增強型地熱系統高溫熱儲熱流耦合數值模擬分析

＊袁安冬 唐文龍 汪麗娟 王海濤

（安徽建筑大學 環境與能源工程學院 安徽 230601）

引言

干熱巖（Hot Dry Rocks，HDR）地熱資源屬于一種深層熱巖體，埋深3～10km，溫度可達150℃以上，不含或含有少量流體，并需要通過壓裂造熱儲取熱，開采干熱巖資源的系統稱為增強型地熱系統（EGS）[1-3]。干熱巖資源具有儲量巨大且不受地域限制，換熱過程在地下對環境影響較小等優點。我國大陸地區干熱巖地熱資源儲量據估算約為20.9×1024J，儲量雖然大，然而我國對干熱巖的研發還處于初步研究階段，與發達國家相比還有一定差距[4-6]。

EGS是一個復雜的工程系統，開發干熱巖是流體介質在高溫熱儲中的流動換熱問題，而介質在熱儲中的換熱過程是一個典型的多場耦合問題，目前數值模擬方法因其經濟快速的特點可以高效模擬和分析EGS換熱耦合的過程，得到了廣泛的應用，國內外研究學者也對此作了一些研究：肖鵬、閆飛飛等[7]將水平井多裂縫開發技術應用于EGS，建立了三維EGS水平井平行多裂縫模型，利用CFX軟件分析了不同注入流量條件下EGS的性能，揭示裂縫中流體流動特征與EGS換熱機理的關系，從而提高EGS的經濟效益；翟海珍等[8]基于美國沙漠峰地熱田的地質背景，構建了基于圍巖的EGS平行多裂隙概念模型，對采熱過程進行數值模擬研究；段云星等[9]以云南騰沖熱海熱田為地質背景通過COMSOL軟件分析了EGS對井間距、注入流量等因素對系統采熱性能的影響，得出注入流量是主要關鍵因素；羅良等[10]基于分形分叉網絡模型研究了干熱巖儲層內裂隙對循環采熱過程的影響，得到影響采熱速率的關系式；Saeid等[11-12]對低溫EGS進行了一維和二維耦合模擬，通過對不同參數的比較，得出EGS的使用壽命取決于孔隙度、流量和井距的定量關系。

同時許多研究和現場證據發現，注入流體會沿著“裂隙”的優選流動路徑快速移動，注入井的水可以快速運移到裂隙性儲層中的產出井[13]。因此，筆者在總結前人的基礎上，利用COMSOL軟件建立單裂隙增強型地熱系統300℃高溫熱儲換熱模型，研究其運行40a的換熱過程，最后探究影響EGS高溫熱儲高效換熱的各項因素，為提高商業化采熱及熱儲的優化設計提供指導。

圖1 幾何模型

圖2 300℃高溫熱儲溫度變化規律云圖

1.模型的建立

(1)幾何模型

通過參考位于我國松遼盆地的大慶油田鶯深井2測井進行建模，選用地下3800～4300m段發育程度較好的區域作為研究對象，建立的理想3D熱儲模型整體尺寸為500m×500m×500m，包括上下基質、裂隙面、注入井和產出井與熱儲相交的開孔段。幾何模型如圖1所示，注入井與產出井直徑為0.2m，兩井相距400m，離熱儲兩邊的距離分別為50m和250m。

(2)邊界條件和初始條件

整個增強型地熱系統熱儲的模擬時間為40a，每個時間步長為0.5a，初始條件和邊界條件如下：

①溫度場：目前大部分的研究基本都以200℃左右的熱儲為主，本文研究300℃的高溫熱儲，整體模型初始溫度為300℃，注入井注水溫度為20℃，模型四周邊界絕熱。

②滲流場：模型初始孔隙壓力為靜水壓力40MPa。注入井口的邊界條件為流量，注入流量為10kg/s。為了保證水的循環，產出井出口壓力設為10MPa，儲層四周不可滲透。

