热补偿作用下增强型地热系统热流动三维动态模拟

热补偿作用下增强型地热系统热流动三维动态模拟

0热储裂隙岩体的温度演化影响近年来，随着世界岩浆岩资源总量的加快和开发利用环境保护的加剧，人类必须尽快开发清洁能源。利用3km低渗绿色晶体热涂层（egs）的能耗目标为km以下的低渗干热系统，正逐渐成为世界各国新能源发展的重点方向之一。egs通过手动手段（如水流激励）在干燥的岩石中建立高渗人工热储量，并向低温液体介质中注入可更换能耗。将热流泵输送至地板并在环境中产生热流。研究表明，egs具有良好的研发价值和广阔的应用前景。理解地下岩体中的热量迁移过程对于高效开采HDR中的热能具有重要意义.通过水力激发等方式建立的人工热储是一个有限的空间,在采热过程中,热储周围岩体中几乎不存在流体的流动,循环工质采集的热量主要来源于热储.随着EGS的运行,热储与周围岩石之间会出现越来越大的温差,周围岩石对热储将产生一定的热补偿作用(thermalcompensation).热补偿的长期积累最终会对采热性能及EGS的运行寿命产生一定影响.在当前的EGS研究中,涉及到热补偿作用的研究工作极少,探究热补偿对地下采热过程的细节影响对提高EGS的经济性有一定的参考价值.由于人工热储内裂隙网络的极端复杂性,精确构建与实际情形相同的物理模型非常困难.在对EGS的数值模拟工作中,依据热储内裂隙的不同物理描述,当前的数值模型可分为三类:单孔隙率模型(singleporositymodel),双孔隙率模型(dualporositymodel)和多孔隙率模型(multi-porositymodel).单孔隙率模型宏观上均化了裂隙和岩体骨架的物性参数,数学描述时将热储视为均匀性质的多孔介质、计算量较小.但由于传统的单孔隙率多孔介质采用的是局部热平衡(localthermalequilibrium)假设,不能描述岩石骨架和裂隙流体之间的对流换热.双孔隙率模型将热储分为两个均质的多孔介质子区域:低孔隙率的岩石区和高孔隙率的裂隙网络区.虽然这种模型仍采用局部热平衡假设,但由于其分别处理岩石区温度和裂隙流体区温度,因此也可近似处理流体和岩石之间的对流换热,当前应用较为广泛(如TOUGH2,TOUGHREACT).但双孔隙率模型中考虑的裂隙往往只能是简单理想的直通道(组),而且裂隙区和岩石区各自的物性参数无法通过地质勘测或实验数据直接得到,较难于准确设定.多孔隙率模型考虑了实际热储中裂隙的空间分布与几何形状,通过设定地质物理参数在空间的分布函数来实现更精确的模拟.但这需要大量的实地数据支持,当前还未见广泛应用.我们在综合考虑上述裂隙岩体内流体数值模拟方法的基础上,提出了单孔隙率双能量方程模型.本文运用该模型对不同地质条件下EGS的长期运行过程进行模拟,分析热储周围岩石的热补偿对EGS热产出以及热储内岩石、流体温度演化的影响,为EGS的相关应用提供启示.1模型建立及求解EGS的地下部分由注入井、生产井、热储和热储周围的岩体等三个不同的区域组成(图1).模型将EGS的地下部分分为三个性质不同的子区域:①开放流道性质的注入井和生产井;②多孔介质性质的热储;③渗透性可忽略不计的热储周围岩石.模型假设单相流体流动,不考虑循环流体与岩石的化学作用以及流体物性的变化,同时忽略岩石热应变导致的热储孔隙率以及渗透率的变化.采用的控制方程如下:连续性方程动量方程流体的能量方程岩石的能量方程式中ε,ρ,u,P,μ,K,cp和g分别表示热储孔隙率,密度,流体表观速度,压强,流体动力粘性系数,热储渗透率,比热容和重力加速度.h和a分别表示岩石-流体对流换热系数和热储内裂隙的比表面积,下标s和f分别代表固体岩石和流体.在EGS的实际运行中,热储中基岩温度往往较高(>423.15K),而注入的循环流体一般为浅层地下水或地面电厂发电后排出的温水或进一步利用后的低温热水(<353.15K),采热流体和热储岩石之间存在较大的温差.为充分考虑岩石和流体之间的对流换热,模型基于局部非热平衡(localthermalnon-equilibrium)思想.数值求解采用通用计算流体软件FLUENT6,通过加载用户自定义函数(user-definedfunctions)来实现各特殊项处理.