CO2羽流地热系统热开采过程热流固耦合模型及数值模拟研究

建立了CO₂羽流地热系统（CPGS）热开采过程的热流固（THM）耦合模型,结合五点布井方案和多岩层三维几何模型,对一理想热储进行CPGS热开采数值模拟。分析了CPGS热开采过程中热储内的岩体变形特征及其对系统采热性能的影响,并研究了THM耦合下热储初始孔隙率对CPGS热开采的影响。结果表明：CPGS的运行会引起岩体的冷却收缩,造成热储表观体积的减小和热储孔隙率的增大,这有助于提高热储渗透率,加快地热开采速率,从而对地热开采产生积极影响。初始孔隙率越小,岩体变形对热开采的影响越明显。在假设初始渗透率相同的情况下,初始孔隙率越小,岩体变形引起的渗透率增幅越大,系统的热开采速率越快。     

热储上下岩层热补偿作用对CO_2羽流地热系统性能的影响

二氧化碳羽流地热系统(CPGS)能够在直接开采地热的同时实现CO_2的地质封存,热储上侧和下侧岩层的热补偿作用是影响CPGS性能的重要因素。建立了三维盖岩-热储-基岩整体模型,研究了热补偿作用对CPGS采热性能及热储内岩石和流体温度演化过程的影响,为优化CPGS设计、提升CPGS的系统经济性和工程应用提供了理论参考。研究结果表明:热补偿作用减小了生产流体在竖直方向上的温度差异及系统运行后期生产流体温度下降的速率,有效延长系统运行寿命,使系统获得更好的采热性能和更稳定的产能输出;考虑热补偿时系统总热开采量明显提高;与盖岩相比,基岩的热补偿作用更强。     

热储上下岩层热补偿作用对CO2羽流地热系统性能的影响

二氧化碳羽流地热系统（CPGS）能够在直接开采地热的同时实现CO₂的地质封存，热储上侧和下侧岩层的热补偿作用是影响CPGS性能的重要因素。建立了三维盖岩-热储-基岩整体模型，研究了热补偿作用对CPGS采热性能及热储内岩石和流体温度演化过程的影响，为优化CPGS设计、提升CPGS的系统经济性和工程应用提供了理论参考。研究结果表明：热补偿作用减小了生产流体在竖直方向上的温度差异及系统运行后期生产流体温度下降的速率，有效延长系统运行寿命，使系统获得更好的采热性能和更稳定的产能输出；考虑热补偿时系统总热开采量明显提高；与盖岩相比，基岩的热补偿作用更强。     

单裂隙热储热流耦合数值模拟分析

为探究影响增强型地热系统(EnhancedGeothermalSystem,EGS)高效运行的各项因素,以单裂隙热储为研究对象,基于裂隙岩体热流耦合数学模型,对单裂隙下EGS热流耦合进行数值模拟,利用有限元软件COMSOL实现对裂隙岩体温度场与渗流场的耦合求解,分析热储层内渗流、温度的分布规律,以及基岩渗透率、热传导系数等岩体热物性参数变化;裂隙宽度、裂隙流流速、开采时间等基本计算参数变化对裂隙岩体渗流与传热的影响,得出在一定范围内基岩渗透率与热传导系数增大会使系统运行寿命提高,裂隙宽度及裂隙流流速对热开采效率的影响呈现正相关性。     

干热岩热能重力热管采热系统数值模拟研究与经济性分析

利用超长重力热管开采干热岩热能可以避免增强型地热系统存在的工质损失、腐蚀结垢和井下连通困难等问题;相比于单井井下换热器系统,热管管内液-气相变使得管壁与热储之间的传热温差增大,使用重力热管开采地热能有望获得更高的单井采热量。本文开发了能对重力热管内部过程与裂隙热储渗流过程进行耦合求解的数值模型,模拟了管长4500 m的重力热管地热系统运行过程,研究了裂隙热储中的流体自然对流对地热系统性能的影响,并与套管式井下换热器地热系统进行了对比研究。进一步分析比较了重力热管、套管井下换热器、增强型地热系统电站的发电成本。研究结果表明,重力热管地热系统单井发电量可达240 kW以上,发电成本约为1.124 CNY/（kW·h）,与增强型地热系统电站发电成本接近,优于井下换热器式地热系统;如果利用废弃油气井建设重力热管地热系统,发电成本仅0.644 CNY/（kW·h）。     

