增强型地热系统水力压裂与双井连通实验仿真研究

增强型地热系统（Enhanced Geothermal System, EGS）作为未来新能源和清洁能源利用的一个重要方向,受到了世界各国的广泛关注。一直以来,野外试验场的工程实践和数值模拟分析是进行EGS研究的两种主要方式。本文通过实验室规模的小型试验系统,对EGS的水力压裂、裂隙监测、生产井定位和注水测试进行了仿真,成功实现了注入井−热储层−生产井的水力连通,分别以定井口压力和定注水流量进行水力测试。试验结果表明,热储层的裂隙开度会随着水力特性而发生变化,注水压力较大时热储层的裂隙具有更大的开度和渗流能力。从提升热储层经济性的角度考虑,实践中应当在较大注水压力时对热储裂隙结构进行加固处理。     

台风-浪-流耦合作用下海上风力机基础结构水动力特性分析

为揭示台风-浪-流耦合作用下风力机基础结构的水动力特性,以广东外罗10 MW级海上风力机为研究对象,基于模式耦合器（MCT）建立中尺度台风-浪-流（W-S-F）实时耦合模拟平台,分析超强台风“威马逊”过境全过程海上风电场台风-浪-流的时空演变特性;再结合中/小尺度嵌套方法分析风力机单桩基础水动力荷载分布特性;提出不同波浪相位下基础柱极值荷载模型。结果表明：建立的W-S-F平台对台风路径的模拟精度较单WRF模式提高42.51%;台风-浪-流耦合作用下基础柱水平波浪力正峰值增大约20%,负峰值减小约18%,并沿水深方向呈指数型变化规律,周向沿180°波向角呈对称分布;T4相位为风力机基础强度设计的最不利相位,基底剪力最大达7.68×10⁶量级,基底弯矩最大达5.2×10⁸量级。     

铸铁承压设备声发射特征研究

为开展声发射技术应用于铸铁承压设备检测的应用研究,首先应研究铸铁材料拉伸过程的声发射特征,然后获取铸铁构件上典型裂纹扩展的声发射信号,找到铸铁构件开裂所特有的声发射信号特征,为活性缺陷的正确检测和识别奠定基础。因此,本文首先研究了灰口铸铁HT200材料拉伸试件的声发射特性,然后在报废的造纸烘缸上预制了表面裂纹,采用水压循环加载的方式,用声发射监测其加载试验过程的声发射现象,获取缸体表面裂纹扩展的声学信号样本,确定了随载荷变化,裂纹缺陷扩展的声发射参数特征和定位特征,其结果为后续波形信号的特征提取和模式识别研究提供了典型声发射源信号数据,也为铸铁类构件的声发射检测提供了参考。     

海洋天然气水合物开发产能及出砂研究

海洋天然气水合物多分布在深水非成岩储层,其开采过程中易出现泥砂运移（出砂）的情况且难以避免,然而出砂条件下的水合物产能估算偏差较大。本文通过室内海洋水合物降压开采出砂实验数据和海洋水合物试采公开资料,首次推导了出砂条件下现场尺度海洋水合物储层产能情况：在相当于1 200 m水深覆压、30.5 m厚的水合物细砂储层和7寸垂直井不防砂的情况下,得到最大产气速率4.63 ~ 14.1 m³/s,折合40.01×10⁴ ~ 121.84×10⁴ m³/d,综合出砂率0.16% ~ 10.74%;泥质储层在不防砂垂直井和水平井单个半径12 mm射孔下,其最大产气速率达到79.95×10⁴ m³/d和170 m³/d,但其综合出砂率是灾难性的。由于时空限制,产气速率、综合产能和出砂率还有很大提升空间,在平衡综合出砂率（控砂精度）和产气效率（产能）的情况下,有望达到产业化规模。本研究为合理估算出砂条件下的海洋天然气水合物产能提供支撑。     