模型的详细描述及具体求解方法请参考文献.2热储系统构成为探究热储周围岩石的热补偿对EGS采热过程的影响,考虑如图2所示的某假想双井EGS.人工热储的体积为500m×500m×500m,在xy平面呈菱形,热储中心位于地表以下4000m深处.整个计算区域大小为6000m×2000m×2000m,热储周围包覆有足够体积的致密岩体.注入井和生产井均为0.2m×0.2m的方形通道.初始时刻,整个系统内岩石的温度分布随深度(即-y方向)线性增加,热储中裂隙流体与当地岩石温度相同,注入井和生产井中都充满300K的流体.计算域的上下xz面设置为定温边界,所有与流体接触的壁面均为非滑移边界,注入井入口定质量流量,采出井出口定压力.本文考虑的EGS运行时循环工质流量均为150kg·s-1.3结果和分析3.1热补偿对egs产出温度的影响所考虑的第一种地质渗透条件为:热储的孔隙率为0.01,渗透率为1×10-8m2.图3显示了热储内双井所在平面上x方向速度分布图和流线图.可以看到,热储中流体的流动分布存在很大的不均匀性:在注入井下端到生产井上端的对角线附近形成了一个强烈的优势流动区域,大量注入的流体从热储的下端直接沿对角线的方向流向生产井.注入冷流体后,热储中入口井下端的岩石被迅速冷却,形成低温区域.随着EGS运行时间的推移,低温区域逐渐向出口井侧扩展(图4).采热过程中,热储中流体和岩石的温度分布随空间和时间的变化趋势均基本一致,这说明热储中岩石温度的变化主要取决于与流体之间的对流换热.图4中标示出的AB线位于热储中流线最密集处、方向与当地流线方向大致相同,用于下文分析流体在流动过程中与岩石之间的对流换热情况.在EGS的运行中,随着冷流体的注入,热储中部分区域温度迅速降低.热储周围岩体渗透率极低(模型中将其处理为不可渗透性介质),内部几乎不存在流体,温度变化缓慢.从直观上思考,由于热储被冷却(图4),周围的岩体将加热热储而总是对产出井流体温度有正的影响.但是,模拟结果却发现并非如此,图5显示了存在热补偿和忽略热补偿(设置热储周围岩石的热导率为零)两种情况下产出井流体温度随时间的变化.我们同时考虑了3种不同的地温梯度:3K/100m,4K/100m,和6K/100m.从图5可以看到,不同地温梯度下,热补偿对EGS产出温度的影响具有相似的规律:采热前期,热补偿的存在使得生产温度偏低,采热后期,热补偿促使生产温度升高,且运行时长越久,提高幅度越大.可通过分析热储中采热工质和基质岩石之间的对流换热过程来理解该现象.由于存在地温梯度,热储下端岩石的温度要高于上端.当地温梯度为4K/100m时,热储内部岩石的初始温差将达到30K.图6显示了AB线上岩石-流体温差随时间的演化.在运行初期,注入井附近(A点附近)岩石-流体之间温差很大,换热剧烈,流体被迅速加热至与热储底部岩石温度相当的温度;而在AB线远端(热储中上部)处岩石温度较低而被从底部流至的高温流体加热(岩石-流体温差值呈负值),从而与同等深度下热储周围岩石产生温差.因此,在采热初期,热储与周围岩石之间的热交换具有这样的空间分布:在注入井下端附近的热储边界处,有热量从热储周围岩石中补入;在热储的中上部分,则有热量从热储中传入周围岩石中.即在EGS运行早期,热储周围岩石会加热热储的下端而冷却其中上端.流体最终温度受其流动后半程所接触的岩石骨架温度影响较大,因此虽然热储在注入井底部附近获得了一些热补偿,但所获得的热流体温度仍然相对更低.当采热进行到一定程度之后,流体所达到的最高温度不断降低,其对上端岩石的加热作用逐渐变弱,直至消失.与此相应,热储周围岩石对热储进行加热的区域逐渐上移,直至包覆整个热储.图7中显示了双井所在平面内热储及周围岩石温度演化过程,可以看到,采热进行25年后,热储在所有深度上都将获得热补偿.因此,从EGS的长久运行上讲,热补偿的存在提高了系统的生产能力.根据上文关于热补偿作用机理的分析可看出,热补偿的有效作用时间等于EGS的运行时长.图5显示,有无热补偿情况下产热流体的温度差别在EGS运行后期呈加速增大趋势,这说明越到运行的后期,热补偿速率越大,其对整个采热的贡献就越明显.若以采热经流体出口温度降低到353.15K作为EGS终止运行的时间,据图5可知,热补偿的存在使地温梯度分别为3、4、6K/100m的EGS运行时长延长了1.2%,2.7%和5.3%,可见热补偿的影响幅度随运行时长的延长而迅速增强.