增强型地热系统不同注采井网参数分析

针对增强型地热系统中水通过复杂裂缝系统提取干热岩储层热量的过程,基于离散裂缝网络模型热流耦合构建了增强型地热系统的解析模型,利用Laplace变换得到了干热岩储层解析解,分析了在五点井网开采下注采井网参数对出口端温度及热提取的影响。研究结果表明:不同裂缝网络和井网模型下出口端温度下降幅度和热突破的时间不同;在相同裂缝网络下,井距越大,热突破时间越晚,当井距分别为50.0、100.0和150.0m时,热突破时间分别为2.0、5.2和15.0a;注水速率越小,温度下降越慢,当注水速率分别为0.1,0.2和0.3kg/s时,生产20.0a,温度下降幅度分别为53.0,34.5和26.8℃;通过正交实验分析方法得到注采参数中井距影响最大,其极差为13.15,其次为注水速率和注水温度,井网模型影响最小。     

松辽盆地增强型地热系统(EGS)地热能开发热-水动力耦合过程

增强型地热系统地热能开发涉及到热和水动力的耦合,对应的温度和压力场时空变化特征是评价地热开发效果的关键问题。基于松辽盆地徐家围子深部地质条件,采用TOUGH2进行了地热能开发过程中裂隙-孔隙介质系统中温度和压力变化的数值模拟,分析了不同埋深水平情况下地热能开发的差别,研究了孔隙基质和裂隙介质的渗透率和孔隙度、岩石导热系数、井径、注入压力、注入温度及裂隙周围基质因素对地热能开发的影响。结果表明：采用定压力开发时生产井抽出控制整个区域的压力分布,压力梯度在注入井区域较大,并随着开发的进行,注入井的注入对压力的影响逐渐增大;温度由注入井到生产井逐渐增大,并随着开发的进行温度降低范围逐渐向生产井扩大;质量和热提取速率随时间逐渐减小。不同埋深位置的模拟结果显示,埋深大的温度相对较高,水的流动性较强,质量和热提取速率较高,压力和温度变化幅度均较大。裂隙系统的渗透率、注入井/生产井压力和注入温度、井径对深部地热开采过程中的压力和温度影响较大,从而影响热的提取效率;而孔隙基质的渗透率和孔隙度、裂隙介质的裂隙度和岩石的热传导系数的影响并不明显。     

渤海湾盆地应用增强型地热系统（EGS）的地质分析

全球地下3～ 10 km普遍分布的高温低渗岩体中蕴藏着巨大的热能,利用增强型地热系统(EGS)技术可以实现这部分热能的开发.本文通过对近年增强型地热系统的研究进展和经验的综述,结合区域地质分析和有限元模拟,探讨了渤海湾盆地应用增强型地热系统开发的可行性.我国渤海湾盆地处于岩石圈减薄区,区域大地热流值高,地热资源丰富;基于该区的岩石圈热状态、基底构造形态对渤海湾盆地典型剖面地下10 km内的地温场进行了有限元模拟,结果表明,在基底凹陷区埋深5 km处地温可达150 ～180℃,地温等温线随基底起伏而变化.相比美国、欧洲现有的EGS开发地区,渤海湾盆地具有相似的地温条件和地质条件,适于开发增强型地热系统.通过分区块的资源概算,得出渤海湾盆地陆上部分的增强型地热系统可及资源量可达3775GWe,具有广阔的开发前景.     

基于微地震数据的增强型地热储层参数及采热的数值模拟研究

发展清洁、稳定、可再生的干热岩型地热资源对于缓解能源危机、减轻环境污染、改善人类健康具有重要意义。增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS) 是一项改造干热岩天然储层,高效开发地热能资源的先进技术。以澳大利亚库珀盆地地热储层为研究对象,基于水力压裂实测微震数据,建立了三维分区均质渗透率模型和非均质渗透率模型,分别进行储层温度场、流场及采热性能变化的研究,并对比其差异。结果表明：在同样的注采流量下,由于非均质模型中微震事件集中于井口附近,进而形成明显的优势流动通道,流体从注入井更快流向生产井,温度下降速度相对更快,分区均质模型中优势流动通道没有非均质模型明显,温度下降速度较慢;地热模型运行期间分区均质模型的采热量变化相对稳定,降幅为3.74%,非均质模型采热量降幅较大,为12.72%。分区均质模型的模拟结果相比于非均质模型,温度下降幅度小、采热量高;但实际储层中的渗透率分布不均,分区均质模型的模拟采热量相比实际采热量偏高,因此在实际应用中,非均质模型的模拟结果对实际工程更具参考意义。     

