花岗岩单裂隙渗流传热特性试验

基于岩石裂隙渗流传热试验系统,以蒸馏水为换热工质,针对预制平滑裂隙与粗糙裂隙的花岗岩岩样,开展不同试验温度与水流条件下的单裂隙对流换热特性试验研究。试验结果表明：①同一温度水平下,对流换热系数的量值与流量呈正相关关系,但对流换热系数的增幅大于流量的增幅,随岩石基质温度的升高,相同流量水平下的对流换热系数呈增大趋势;②与平滑裂隙试验结果相比,粗糙裂隙面的对流换热强度有所提高,但增幅不大;③沿渗流路径,裂隙面局部对流换热强度的演化呈现多波峰的非线性特征,其中粗糙裂隙的非线性更加强烈。但二者均存在由进水口至出水口,换热强度逐渐减弱的特征。④努塞尔数与普朗特数1/3次方的商与雷诺数较好地满足幂指数关系,随着试验温度的升高,这种关系逐渐向线性转变。     

花岗岩粗糙单裂隙对流换热特性的数值模拟

在干热岩储层中开采地热能,往往需要对储层进行人工水力压裂以形成贯穿的换热通道。然而,热储中的对流换热对干热岩的采热率有重要影响,经过人工刺激的储层会形成几何形态各异的裂隙面,而裂隙粗糙程度的不同则会引起换热性能的显著差异。因此,选取4条Barton的经典岩石裂隙粗糙度曲线,在实验室条件下建立一个单裂隙对流换热模型。详细分析了花岗岩粗糙裂隙中热工质的换热特性。结果表明：局部对流换热系数沿着裂隙长度方向逐渐降低;JRC值越大,平均对流换热系数就越大,表明换热性能越好;局部对流换热系数的分布与JRC曲线的几何轮廓形态有很好的相关性,波峰波谷的变化趋势相一致;相对于温度而言,高流速对局部对流换热系数具有放大效应,流速越大,局部对流换热系数波动越大。     

花岗岩粗糙单裂隙对流换热特性的数值模拟

在干热岩储层中开采地热能,往往需要对储层进行人工水力压裂以形成贯穿的换热通道。然而,热储中的对流换热对干热岩的采热率有重要影响,经过人工刺激的储层会形成几何形态各异的裂隙面,而裂隙粗糙程度的不同则会引起换热性能的显著差异。因此,选取4条Barton的经典岩石裂隙粗糙度曲线,在试验室条件下建立一个单裂隙对流换热模型。详细分析了花岗岩粗糙裂隙中热工质的换热特性。结果表明：局部对流换热系数沿着裂隙长度方向逐渐降低;节理粗糙系数JRC值越大,平均对流换热系数就越大,表明换热性能越好;局部对流换热系数的分布与JRC曲线的几何轮廓形态有很好的相关性,波峰波谷的变化趋势相一致;相对于温度而言,高流速对局部对流换热系数具有放大效应,流速越大,局部对流换热系数波动越大。     

工质变物性对EGS热开采过程影响的数值模拟

增强型地热系统(EGS)热开采过程中循环工质的温度和压力会经历较大范围的变化,这会造成循环工质的热物性变化,从而影响流体工质的输运和岩石-流体热交换;数值模拟EGS热开采过程,预测EGS的寿命、出力等性能指标有必要考虑循环工质的热物性变化.笔者在EGS热开采过程三维数值模拟中考虑水和超临界二氧化碳的变物性,实现了热流双向耦合.针对水EGS分析了各物性变化对EGS采热性能的影响,并对变物性条件的水和超临界二氧化碳EGS的采热性能进行了对比研究.结果表明:工质在密度影响下开采寿命为9.0 a在密度和比定压热容共同影响下的开采寿命为7.5 a,说明密度和比定压热容越大则EGS开采寿命越短;在黏度系数影响下的开采寿命为18.0 a,说明黏度系数越大则EGS开采寿命越长;导热系数则对EGS采热性能无明显影响.注入压力一定的条件下以水为工质的EGS具有较长寿命,但相同时刻的质量流率和热开采率低于以临界二氧化碳为工质的EGS.     