基于低速预处理的风力机翼型外形优化设计

针对经典的S809翼型,耦合基于低速预处理的流场求解方法和序列二次规划方法,开展针对翼型升阻比的翼型气动外形优化设计研究。优化结果显示优化翼型具有较大的翼型前缘半径和较平坦的上表面。数值计算结果表明,优化翼型在设计点1的状态下升阻比提高43.3%,在设计点2的状态下升阻比提高48.9%。进一步数值验证表明,优化翼型在雷诺数为5.0×10⁵状态下的最大升力系数从S809翼型的1.140增大到1.297,在雷诺数为1.0×10⁶状态下的最大升力系数从1.236增大到1.418。在优化翼型的基础上,开展翼型气动外形人工修型研究,数值模拟表明修型翼型能更好地消除气流分离,从而进一步增大翼型升力系数、减小翼型阻力系数。     

增强型地热系统热储层研究进展

热储层是增强型地热系统(EGS)中的关键一环,热储层激发效果的好坏直接影响到流体采热效果,选择适当的激发方法以及对激发效果进行实时评价是十分重要的。目前在热储层激发中最常用的方法是水力压裂法,化学激发法是次要方法 ,而热激发法则通常是辅助方法。从场地试验结果看,要想获得较好的激发效果,可以采取多次激发或多方法联合使用。利用微震监测、现场示踪试验和数值模拟等方法,可以分析热储层裂隙压裂情况、连通情况以及获得有关的热储层参数,进而对热储层激发效果进行评价,有助于EGS的设计和运行管理。EGS开发过程中热能开采率受到许多因素的影响,通过数值模拟手段能够分析影响EGS热能开发的内在因素(指热储层的各项参数,如热储层初始温度、渗透率、裂隙情况等)和外在因素(如井间距离、布井方式、注入流体温度、注入流体类型、井深等),了解每个因素的影响程度,这对于EGS的设计和开发是非常重要的。同时,通过数值模拟手段研究热储中THMC(温度场、渗流场、力学场、化学场)四场耦合作用,对于EGS的商业运行也是至关重要的。     

Simulation of the effects of electrode parameters on all-vanadium redox flow battery performance

以全钒液流电池为研究对象,利用电池内部传递与反应相耦合的机理模型,模拟电池二维,等温,稳态条件下,电池充电过程电极参数对电池内部极化的影响规律,包括碳毡电极的几何结构参数(厚度Lt和压缩比CR),电学特性参数(比表面积a和电导率)和操作参数(充电电流密度i)的影响.数值模拟结果给出Lt从1.5 mm增至3.5 mm,端电压仅降低3 mV;CR从0.1增至0.5,端电压降低16 mV;a从3.5×10⁴ m²/m³增至3.5×106 m²/m³,端电压降低30 mV;从18.9 S/m增至164.4 S/m,端电压降低87 mV,并给出多孔电极内部过电势在不同条件下不同的二维分布特点;i从100 mA/cm²增至150 mA/cm²,端电压增大57 mV,若同比增大比表面积a,则端电压只增大46 mV.将数值模拟与宏观实验相对比,取得良好的一致性,表明了数值模拟与分析的可靠性.通过增大CR,a,可以明显提高电池性能,为进一步提高电极材料的性能,设计电极结构参数,选择操作参数提供了重要依据.     

换热器管道内漏故障状态与声发射信号特征定量关系实验研究

换热器内漏故障一般以早期缝隙泄漏为特点,为能早期发现并防治这些故障,设计并搭建了换热器内漏声发射检测实验台。通过改变换热管入口压力的方式,模拟缝隙泄漏口内外工质压差的变化引起的泄漏状态的改变。运用小波分解技术对0.1~0.6 MPa入口压力下所测得的所有实验数据进行分析,揭示了不同入口工况下泄漏信号的声发射信号频谱特征及相关参数随压力变化的规律,得到了实际声发射信号能量与泄漏量之间的定量关系式,为换热器内部泄漏故障诊断提供了理论和实验依据。     

中低温环境下太阳能蓄热系统传热特性研究

本文基于当前国内外能源结构和形势,结合工程热力学、传热学、流体力学、光学等学科知识,采用数值模拟方法,着重开展一种太阳能蓄热系统的传热特性研究。研究结果显示6种不同截面(坐标位置分别为:0 mm,100 mm,200 mm,300 mm,400 mm,500 mm)工况下,温度分布呈现多种变化趋势,模拟结果也显示系统的总加载时间约为12 000 s。本文的研究结果将为太阳能高效利用及能源可持续发展提供技术参考和支持。     

