【摘要】：幾個世紀以來能源問題始終是影響人類社會穩(wěn)定與發(fā)展的關(guān)鍵因素,針對當前環(huán)境惡化以及化石能源枯竭問題,全世界已將目光匯聚到開發(fā)新型可再生能源。地熱能作為一種新型清潔能源,由于其分布范圍廣且不受空間展布限制等優(yōu)勢,已經(jīng)成為繼水力、生物質(zhì)能之后的最具開發(fā)潛力的可再生能源。中國地熱資源儲量豐富,但對地熱資源的開發(fā)與利用仍處于發(fā)展階段,地熱能供暖是有效利用地熱資源的一種重要途徑,其不僅能夠緩解冬季能源供應(yīng)壓力,也可以有效減輕環(huán)境負擔。目前我國利用地熱資源供暖主要是提取淺層地熱資源和部分低品的水熱型地熱資源,然而在實際工程中水熱型地熱資源空間分布受構(gòu)造地形所限,無法大面積實施,而淺層地熱能供暖常伴隨供暖量與供暖效率問題,尤其是東北地區(qū),冬季極為寒冷,常用的地熱供暖模式無法進行有效推廣。針對上述問題,為促進地熱資源供暖在東北地區(qū)的合理推廣,本文依托吉林省省校共建計劃專項“深部地熱資源(含干熱巖)勘查與開發(fā)利用”(項目編號:SF2017-5)、“十三五”國家重點研發(fā)計劃子項目“壓裂監(jiān)測與人工儲層裂隙網(wǎng)絡(luò)評價”(項目編號:2018YFB1501803-02),以及國家自然科學基金項目“增強型地熱系統(tǒng)儲層低溫誘導開裂機理與模型研究”(項目編號:41602243),開展“吉林松原中深層地熱供暖潛力及模型研究”,探索適用吉林地區(qū)的地熱供暖新方向。本文首先通過搜集已公開資料結(jié)合區(qū)域構(gòu)造、地層條件、地溫特征等因素綜合評估研究區(qū)中深層地熱資源潛力。研究區(qū)熱源主要為燕山期、華力西期花崗巖,基底花崗巖為較好的干熱型熱儲,在基底花崗巖熱儲層之上覆蓋有近2000m的白堊系下統(tǒng)蓋層,區(qū)域內(nèi)部發(fā)育多級斷裂體系形成良好的傳熱通道,因此研究區(qū)具有較好的地熱生成條件。研究區(qū)中深層具有較高的地溫梯度,大地熱流范圍在73~79 mW/m~2,經(jīng)過計算評估,松原地區(qū)中深層水熱型地熱資源量為6.5×10~(20)J,折合標準煤2.22×10~(10)t;干熱型地熱資源量為7.38×10~(21)J,折合標準煤2.52×10~(11)t,無論是水熱型還是干熱型地熱資源,儲量都十分豐富具有較高的開發(fā)潛力,在當前政策形勢下有很好的開發(fā)前景。室內(nèi)實驗方面,通過研究區(qū)花崗巖巖石室內(nèi)熱物性實驗與高溫力學實驗,獲得儲層巖性參數(shù),通過室內(nèi)清水壓裂試驗分析研究區(qū)花崗巖的壓力破壞特性以及壓裂后滲流效果。研究區(qū)花崗巖密度范圍在2.763-2.926g/cm~3;孔隙度變化范圍在1.39%-2.78%,滲透率變化范圍在0.255md-0.327md;平均縱波波速為5.132km/s,平均橫波波速為3.104 km/s;比熱容變化范圍在0.704-0.748kJ/(kg·℃);巖石軸向?qū)嵯禂?shù)在2.455-2.932w/m·K,徑向?qū)嵯禂?shù)在2.391-2.887w/m·K;分析在不同溫度下巖石單軸抗拉強度、三軸抗壓強度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、斷裂韌度、彈性模量和泊松比等力學參數(shù)的變化規(guī)律;討論巖石破裂壓力受圍壓、流速影響的變化規(guī)律,確定試樣實驗室壓裂后裂隙滲透率在5.2×10~(-14)~1.1×10~(-13)8)~2之間�，F(xiàn)場試驗方面,在松原研究區(qū)創(chuàng)新1井場地開展周期2個月的中深層換熱現(xiàn)場試驗,實驗結(jié)果顯示研究區(qū)地溫梯度在縱向分為四個梯級:0-103m為1℃/hm、104-451m為7.19℃/hm,452-901m為3.79℃/hm,902-2044m為5.4℃/hm,井底溫度為107.3℃,平均地溫梯度為5.07℃/hm。系統(tǒng)初始運行時流體進出口溫度分別為36.7℃和58.2℃,運行兩個月后進出水溫度分別為29.1℃和43.0℃。系統(tǒng)初始運行和運行兩個月后內(nèi)管中出水流體溫度在井口較井底分別下降2.5℃和1.5℃,由于熱負荷的運行,供熱功率由初始的368.15W/m下降到238W/m。模型研究方面,首先針對研究區(qū)現(xiàn)場試驗過程建立中深層同軸套管供暖模型,對現(xiàn)場換熱試驗過程進行模擬與驗證,開展不同工況下取熱能力的分析與研究。模擬結(jié)果顯示,系統(tǒng)運行兩個月后,出口流體溫度在熱負荷100W/m、200W/m、300W/m、400W/m條件下對應(yīng)的熱損失分別為0.42℃、0.52℃、0.69℃、0.73℃。300W/m工況與現(xiàn)場試驗進行對比,結(jié)果有較好的契合度。在同軸套管底部地層溫度下降的影響范圍與套管-巖石(土)距離有關(guān),本試驗中在距離6m時,地層溫度幾乎不受流體的影響。其次建立研究區(qū)中深層地熱資源EGS(Enhanced Geothermal System)供暖模型,針對研究區(qū)地層特征建立不同施工條件下的16個壓裂模型并進行壓裂模擬分析。模擬結(jié)果顯示壓裂裂縫半長在179.2-290.0m之間,裂縫高度在121.6-137.7m之間,最大開度為14.8mm,最大導流能力和滲透率分別為1038.1mD?m與70.14D。分析支撐劑濃度、施工排量、壓裂液體積對壓裂結(jié)果的影響,并最終選擇方案12作為研究區(qū)最優(yōu)壓裂方案。在此壓裂結(jié)果基礎(chǔ)上開展EGS三維水熱耦合模擬研究,對影響換熱效果的設(shè)計參數(shù)進行敏感性分析,分析注水速率、布井間距、注水溫度換熱效率的影響。最后提出創(chuàng)新1井地熱供暖模型優(yōu)化設(shè)計方案,開展研究區(qū)中深層地熱供暖潛力綜合分析并進行環(huán)境與環(huán)境經(jīng)濟性評價。優(yōu)化方案選擇8kg/s的注入流速、400m布井間距與30℃注水溫度施工方案,模擬系統(tǒng)運行20年,EGS供暖系統(tǒng)的平均產(chǎn)熱功率為1.99MW,流動阻抗達到2.43MPa/(kg/s),平均能源效率達到11.43且20年中始終保持在9.9以上。EGS換熱供暖系統(tǒng)運行20年累計供暖產(chǎn)能1.25×10~(15)J,每年平均可保證39000平方米供暖需求,預(yù)期10-15年可收回投資成本,運行期間累計節(jié)約用煤6.08×10~4t,減少CO_2排放量1.08×10~5t,減少SO_2排放量9.35×10~5kg,減少NO_x排放量1.46×10~6kg。
【圖文】：