考虑荷载位置偏移的空洞岩石地基极限承载力计算方法

荷载位置偏移量对下伏空洞岩石地基的极限承载力有较大影响。当荷载位置偏移量较小时,基于双对数螺旋曲线模型,采用极限分析上限法建立了下伏空洞岩石地基破坏体的功能方程,推导得到了荷载位置偏移下空洞岩石地基极限承载力计算表达式。当荷载位置偏移量较大时,空洞地基发展成为Prandtl破坏模式。并进一步分析了岩石地基厚度h、荷载位置偏移量e及内摩擦角φ对空洞岩石地基极限承载力的影响。最后进行了不同荷载位置偏移量和厚度下的空洞地基极限承载力模型试验研究,并与理论进行了对比验证分析。结果表明:当荷载位置偏移量e一定时,随着岩石地基厚度h的增加,空洞岩石地基极限承载力大致呈线性增长,并逐渐趋向于完整基岩承载力;当岩石地基厚度h一定时,随着荷载位置偏移量e的增大,岩石地基极限承载力呈非线性增长,增大到一定值时接近完整基岩承载力;当岩石地基厚度h和荷载位置偏移量e一定时,随着内摩擦角φ的增大,岩石地基极限承载力增长的幅度逐渐变大。     

裂隙特征对岩石渗流特性的影响规律研究

裂隙是油气储层主要的储集空间及流体渗流通道,影响油气的运移规律,是油气勘探开发的重要指标。以冀中坳陷任丘油田任10井为例,运用数值模拟方法研究了裂隙开展宽度和裂隙面粗糙度对岩石渗流特性的影响规律。研究结果表明,(1)裂隙开展宽度较小时,孔隙内流体压力仅在入口处小范围内呈扇形分布,裂隙中压力分布曲线呈正切函数型,流体流速在裂隙和孔隙中都较小;随着裂缝开展宽度的增加,孔隙内流体压力逐渐增大,裂隙中压力分布曲线逐渐向直线型转变,流体流速在入口处先减小后稳定,在裂隙中先增加后稳定;(2)裂隙面粗糙度对裂隙岩石渗流特性的影响与裂隙开展宽度有关,在裂隙开展宽度较大时,裂隙面粗糙度对流体压力的分布影响较大;随着裂隙面粗糙度增大,孔隙内流速逐渐增大,而裂隙中流速逐渐减小;(3)随着裂隙开展宽度的增大,影响裂隙流体流动的主控因素逐渐由裂隙开展宽度转变为裂隙面粗糙度。     

考虑荷载位置偏移的空洞地基极限承载力计算方法

荷载位置偏移量对下伏空洞岩石地基的极限承载力有较大影响。当荷载位置偏移量较小时,基于双对数螺旋曲线模型,采用极限分析上限法建立了下伏空洞岩石地基破坏体的功能方程,推导得到荷载位置偏移下空洞岩石地基极限承载力计算表达式。当荷载位置偏移量较大时,空洞地基发展成为Prandtl破坏模式。并进一步分析了岩石地基厚度h、荷载位置偏移量e及内摩擦角φ 对空洞岩石地基极限承载力的影响。最后进行了不同荷载位置偏移量和厚度下的空洞地基极限承载力模型试验研究,并与理论进行了对比验证分析,结果表明：(1) 当荷载位置偏移量e一定时,随着岩石地基厚度h的增加,岩石地基极限承载力大致呈线性增长,并逐渐趋向于完整基岩承载力;(2) 当岩石地基厚度h一定时,随着荷载位置偏移量e的增大,岩石地基极限承载力呈非线性增长,增大到一定值时接近完整基岩承载力;(3) 当岩石地基厚度h和荷载位置偏移量e一定时,随着内摩擦角φ 的增大,岩石地基极限承载力增长的幅度逐渐变大。     

