本文關(guān)鍵詞：考慮流體損失的增強型地熱系統(tǒng)（EGS）數(shù)值模擬研究　出處：《中國科學技術(shù)大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：當代社會對能源的需求越來越大,然而,目前作為主要能源的化石燃料一方面面臨著日益枯竭的問題,另一方面也帶來了嚴重的環(huán)境問題。因此,有必要大力開發(fā)清潔的可再生能源。地熱能是一種儲量豐富、清潔的可再生能源,而增強型地熱系統(tǒng)(enhanced geothermal system,EGS)可以持續(xù)提供機載電能,被認為具有巨大的應(yīng)用前景而廣受關(guān)注。為此,一些國家正積極嘗試相關(guān)的開發(fā)工作,各國研究者也對EGS做了很多研究。目前,用于EGS熱開采的工質(zhì)主要是水和CO2,由于地層滲漏等原因,EGS系統(tǒng)在運行過程中,都不可避免地存在著流體損失。然而,在以水為工質(zhì)的EGS(H2O-EGS)系統(tǒng)中,研究者很少考慮水損失的影響;在以CO2為工質(zhì)的EGS(CO2-EGS)系統(tǒng)中,也僅有少數(shù)研究者對CO2損失(即CO2封存)進行了大致的估算,而沒有進行系統(tǒng)的模擬和分析;此外,目前對H2O-EGS和CO2-EGS系統(tǒng)的熱開采的影響因素的分析還不夠完整,并且沒有研究者對CO2-EGS系統(tǒng)中的CO2封存的影響因素進行分析。因此,本文圍繞EGS熱開采過程進行了數(shù)值模擬工作,主要對H2O-EGS和CO2-EGS系統(tǒng)的影響因素進行了系統(tǒng)、深入的研究。地層熱物性是研究EGS系統(tǒng)的重要參數(shù),針對地層熱物性測量困難的問題,本文首先提出了一種分析EGS地層熱物性分布的新方法。該方法采用向同心雙井筒地熱井外筒中注入冷水、從內(nèi)筒中抽出水并測量外筒中水溫變化的方式,基于外筒中的水溫與地層熱導率、體積比熱容等參數(shù)的關(guān)系,利用蒙特卡洛方法分析EGS地層的熱導率和體積比熱容隨井深的分布。采用該方法對一口虛擬地熱井進行了分析,計算結(jié)果顯示地層熱導率的平均相對誤差為1%,地層體積比熱容的平均相對誤差為5%,從而驗證了該方法的可行性。該方法能夠分析原始地層條件下的EGS地層熱物性,方便、高效、經(jīng)濟。為了準確地分析存在流體損失的EGS熱開采過程,建立了針對雙井EGS的三維傳熱-流動(thermal-hydrologic,TH)耦合的單孔隙率數(shù)值模型,并進行了驗證。該模型包括井筒傳熱傳質(zhì)模型和多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)模型兩部分,和考慮流體損失的傳統(tǒng)EGS模型相比,該模型還考慮了井筒與地層的傳熱、由儲層向地層的三維流體損失、儲層滲透率各向異性、熱開采速率。將該三維TH數(shù)值模型應(yīng)用到Fenton Hill EGS,并與實驗數(shù)據(jù)進行了對比,模擬得到的注入和產(chǎn)出流量的平均相對誤差分別為5%和9%,從而驗證了該三維TH數(shù)值模型的可行性�；诰矀鳠醾髻|(zhì)模型和一個二維井筒數(shù)值模型,分析了井筒與地層的傳熱的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn):地層的有效傳熱半徑大概為40m,由于一般EGS中井與井之間的間距大于80m,因此,在熱開采分析過程中,可以忽略井與井之間的影響;但是,井筒與地層的傳熱對結(jié)果有一定的影響,因此,考慮井筒中的傳熱是很有必要的�；诮⒌娜STH數(shù)值模型,對H20-EGS熱開采的11個影響因素進行了全面的研究和分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著地層滲透率的增大,水損失流量增大,產(chǎn)出流量減小,導致穩(wěn)態(tài)熱開采速率減小而熱突破時間基本不變,因此,忽略由儲層向地層的水損失將會過高估計整個運行時間內(nèi)的熱開采速率;水損失比例隨著儲層平均滲透率與地層滲透率的比值的增大而減小,當該比值大概小于2000時,有必要考慮水損失;現(xiàn)有大多數(shù)文獻所采用的均勻儲層滲透率假定,將會過高估計熱開采;豎直方向的儲層滲透率分量對熱開采的影響很小,而水平方向的兩個儲層滲透率分量對熱開采的影響較大,并且這兩個水平方向的儲層滲透率分量的比值大概等于1:1時的熱開采性能最高;多孔介質(zhì)的初始溫度對熱開采有重要影響,因此有必要考慮隨著儲層冷卻引起的水的熱物性的變化;注入井或產(chǎn)出井趨近于儲層邊緣時,產(chǎn)出流量會減小從而抑制熱開采,并且熱突破時間不隨注入井與儲層中心的距離而變化,因此建議兩井應(yīng)該布置在距離儲層邊緣20-25 m的位置;固定兩井位置,增大儲層體積對熱開采的影響很小,因此為了提高EGS性能,增大儲層體積應(yīng)該配合優(yōu)化布井方案同時進行;最佳的開孔長度等于儲層豎直方向尺寸;隨著產(chǎn)出壓力的增大,水損失流量緩慢增大,而產(chǎn)出流量減小,從而抑制熱開采;結(jié)果顯示熱突破時間主要與產(chǎn)出流量和水損失流量有關(guān),因此水損失對熱開采有重要影響。在上述模型的基礎(chǔ)上,考慮隨時間變化的流體壓力和速度分布,將穩(wěn)態(tài)流動發(fā)展到瞬態(tài)流動,并基于該發(fā)展的三維TH數(shù)值模型對CO2-EGS系統(tǒng)中的熱開采和CO2封存進行了動態(tài)模擬,同時對CO2-EGS和H2O-EGS系統(tǒng)進行了對比研究。固定注入與產(chǎn)出壓力之差不變,研究了不同注入壓力條件下的兩種EGS系統(tǒng),結(jié)果發(fā)現(xiàn)CO2-EGS系統(tǒng)和較低注入壓力條件下的H2O-EGS系統(tǒng)的儲層平均滲透率相差較小,即儲層流體平均壓力相差較小,此外,CO2-EGS系統(tǒng)需要較高的注入壓力而H2O-EGS系統(tǒng)不需要,因此,CO2-EGS系統(tǒng)和較低注入壓力條件下的H2O-EGS系統(tǒng)兩者具有較好的可比性。