热储分层影响EGS采热的数值模拟研究

由于岩石构造不同、天然裂隙的差异以及压裂过程的随机性等因素,增强型地热系统（EGS）人工热储通常具有较强的非均质性。探究热储的非均质性对EGS热开采过程的影响,对EGS性能预测与分析评价有重要意义。论文考虑到热储沿深度方向的非均质性,基于等效分层多孔介质物理模型,并使用自主开发的EGS数值模型,模拟了多个具有分层热储EGS的长期运行过程,发现热储深度方向上非均质性对热能的开采影响显著,而流量分布的不均匀性是导致系统采热性能下降的主要原因。为了方便分析和评价,我们建立一种新的定量化描述热储非均质性的方法,然后基于更多的非均质热储EGS算例结果,拟合得到EGS采热性能与热储非均质性的定量关系式。     

增强型地热系统（EGS）的人工热储技术

文章分析了增强型地热系统（干热岩）发电原理,研究该系统建立人工热储的关键技术,包括人工致裂、监测、裂隙网络的连通、封闭水流循环、热储系统建模等。最后分析了芬顿山、Hijiori、苏尔士大型试验电站的人丁热储应用实例。     

EGS地热能开发过程中水岩作用对热储层特征的影响

增强型地热系统(EGS)是一种从地下深部低孔低渗高温岩层提取大量热能的能量利用工程,通过注水孔注入的冷水在高温岩层中循环实现热量的提取。在EGS地热能开发过程中,冷水的循环扰乱了地下深部水岩系统的热平衡和化学平衡,导致部分矿物溶解或沉淀,进而改变储层的孔隙度和渗透率。文章利用不锈钢密闭反应釜进行室内高温水岩反应试验,结合数值模拟分析水岩相互作用对EGS热储层特征的影响。研究结果表明,注入冷水到花岗岩热储层中导致石英矿物沉淀,其相对质量分数增大13%,碱性长石、斜长石、黑云母矿物溶解,其相对质量分数分别减小7%,5%,1%,总体上使得溶液中Si元素浓度降低,Ca2+,Na+,K+浓度升高,储层孔隙度、渗透率均随时间逐渐增大,提高了EGS储层地热能开发的热提取效率。     

基于热流固耦合方法的瓦块挂钩强度寿命分析

为了获得燃烧室瓦块挂钩的强度与寿命,借助ANSYS软件对相关结构进行了分析与研究。首先采用热流固耦合方法获得瓦块挂钩结构的三维温度场和表面的压力载荷,然后基于该温度场结果进行强度分析以及寿命评估,最终获得该瓦块挂钩结构的应力和寿命结果。分析结果表明该瓦块挂钩结构能够满足燃烧室安全运行的服役要求。同时,基于热流固耦合方法的燃烧室瓦块挂钩强度与寿命分析方法可获得较为准确的寿命评估结果,该方法可为瓦块挂钩结构的分析研究和优化升级提供参考。     

土酸注入速率对EGS热储层改造效果影响的实验研究

增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)是一种通过人工形成地热储层的方法从低渗透性岩体中经济地开采相当规模深层热能的工程,对渗透率的改造体现了EGS热储层改造效果。文章进行了实验室条件下的岩心流动实验,选用4组不同土酸注入速率进行对比,根据注酸前后岩心裂隙渗透率的变化,分析研究土酸的注入速率对岩心裂隙渗透率的影响。研究结果表明,采用"高流量"的注入方式更有利于凝灰岩裂隙通道的改造。     

基于热流固直接耦合法的柴油机冷却水腔结构优化分析

针对495ZLQ柴油机原冷却水腔结构存在机体水腔周向流动不善,缸盖水腔后部及底部存在低流速区的问题,提出了三套改进优化方案。采用热流固直接耦合法分别建立机体-缸盖-缸套-缸垫-冷却水腔的整机流-固耦合传热模型,利用自适应网格划分技术进行网格划分,进行了不同柴油机工况下的数值模拟计算。研究结果表明:在不同工况下,方案3为最优方案;对于机体冷却水腔,采用双侧进水使得优化后的机体第一、第二缸排气侧冷却水流量比原机增大了约2.5倍,改善了机体水腔内冷却液的周向流动,降低了缸套内表面进排气侧的周向温差;对于缸盖,降低主喷孔高度及设计引流帽结构可以提高缸盖鼻梁区冷却液的流速,从而改善该处的热负荷状况。     