干湿循环作用下单裂隙炭质页岩能量演化与破坏特征研究

为研究干湿循环作用下裂隙炭质页岩能量演化及破坏特征,分别制作完整和裂隙倾角为30°、45°和60°的炭质页岩,利用MTS815岩石力学试验系统进行不同干湿循环作用下的三轴压缩试验,研究了干湿循环对单裂隙炭质页岩强度、破坏模式及能量演化的影响。结果表明:起裂应力、损伤应力和峰值应力处弹性能和耗散能与干湿循环呈指数函数关系;起裂应力处弹性能、耗散能和损伤应力处耗散能对干湿循环的敏感程度较低,损伤应力处弹性能和峰值应力处弹性能、耗散能对干湿循环的敏感程度较高。炭质页岩破坏模式受控于干湿循环和裂隙倾角,干湿循环为主控因素,裂隙倾角为次控因素;裂隙倾角为30°的干燥岩样为拉剪破坏,裂隙倾角为45°和60°的干燥岩样为剪切破坏;随着干湿循环次数的增加,宏观主裂纹长度增大,次要裂纹增加,破坏模式整体上向剪拉破坏发展。随着干湿循环次数的增加,起裂应力处储能水平K_ci和损伤应力处储能水平K_cd逐渐增大,起裂和损伤应力处储能水平越高,岩石起裂和损伤更容易;K_cd可作为岩石破坏的预警指标,K_cd越大,岩石越易发生破坏。     

交叉裂隙水力学开度的计算及非线性水力特性研究

基于人工交叉裂隙模型,通过室内透水试验,得到了不同进口与出口组合时的流量和压力变化的关系曲线。同时结合串联裂隙水力学开度的计算公式,利用最小二乘法求解超静定方程组,计算交叉裂隙中每个裂隙单元的水力学开度。通过拓扑得到裂隙交叉点的几何尺寸,并求解Navier-Stokes方程,研究裂隙交叉对其水力特性的影响。结果表明,通过室内试验和串联裂隙水力学开度计算公式相结合的方法,可以准确计算每个裂隙单元的水力学开度。当雷诺数Re较小时,交叉点内部的流体成稳态层流流动;当雷诺数较大（比如Re≥100）时,可以观测到明显的漩涡,说明流体的惯性力远大于黏性力,经典的立方定律不再适用。对于1个进口2个出口的情况,出口的流量分配比率与雷诺数成二次函数关系,随着雷诺数的增大,流量分配比率的非线性越来越明显,其最大分配比率变化超过15%。出口的水力学开度e与初始水力学开度（即力学开度E0）的比值e/E0和雷诺数Re也具有二次函数关系。当Re10时,e/E0呈现出较强的非线性;利用该关系式可以得到修正的立方定律,从而进一步求解交叉裂隙的水力特性问题。     

高温壁面与煤内自然对流传热分析

为研究煤内自然对流流动和换热的实质,在重力场中由高温壁面对煤内自然对流的驱动力进行了进一步分析。以高温壁面煤内自然对流为研究对象,采用整场求解法分析了高温壁面内煤的温度场和流场随Rayleigh数的变化。数值研究结果表明:强化传热时宜使高密度流体在上部,低密度流体在下部;削弱传热时宜使低密度流体在上部,高密度流体在下部;随着Ra增加,煤内对流增强且对流强度分布愈来愈不均匀;高温热源的不均匀性是影响对流形成的主要因素之一;当Ra很小时,当煤内对流作用较弱时,热的传输主要依靠传导作用,随着Ra数逐渐增大,对流作用增强,它成为热传输的主要动力。这为煤自然对流传热控制提供了一定的理论依据。     

Theoretical study of hydraulically fractured penny-shaped cracks in hot,dry rocks

A simple and analytical method of solving the problem of heat extraction from a penny-shaped crack having both inlet and outlet holes is developed by using a two-dimensional flow model when fluid is injected at a constant flow rate. Temperature distributions in both rock and fluid are obtained by taking into account the hydraulic and thermal growth of the crack. The outlet fluid temperature and energy extraction rate versus time are shown by some illustrative examples. Although the effect of thermal, contraction of rock upon the crack width is large, its influence upon flow rate and crack tip stress intensity factor is sufficiently small within the first several years so that the crack radius can be determined mainly by the mechanical deformation of, the rock.     