(3)模型初始計算參數設置

模擬結果的準確性一定方面上取決于計算參數的選擇，本文水作為增強型地熱系統的循環工質，模型整體初始溫度300℃，壓力為40MPa，裂隙面厚度dl為3mm，其他參數見表1。

表1 熱物性參數表

續表

2.結果與分析

(1)溫度場變化規律

圖2為溫度場變化規律云圖，在運行初期階段，在注入井開孔段附近由于低溫水的注入，低溫水通過熱儲上下基質和裂隙面流動，與熱儲上下基質巖體和裂隙之間快速發生熱交換，熱量由熱儲傳到水，水的溫度升高。同時由于靠近注入井開孔段附近的熱量首先被帶出去，注入井開孔段周邊區域溫度快速降低，形成低溫區域。

對于40a長期的熱開采，隨著運行時間的推移，被冷卻的范圍越來越大，低溫區域沿著水平方向和豎直方向慢慢向產出井開孔段擴散，低溫區域半徑逐漸變大，形成由低到高的溫度梯度。EGS熱儲內由于裂隙面的滲透率要遠高于熱儲上下基質，導流能力較強，裂隙面成為水的主要流通通道。可以看到低溫區域在裂隙面通道的擴散比較快，這是因為對流換熱在裂隙面的作用更強，先沿著裂隙面到達產出井開孔段，但在熱儲上下基質巖體邊緣位置的擴散比較慢，裂隙面的低溫區域明顯高于上下基質低溫區域，會率先到達產出井開孔段附近。由此可見說明對于雙孔隙率連續介質模型EGS的熱提取較大的取決熱儲內的水流動。

(2)系統壽命和熱提取率評估分析

目前，大多數研究中在評估EGS熱儲壽命的普遍標準是出口溫度降為初始溫度的70%～90%時的時間作為EGS的運行壽命。本文從這個角度出發，定義了3種由低到高Standard：Standard1、Standard2和Standard3，具體內容是：當出口水溫降低為初始溫度70%、80%和90%時的時間作為EGS的運行壽命。

為了進一步了解熱儲的熱提取情況，定義熱提取率η(t)，作為研究熱儲的熱提取情況，表達式為：

式中：TC和T0(t)分別為初始時間和t時間產出井出口水溫，TS為3種Standard下EGS的末溫。

η(t)＜1表明出口水溫仍能被加熱到各自Standard下EGS的末溫，熱量提取還不夠充分，η(t)＞1表明出口水溫已經降到各自Standard溫度以下，熱量提取已經比較充分。圖3為3種Standard下EGS的熱提取情況，由圖可知，3種Standard在5a前增長緩慢，基本保持恒定，這是因為前5a水在到達產出井的溫度接近基質溫度。40a時，Standard1、Standard2,和Standard3的熱提取率分別為0.31、0.46和0.92，表明3種Standard40a內的熱量提取都不夠充分，還有提升空間，但Standard3熱提取率接近1，40a后熱量提取空間不大，也表明了EGS在Standard3下運行壽命約為40a。

圖3 3種Standard下EGS的熱提取率

3.結論

（1）越靠近注入井開孔段，溫度降低越快，熱儲內由于裂隙面的滲透率要遠高于熱儲上下基質，導流能力較強，裂隙面成為流體的主要流通通道，裂隙面的低溫區域影響半徑也明顯高于上下基質。

（2）通過對熱儲進行壽命和熱提取率發現：Standard越高，熱儲壽命越短，熱提取越充分，Standard越低，熱儲壽命越長，熱提取不夠充分，其中Standard3在40a時熱提取率為0.92，其后熱量提取空間不大，而Standard1、Standard2 40a的熱提取率分別為0.31、0.46，熱量提取仍有大量空間，實際對熱儲運行壽命和熱提取率進行評價時，應根據實際EGS的用途選擇合適的標準。