增强型地热系统热储内热量的评估

增强型地热系统热储内热量的评估

0热储工程的物理概念模型及数学模型作为热能量的两个发展方向之一，多功能热系统引起了全世界科学家的高度关注。EGS开发目标是地下3~10km的深层地热,主要用于发电。由于该深度范围内岩体的储渗能力差,必须通过人工方法,如水力压裂等井下作业措施在岩体中构造具有高渗透性的裂隙体系,在地面上将冷水注入,经孔隙-裂隙换热构造加热再抽出至地面利用~。与其他可再生资源利用技术相比,EGS发电具有资源量大、零污染排放、安全性好、热能连续性好等特点。少数经济发达的能源消耗大国已经进行了大量场地试验,如美国的芬登山(FentonHill)、沙漠峰(DesertPeak)、盖瑟斯(NorthwestGeysers),英国的罗斯曼奴斯(Rosemanowes),法国的苏尔士(Soultz),澳大利亚的库伯盆地(CooperBasin),日本的肘折(Hijiori)和雄胜(Ogachi)等。研究EGS运行时热储内热量开采过程对评估EGS性能及今后EGS商业开采时工程优化控制具有至关重要的意义。由于资金和技术等条件的限制,目前EGS还没有形成商业规模,缺乏热储长期管理的数据。因此,针对热储热开采过程建立物理概念模型及数学模型,基于这些模型进行数值模拟是研究热储长期产能特性的主要手段。物理概念模型及与之对应的数学模型是设计热储工程的重要理论依据。从20世纪七八十年代开始到现在,学术界对从干热岩中提取热能的问题已进行较多研究,创建了很多模型。在干热岩水力压裂过程中,裂隙一般沿最小主应力面延展,所以实际热储工程中通常产生较多垂直裂隙。Strukbar,Gringarten及Wunder先后指出,如果钻井是斜井,则钻井周围会产生一系列平行垂直裂隙~。在前人的相关研究中,也存在大量采用垂直裂隙模拟提取热储热量的模型,这充分说明尽管垂直裂隙系统是理想化的模拟系统,但其能很好地捕捉热储中热开采过程的本质,模拟结果具有参考价值。目前前人在利用垂直裂隙模型研究热开采过程时,或是考虑了力学的影响,或是用岩体与裂隙面间对流换热量来表征热提取量,这使热开采过程的表达更加复杂,使热开采量的计算产生误差,以致不利于从本质上理解热开采的基本规律。本文给出简明的热储热开采数学模型,并基于计算流体流动和传热问题的FLUNET软件,结合用户自定义函数(UserDefinedFunction,UDF)程序代码,对多平行垂直裂隙下热储热开采过程进行数值模拟研究,再现EGS热开采基本过程,以帮助我们了解热储长期产能特性,为今后EGS商业开采过程中工程优化控制,实现EGS的高效有序运行提供参考。1研究对象的描述增强型地热系统热储是由高温岩石块体和裂隙网络组成的块裂结构。热储内裂隙的分布总体受热储岩体应力环境控制。但是由于热储内岩石成分和组构的区别及应力环境的复杂性,再附加高温岩体开发过程中的裂隙激发措施,岩石块体内往往分布众多展布不一的裂隙。无论裂隙分布如何,本质上均表现为采热流体从热储注入井口位置进入裂隙系统,从热储生产井口位置流出裂隙系统,从裂隙两侧高温岩体中提取热能。美国芬顿山地热项目中实际裂隙激发结果显示,各个主要的裂隙可能是平行相间排列的,如图1所示。正如引言所述,为探究高温岩体中热能开采过程的本质现象,本文把这些复杂曲折的裂隙系统抽象成平行相间的垂直裂隙系统。在借鉴前人建立的模型的基础上,本文建立的概念模型如图2所示。高温岩体内均匀分布多条平行相间裂隙,每条裂隙间距为2D,每条裂隙长度均为L。高温岩体原始温度为Tr0,裂隙水从每个X轴上裂隙位置进入系统,入口处裂隙水原始温度为Tf0。