地下熱流固耦合對(duì)EGS熱開(kāi)采的影響*

曹文炅，黃文博，蔣方明

（中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640）

地下熱流固耦合對(duì)EGS熱開(kāi)采的影響*

曹文炅，黃文博，蔣方明?

（中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640）

人工熱儲(chǔ)的孔隙率及滲透率在增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS）地下熱開(kāi)采過(guò)程中受溫度（T）、水力（H）、應(yīng)力（M）的綜合影響。本文建立了EGS熱開(kāi)采過(guò)程THM耦合的三維計(jì)算模型，并采用局部非熱平衡假設(shè)處理液巖對(duì)流換熱。對(duì)一理想的五口井EGS系統(tǒng)采熱過(guò)程進(jìn)行了THM模擬計(jì)算，分析了巖石溫度、孔隙壓力對(duì)巖石應(yīng)力場(chǎng)的作用機(jī)理，進(jìn)一步研究了應(yīng)力場(chǎng)對(duì)EGS采熱性能的影響。結(jié)果表明，開(kāi)采過(guò)程中巖石應(yīng)力場(chǎng)為熱儲(chǔ)內(nèi)孔隙壓力和溫差綜合作用的結(jié)果，由孔隙壓力造成的巖石應(yīng)力為壓應(yīng)力，僅集中于注入井附近，由巖石溫度變化引起的熱應(yīng)力為拉應(yīng)力，隨著熱開(kāi)采區(qū)域的擴(kuò)展而擴(kuò)展。液?巖溫差是觸發(fā)工質(zhì)與巖石熱交換的動(dòng)因，同時(shí)也是產(chǎn)生熱應(yīng)力的根本。

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)；局部非熱平衡；熱流固耦合；變物性

0 引 言

賦存于地下3～10 km范圍的干熱巖（Hot dry rock, HDR）地?zé)崮埽蚱淝鍧嵖稍偕院涂臻g分布的廣泛性，已成為位居水力、生物質(zhì)能之后的世界第三大可再生能源[1]。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced geothermal systems, EGS）旨在將HDR地?zé)崮芴崛≈恋厣喜⒓右岳?。EGS的原理是通過(guò)水力激發(fā)等手段，在低滲透性的HDR內(nèi)產(chǎn)生具有一定連通性的裂隙網(wǎng)絡(luò)，形成人工熱儲(chǔ)。然后由注入井灌注冷流體工質(zhì)，流體工質(zhì)流過(guò)地下裂隙時(shí)獲取HDR熱量，熱流體經(jīng)由生產(chǎn)井開(kāi)采出來(lái)后用于地面發(fā)電，發(fā)電后的流體工質(zhì)經(jīng)進(jìn)一步梯級(jí)利用降溫后再回注至地下熱儲(chǔ)，從而形成循環(huán)生產(chǎn)。地下采熱過(guò)程是EGS的關(guān)鍵，直接影響EGS的產(chǎn)能和壽命，而這一過(guò)程則包含了復(fù)雜的多物理場(chǎng)、多尺度綜合效應(yīng)。研究熱儲(chǔ)內(nèi)熱（Thermal, T），水力（Hydraulic, H），應(yīng)力場(chǎng)（Mechanical, M）耦合作用對(duì)揭示EGS地下熱開(kāi)采機(jī)理，合理高效地獲取HDR熱能等具有重要意義。