對比發(fā)現(xiàn)CO2-EGS比H2O-EGS具有較高的熱開采性能,并且CO2-EGS的熱開采的優(yōu)勢在較低的儲層平均滲透率、較低的儲層初始溫度、較小的井筒深度和較高的地層滲透率的情況下更大。與H2O-EGS相比,CO2-EGS具有較高的流體損失流量(尤其是在較高的儲層平均滲透率、較高的儲層初始溫度和較小的井筒深度的情況下),并且具有較低的流體損失比例(尤其是在較低的儲層平均滲透率和較低的儲層初始溫度的情況下),這顯示目前所通常采用的基于H2O-EGS的流動實驗數(shù)據(jù)來計算CO2封存是不準確的。對于CO2-EGS,隨著地層滲透率的增大,流體損失流量和流體損失比例都增大,而熱開采速率緩慢減小,這顯示地層滲透率對CO2封存和熱開采都具有重要的影響,因此有必要考慮由儲層向地層的CO2損失。上述研究結(jié)果顯示,C02-EGS系統(tǒng)可以在熱開采的同時實現(xiàn)CO2封存,因此,本文最后基于發(fā)展的三維TH數(shù)值模型,針對C02-EGS,分別分析了注入?yún)?shù)對熱開采和CO2封存的影響。隨著注入壓力的增大,產(chǎn)出流量和穩(wěn)態(tài)熱開采速率增大,并且流體損失流量和流體損失比例也增大;因此,增大注入壓力將促進CO2-EGS的熱開采并增大C02封存量。隨著產(chǎn)出壓力的增大,產(chǎn)出流量和穩(wěn)態(tài)熱開采速率減小,而流體損失流量和流體損失比例增大;因此,增大產(chǎn)出壓力將抑制CO2-EGS的熱開采但是可以增大CO2封存量。隨著注入溫度的增大,產(chǎn)出流量和穩(wěn)態(tài)熱開采速率減小,并且流體損失流量和流體損失比例也減小;因此,減小注入溫度將促進CO2-EGS的熱開采并增大C02封存量。研究結(jié)果可以對考慮CO2-EGS綜合性能的注入?yún)?shù)優(yōu)化提供參考。
[Abstract]:In the EGS ( CO2 - EGS ) system with CO2 as the working medium , some researchers have carried out a lot of research on the thermal properties of the EGS system . The results show that the effective heat transfer radius of the formation is about 40m , and the average relative error between the well and the formation is very small as the formation permeability increases , and the average relative error of the reservoir permeability component in the vertical direction is higher than that of the formation . The results show that CO2 - EGS has higher average permeability , lower reservoir initial temperature , smaller wellbore depth and higher formation permeability . The results show that CO2 - EGS has higher average permeability , lower reservoir initial temperature , smaller wellbore depth and higher formation permeability . Therefore , increasing the output pressure will inhibit the thermal recovery of CO2 - EGS but increase the CO2 sequestration . As the injection temperature increases , the output flow and steady - state thermal recovery rate decrease , and the fluid loss flow and the fluid loss ratio are also reduced ; therefore , decreasing the injection temperature will promote the thermal recovery of CO2 - EGS and increase CO2 sequestration . The results of the study can provide a reference to the optimization of injection parameters taking into account the comprehensive performance of CO2 - EGS .

【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TK52

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1 王昌龍;考慮流體損失的增強型地熱系統(tǒng)（EGS）數(shù)值模擬研究[D];中國科學技術(shù)大學;2017年

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本文編號：1422320