裂隙宽度均为δ,由于裂隙宽度与岩体水平宽度相差4个数量级以上,所以概念图2(b)中裂隙简化用线表示。裂隙水从底部沿裂隙向上(Y正方向)流动过程中流速均为uf。裂隙水在裂隙流动过程中的温度为一个与流体所处位置、裂隙长度、裂隙宽度、裂隙水流速度及热开采时间有关的函数。为简化研究,对研究对象作如下假设:①岩体为均质各向同性的不渗透块体,无岩体孔隙流体产出,在低孔渗条件下,该假设可认为近似可靠;②岩体热传导系数较低,水岩交界处热阻忽略不计,即裂隙面上温度与岩体边界温度相等,这一假设的合理性已经在很多实际案例中得到证实,此假设也是给定裂隙温度分布函数的基础;③裂隙中水流方向为单向,且速度均匀;④热辐射效应一律不予考虑,这一点已由实验证明是合理的;⑤热开采阶段不考虑热恢复效应;⑥忽略温压条件变化对系统热物性的影响,即整个热开采过程中岩体的热传导系数、比热容、密度为常数。2高温岩体热分析考虑区域内部是一个对称系统,模拟时只取基本单元计算,即取图2(b)中阴影部分为计算区域。将二维概念模型计算区域离散成20000个网格,Y方向等分为200个网格,X方向分为100个网格,网格间距沿X正方向以1∶1.05的比例递增(图3)。采用FLUNET软件进行求解。在Y轴上给定定温边界,其控制方程为对上式进行拉普拉斯变换和反拉普拉斯变换耦合求解,可得边界函数为式中:T为需求解的温度场;Q为水岩之间传热量;cr,cf分别为高温岩体比热容和裂隙流水比热容;kr为高温岩体导热系数;ρr,ρf分别为高温岩体密度和裂隙流水速度;其余参数含义同概念模型所述。顶底面边界给定为绝热边界,右边虚线边界设置为对称面。仅考虑热传导效应,求解能量方程。高温岩体原始温度初始化为200℃。方程计算收敛相对误差值为1.0×10-6,绝对误差限值为1.0。3模型参数选取目前增强型地热系统主要在深层高温花岗岩和花岗闪长岩类岩石中实施。本文模拟计算中所取参数借鉴前人研究的取值水平,具体相关参数见表1。为研究裂隙宽度δ与裂隙水流速度uf对热开采过程的影响(即Y轴温度函数变化对热开采过程的影响),本文设计4个算例,见表2。3.1计算热储存和热开采的过程(1)热储实践过程EGS最终目的是从高温热储中源源不断地开采热能,但高温热储内热能有限,排除特殊情况(如高温热储附近有持续特高温热源等),随着开采时间的推移,高温热储内温度必然降低。在EGS采热过程中,高温热储内温度场的变化决定了开采系统的性能。图4表征了算例1情形下高温热储内热开采过程。由图4可以看出,在给定边界温度条件下,随着热开采的进行,高温热储内从左下角开始逐渐出现低温区域。随着开采年限的增长,低温区域越来越大,在X和Y方向上按不同比例延伸,即越来越多的热能从高温热储内被开采。边界温度函数随时间和空间的变化导致了高温热储内低温区域不断扩大,开采5a后,热储内经济可用热能被开采不到10%;开采10a后,热储内经济可用热能被开采近50%;开采15a后,热储内经济可用热能被开采70%;开采30a后,热储内已无经济可用热能供开采,热储内大部分温度低于150℃,最高温度仅为178.7℃。算例1情形下的热开采过程说明,该高温热储寿命不超过30a。这是未考虑热开采过程中热恢复效应的计算结果,在实际情形下,热开采过程中伴随有热恢复效应,高温热储寿命会稍长于该模拟计算结果。(2)热储内部区域热开采率变化本研究中影响高温热储热开采过程的决定因素为给定的边界温度函数。从给定的边界温度函数形式可以看出,该函数不仅仅受到时间和空间的影响,还受到裂隙宽度和水流速度的影响。