在EGS熱開(kāi)采過(guò)程中，循環(huán)工質(zhì)溫度和壓力的變化將改變其熱物性，從而影響采熱過(guò)程中工質(zhì)流體的輸運(yùn)和巖石?流體換熱。在水力及熱力作用下高溫巖體則發(fā)生有效應(yīng)力場(chǎng)改變和骨架變形，進(jìn)而導(dǎo)致巖石的儲(chǔ)滲能力發(fā)生變化。這些變化反過(guò)來(lái)又影響循環(huán)工質(zhì)的滲流，影響熱量的輸運(yùn)，即會(huì)影響EGS的壽命、出力等生產(chǎn)指標(biāo)。KOH等[2]結(jié)合有限元和隨機(jī)生成裂隙構(gòu)建了二維熱儲(chǔ)的THM耦合模型，研究表明高溫巖體所受熱應(yīng)力能夠在長(zhǎng)期開(kāi)采中影響熱儲(chǔ)滲透率，進(jìn)而影響溫度場(chǎng)分布和生產(chǎn)井采出溫度。GHASSEMI等[3]研究了熱應(yīng)力對(duì)裂隙滑移和擴(kuò)張的效應(yīng)，并在后續(xù)研究中逐步增加了孔隙壓力效應(yīng)[4]、化學(xué)反應(yīng)及礦物質(zhì)溶解/沉積效應(yīng)[5]。JEANNE等[6]將商用軟件TOUGH與FLAC3d結(jié)合，進(jìn)行了Geysers地?zé)崽锏腡HM計(jì)算，并將位移計(jì)算值與Geysers項(xiàng)目試驗(yàn)觀測(cè)的地表位移進(jìn)行對(duì)比。MCDERMOTT等[7]研究了結(jié)晶巖體裂隙開(kāi)度的熱響應(yīng)問(wèn)題，認(rèn)為裂隙的開(kāi)度直接與裂隙平面的法向張應(yīng)力相關(guān)。然而，在現(xiàn)有的研究中，對(duì)液?巖換熱的處理通常采用局部熱平衡假設(shè)，忽略了液?巖溫差，由工質(zhì)物性的變化引起的效應(yīng)也鮮有報(bào)道。

本文根據(jù)熱儲(chǔ)層巖石中THM耦合的影響機(jī)理，考慮水的熱物性溫度和壓力而變化的情況，從飽和多孔介質(zhì)單相流體角度出發(fā)，建立了EGS熱開(kāi)采過(guò)程THM耦合的三維計(jì)算模型。對(duì)一理想的五口井EGS系統(tǒng)采熱過(guò)程進(jìn)行了THM計(jì)算，分析了巖石溫度、孔隙壓力對(duì)巖石應(yīng)力場(chǎng)的作用機(jī)理，并探討液?巖溫差與巖石熱應(yīng)力的相關(guān)性，進(jìn)一步研究了應(yīng)力場(chǎng)對(duì)EGS采熱性能的影響。

1 EGS熱開(kāi)采過(guò)程的熱流固耦合模型

1.1 主控方程

本文在前期EGS采熱過(guò)程數(shù)值模型工作基礎(chǔ)上引入應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算部分[8-12]。模型基于局部非熱平衡思想，采用兩個(gè)能量方程來(lái)分別描述熱儲(chǔ)內(nèi)流體和巖石骨架的溫度場(chǎng)，可方便地處理采熱過(guò)程中實(shí)際存在的巖石?流體換熱過(guò)程。對(duì)于應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算本文采用HU等[13]的平均總應(yīng)力模型，該模型能夠通過(guò)標(biāo)量控制方程進(jìn)行描述，可實(shí)現(xiàn)與流場(chǎng)及溫度場(chǎng)計(jì)算的強(qiáng)耦合。模型將EGS的地下部分處理為三個(gè)性質(zhì)不同的子區(qū)域：①開(kāi)放流道性質(zhì)的注入井和生產(chǎn)井； ②多孔介質(zhì)性質(zhì)的熱儲(chǔ)；③滲透性可忽略不計(jì)的熱儲(chǔ)周圍巖體。模型假設(shè)單相流體流動(dòng)，不考慮循環(huán)流體與巖石的化學(xué)作用。采用的控制方程如下。

循環(huán)工質(zhì)的連續(xù)性方程：

循環(huán)工質(zhì)的動(dòng)量守恒方程：

巖石的能量守恒方程：

循環(huán)工質(zhì)的能量守恒方程：

巖石的平均總應(yīng)力方程：

其中，u、p、Tf、Ts及σm分別表示工質(zhì)速度矢量、工質(zhì)壓力、工質(zhì)溫度、巖石溫度及巖石平均總應(yīng)力，為T(mén)HM模型的主要求解變量；ρf、cpf、kf、μ分別表示工質(zhì)密度、比熱容、有效導(dǎo)熱系數(shù)和動(dòng)力粘度，受工質(zhì)的溫度和壓力決定，將通過(guò)后續(xù)變物性模型給出變量隨溫度和壓力變化的關(guān)系；g為重力加速度；ε和K分別為熱儲(chǔ)的孔隙率和滲透率，下文中將通過(guò)等效應(yīng)力模型進(jìn)行描述；ha表示巖石?流體對(duì)流換熱強(qiáng)度，本文取ha=1.0 W·m?3·K?1；下標(biāo)s和f分別代表巖石和流體，上標(biāo)eff表示有效物性。式（5）中υ、α、β、B分別表示巖石的泊松比、Biot數(shù)、線膨脹系數(shù)以及體積模量；F為熱儲(chǔ)所受外力。