地铁联络通道冻结施工的热流固(THM)耦合分析

随着城市地铁规模的不断发展, 冻结法在地铁联络通道施工中得到了广泛应用.为了得到合适的地层冻结工艺参数和指标, 了解开挖隧道对地层稳定性的影响, 保证工程的安全性, 基于考虑相变及冻胀的热-流-固(THM)耦合理论, 采用COMSOL有限元分析软件模拟某地铁联络通道水平人工冻结及开挖施工过程.分析了冻结过程中地层温度场、渗流场及位移场的变化规律, 研究了开挖后地层位移场的分布规律.结果表明: 由于水渗流作用, 温度场和位移场的分布不再关于y轴对称;在人工冻结过程中, 地表处冻胀位移的最大值出现在y轴以右, 冻胀量变化表现为先线性增长, 而后趋于稳定.总体上, 实施人工冻结可以很好地增加周围土体的强度及稳定性, 对止水和抑制地层变形具有良好的效果.     

Thermo-economic Investigation of an Enhanced Geothermal System Organic Rankine Cycle and Combined Heating and Power System

As a potentially viable renewable energy, Enhanced Geothermal Systems (EGSs) extract heat from hot dry rock (HDR) reservoirs to produce electricity and heat, which promotes the progress towards carbon peaking and carbon neutralization. The main challenge for EGSs is to reduce the investment cost. In the present study, thermo-economic investigations of EGS projects are conducted. The effects of geofluid mass flow rate, wellhead temperature and loss rate on the thermo-economic performance of the EGS organic Rankine cycle (ORC) are studied. A performance comparison between EGS-ORC and the EGS combined heating and power system (CHP) is presented. Considering the CO2 emission reduction benefits, the influence of carbon emission trading price on the levelized cost of energy (LCOE) is also presented. It is indicated that the geofluid mass flow rate is a critical parameter in dictating the success of a project. Under the assumed typical working conditions, the LCOE of EGS-ORC and EGS-CHP systems are 24.72 and 16.1 cents/kWh, respectively. Compared with the EGS-ORC system, the LCOE of the EGS-CHP system is reduced by 35%. EGS-CHP systems have the potential to be economically viable in the future. With carbon emission trading prices of 12.76 USD/ton, the LCOE can be reduced by approximately 8.5%.     

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.     

干热岩资源和增强型地热工程:国际经验和我国展望

干热岩（HDR）是一种没有水或含有少量水的高温岩体,保守估计地壳中3~10 km深处干热岩所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。增强型地热系统（EGS）是指通过水力压裂等工程手段在地下深部低渗透性干热岩体中形成人工地热储层,采出相当数量热能的人工地热系统。EGS的研究与开发已有40年的历史,但早期只局限在美国、英国、法国、日本、澳大利亚等国家,我国这方面的研究于近几年起步。目前干热岩的开发面临诸多挑战,如大体积人工裂隙热储的建造、实现EGS商业化需要进一步研究和技术开发等。本文回顾分析了国际上重要EGS示范场地建设和研究过程中所取得的经验和积累的教训,讨论了我国近几年的研究进展,希望为我国今后EGS研究和工程化示范提供参考和借鉴。     

增强型地热系统采热性能影响因素分析

为了综合分析增强型地热系统各参数对系统采热性能的影响,以及参数相互之间的影响规律,以云南腾冲热海热田为地质背景,利用正交设计思想通过数值模拟方法对井间距、注入流量、注入温度、储层渗透率等因素的变化进行了分析。结果表明：注入流量是影响系统采热性能的关键因素,并对注入温度、井间距的确定有显著影响;注入流量越大,系统稳定采热时间和运行寿命越短,且注入流量较小的变化（提高0.06 m³/s）会对系统采热温度产生较大的影响（降低47℃）;增加注入温度可以提高系统的采热温度和运行寿命,但注入温度升高30℃、运行50 a后采热温度只提高10℃,效果有限;井间距、渗透率、开采压力对系统采热性能的影响相近,且远小于注入流量。     