湿燃气透平叶片热流固耦合换热特性的数值研究

为评估湿空气透平循环中湿燃气对透平叶片燃气侧换热特性的影响,以及湿空气对透平叶片冷却效果的影响,以C3X叶片为例,采用热流固耦合的数值计算方法,研究了湿燃气含湿量对透平叶片表面温度和传热系数的影响,对比分析了干空气与湿空气冷却效果的差异.同时在研究范围内给出了透平叶片燃气侧传热系数的无量纲关系式,为湿化燃气轮机透平叶片的优化和冷却结构设计提供参考.结果 表明:湿燃气含湿量对透平叶片燃气侧的流动性能基本无影响;当湿燃气含湿量从0 g/kg增加到150 g/kg,主流进口温度为1473 K时,透平叶片表面平均传热系数增加10％,且增加幅度随着主流进口温度的升高而增大,叶片表面最高温度平均提高10 K;与干空气相比,湿空气作为冷却工质时的叶片表面温度更低,冷却效率更高,且冷却效率随着湿空气合湿量的增加而提高.     

增强型地热系统热开采性能的数值模拟分析

增强型地热系统(EGS)作为一种极富发展潜力的可再生清洁能源利用技术,正逐渐成为世界各国新能源发展的重点关注方向之一。EGS地下采热过程直接影响EGS的产能和寿命。文章使用一套自主开发的三维动态数值模型对不同地质条件下双井EGS的长期热开采运行进行了模拟,额外引入平均产热速率和地热开采率作为采热性能评价指标,结合EGS运行寿命和产热速率综合分析了热储渗透率、循环流体流量和周围热储岩石的热补偿对采热的影响及其作用机理。     

烧嘴参数对耐火砖热变形的影响分析

热变形是引起耐火砖脱落的重要因素之一,烧嘴参数对热变形的影响很大。针对烧结套筒式双旋流烧嘴的结构特点,采用热流固耦合方法建立了烧嘴的有限元模型,首先利用FLUENT分析了温度场和流场,结合测量数据验证了模型的正确性;然后对耐火砖通道进行热结构分析,获得了通道的热变形分布;最后采用响应面方法设计了81组试验进行模拟计算,获得了烧嘴结构参数和操作参数对耐火砖通道表面温度和热应变的影响规律。结果表明:燃烧器负荷增加、外侧空气预热温度增加会显著地增加耐火砖的热变形,比如燃烧器负荷增加1%,耐火砖应变增加0.75%;增加外侧空气流速、增加内侧空气预热温度有助于缓解耐火砖的热变形,比如外侧空气流速增加1.0%,耐火砖应变减少0.30%;增加外侧空气旋流片角度既有助于强化混合燃烧,又能降低耐火砖的热变形量。     

基于树状分叉网络的增强型地热系统采热计算分析

文章以分形理论和离散裂缝网络模型为基础,利用树状分叉网络表征离散缝网,构建出EGS热流耦合解析模型。利用Laplace变换方法得到该模型中干热岩储层的温度解析解,并分析了分叉参数和生产参数对增强型地热系统累计采出热量的影响。分析结果表明:裂缝的分叉级数对出口端缝网温度影响较大;当裂缝的长度比从0.5逐渐增加至0.7时,缝网出口温度的热突破时间从1.8 a左右逐渐延长至3 a左右;与裂缝长度比为0.5的工况相比,当裂缝长度比为0.7时,20 a内增强型地热系统的累计采出热量增加了2×109kJ;裂缝的开度比对水的流速影响较大,当裂缝的开度比增大时,增强型地热开采系统累计采出热量的增长速度呈现出先快后慢的变化趋势;注水速度的增大会缩短热突破时间,注水温度对热突破时间影响不大。     

CO2单井增强地热系统取热性能研究

为提高闭式单井系统取热性能,提出一种CO2单井增强地热系统（CO2-SEGS）。建立井筒流动换热和储层热-流-固耦合的数学模型,考虑CO2可压缩性以及井纵向压力传递特性,对比分析了水和CO2在SEGS中的取热性能,研究系统取热性能与封隔间距、井筒保温的关系。结果表明：（1）额定循环流量下,井口生产温度从134.09℃降低至116.06℃;CO2在采出过程中降压膨胀做功,产生明显的温降效应,中心管井口温度比底部低约57℃。（2）井筒不同位置处CO2的密度、热容差异很大,当循环流量小于50 kg/s时,依靠浮升力作用,SEGS可实现自主循环运行,无需额外泵功。（3）当水和CO2的流量分别为15 kg/s和40 kg/s时,两者年均取热速率近似相等,CO2的采出温度比水低约40℃,而压力损耗远小于水。（4）SEGS取热性能与封隔间距以及中心管保温性能呈正相关。研究结果可为SEGS系统的开发提供参考。     