1.2 水工質(zhì)的變物性模型

本文采用國(guó)際水及蒸汽物性組織（IAPWS）[14]建立的公式進(jìn)行水工質(zhì)的變物性模型建立。IAPWS模型針對(duì)水不同的相建立了相應(yīng)的區(qū)域和方程，考慮到EGS系統(tǒng)中水的溫度和壓力范圍（壓力低于100 MPa，溫度低于623.15 K），本文選用I區(qū)域（液相區(qū)域）進(jìn)行建模。該區(qū)域采用Gibbs自由能描述水的狀態(tài)：

其中，g（p, T）為Gibbs自由能；Rw為水的比氣體常數(shù)，Rw=461.526 J·kg?1·K?1；π與τ分別為無(wú)量綱化的壓力和溫度，π=p/p* ， τ=T*/T ，參考?jí)毫?p*=16.53 MPa，參考溫度T*=1 386 K；ni、Ii、Ji均為常數(shù)，可參考文獻(xiàn)[14]。利用Gibbs自由能的偏導(dǎo)數(shù)，就可得到隨溫度和壓力變化的密度及比熱容。

導(dǎo)熱系數(shù)和粘度系數(shù)則由下述多項(xiàng)式給出[15-16]：

其中，參考值λ*=1.0 × 10?3W·m?1·K?1，μ*=1.0 × 10?6Pa·s；及為無(wú)量綱溫度及密度, 可表示為=T/ T'及=ρ/ ρ'，參考值T'=647.096 K，ρ'=322.0 kg·m?3；方程中下標(biāo)0、1和2的關(guān)聯(lián)項(xiàng)分別為稀釋氣體項(xiàng)，有限密度項(xiàng)及臨界點(diǎn)修正項(xiàng)。導(dǎo)熱系數(shù)及粘度系數(shù)的稀釋氣體項(xiàng)和有限密度項(xiàng)可由下列各式計(jì)算：

式中，Li、Lij、Hi及 Hij均為常系數(shù)，取值可由文獻(xiàn)[15-16]查得。由于熱儲(chǔ)內(nèi)的溫度沒(méi)有達(dá)到水的臨界點(diǎn)，因此本文計(jì)算中取

1.3 THM耦合模型的實(shí)現(xiàn)

本文采用Fluent進(jìn)行控制方程的求解，其中能量守恒方程、平均總應(yīng)力方程均以標(biāo)量控制方程進(jìn)行計(jì)算，THM耦合機(jī)制如圖1所示。熱流兩場(chǎng)之間的耦合由工質(zhì)的變物性模型實(shí)現(xiàn)。熱儲(chǔ)層的孔隙率及滲透率是滲流及傳熱的關(guān)鍵參數(shù)，也是應(yīng)力場(chǎng)與熱、流計(jì)算耦合的關(guān)鍵。在巖土力學(xué)中孔隙率及滲透率可表示為巖石有效應(yīng)力的相關(guān)函數(shù)，本文采用的計(jì)算模型如下[17-19]：

其中，σ'為巖石有效應(yīng)力，0ε及rε分別為在零有效應(yīng)力及高有效應(yīng)力狀態(tài)下的孔隙率；K0為初始孔隙率；ξ與ζ均為與材料相關(guān)的常系數(shù)。

