面的关键技术及研究现状,对于提高深层地热认识,明确未来的技术发展方向具有重要意义.     

增强型地热系统研究开发:以美国新墨西哥州芬登山为例

增强型(或工程)地热系统是指从地壳深部低孔渗的干热岩体中,采用人工工程方法形成储层,经济地采出具有相当数量的热能.这种早期被称之为干热岩的技术首次在美国新墨西哥州芬登山得到示范.本文以芬登山增强型地热系统为例,通过综述其发展历程,论述了增强型地热系统钻井与储层激发、工质流动与储层测试、储层性能评价等关键问题,总结了从芬登山增强型地热系统研究中获得的认识和启示.芬登山地热项目发展的经验表明,增强型地热储层是通过重新打开本来存在、但被密封的、多重连通的节理组,或通过水力压裂创造新的流动通道和换热面,利用复杂裂隙网络中的流循环,从储层系统中开采热能.芬登山实践表明,在稳态条件下增强型地热系统的持续运行是可能的,芬登山地热项目对世界和我国深层地热发展具有重要指导意义.     

利用热-孔隙流体耦合有限元数值模拟研究干热岩开发温度下降过程——以青海共和盆地恰卜恰地区干热岩开发为例

水力压裂是干热岩(HDR)开发最常用到的压裂方式，水力压裂形成的裂缝网络为增强地热系统的运行(EGS)提供了高渗透率的人工储层.本文在系统总结前人关于共和盆地水力压裂实验、数值模拟资料和现场水力压裂监测结果的基础上，引入了离散裂缝网络(DFN),利用多物理场模拟软件COMSOL Multiphysics建立了共和盆地恰卜恰地区干热岩开采过程中的二维裂缝-基质热-孔隙流体耦合模型，并讨论了裂缝开度和基质渗透率对干热岩开采温度下降过程的影响.结果表明，裂缝网络是流体运移的主要通道.温度下降和早期压力变化范围沿着裂缝延伸，并向周围被裂缝分割的基质扩展.裂缝开度和基质渗透率是影响干热岩地热开采过程中温度下降的重要因素.当裂缝开度越大时，流体运移范围就越大，储层温度和产出水温下降就越快，储层下降范围就越广，热突破时间和运行寿命就越短.当基质渗透率越大时，越有利于流体进入基质进行热量交换，越容易从干热岩中提取热量，产出水温下降越快，运行寿命越短.     

鲁豫交界地区深井水位持续大幅度下降原因分析

鲁豫交界地区豫01、11井和鲁27井等3口地震观测深井的水位于2006年后出现了准同步的异常下降变化,下降幅度3 ～12m不等.经调查落实,发现该地区近年来地热开采活动日益增强,开采量逐年增大,并且开采层与异常井水位观测层同属于奥陶系热储层.为此,本文依据聊城-兰考断裂带附近区域的水文地质构造特征,建立了三维地下水流动模型,基于周边地热开采量数据和相关含水层参数,运用有限差分方法计算了地热开采所引起的区域水位降落漏斗,并分析了水位下降异常的时间演化和空间分布特征.结果显示,聊城-兰考断裂带附近区域自1995年开始地热开采活动以来,其逐年增加的地热开采量与地震观测井水位的下降幅度之间存在较好的对应关系,分析认为鲁豫交界地区3口深井水位的准同步异常下降与周边地热开采活动有关.     

全球干热岩资源开发诱发地震活动和灾害风险管控

干热岩地热资源作为一种绿色可再生的新型能源,其开发利用已成为当前世界各国尤其是发达国家能源战略的重要组成部分.但由于干热岩位于地壳浅部3～10 km,在采用增强型地热系统(EGS)等通用开发方式过程中,伴随着地壳应力状态的扰动,部分开采项目发生较大震级的诱发地震事件,甚至造成明显灾害、引起社会问题,亟待实现科学利用和风险管控.鉴于此问题在平衡能源开发战略和社会安全领域的重要性和关键性,本文梳理了全球干热岩开采诱发地震的总体情况、典型案例,整理了在成因和机理研究、地震灾害风险管控和缓解等方面的研究进展.综合分析结果表明,已有EGS项目案例中诱发地震震级超过3.0的达到31.2％、主要与断层活化有关,最大的诱发地震可发生在注水压裂、关井后、循环生产等各阶段.干热岩开采诱发地震有多种成因,已有案例多为多种成因共同作用,其中的关井后的尾随效应是目前重大难点.目前世界各国已开展了广泛的诱发地震机理研究并探索多种减灾措施,认为累积注水体积、注水速率与最大诱发震级之间不存在普适性的定标关系,前瞻性预测需要采用"一井一策"的方式.在缓解诱发地震灾害风险上,普遍采用科学的流体注入策略、对注采策略进行验证校准、持续开展地震活动监测等系列措施.此外,对储层的临界应力状态和应力时空演化的量化描述、地热储层内的先存断层与裂缝的探测识别、可有效管控地震发生的流体注入策略等,是当前干热岩资源开发减轻地震风险的主要技术难点,而利用地热储层实时感知信息技术、采用新的注入热交换载体、发展前瞻性的地震预测方法是该领域目前重点关注的技术方向.根据我国的干热岩资源开发和减轻地震灾害风险的实际情况,亟待建立开采场地安全性和灾害风险评价、多学科的地震监测网络和分析技术、地震灾害风险管控红绿灯系统等技术体系,并加强关井后的尾随现象、多场耦合等科学问题的基础研究.     