基于ERA-Interim再分析数据的南海波浪能资源评估

利用欧洲中期天气预报中心近37 a（1979年1月—2015年12月）ERA-interim高分辨率（0.125°×0.125°）波浪再分析数据,计算南海海域的波浪能流密度、有效波高、平均周期、有效波时等波浪能参数,分析南海海域的波浪能资源时空分布特征。研究表明：1）南海波浪能资源呈现明显的季节分布特征,冬季资源最丰富,秋季次之,夏季最贫乏;2）波浪能资源丰富区位于吕宋海峡—中南半岛东南海域一线,呈东北—西南走向,大值区为吕宋海峡附近海域,波浪能流密度高达16 kW/m;3）综合考虑能流密度、有效波时间、与大陆最近港口距离和岛礁面积,建议A（112.33°E,16.81°N）岛屿作为开发利用的首选。     

Observations of hydraulic stimulations in seven enhanced geothermal system projects

Numerous stimulation tests have been performed on Enhanced Geothermal System (EGS) or Hot Dry Rock (HDR) projects during the past three decades, however, there is much room for improvement in our knowledge and understanding of the mechanisms of stimulation. This paper investigated the hydraulic stimulation tests carried out on seven EGS or HDR projects where massive volume of fluid was injected into the long open section of the well with interval of tens to hundreds of meters in the crystalline formation. The key characteristic test and performance parameters were defined and collected through extensive survey of stimulation results. Attempts were made to carry out comparative analysis on reservoir conditions, test parameters and test observations. The analysis and discussion suggest that 1) the reservoir stress regime impacts the growth of stimulated region and the reverse faulting stress regime can be favorable for the layout of multiple well system as it may lead to a horizontally or sub-horizontally oriented stimulated zone; 2) the injection pressure for activating shear slip and the associated onset of seismicity is mainly field stress controlled; 3) there is strong dependency of injectivity on injection pressure and a high pressure makes a better hydraulic injectivity during stimulation and consequently afterwards for circulation; 4) the stimulated region and number of induced seismic events are mainly injection volume controlled and the potential strategy to reduce seismic risks is either to extend stimulation in time or to separate stimulation in space; and 5) the differential stress condition is one of the necessary factors to raise a large magnitude event (LME) and the difference of maximum injection pressure achieved over that at onset of seismicity is an important additional factor to induce LMEs.     

Fuel lignocellulosic briquettes, die design and products study

Briquetting of biomass can be done through various techniques. The present work describes the process of designing a taper die and its optimisation for use in a hydraulic machine. The application of an experimental design technique, and the later statistical analysis of the results is presented, applied to a laboratory hydraulic press densification process of lignocellulosic biomass. The most appropriate experiment type is determined for a first set of experiments; calculating, among other things: minimum number of tests to carry out to obtain binding conclusions, most influential factors, and search paths to improve fuel quality. Another experiment type is determined for a second set of experiments, taking account of the most influential factors [[1 and 3]] (pressure, temperature and moisture content), and also the number of tests to carry out considering the improvement of density and friability. Finally, an approximation study of the best product allows conclusions to be reached on product behaviour beyond the experimental design range factors.     

高温集热管真空寿命预测研究

针对高温真空集热管真空老化性能展开真空度预测和寿命评价研究。模拟电站高温集热管运行环境，在400℃进行热循环模拟和热损测试，在450℃进行过热加速循环试验。结果表明：集热管封离后，室温条件下其内初始真空度达4.7×10^-4Pa，在400和450℃经过400次循环后，管内真空度分别为5×10^-3Pa和6×10^-2Pa。室温状态下集热管在吸收涂层法向发射比为0.08，真空度为10^-3Pa时，400℃下热损为216 W/m，显示出良好的热性能。拟合结果表明在400℃条件下集热管使用寿命满足25年要求。     

Multifracture response to supercritical CO2‐EGS and water‐EGS based on thermo‐hydro‐mechanical coupling method