圖1 THM耦合機(jī)制Fig. 1 Mechanism of the THM coupling

2 算例分析及討論

2.1 計(jì)算模型

圖2為某假設(shè)五口井分布EGS，由于對(duì)稱性取1/4進(jìn)行計(jì)算。人工熱儲(chǔ)的體積為500 m × 500 m × 500 m的立方體。熱儲(chǔ)周圍包覆有足夠體積的基巖和蓋巖，避免了人為設(shè)定的邊界條件帶來(lái)的誤差。注入井和生產(chǎn)井均為0.2 m × 0.2 m的方形通道。巖石的初始溫度按照4 K/100 m的地溫梯度隨深度線性增加，地表溫度設(shè)為300 K，熱儲(chǔ)中裂隙流體初始溫度與當(dāng)?shù)貛r石溫度相同。所有與流體接觸的壁面均為非滑移邊界，注入井與生產(chǎn)井均采用定壓力邊界，注入井與生產(chǎn)井壓差取10 MPa，熱儲(chǔ)內(nèi)環(huán)境壓力取40 MPa。注入溫度為343 K，其余計(jì)算參數(shù)列于表1，計(jì)算模型的幾何尺寸設(shè)置如圖2所示。

表1 模型計(jì)算參數(shù)Table 1 Parameters of the THM model

圖2 五口井EGS模型幾何尺寸Fig. 2 Geometrical dimensions of the considered quintuplet EGS

2.2 熱開(kāi)采過(guò)程溫度場(chǎng)及滲流場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響

圖3顯示了采熱過(guò)程中熱儲(chǔ)內(nèi)巖石溫度隨時(shí)間的變化。注入井附近巖石熱量首先被采集，溫度迅速降低。隨著時(shí)間的推移低溫區(qū)域逐漸向生產(chǎn)井一側(cè)擴(kuò)展。由于五口井分布的對(duì)稱特征，熱儲(chǔ)內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)以注入井為中心向四周擴(kuò)展，溫度采集前沿位置為近似的柱面。

圖4顯示了熱儲(chǔ)內(nèi)孔隙壓力隨時(shí)間的變化。由圖可知在整個(gè)開(kāi)采階段孔隙壓力分布變化較小，高壓區(qū)域集中于注入井附近。注入井附近壓降極大，表明循環(huán)工質(zhì)的動(dòng)量損失主要集中在注入井附近。

圖5顯示了巖石平均總應(yīng)力空間分布隨熱開(kāi)采進(jìn)行的發(fā)展情況，其量級(jí)和分布與文獻(xiàn)[5,13]具有一致性：在非常接近注入井的區(qū)域平均總應(yīng)力為正值，根據(jù)巖土力學(xué)中壓應(yīng)力為正的約定可知注入井附近的巖石受壓應(yīng)力作用。而在熱儲(chǔ)層內(nèi)還存在著一個(gè)從注入井隨開(kāi)采的進(jìn)行逐漸向生產(chǎn)井發(fā)展的拉應(yīng)力區(qū)域（平均總應(yīng)力為負(fù)值），該區(qū)域隨著熱開(kāi)采的進(jìn)行逐漸向注入井?dāng)U張。

巖石平均總應(yīng)力是孔隙壓力和巖石熱應(yīng)力綜合作用的結(jié)果，為了說(shuō)明孔隙壓力和溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)力計(jì)算的影響，圖6中提取并對(duì)比了開(kāi)采至第5年時(shí)由孔隙壓力引起的巖石應(yīng)力及溫度變化引起的巖石應(yīng)力，即孔隙彈性應(yīng)力及熱彈性應(yīng)力。

由圖6可知，由孔隙壓力造成的巖石應(yīng)力為壓應(yīng)力，僅集中于注入井附近，由巖石溫度變化引起的熱應(yīng)力為拉應(yīng)力，隨著熱開(kāi)采區(qū)域的擴(kuò)展而擴(kuò)展。從應(yīng)力幅值來(lái)看，孔隙彈性應(yīng)力幅值大于熱彈性應(yīng)力幅值，說(shuō)明在注入井附近孔隙彈性應(yīng)力起主導(dǎo)作用。熱彈性應(yīng)力作用相對(duì)較弱，但其空間分布大于孔隙彈性應(yīng)力，并隨著熱開(kāi)采進(jìn)行不斷擴(kuò)展。為了進(jìn)一步研究液?巖溫差對(duì)熱應(yīng)力計(jì)算的影響，我們提取了圖6b所示AB路徑的液?巖溫差及熱應(yīng)力進(jìn)行分析，對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