稀疏不规则裂隙岩体模型三维水流-传热对温度和应力影响的试验研究

选取高放射核废物处置库重要预选场区甘肃北山地区的花岗岩,制作750 mm（宽）×300 mm（厚）×1 000 mm（高）的稀疏不规则裂隙岩体模型,该模型由18块花岗岩和竖向与斜向各两条裂隙组成,在裂隙及岩石内部埋置温度传感器、水压计、直角应变花,并在模型一侧设置局部热源,研究热源温度和裂隙水流速对岩石温度和应力的影响。结果表明,竖裂隙水主要从顶部进水口流向底部出水口,斜裂隙水主要从侧部进水口流向侧部出水口,竖裂隙与斜裂隙在交汇处存在微小流量交换;由于热源处在两条斜裂隙进水口之间,并且斜裂隙长度小于竖裂隙,岩石热传导与斜裂隙水流对岩石温度分布起控制作用,竖裂隙水流对岩石横向热传导起阻滞作用;由于热传导和水流传热的不规则性,上层岩石形成从左向右为主的传热路径,中层和下层岩石形成从上向下为主的传热路径;由于上、下层岩石温度梯度较小,岩石收缩受热拉应力,而中层岩石温度梯度较大,岩石膨胀受热压应力,大主应力的方向大致垂直于斜裂隙面与竖裂隙面的交线,岩石应力增量随斜平面方向的温度梯度增大而增大;热源温度越高,裂隙水流速越低,岩石温度越高、岩石应力越大,系统达到稳态需要的时间越长。     

Analysis of thermal parameters of Triassic,Permian and Carboniferous sedimentary rocks in central Poland

The paper shows thermal tests results (thermal conductivity, specific heat) carried out during the research project to recognize the potential of hot dry rocks for heat and electricity production in Poland. Analysis of such parameters of the rock medium has fundamental significance in search of structures for location of enhanced geothermal systems (EGS). Analyses of thermal conductivity as well as specific heat determine the possibility of effective extraction of heat from hot rock formations and its efficient transfer to the land surface. Reservoir rock should be characterized by the lowest possible porosity and permeability, and the highest possible thermal conductivity. In order to recognize reservoir parameters of rocks that form potential reservoirs for EGS, 300 samples of sedimentary rocks were taken from 11 wells located in central Poland. For samples, sizes of which enabled measurement of thermal parameters, tests of thermal conductivity and specific heat were carried out. Independently, measurements of porosity were made. The porosity magnitude determines values of measured thermal parameters. Measurements of thermal conductivity of rocks were made for 24 samples collected from Triassic, Permian and Carboniferous deposits in six wells. Measurements of specific heat on rock samples were made for 20 rock samples. Among sedimentary rocks, principally sandstones and limestones with reservoir parameters favourable for this type of systems are considered to be petrogeothermal reservoirs and are often characterized by favourable thermal parameters for EGS. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

边界条件对碎石层降温效果及机理的影响

对平均粒径为22.1 cm, 厚度1.3 m, 边界为开放和封闭的碎石层进行了一系列的实验. 从环境温度为最高和最低时刻封闭碎石层内的温度和速度分布可知: 当碎石层上表面温度低于下表面时,碎石层自下向上的散热由空气对流和碎石间的热传导来完成; 当上表面温度高于下表面时, 自上向下传递的热量由碎石接触面间的热传导完成, 此时, 由于其内部的空气几乎静止, 能阻隔热量的传入, 因此封闭边界的碎石层具有热半导体特性. 而开放边界的碎石层, 当平均温度为 0.5℃的空气从上表面吹过时, 碎石体内的热量传递主要是靠强迫对流来完成, 热半导体效果不明显, 不利于使其下面的冻土降温.     