EGS热储基于微震数据反演模化及其采热性能分析

人工热储的特性对增强型地热系统(EGS)的性能具有决定性影响,正确还原人工热储的结构特征对EGS实际工程具有重要意义。结合Habanero EGS地质、微震数据等信息,重建出热储的渗透率与孔隙率的空间分布,进一步采用自主开发的三维动态模拟软件,对热储中的渗流场、温度场和EGS的采热曲线进行数值模拟,并将其结果与分块均质热储EGS进行比较,当流体循环流量为15 kg/s,EGS运行到第15年时,非均质热储EGS的采出温度比分块均质热储EGS低9.3℃,前者的累积热采出量比后者低3.7%,热储的非均质性会导致EGS采热性能显著下降。     

EGS热储基于微震数据反演模化及其采热性能分析

人工热储的特性对增强型地热系统（EGS）的性能具有决定性影响,正确还原人工热储的结构特征对EGS实际工程具有重要意义。结合Habanero EGS地质、微震数据等信息,重建出热储的渗透率与孔隙率的空间分布,进一步采用自主开发的三维动态模拟软件,对热储中的渗流场、温度场和EGS的采热曲线进行数值模拟,并将其结果与分块均质热储EGS进行比较,当流体循环流量为15 kg/s,EGS运行到第15年时,非均质热储EGS的采出温度比分块均质热储EGS低9.3℃,前者的累积热采出量比后者低3.7%,热储的非均质性会导致EGS采热性能显著下降。     

垂直井地热开发敏感性因素分析

地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源。笔者通过建立数值模拟模型,对垂直井开发进行研究。结果表明,在定压开采条件下,孔隙度越大越有利于地热开发;储层压力越大、井底流压越小,生产压差越大,导致储层温度和压力下降越快,但采收率和总产热量越大,可以通过地热回灌保持储层压力,提高地热开发效果;储层温度越高,总产热量越高,越有利于地热开采;产水速度对模拟结果影响较小;储层厚度越大、渗透率越大,前期开发效果越好,但中后期地热开发效率降低,可以通过控制开发量或者地热回灌提高开发效果。     

侧限压缩过程中散体矸石变形及破碎特征研究

散体矸石宏观变形的主要来源是侧限加载过程中对试样初始孔隙的直接压缩,以及压实压密阶段粗矸破碎后对孔隙的再次充填。采用加载设备与声发射装置相结合的试验系统,以加载速率为影响因素,基于理论推导和试验数据分析,对侧限压缩过程中散体矸石的宏观变形、孔隙率和破碎程度等特征进行了系统研究。研究结果表明:直接压缩初始孔隙对宏观变形的影响最为明显;孔隙率随着应变的减小而增大,与应力呈单调递减的反比例型复合函数关系;对散体矸石破碎分形函数进行了重新推导,比较双对数曲线拟合斜率得出,加载速率越大,破碎程度越小;声发射定位数随着试验力的增大而不断增加,随加载速率的增大而减少,试样中部颗粒破碎最为密集;颗粒的破碎程度越大,对孔隙的二次填充率越高,孔隙不容易被进一步压缩,试样抗变形能力增强。     

煤矿矸石充填材料压实耗能特性试验研究

充填材料在压缩变形的过程中会吸收能量,对于煤矿的充填开采,充填材料的能量变化规律会对工作面的能量产生很大的影响,受力相同时,充填体吸收的能量越多,其周围岩体的能量变化就越小.所以,本文将利用试验的方法来研究固体充填材料的耗能问题.基于矸石的侧限单轴压缩试验,计算了矸石变形过程中单位体积的应变能,分析了不同粒径、不同加载速率和不同初始加载应力对矸石的耗能和变形破坏的影响.研究结果表明,矸石的粒径越小、加载速率越小、初始加载应力越大,相同应力条件下的变形就越小,达到相同应变时应变能密度越大,消耗的能量越多.矸石的耗能和变形主要分为3个阶段,其中第一阶段的变形占总变形量的50％左右,但能量消耗仅占总能耗的10％左右,第二阶段的变形占总变形量的25％左右,能量消耗也占总能耗的25％左右,第三阶段的变形占总变形的25％左右,但能量消耗占总能耗的65％左右.     