为全面考察给定边界温度函数对高温热储热开采过程的影响,改变另外两个参数(裂隙宽度和水流速度)后对比分析模拟计算结果。图5表征的是热开采20a后,原始参数设置(算例1)、裂隙宽度扩大1倍(算例2)、水流速度扩大1倍(算例3)及裂隙宽度与水流速度同时扩大1倍(算例4)的模拟计算结果。由图5可以看出,无论是裂隙宽度扩大1倍还是水流速度扩大1倍,都对系统的热开采过程产生了明显的影响。若将热储内经济可用热能的开采率定义为云图中温度低于180℃的区域面积与云图总面积的比值,开采20a后,热储内经济可用热能的开采率由80%左右变为100%,经济可用热能的开采率提升25%。将裂隙宽度和水流速度同时扩大1倍后,对系统热开采的影响更为显著,开采20a后,热储内经济可用热能已完全被开采,热储内最高温度仅为107.5℃,大部分区域温度低于100℃。对比算例2和算例3的模拟计算结果可以发现,裂隙宽度扩大1倍对系统热开采过程的影响几乎与水流速度扩大1倍对系统热开采过程的影响一致,这是因为裂隙宽度参数和水流速度参数在给定的温度边界函数中均在误差函数表达式的分母上,且指数相同,说明在这两个参数变化幅度不大的情形下,改变任一参数可以达到相同的效果。3.2热储寿命分析增强型地热系统性能评价中很重要的一个参数是开采出口位置处的温度。图6表征了4个算例情形下,采热系统出口位置处热储温度随开采时间的变化情况。从图6可以看出,算例1出口位置处温度的下降趋势最缓慢,算例4出口位置处温度的下降趋势最迅速,算例2和算例3的数据几乎重合,出口位置处温度下降趋势居中。开采20a内,算例1出口位置处温度下降不太明显,约为6.1℃/10a;开采20~40a,温降速率略有增大,约为10.2℃/10a;开采40a后,温降速率逐渐降低,至开采100a时仅为3.4℃/10a。这是由于在算例1情形下,前20a内,高温热储与给定温度边界间温差很大,热开采效率很高,以至出口位置处温度下降较小。随着热开采的推进,热开采效率降低,出口位置处温度下降加快。最终由于过长时间的热开采,热储温度与边界裂隙温差越来越小,导致热开采效率越来越低,出口位置处温度基本维持不变。算例2和算例3情形几乎一致,开采前20a,出口位置处温降速率呈现增长趋势,由19.8℃/10a增大到23.2℃/10a,平均达21.5℃/10a,与算例1比较,20a内热储热的开采速率提升252%。开采20a后,温降速率逐渐减缓,至开采100a时仅为2.2℃/10a。算例4在开采前10a内温降速率最大,达到74.7℃/10a。随后温降速率显著降低,到开采30a时降为8.4℃/10a,开采100a时降为1.2℃/10a。算例2、算例3以及算例4出口位置处温度的这种变化特征是因为裂隙宽度和水流速度增大后,热储内热开采速率显著增大,热储温度与边界温度间差距显著缩小导致。若以高温岩体初始温度降低10%(本文中为180℃)为界线考察热储寿命,以岩体温度不低于150℃为界线考察可利用高温地热资源,由图6可以看出,算例1的热储寿命为28.8a,完全开发岩体中的高温地热资源则需要72.7a;算例2和算例3具有几乎一致的特征,热储寿命均为7.0a,完全开发分别需要18.9a和18.6a;算例4的热储寿命大大缩短,为2.9a,完全开发年限也大幅缩减至6.8a。这充分说明裂隙宽度和水流速度对高温岩体地热资源开发影响较大,在实际热储工程中,应合理设计,严格控制,以求效益最大化。4裂隙宽度和水流速度对热储热开采过程的影响本文对多平行垂直裂隙增强型地热系统热储热开采过程进行了研究。通过给定热储边界温度函数,采用FLUENT软件对热储