值得指出的是,相对于目前的EGS实际技术水平,本文计算设定了较高的采热工质流量,再者因为考虑的热储体积较小、注入井流体温度取常温,故而将采热井出口温度降低到353.15K(低于通常的423.15K)时作为EGS运行终止的判定标准,以延长其运行时长(业界普遍认同的EGS有20年左右的运行寿命)、充分考察热补偿效应.在采热过程中,对流换热系数h和热储中比表面积a的乘积越大表示岩石-流体之间的对流换热作用越强.根据前面的分析,ha越大,EGS运行初期流体对热储上部岩石骨架的加热作用更强,生产井出口流体的温度将会更低,图8中显示的温度相对大小证实了这一点.对流换热强度的增加无疑能够提高系统的采热效率,图8中显示在EGS运行中期(第6年~第14年),较高的ha总是对应着更高的产热温度.但由于热储中存储的热能有限,采热效率更高意味着热能被更快地采集,在采热进行到后期(图8中运行时间大于16年后),生产流体的温度也会下降的更快.在工程设计中,应适当利用这些结论来提高系统的经济性.3.2热补偿对产热温度的影响通过前文分析可知,热补偿对生产流体温度的影响和采热流体在热储内的流动分布密切相关.当地质条件或压裂程度不同时,地层深处岩石的渗透率差别往往很大.在当前的干热岩热利用试验电站中,受限于压裂技术水平,所建立的人工热储平均有效渗透率通常极小.我们考虑另一种地质渗透条件为:热储的孔隙率为0.01,渗透率为1×10-12m2.地温梯度均设置为4K/100m.图9显示了渗透率为1×10-12m2的热储内双井所在平面的x速度分布.从图中可见,渗透率很低的热储内采热流体在深度方向上的流动分布不均匀性较不明显.图10显示了热储内岩石和流体的温度随EGS的运行的变化过程.由于热储内流场的改变,热储温度的变化规律也发生了改变:在低温区域逐渐扩展的过程中,并没有出现深度方向上的极大不均匀现象.热储中多数流体都沿大致水平的方向流动,与之发生对流换热的岩石骨架温度变化不大,这样流体在其后半程流动中将加热当地岩石的现象就变得更不明显.从图11可看出,在这种地质渗透条件下,热补偿对生产温度的影响具有和前文所述相似的演化规律.但由于热储中渗流场不同,流体分布更趋于热储中间截面(双井所在的平面)附近,热补偿对产热温度的影响幅度有所降低.结合流线上的岩石-流体温差变化(图12),可以看到流体对热储中岩石进行加热(岩石-流体温差小于零)的区域和作用时间都减小了.与此相应,热储周围岩石加热热储的作用区域将上移的更快,热补偿会更早地实现对生产流体温度的提高.从图11也可看出热补偿对生产温度的提高作用在运行后期变得越来越明显.4热补偿对产出温度的影响鉴于干热岩地热资源的众多优势,EGS技术正逐渐引起世界各国的重视.EGS中建立的人工热储是一个有限的空间,热储周围岩石渗透性仍然极低.在采热过程中,热储温度变化较快,热储周围岩石将会对热储产生热补偿.我们使用自行开发的三维动态模拟软件对不同地质条件下EGS的长期运行进行模拟.模拟发现,热补偿的存在并不总是使生产流体的温度更高.由于地温梯度的存在,热储上下两端岩石骨架温度不同.在采热初期,底部岩石温度很高,流体在下端被加热后流向生产井的过程中可能会加热当地岩石,造成热储中部分区域的岩石温度高于同等深度下热储周围岩石,热量将从热储中导出.由于生产流体的最终温度主要取决于流动后半程所接触的岩石温度,因此,热储周围岩石与热储之间的热交换反会使产出流体温度降低.当采热进行到一定程度之后,流体所能达到的最高温度逐渐降低,其对上部岩石骨架的加热作用不断减弱,直至消失.同时,由于热储低温区域不断扩展,热储从周围岩石中获得的正向热补偿越来越多,最终,热流体的产出温度得到提高.在渗透性不同的热储中,采热流体的流动分布有很大差别,但热补偿对系统产出温度的影响趋势与作用机制相同.当渗透率较低时,热储中的流体沿深度方向的流动分布不均匀性较小,流体分布更趋于热储中间截面(双井所在的平面)附近,热补偿对产出流体温度的影响程度相对较小.岩石-流体对流换热系数h和热储比表面积a的乘积ha表达了岩石-流体之间的对流换热进行的充分程度.ha越大时,产出温度受到热补偿的影响越大.此外,提高ha意味着加强了热储中岩石和流体之间的换热强度,最终将