在局部非熱平衡模型下，巖石與循環(huán)工質(zhì)的溫差分布直接反映了熱儲(chǔ)層內(nèi)發(fā)生熱交換的范圍，即開(kāi)采區(qū)域。由圖7可以看出，在距離注入井約0～60 m范圍內(nèi)液?巖溫差為零，結(jié)合圖3可知該區(qū)域巖石熱能已被充分開(kāi)采，巖石溫度已達(dá)到工質(zhì)的注入溫度；在60～250 m范圍存在液?巖溫差，表明該區(qū)域?yàn)楫?dāng)前時(shí)刻熱開(kāi)采進(jìn)行區(qū)域；在遠(yuǎn)離注入井250 m至生產(chǎn)井（距注入井約283 m）范圍內(nèi)，液?巖溫差趨于零，工質(zhì)已得到充分加熱并與巖石達(dá)到溫度平衡。值得注意的是，熱儲(chǔ)內(nèi)巖石所受的熱應(yīng)力變化范圍與液?巖溫差曲線很好的吻合：在0～60 m區(qū)域熱應(yīng)力穩(wěn)定于 ?1.6 MPa左右，該區(qū)域熱應(yīng)力是由此時(shí)刻之前的熱開(kāi)采所形成，拉應(yīng)力的最大值為 ?1.62 MPa，其位置吻合于液?巖溫差曲線中低溫平衡區(qū)域與開(kāi)采區(qū)域的交界位置（即距注入井約60 m位置）；在60～250 m區(qū)域內(nèi)，熱應(yīng)力幅值隨著距注入井距離的增大而逐漸遞減，而熱應(yīng)力變化曲線的拐點(diǎn)則吻合于液?巖溫差曲線的峰值點(diǎn)；在遠(yuǎn)離注入井250 m的區(qū)域，熱應(yīng)力值趨于零。從物理角度而言，液?巖溫差是觸發(fā)工質(zhì)與巖石熱交換的動(dòng)因，巖石在消耗熱能的同時(shí)溫度降低并產(chǎn)生體積收縮，從而產(chǎn)生拉應(yīng)力。該拉應(yīng)力隨著巖石溫度的降低而逐漸累積，液?巖溫差最大位置則為當(dāng)前時(shí)刻拉應(yīng)力變化最顯著的位置，當(dāng)巖石溫度降低至工質(zhì)注入溫度時(shí)，拉應(yīng)力達(dá)到最大值。以上分析也說(shuō)明了液?巖溫差是造成熱儲(chǔ)內(nèi)巖石熱應(yīng)力變化的根本動(dòng)因。

圖3 熱儲(chǔ)內(nèi)巖石溫度變化Fig. 3 Rock temperature distribution in the heat reservoir

圖4 熱儲(chǔ)內(nèi)孔隙壓力變化Fig. 4 Pore pressure distribution in the heat reservoir

圖5 巖石平均總應(yīng)力變化Fig. 5 Mean total stress distribution in the heat reservoir

圖6 開(kāi)采至第5年時(shí)孔隙彈性應(yīng)力及熱彈性應(yīng)力對(duì)比Fig. 6 Distribution of poro- and thermo- elastic stress at 5 years into the EGS operation

圖7 液?巖溫差與巖石熱應(yīng)力對(duì)比Fig. 7 The comparison between the liquid-rock temperature difference and the thermal stress in the reservoir

2.3 熱開(kāi)采過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)對(duì)采熱性能的影響

由式（15）～式（17）計(jì)算獲得的開(kāi)采至第5年時(shí)熱儲(chǔ)有效應(yīng)力、孔隙率及滲透率分布如圖8所示。在注入井相鄰區(qū)域，雖然平均總應(yīng)力表現(xiàn)為最大壓應(yīng)力，但由于該位置孔隙壓力也為最大值，因此該區(qū)域有效應(yīng)力達(dá)到最大負(fù)值，對(duì)應(yīng)的孔隙率及滲透率均達(dá)到最大值，表明該區(qū)域內(nèi)裂隙開(kāi)度在較大孔隙壓力作用下產(chǎn)生增長(zhǎng)。在距注入井較遠(yuǎn)范圍內(nèi)，孔隙率及滲透率同樣大于初始值，該區(qū)域主要是因?yàn)閹r石溫度降低產(chǎn)生收縮，表明該區(qū)域?yàn)闊釕?yīng)力作用區(qū)域。