北京南口—孙河断裂带水热系统特征与成因分析

中低温对流型地热资源在华北地区广泛分布,是一种清洁的替代能源.与活动断裂带相关的水热型地热资源是中低温地热系统的重要组成部分.本文基于高精度重力测量、微动测深及钻孔温度测量等数据,从热源、通道、储层和盖层四个方面探讨了南口—孙河断裂带水热系统特征.低重力异常揭示的燕山期花岗二长岩、闪长岩岩体范围为23.8 km~2和14.3 km~2,放射性测井数据计算得到其生热率均值为3.14μW·m~(-3),侏罗系火山岩生热率均值为1.65μW·m~(-3),隐伏岩体和火山岩均难以构成地热系统的附加热源.重力异常显示南口—孙河断裂带宽度约500~800 m,断裂带切割蓟县系雾迷山组白云岩热储层.钻井温度曲线显示断裂带内水热活动强烈,说明该断裂带是导水、导热的重要通道.断裂带南西侧马池口一带第四系松散层与侏罗系火山岩形成了热储盖层,微动测深显示火山岩最大厚度约1500 m.综上源、通、储、盖四个要素分析,该地热系统为热传导一对流复合型,来自京西北山区的大气降水经远距离径流深循环吸收地层热量后沿南口—孙河断裂上移到达裂隙发育的白云岩地层中形成热水.总之,沿南口—孙河断裂带具备了良好的地热地质条件,可达到规模开采的条件.     

京北地区热水水文地球化学特征与地热系统的成因模式

京北地热田包括小汤山和沙河2个次级地热田,呈三角形展布,东南部边界为黄庄-高丽营断裂,西南部边界为南口-孙河断裂,北部边界为阿苏卫-小汤山断裂。热储层为蓟县系雾迷山组、铁岭组和寒武系—奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层,热储盖层为青白口系页岩、石炭系—二叠系砂页岩和侏罗系火山岩隔水层。该地热田地温场的平面特征是在小汤山镇和汤11井区出现2个高温区;垂向特征是随埋深加大,地温升高,但热储层内垂向增温率较低,热储盖层垂向增温率较高。该区雨水、地下冷水和热水的氢氧同位素组成基本上都落在克雷格降水线上,表明区内热水来源于大气降水。在地下水化学三线图解中,该区热水位于城区热水的下方,说明京北热水比城区热水更靠近冷水补给区。热水的3H值表现出北高南低的特点,14C年龄也由北往南逐渐增大,说明热水自北向南流动。由此认为,由北部山区渗入地下的大气降水,经小汤山以北的十三陵—桃峪口岩溶水分布区,跨过阿苏卫-小汤山断裂后发生深循环并被地热加温,流入京北地区后在该地区赋存,形成热田。根据上述特征,建立了京北地热田地热系统的成因模式并定义为京北中低温对流型地热系统     

超短半径径向水平井抽采煤层气渗流规律的数值模拟

为得到超短半径径向水平井开采煤层气过程中的气体渗流规律以及进行产量预测,在基本假设条件下,建立了径向水平井开采煤层气的固流耦合渗流数学模型;在一定的边界条件及初始条件下,利用Matlab软件进行编程计算后,得到直井和不同数目分支径向水平井开采煤层气1000天后的压力场、速度场和气产量变化规律。数值模拟结果表明,在一定的生产区域和开采时间,随着径向水平井分支数目的增加,煤储层压力下降范围更广,气体流速场干扰加强,压力漏斗降大面积扩展,煤层气有效供气区及解吸面积大幅增长,煤层气解吸能力及稳产能力加强,煤层气产量大幅度增加;同时,气产量增幅随着井筒分支数目的增加而下降,分支井数目理论上应存在一个最优值。模拟结果显示了超短半径径向水平井技术开采煤层气的有效卸压作用,对煤层气工业增产技术的选择和钻孔方案的布置具有重要的理论指导意义。     

温度作用下煤层瓦斯解吸渗流规律数值模拟

如何提高煤层气渗透率是目前煤层气开采研究中的重要课题。基于煤层瓦斯渗流规律数学模型,利用COMSOL Multiphysics软件,对流-固-热耦合条件下的非等温煤层气解吸、渗流变化规律进行了数值模拟。结果表明,在注热条件下,煤层气渗流压力随着温度的增加而下降,且下降速度加剧,压力差越大,气体从高压区域流向低压区域的渗流速度越快。气体在煤层中径向流向井口,井口附近压力的梯度增大,气体渗流速度较快;在未受到加热影响的区域,煤层气不受外加热量影响,煤层气解吸速率保持不变;注热后煤层温度升高,可以加快煤层气渗流速度、提高渗透率、增加煤层气产量。研究成果可为煤层中注热开采煤层气的工程实践提供相应的理论依据。     

深井换热技术原理及其换热量评估

深井换热又称套管换热,是在深井中通过同轴套管进行单井内部流体循环,基于热传导的方式与地层换热,从而以"取热不取水"形式开发地热能的技术.本文详细介绍了深井换热技术特点,评述其在国外的应用进展.国外的实践表明,深井换热延米功率均在200 W以下,多不超过100 W,换热量远小于基于热对流的取热方式,比如深井热水开采技术.本文针对我国北方典型地区地热地质条件,分别采用Beier解析法和双重连续介质数值模拟法(基于OpenGeoSys模拟平台)计算了短期(4个月)采热和长期(30年)采热情景下的换热量.解析法和数值法的结果均表明,延米换热功率上限不超过150W.在间断采热,即每天供热12个小时,停止12个小时的情景下,延米换热功率可以翻倍,但是总换热量基本不变,且水温在一天内的波动明显变大.对数值模型进行敏感性分析发现,在地温梯度一定的条件下,井深对延米换热功率影响不大,而地层热导率对其影响较为明显.最后指出,提高深井换热技术换热量的主要手段是增加井周围地层中的热对流,或者说,增加循环水与岩石的接触面积.