基于构造分析的辽宁汤岗子地热系统概念模型研究

通过分析辽东地区深部和浅部构造特点,研究汤岗子地热田的成因,查明地热系统的储、盖、通、源,建立热水系统的概念模型：深部构造是地热发育的重要背景条件,在其影响下的浅部构造体系构成了基岩地区地下裂隙水的运移通道和赋存空间,深循环水在运移途中接受来自深部的热流加热形成热水,并在一定条件下出露地表形成温泉,同一个区域地下水流动系统可以发育多个热储,各个热储之间存在间接的能量和物质联系。     

Thermodynamic and Techno-economic Analysis of a Triple-pressure Organic Rankine Cycle:Comparison with Dual-pressure and Single-pressure ORCs

Investigation of a triple-pressure organic Rankine cycle (TPORC) using geothermal energy for power generation with the net power output of the TPORC analyzed by varying the evaporation pressures, pinch temperature differences (tpp) and degrees of superheat (tsup) aimed to find the optimum operation conditions of the system. The thermodynamic performance of the TPORC was compared with a dual-pressure organic Rankine cycle (DPORC) and a single-pressure ORC (SPORC) for geofluid temperatures ranging from 100°C to 200°C, with particular reference to the utilization of a hot dry rock (HDR) geothermal resource. Thermodynamic performances of the TPORC system using eight different organic working fluids have also been investigated in terms of the net power outputs. Results show that a higher geofluid mass flow rate can make a considerable contribution to shortening the payback period (PBP) as well as to decreasing the levelized electricity cost (LEC), especially when the geofluid temperature is low. For the temperature range investigated, the order from high to low based on thermodynamic and techno-economic performances is found to be TPORC > DPORC > SPORC. In terms of using geothermal resources within the given temperatures range (100°C–200°C), the TPORC system can be a better choice for geothermal power generation so long as the wellhead geofluid temperature is between 140°C and 180°C.     

FixAl及同位素方法在EGS返排液研究中的应用

增强地热系统(EGS)是开采低渗透率热岩体中热能的技术,属于广义的地热储工程。其中,作为换热介质被注入岩体并在换热后返回地表的返排液,不仅是岩体地球化学特征的信息载体,而且其物理化学行为直接影响着EGS系统的运行效果。FixAl化学热力学模拟和水同位素十三线图解在天然水热系统评价中得到了广泛应用,对返排液研究的实用性则是文章的核心问题。文中收集了全球主要EGS项目的返排液资料,基于FixAl方法分析矿物与返排液的化学平衡状态,并计算了流体在深部的热交换温度,用同位素模型验证了EGS系统中原生卤水的驱替过程。研究结果表明,上述方法在EGS返排液研究中是适用的。此外,返排液的化学特征对EGS的指示意义还包括厘定原生卤水在返排液中所占比例,识别岩浆挥发分溶解及储层改造时的添加剂残留,预测结垢趋势和流体腐蚀性等。未来需要通过更多的实验和模拟方法深入研究返排液的化学特征,建立EGS的热-水-力-化学(THMC)耦合模型,为科学开发深层地热能提供依据。     

基于水文地球化学特征的辽宁丹东地区地热水成因模式研究

辽宁丹东地区地热资源丰富,阐明其地热田的成因模式对于区域热水资源的可持续开发利用具有重要意义。以区内北汤、东汤、五龙背地热田为研究对象,进行水化学和同位素分析。结果表明,北汤、东汤、五龙背地热水的水化学类型分别为SO₄·Cl-Na·Ca型、HCO₃·SO₄-Na型、 HCO₃-Na·Ca、HCO₃·SO₄-Na和HCO₃·Cl-Na型。研究区的热水来源为大气降水,北汤、东汤地热田的补给高程分别为678 m和376 m。根据¹⁴C测年方法,得出北汤、东汤和五龙背地热田地热水年龄分别为2 000~3 300 a B.P.、2 200~7 200 a B.P.和700~2 900 a B.P.。根据二氧化硅地温计和lg(Q/K)方法,北汤、东汤和五龙背地热田的热储温度分别为92 ℃、120 ℃和100~101 ℃,相应的地热水循环深度分别为1 900 m、3 000 m和800~1 800 m。地热水接收大气降水入渗补给,经断裂带深循环加热,于NNE和NW向两组断裂交汇处上涌进入浅部含水层或出露地表成泉,属中低温对流型地热系统。