增强型地热系统中液-岩化学作用数值模拟研究

增强型地热系统（Enhanced Geothermal System, EGS）利用深层岩石中连通的裂隙网络进行流体工质循环,从而实现地热能的持续开采。EGS运行时循环流体工质会与深层岩石产生化学反应,引起岩石中矿物的溶解/沉积,使热储中的裂隙网络形貌产生动态变化,对地下流动与传热过程造成影响。本文分析了EGS中液–岩化学作用特点,详细阐述了在多孔介质热流动模型中耦合入液–岩化学反应的方法,基于已开发成功的EGS传热传质数值模型初步建立了传热–流动–化学（Thermal-Hydraulic-Chemical, THC）多场耦合数值模型,并使用该模型对五井布局EGS的长期运行过程进行了模拟分析,模拟时仅考虑方解石在水流体中溶解和沉积。模拟结果显示,循环流体的注入温度以及注入流体中的矿物离子浓度的设定十分重要。如果二者没有达到较为合适的“平衡”,就会导致注入井附近渗透率和孔隙率的持续变化,对EGS的导流能力造成极大影响。     

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。     

增强型地热系统热开采过程的数值模拟研究

增强型地热系统（EGS）是指采用人工方法在地下3 ~ 10 km内的干热岩体中形成储层、通过灌输采热流体以开采出干热岩中热能用于地面发电的地热利用系统,是一种极富潜力的可再生清洁能源利用技术。循环流体在地下热储中的流动与换热对EGS的采热性能有重要影响。本文首先对EGS数值模型进行了综合评述,然后基于一套自主开发的三维瞬态数值模型模拟了不同渗流条件下EGS地下热储内的热流过程。通过对模拟结果的分析,揭示了均匀压裂的人工热储中流体短路的形成机理,并通过对比双井和三井系统中流场和局部地热开采率分布,结合当前钻井工艺和裂隙激发技术水平,探讨了抑制流体短路、优化EGS采热性能的可能方案。     

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。     

从欧洲地热发展看我国地热开发利用问题

近年来,欧洲地热资源的开发利用取得了迅速的发展。我国地热能的开发利用与欧洲相比具有诸多的相似性。因此,欧洲地热利用的发展经验对我国地热开发利用具有重要的借鉴意义。本文介绍了欧洲地热开发利用的现状和趋势,分析总结了欧洲地热利用的发展模式,并针对我国地热的开发现状和存在的问题,提出了促进我国地热利用发展的对策和建议。     

高效利用地热水的系统型式及其经济分析

讨论了解决当前地热水严重浪费问题的几种技术方案。分析了三种系统型式：用于普通热水锅炉给水的系统；有蒸气锅炉和溴化锂吸收式热泵的复合系统；有电动蒸汽压缩式热泵的系统。证明地热水供热系统中使用热泵具有节能与经济意义。     

地热资源的开发利用及可持续发展

地热资源作为一种新型能源矿产,具有分布广泛、易于开发等特点,其利用方式主要有地热发电和地热直接利用两种.我国具有良好的地热资源条件,主要为中低温地热资源.据计算,我国12个主要沉积盆地的地热可开采资源量为7500×1018J,相当于2560×108t标煤.当前,我国地热资源利用方式主要以供暖、洗浴、种植等直接利用为主;地热发电发展缓慢,主要分布在西藏;利用热泵技术开发地热资源得到了快速发展;油区地热资源的开发利用也取得了良好的经济和社会效益.但同时我国地热资源产业也面临着一些问题,包括大部分地区尚未开展地热资源勘查评价,影响了地热资源规划的制订及地热产业的发展;防腐、防垢技术还需要进一步加强研究;地热回灌率普遍过低;增强型地热系统研究有待加强等.为了促进地热资源的可持续发展,建议在加大地热资源勘查力度的同时,应以浅层地温能和热水型地热资源为主,发挥热泵技术的优势,开展地热资源的综合利用及梯级利用;重视和加快油气区地热资源的利用;在西藏等适宜地区加大高温地热能发电利用;集中全国优势技术力量,在一两个有利区域开展增强型地热系统技术探索;此外,走回灌开发道路是地热资源开发利用的必然选择.     

增强型地热系统水力压裂与声发射监测室内实验研究

增强型地热系统（enhanced geothermal system, EGS）以干热岩热能的开采和利用为目的,正逐渐成为世界各国的重点研究对象。除了建立EGS野外试验场开展实际场地研究和技术示范外,亦有必要开展相关的室内实验研究,研究或验证相关关键技术,为野外场地建设提供理论基础和技术支持。本课题组自主研发了模拟地下真实环境的实验系统,开展了尺寸为400 mm × 400 mm × 400 mm的花岗岩水力压裂实验,通过声发射事件监测到的声发射数据,分析了裂缝的扩展规律,并进行了初步的水力连通实验,探讨了各采出井的流量分配,研究了从注入井到生产井的水力连通特性。结果可为数值模拟提供基础数据,为野外试验场地的建设提供参考。