分布热源作用下单裂隙岩体三维水流-传热的半解析计算方法

针对高放射性核废物地下处置库近场饱和裂隙岩体环境,提出一种由分布热源、饱和单裂隙和两侧无限大岩石构成的三维水流-传热简化模型,建立了控制微分方程和基于拉氏变换域格林函数的积分方程;采用矩形单元把裂隙面域离散化,利用极坐标下的解析方法计算包含奇点的单元积分,利用数值方法计算分布热源和不包含奇点的单元积分,建立拉氏变换域的线性代数方程组,求解后,利用拉氏数值逆变换,计算任意时刻裂隙水和岩石的温度分布。对两个无内热源、流场确定的计算模型进行了计算,与仅考虑岩石沿裂隙面法向一维热传导的解析解进行了对比。计算分析了分布热源作用下饱和单裂隙岩体的三维水流-传热特征及其对裂隙水流速、岩石热传导系数和热源热流集度的敏感度。计算结果表明：与直接采用高斯数值积分相比,提出的解析法奇异积分精度较高;就裂隙水温度而言,单裂隙岩体三维水流-传热半解析计算方法与解析法得到的结果基本一致,但由于半解析计算方法考虑了岩石的三维热传导,使得裂隙水的上游温度较低,而下游温度较高;无分布热源作用时,岩石热传导系数越大,裂隙水温度越低;裂隙水流速越大,裂隙进水温度对裂隙水和岩石温度分布的影响越明显;由于受到裂隙水流动传热的作用,分布热源对裂隙水温度和岩石温度的影响在裂隙水流的下游区域比较显著。     

Catalog of Enhanced Geothermal Systems based on Heat Sources

It is common sense that a deeper well implies higher temperature in the exploration of deep geothermal resources, especially with hot dry rock (HDR) geothermal resources, which are generally exploited in terms of enhanced geothermal systems (EGS). However, temperature is always different even at the same depth in the upper crust due to different heat sources. This paper summarizes the heat sources and classifies them into two types and five sub-types: crust-origin (partial melting, non-magma-generated tectonic events and radiogenic heat production), and mantle-origin (magma and heat conducted from the mantle). A review of global EGS sites is presented related to the five sub-types of heat sources. According to our new catalog, 71% of EGS sites host mantle-origin heat sources. The temperature logging curves indicate that EGS sites which host mantle-origin magma heat sources have the highest temperature. Therefore, high heat flow (>100 mW/m2) regions with mantle-origin magma heat sources should be highlighted for the future exploration of EGS. The principle to identify the heat source is elucidated by applying geophysical and geochemical methods including noble gas isotope geochemistry and lithospheric thermal structure analysis. This analytical work will be helpful for the future exploration and assessment of HDR geothermal resources.     

基于开挖的增强型地热系统概述

地热能赋存于地球内部岩土体、流体和岩浆体中,是一种永久的、可再生的、储量丰富的清洁能源。地热能的开发,尤其是干热岩的开发利用,有可能成为解决人类未来能源危机的重要途径。目前采用的干热岩开采方法被称为增强型地热系统(EGS)。热储地质环境的复杂性和水力化措施对天然裂隙的依赖性,造成多数的EGS项目存在热储体积和换热面积不足、工质流量小、终端温度低,以及诱发地震风险等局限性,致使干热岩开发始终未能大规模商业化。基于开挖的增强型地热系统(EGS-E)的提出为突破传统EGS的技术弊端和规模局限提供了新思路。文章在其概念模型的基础上,从系统原理、工程构想、技术优势等方面对EGS-E进行了更详尽的阐述。EGS-E采用开挖、爆破、崩落等采矿技术,形成了独特的热储致裂系统和热能交换系统,能够大幅度降低地质环境对热储质量的限制,具备构建定制的热储空间、形成充足的换热面积,维持稳定的工质流量与温度及减少诱发地震风险等优势,为干热岩开发的商业化提供了新的解决方案。