具有预制孔隙多孔物料的冷冻干燥

实验探究了具有初始预制孔隙多孔物料对冷冻干燥过程的强化作用。以注射用抗生素药剂——头孢曲松钠为主要溶质,采用"液氮制作冰激凌法"制备了具有不同初始孔隙率的冷冻物料,在相同的条件下进行冷冻干燥实验。结果表明,初始饱和度为0.3的冷冻物料(初始孔隙率为0.67)干燥时间比饱和物料(初始孔隙率为0)缩短了21.3%。干燥产品的SEM图显示,初始非饱和冷冻物料的固体骨架和孔隙结构连续而均匀,初始饱和度越低,骨架越纤细,可大大地降低传质阻力。对冷冻速率和退火处理的研究表明,冷冻速率对于两种物料干燥过程的影响甚微;退火处理能够提高冷冻干燥速率。适当提高操作温度可以明显缩短两种物料的干燥时间;操作压力对冷冻干燥过程几乎没有影响。     

基于热-流-化耦合作用的单井增强地热系统性能分析

地热流体中的矿物溶解沉淀对地热资源开发具有重要影响。本文基于水-SiO₂反应速率控制方程，建立了单井增强地热系统(SEGS)热-流-化(THC)耦合数值模型，利用解析解验证了流动换热模型和溶质运移模型的准确性，模拟分析了储层温度、SiO₂浓度、反应速率和裂隙宽度之间的耦合关系。基于离散裂隙模型，分析了注入矿物浓度和注入流量对SEGS取热性能的影响。结果表明：(1)过饱和注入引起的矿物沉淀与欠饱和注入引起的矿物溶解均发生在远离注入段的一定距离处，裂隙宽度的改变呈带状分布，反应速率峰值随时间推移向外围移动；(2)由热-流(TH)与热-流-化(THC)耦合模型得出的注入压力和采出温度最大相差2.12MPa和4.66℃。欠饱和注入降低了注入压力，加快了采出温度的衰减，过饱和注入则与之相反；(3)注入流体中的SiO₂浓度每增加0.005mol/kg,30年平均注入压力增加0.5MPa，平均采出温度增加0.4℃。将注入流量从8kg/s提高至12kg/s，对于过饱和注入，系统运行30年后的注入压力提高7.2MPa，采出温度下降8.58...     

考虑重力对流动影响的地热水平井布井数值模拟

建立干热岩石热流耦合数学模型,采用经典单裂缝二维岩石基质模型对该文模型进行了验证.以美国沙漠峰EGS项目为例,分别模拟计算并分析了水平井开采地热时的注采井间距、纵向高度差对采热的影响.通过正交实验设计,计算得到了获取最高采热温度时水平井注采井间距与纵向高度差的理论关系,按照该文设计方案开采地热,注采井间距150 m时,采用高度差23.02 m布置水平井网,能有效提高采出温度,使地热开发系统寿命延长8年.该文提出的地热水平井布井方案设计方法,能有效提高水平井采出温度,增加系统开采寿命,对地热资源的开发具有很好的实践指导价值.     

具有预制孔隙多孔物料的冷冻干燥

实验探究了具有初始预制孔隙多孔物料对冷冻干燥过程的强化作用。以注射用抗生素药剂--头孢曲松钠为主要溶质,采用“液氮制作冰激凌法”制备了具有不同初始孔隙率的冷冻物料,在相同的条件下进行冷冻干燥实验。结果表明,初始饱和度为0.3的冷冻物料（初始孔隙率为0.67）干燥时间比饱和物料（初始孔隙率为0）缩短了21.3%。干燥产品的SEM图显示,初始非饱和冷冻物料的固体骨架和孔隙结构连续而均匀,初始饱和度越低,骨架越纤细,可大大地降低传质阻力。对冷冻速率和退火处理的研究表明,冷冻速率对于两种物料干燥过程的影响甚微;退火处理能够提高冷冻干燥速率。适当提高操作温度可以明显缩短两种物料的干燥时间;操作压力对冷冻干燥过程几乎没有影响。     

二氧化碳羽流地热系统中地层水回流和岩石-流体作用对采热能力的影响

针对超临界CO_2(SCCO_2)开采地热过程中的渗流特征和可能产生的储层伤害,基于热力学原理和地化反应机理,建立了考虑地层水蒸发、CO_2-地层水-岩石地化反应、盐沉淀/溶解和储层孔渗变化的SCCO_2地热开采综合模型,分析了流体渗流特征和岩石-流体作用对采热速率的影响,并提出了提高SCCO_2采热速率的相应方法。研究结果表明,干燥SCCO_2持续注入会加剧地层水蒸发,造成注入井附近地层水饱和度梯度增加,使得气液毛管力大于驱替压差情况,导致地层水回流。地层水回流加剧了地化反应和盐析对注入井区域的伤害,使得SCCO_2渗流速度和采热速率降低。敏感性分析表明,储层温度、压力、孔隙度、渗透率和注采压差均会影响SCCO_2采热速率,其中地层水矿化度是影响储层盐析及采热速率降低的最重要因素。注SCCO_2前预注低矿化度水可有效缓解盐析对储层的伤害。     