已探明的化石燃料資源逐年略有提升，但面些增長明顯杯水車薪。截至 2017 年末，全球探明石儲量 193.5 萬億立方米，按照當年產(chǎn)量水平，分別的產(chǎn)量[1]，能源安全問題已成為當今世界亟需解決源統(tǒng)計年鑒（2018 版）顯示，中國 2017 年一次萬噸油當量）（如圖 1.1）為世界首位，能源消費增連續(xù)十七年成為全球能源消費增量最大的國家[1]。結(jié)構(gòu)組成的持續(xù)優(yōu)化，新能源比例逐漸提高，但就占我們能源結(jié)構(gòu)的主體地位，如圖 1.2 所示。石油口依賴度連年提高，大量的不可再生能源消費給我氧化碳等溫室氣體排放量也由連續(xù)兩年的逐漸減少同時空氣質(zhì)量下降、霧霾加重帶來的社會問題也接顯，能源供應(yīng)轉(zhuǎn)型迫在眉睫。

二十世紀七十年代，美國洛斯阿拉莫斯（LANL）實驗室首次提出 EGS 概念，從美國 Fenton Hill 場地進行初次測試到截至目前，，全球已有 30 多個地熱場地在進行或計劃進行 EGS 工程試驗[95]，在美國、澳大利亞、歐盟等發(fā)達國家均有已建設(shè)成的 EGS 示范場地（如圖 1.3）。EGS 工程具有較高的開發(fā)風險，技術(shù)實施的可行性取決于場地的地質(zhì)狀況，在過去的四十年中，儲層的壓裂工藝隨著油氣生產(chǎn)的經(jīng)驗也在快速發(fā)展�；谑┕さ碾y易程度，美國將 EGS 工程技術(shù)分為三類，即典型地熱區(qū)域 EGS 工程（greenfield EGS）、近傳統(tǒng)地熱區(qū)域 EGS 工程（near-field EGS）和傳統(tǒng)地熱區(qū)域 EGS 工程（in-field EGS）。早期的 EGS 試驗都處在難度較大的 greenfield EGS 區(qū)域，成功率普遍偏低，但隨著水力壓裂技術(shù)的逐步成熟，EGS 工程的成功率也在逐漸增加，經(jīng)過多年經(jīng)驗總結(jié)工程選址對EGS 施工能否成功具有較大影響[96]。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：P314;TU832

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本文編號：2590293