圖8 開(kāi)采至第5年時(shí)有效應(yīng)力、孔隙率、滲透率分布Fig. 8 Distributions of effective stress, porosity and permeability at 5 years

當(dāng)孔隙率及滲透率發(fā)生改變時(shí)，熱儲(chǔ)內(nèi)的滲流性能及換熱性能均受到較大影響，從而使EGS采熱性能發(fā)生顯著變化。圖9對(duì)比了有無(wú)應(yīng)力場(chǎng)作用下出口井質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化情況?？梢钥闯?，在采熱的最初階段，兩種條件下出口井質(zhì)量流量均表現(xiàn)為劇烈降低過(guò)程，這是因?yàn)樽⑷刖浇鼰醿?chǔ)開(kāi)始有低溫工質(zhì)流入，而工質(zhì)在低溫區(qū)域的粘度系數(shù)顯著增大，使得注入井附近工質(zhì)的動(dòng)量損失相應(yīng)增大。而在應(yīng)力場(chǎng)作用條件下，出口井質(zhì)量流量開(kāi)始回升，由圖8可知注入井相鄰區(qū)域滲透率有所增大，降低了該區(qū)域的流動(dòng)阻力。在后續(xù)運(yùn)行中考慮應(yīng)力場(chǎng)效應(yīng)時(shí)出口井質(zhì)量流率則在較高范圍內(nèi)變化（37 kg/s降低至30 kg/s），而不考慮應(yīng)力場(chǎng)效應(yīng)的質(zhì)量流率低于20 kg/s。后續(xù)運(yùn)行中質(zhì)量流率的逐漸降低是因?yàn)闊醿?chǔ)內(nèi)處于低溫的流體逐漸增多，動(dòng)量損失隨著粘度系數(shù)的增大而增大。

圖9 熱儲(chǔ)層內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)對(duì)出口井質(zhì)量流量的影響Fig. 9 Mechanical effects on the mass flow rate in EGS reservoir

圖10 熱儲(chǔ)層內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)對(duì)開(kāi)采壽命及開(kāi)采率的影響Fig. 10 Mechanical effects on the lifetime and the heat extraction ratio of the EGS

圖10比較了有無(wú)應(yīng)力場(chǎng)影響下的采出溫度及采出熱量隨時(shí)間的變化情況，其中采出熱量的描述由采熱比（Heat Extraction ratio）給出：

式中，Tg為地表溫度，Ts,ini為熱儲(chǔ)的初始溫度，Vh為熱儲(chǔ)體積，Vb為基巖體積，Vh + Vb構(gòu)成了圖2所示的計(jì)算域體積。等式右端分母為以地表溫度為參考的熱儲(chǔ)內(nèi)總熱能，分子包含了由熱儲(chǔ)內(nèi)與基巖內(nèi)已開(kāi)采出的能量，該參數(shù)的實(shí)質(zhì)是t時(shí)刻由EGS系統(tǒng)采出的無(wú)量綱化的總能量?？梢钥闯?，若以采出溫度降低10 K作為系統(tǒng)廢止的條件，即在本文中出口井采出溫度降至450 K的時(shí)刻作為該系統(tǒng)的開(kāi)采壽命，則在應(yīng)力場(chǎng)影響下的開(kāi)采壽命約為6.5年，低于不考慮應(yīng)力場(chǎng)效應(yīng)的開(kāi)采壽命（12年）。在各自廢止的時(shí)刻，應(yīng)力場(chǎng)影響下的EGS熱開(kāi)采率約為0.25，不考慮應(yīng)力場(chǎng)效應(yīng)的熱開(kāi)采率約為0.26，略高于前者，這是因?yàn)殚_(kāi)采壽命較長(zhǎng)條件下周圍巖石能夠依靠熱傳導(dǎo)對(duì)已開(kāi)采的低溫區(qū)域進(jìn)行熱補(bǔ)償，從而提高了熱儲(chǔ)的整體熱開(kāi)采率。以上結(jié)果表明應(yīng)力場(chǎng)效應(yīng)對(duì)EGS的采熱性能具有顯著影響，特別是注入井附近區(qū)域孔隙率滲透率的改變極大影響了后續(xù)熱開(kāi)采過(guò)程。