Hydraulic‐fracturing treatments have become an essential technology for the development of deep hot dry rocks (HDRs). The deep rock formation often contains natural fractures (NFs) at micro and macroscales. In the presence of the NF, the hydraulic‐fracturing process may form a complex fracture network caused by the interaction between hydraulic fractures and NF. In this study, analysis of carbon dioxide (CO₂)‐based enhanced geothermal system (EGS) and water‐based EGS in complex fracture network was performed based on the thermo‐hydro‐mechanical (THM) coupling method, with various rock constitutive models. The complexity of the fracture geometry influences the fluid flow path and heat transfer efficiency of the thermal reservoir. Compared with CO₂‐based EGS, water‐based EGS had an earlier thermal breakthrough with a rapid decline in production temperature. CO₂ can easily gain heat rising its temperature thus reducing the effect of a premature thermal breakthrough. Both CO₂‐based EGS and water‐based EGS are affected by in‐situ stress; the increase in stress ratio improved the fracture permeability but resulted in an early cold thermal breakthrough. When the same injection rate is applied to water‐based EGS and CO₂‐based EGS, water‐based EGS displayed higher injection pressure buildup. Water‐based EGS had higher reservoir deformation area than CO₂‐based EGS, and thermoelastic constitutive model for water‐based EGS showed larger deformed area ratio than thermo‐poroelastic rock model. Furthermore, higher values of rock modulus accelerated the reservoir deformation for water‐based EGS. This study established a novel discussion investigating the performance of CO₂‐based EGS and water‐based EGS in a complex fractured reservoir. The findings from this study will help in deepening the understanding of the mechanisms involved when using CO₂ or water as a working fluid in EGS.     

苏尔士增强型地热系统的开发经验及对我国地热开发的启示

增强型地热系统是采用人工形成地热储层的方法,从低渗透性岩体中经济地采出相当数量深层热能的人工地热系统。法国苏尔士（Soultz）地热项目已有20多年开发研究历史,但前人尚未对开发过程中的关键问题进行深入探讨,对其成功经验也未进行系统总结归纳。本文通过回顾其发展历程,总结该项目在钻井、储层激发、水力循环测试和储层监测方面的成功经验,同时提炼出地热开发中遇到的储层建设和井下泵设备等方面的问题,并指出数值模拟在地热开发过程应用方面的启示。苏尔士地热项目开发吸取了其他早期地热田的经验和教训,成功地建造了商业规模的人工激发储层,产生了大量的科研成果和先进技术,对后续开发的地热项目有重要指导意义。     

民治水电站混流式水轮机空化特性的试验研究

空化是一种具有较大破坏性的水力学现象,亦是威胁水轮机安全稳定运行的常见因素,以民治水电站混流式水轮机的D568-F17模型水轮机为例,对其进行能量试验,根据能量试验结果,选择合适的工况进行模型空化试验,并根据空化试验结果预期原型水轮机的空化特性。试验结果表明,原型水轮机的最高效率、额定效率和加权平均效率均满足水电站合同文件的相关技术要求;同时额定工况临界空化系数、初生空化系数亦满足水电站合同文件的相关技术要求。     

青岛蓝色硅谷土壤热物性测试与分析

青岛蓝色硅谷区域地质构造特殊,地热资源丰富。目前该区域地热资源的勘查程度较低,地热资源利用形式单一,优质地热资源浪费严重。本文采用岩土热响应测试法对蓝色硅谷区域内的地埋管测试孔的岩土热物性进行了现场测试,利用48 h的测试数据,采用线热源模型进行数据分析,得到土壤导热系数为2.278 W/(m∙K)。同时,采用柱热源模型模拟夏季工况,得到的流体温度变化趋势与实验工况相同,且进、出水温度分别为35.1℃和30.4℃,与实验工况下的35.1℃及30.8℃吻合较好。该研究可用于指导土壤源热泵的热物性分析以及青岛蓝色硅谷地热资源综合开发。     

T形墩消力池水力特性研究

对Ｔ形墩消力池的水力特性及体型进行了试验研究，并结合工程实例及前人的试验，给出了Ｔ形墩消力池水力特性的经验公式，可作为工程设计参考和应用。