高温岩体热流固耦合损伤模型及数值模拟

高温岩体地热开发过程中存在渗流场、应力场、温度场3场耦合效应。针对目前考虑损伤作用和热对流影响的3场耦合模型、关于热储层特别是人工储留层周围高温岩体的热破裂、温度场的变化和热对流交换规律的研究以及原位试验方面的资料较少的现实,建立了高温岩体热流固耦合损伤模型,并将上述模型用于高温岩体地热开发中。通过数值模拟,揭示高温岩体地热开发过程中高温岩体的热破裂机理、温度场、渗流场的变化规律以及人工储留层中热流体的对流规律,所得研究成果对高温岩体地热开发具有理论意义和实用价值。     

跨越三种孔隙度地层的垂直裂隙对有机朗肯循环地热发电性能影响

建立了一种垂直主裂缝跨越3层不同孔隙度的地热储层模型,对增强型地热系统的地热储层进行数值模拟,并将其与有机朗肯循环发电性能进行耦合和分析,计算和分析了注入温度、注入流量、裂隙宽度和裂隙粗糙度4个储层参数对生产井产能和干热岩发电性能影响,最终定量分析了4种特征对生产井温度和单位输出功的不同影响度。结果表明系统在前30年工作周期内,在第5年之前,改变注入温度对增强型地热系统的影响较小。在不考虑储层中换热流体渗漏的情况下,注入井流量越大,生产井温度越低;注入井温度越高,生产井温度越高。对于地面发电系统,注入温度对发电性能影响最显著,注入流量对地面发电系统影响较小,即地热储层结构对发电系统的输出功、效率及■损失有决定性的影响。     

地应力约束下米级油页岩高温蒸汽压裂与渗流-传热特征

为了探明高温蒸汽原位压裂油页岩的过程与机理,评价高温蒸汽沿着压裂裂缝热解矿层过程中温压时空演变规律,以大尺寸(米级)油页岩作为研究对象,采用实验室物理模拟的方法研究了在地应力约束下油页岩储层在高温蒸汽持续作用下表现的宏观压裂-渗流-传热特性.试验结果显示：高温蒸汽压裂需要克服地层应力和热应力叠加的约束作用,起裂压力值高,可达地应力的2倍;油页岩顶底板致密低渗,可以对压裂矿层起到较好的保温和隔热作用,热解区域完全靠蒸汽的流动规律控制;高温蒸汽沿着压裂裂缝热解矿层过程中,蒸汽压力(最大0.97 MPa)要远低于地层应力(3.82 MPa),当蒸汽沟通注热井和生产井时,二者的压力表现出协同一致的变化特征.在低地应力油页岩原位注热开采过程中,可以采用高温蒸汽压裂技术,压裂后矿层渗流通道良好,在矿层中注入较低压力的蒸汽便可实现大范围热解,通过注热井和生产井的轮换和调控,可以快速控制热解区域的走向.     

饱和多孔岩体中温度场渗流场应力场耦合分析

利用混合物理论,推导出裂隙岩体等效连续介质温度场、渗流场和应力场三场耦合的全耦合数学模型及其控制方程.采用全耦合求解法给出了控制方程的有限元表达式,编制了相应的二维有限元程序.给出的应用算例计算结果较好地反映了渗流、应力及温度场耦合作用下位移、孔隙水压力、温度的变化规律,表明了该计算模型与所开发的数值计算程序是合理和实用的.     

断裂带煤矿井巷滞后突水机理数值模拟

应用FLAC3D软件,基于流-固耦合理论,对开滦赵各庄矿13水平东1石门一次小型滞后突水进行数值模拟.结果表明:受采矿产生的局部二次应力影响,奥陶系灰岩承压水和煤系地层承压水将沿断裂破碎带产生渗流扩散现象,并在岩石巷道附近产生4.0～5.0 Mpa的孔隙水压升高带;当工作面推进55,110,165 m的时候,岩石巷道附近将分别产生最高1.53,4.38,0.05MPa的孔隙水压;升高的孔隙水压无法在短时间内消散,从而进一步作用于岩体,并最终突破岩体阻抗导致突水,突水的发生大约需要1～3个月的滞后期.     