3 結(jié) 論

本文在基于局部非熱平衡假設(shè)的EGS熱開(kāi)采過(guò)程三維計(jì)算模型基礎(chǔ)上，根據(jù)熱儲(chǔ)層巖石中THM耦合的影響機(jī)理，考慮水的熱物性隨溫度和壓力的改變而變化的情況，從飽和多孔介質(zhì)單相流體角度出發(fā)，建立了EGS熱開(kāi)采過(guò)程THM耦合的三維計(jì)算模型。對(duì)一理想的五口井EGS系統(tǒng)采熱過(guò)程進(jìn)行了THM計(jì)算，分析了巖石溫度、孔隙壓力對(duì)巖石應(yīng)力場(chǎng)的作用機(jī)理，進(jìn)一步研究了應(yīng)力場(chǎng)對(duì)EGS采熱性能的影響，主要結(jié)論如下：

（1）由孔隙壓力造成的巖石應(yīng)力為壓應(yīng)力，在距離注入井20 m范圍內(nèi)壓應(yīng)力高于1.0 MPa，由巖石溫度變化引起的熱應(yīng)力為拉應(yīng)力，隨著熱開(kāi)采區(qū)域的擴(kuò)展而擴(kuò)展。

（2）液?巖溫差是觸發(fā)工質(zhì)與巖石熱交換的動(dòng)因，同時(shí)也是產(chǎn)生熱應(yīng)力的根本。

（3）應(yīng)力場(chǎng)效應(yīng)對(duì)EGS的采熱性能具有顯著影響，特別是注入井附近區(qū)域孔隙率滲透率的改變極大影響了后續(xù)熱開(kāi)采過(guò)程。

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The Thermal-Hydraulic-Mechanical Coupling Effects on Heat Extraction of Enhanced Geothermal Systems

CAO Wen-jiong, HUANG Wen-bo, JIANG Fang-ming
(Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)

During heat extraction in enhanced geothermal systems (EGS), the reservoir porosity and permeability can be greatly affected by the multi-physical coupling of Thermal (T), Hydraulic (H), and Mechanical (M) actions. In the present work we develop a three-dimensional transient model coupling the subsurface THM behaviors during EGS heat extraction process. The local thermal non-equilibrium is assumed when describing the heat exchange between the rock matrix and heat transmission fluid. Case studies with respect to an imaginary quintuplet EGS reveal the involved mechanisms of inter-couplings in-between T-H-M actions, and the results indicate significant mechanical effects on EGS heat extraction performance. The stress of the rock matrix is largely influenced by the pore pressure and the temperature distributions. The stress triggered by fluid pressure is found to be compressive and confined in the very vicinity region of the injection well； the thermal stress is tensile and to some extent also concentrates around the injection well, but its distribution region expands toward the production well with the proceeding of heat extraction process. The temperature difference between rock matrix and heat transmission fluid is not only the driving force of heat extraction from heat reservoir but also significantly affects the formation of thermal stress in the reservoir.

enhanced geothermal system； local thermal non-equilibrium； THM coupling； variable properties

TK529

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.06.006

2095-560X（2015）06-0444-08

曹文炅（1983-），男，博士，助理研究員，主要從事增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究。

2015-09-18

2015-10-12

中科院百人計(jì)劃（FJ）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51406213）；NSFC-廣東聯(lián)合基金（U1401232）；廣東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)培育項(xiàng)目（2014A030308001）

? 通信作者：蔣方明，E-mail：jiangfm@ms.giec.ac.cn

黃文博（1990-），男，博士研究生，主要從事增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)地下物理過(guò)程的數(shù)值模擬研究。

蔣方明（1973-），男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”引進(jìn)海外杰出人才。目前主要從事電化學(xué)能源/動(dòng)力系統(tǒng)、增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)、微熱流體系統(tǒng)、以及高效節(jié)能技術(shù)/產(chǎn)品等前沿科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)研究。