硅藻土基调湿材料中热湿耦合传递

建立了硅藻土基调湿材料内部热湿耦合迁移一维数学模型,模拟了不同孔隙率、不同环境温度和相对湿度下硅藻土基调湿材料中的热湿耦合迁移过程,结合硅藻土基调湿材料调湿性能实验测试结果以及硅藻土基调湿材料表面的显微图像分析,研究结果表明:随着孔隙率的减小,硅藻土基调湿材料的吸、放湿量均增大;环境温度对硅藻土基调湿材料热湿耦合迁移过程影响不显著,不同的环境温度(最大相差20℃)对硅藻土基调湿材料吸、放湿量的影响均在10%左右;硅藻土基调湿材料的孔径尺寸越小、小孔径孔隙数量越多,其调湿性能越好;硅藻土基调湿材料调湿性能的实测数据、模拟结果以及图像表征吻合良好,从而验证了理论模型的合理性。     

热弥散对地埋管换热器全尺度传热的影响

开展地埋管换热器的传热研究是增强其传热性能以及提高热泵系统能效比的关键,现有的地埋管换热器传热模型多忽略了由地下含水层空间非均质性而产生的热弥散传热。因此,基于渗流影响下的全尺度模型和求解热弥散系数的速度一次方模型,提出了考虑热弥散影响的地埋管换热器全尺度传热模型。研究表明此模型所适用的地下水渗流速度范围为1×10^-8~1×10^-6 m/s;热弥散效应主要在中长时间尺度下体现,渗流速度、热弥散度以及孔隙率是影响传热过程的主要因素。地下水渗流速度和热弥散度越大,孔隙率越小,热弥散效应越强。综合考虑三类影响因素,渗流速度对钻孔传热的影响最大,热弥散度次之,孔隙率的影响最弱;对钻孔群而言,热弥散对上游钻孔传热过程的影响最大,中游次之,下游最小;在所研究的参数范围内,热弥散可使钻孔稳态传热能力提升5.52%~49.93%。     

硅藻土基调湿材料中热湿耦合传递

建立了硅藻土基调湿材料内部热湿耦合迁移一维数学模型,模拟了不同孔隙率、不同环境温度和相对湿度下硅藻土基调湿材料中的热湿耦合迁移过程,结合硅藻土基调湿材料调湿性能实验测试结果以及硅藻土基调湿材料表面的显微图像分析,研究结果表明：随着孔隙率的减小,硅藻土基调湿材料的吸、放湿量均增大;环境温度对硅藻土基调湿材料热湿耦合迁移过程影响不显著,不同的环境温度（最大相差20℃）对硅藻土基调湿材料吸、放湿量的影响均在10%左右;硅藻土基调湿材料的孔径尺寸越小、小孔径孔隙数量越多,其调湿性能越好;硅藻土基调湿材料调湿性能的实测数据、模拟结果以及图像表征吻合良好,从而验证了理论模型的合理性。     

硫氢化物——水热法制备氢氧化镁的过程研究

文章考察了采用硫氢化物-水热法制备氢化镁过程中硫氢化物分解工艺参数(加热速率、MgCl2初始浓度及添加剂)对水热产物形貌的影响。实验结果表明：加热速率越快或MgCl2初始浓度越低，形成的氢氧化镁颗粒越小，越容易水热改性，形成形貌规则、分散性好的氢氧化镁颗粒。添加少量乙醇(CH3CH2OH)有利于制备粒径较大且分散性较好的氢氧化镁水热产物，其它添加剂(CH4N2O，C10H16N2O6和CaCl2)对水热产物形貌无明显彩响。     

超声波对液滴冻结状态及传热的影响

超声波辅助冻结在食品、医疗及生物化学等领域得到了广泛的应用,为了明确超声波对溶液冻结过程中液固比例、孔隙率的影响,揭示冻结过程中热量的传递规律,在液滴冻结状态实验观测的基础上,结合声学及热质传递理论,建立了超声波液滴冻结理论模型,分析了超声波对液滴冻结状态的影响,比较了超声空化效应所引起的传质散热量和超声热效应引起的产热量的大小关系。结果表明:超声波有助于液滴表面的气泡逸出,气泡逸出率越大冻结过程中液固比例越小;当气泡逸出率一定时,液滴越小冻结过程中的孔隙率越大;超声波一定时,逸出率越小冻结过程中的孔隙率越大;对于冷却冻结过程,不同频率和强度的超声波存在合理的超声波加载时间。