地热储层岩体粗糙裂隙的热流耦合效应研究

为了解决地热开采涉及复杂的多物理场耦合问题,提高开采效率,本文针对开采过程中的渗流-传热问题以离散元软件3DEC构建岩体粗糙裂隙热-流耦合数值模型。考虑不同三维形貌特征的岩体裂隙,模拟水力开度为19.17μm在不同流速时的水-岩温度变化规律。结果表明:由于裂隙形貌的阻滞作用,粗糙面出水口温度下降较慢,出水口温度有所上升,模型达到稳态所需的时间随流速和对流换热系数的增大而减小。裂隙形貌对流体和岩体温度分布均有影响,粗糙裂隙面的冷锋形态和裂隙面的形貌密切相关。光滑裂隙热突破快于粗糙裂隙,增加裂隙面的粗糙度有助于延长热突破时间。粗糙裂隙面相对于光滑裂隙面的总热量提取率略有提升,流速和对流换热系数的增加显著提高总热量提取率。通过本文研究可以为地热能系统的设计提供重要参数和指导,能够提高地热能开发利用效率。     

蒸压加气混凝土砌块温度裂缝防治措施探讨

采用有限元数值模拟方法,借助ANSYS有限元软件中的热-结构耦合模块进行蒸压加气混凝土砌块单片墙体的温度效应模拟,分析了墙体的受力、位移和裂缝情况。揭示夏热冬冷地区蒸压加气混凝土砌块墙体温度裂缝产生机理,进而完善设计理论和施工技术措施。     

干热岩开发中高温水-岩作用下岩石应力腐蚀及多场损伤问题

赋存于地球深部的地热资源,以其储量丰富、清洁再生等优势,有望成为破解我国能源困局,助推“双碳”目标实现的重要途径之一。干热岩(HDR)开发过程中,面临着高温高压环境下水-岩作用问题,在温度场、渗流场、应力场、化学场(THMC)等多场耦合作用下,岩体应力腐蚀效应和疲劳劣化会诱发岩石微裂纹-裂缝扩展、成核与丛集行为,进而影响增强型地热系统(EGS)的热交换效率和地质体稳定性,这也是制约干热岩长期安全开发的瓶颈,亟待突破。通过总结现有干热岩高温高压下多场损伤研究中的实验探索、理论模型、数值分析等多手段跨尺度方法,分析干热岩在高温高压及水环境下的应力腐蚀效应,可阐明循环生产过程中低温工质与高温地质体循环换热下干热岩储层结构演化的动态过程及工程响应,进而揭示THMC多场耦合作用下干热岩储层疲劳劣化损伤机理,为我国深部地热资源高效安全开发提供理论支撑和地质保障; 但仍亟待深入开展增强型地热系统的THMC多场耦合作用下岩体应力腐蚀效应的干热岩疲劳劣化机制与长期稳定性研究,如考虑应力腐蚀效应和疲劳损伤的干热岩长期强度评价模型、基于跨尺度疲劳损伤评价的干热岩开发下地质体长期稳定性方法、适应于干热岩储层改造及裂缝网络演化下THMC多场耦合数值方法。     

低渗透孔隙-裂隙介质气体非线性渗流运动方程

已有的煤层气渗流研究基于达西定律,而实验表明低渗透介质气体渗流为非线性流。采用实验、理论与计算相结合的方法建立低渗透孔隙-裂隙介质气体非线性渗流运动方程。实验结果表明,低渗透孔隙-裂隙介质气体渗流曲线是从较低压力梯度下的凹形曲线至较高压力梯度下的直线,是连续变化的曲线,直线延长线不通过坐标原点,存在拟启动压力梯度。根据该普遍特征,建立了非线性渗流运动方程。其参数量纲与物理意义清楚,运动方程计算的理论曲线与实验结果吻合很好,达西定律是运动方程的特例,运动方程可运用于低渗透孔隙-裂隙介质气体渗流理论及开发计算研究。     

局部非热平衡对增强型地热系统的影响探究

干热岩的有效开发需要依托增强型地热系统所形成的复杂裂缝网络,而致密基质与不同裂缝之间形成了不同尺度的传质传热环境,导致多孔介质传质传热过程存在复杂性．为分析局部非热平衡对复杂裂缝系统传质传热过程的影响,建立考虑局部非热平衡假设的微观孔隙尺度传质传热模型,揭示局部非热平衡假设对基质-裂缝传质传热过程影响的微观作用机理．同时,建立考虑局部非热平衡假设的嵌入式离散裂缝模型和求解方法,通过储层物性参数敏感性研究分析考虑局部非热平衡假设的必要性．结果表明,不考虑局部非热平衡假设会低估在近裂缝区域的岩石温度,而高估传热前缘区域的流体温度;局部非热平衡对增强型地热系统的影响主要体现在注入早期;注入强度越高,或基质裂缝渗透率越低,或基质裂缝孔隙度差异越大,或岩石热扩散系数越大,或对流换热系数越小,都越需要考虑局部非热平衡假设．研究结果可为增强型地热系统的精确数值模拟提供参考．