石油天然气工程

增强型地热系统热流固耦合模型及数值模拟

孙致学，徐轶，吕抒桓，等

摘要：目的：增强型地热系统（EGS）利用水力压裂地下高温岩体形成人工热储，通过载热流体循环以提取干热岩（HDR）所存储的地热能，其开采过程包含渗流、热能交换及岩体介质变形，为典型的热流固（THM）耦合问题。旨在解决目前关键技术难题中如何模拟大规模复杂裂隙及有效处理裂隙介质中传热、渗流与应力过程的多场耦合作用，尤其是研究应力场变化引起裂隙的张开、闭合对介质渗透率和传热效率的改变等对EGS的运行状态产生的影响，最终研究增强型地热系统内温度场、渗流场及应力场的变化关系。方法：基于局部非热平衡理论，将裂隙岩体视作基于离散裂隙网络和基质岩体的双重介质，给出 THM耦合的数学模型，基于商业有限元软件COMSOL Mutilphysics进行二次开发，实现裂隙岩体温度场、渗流场和应力场的全耦合求解。利用一个已知解析解的算例验证耦合模型和全耦合求解方法的正确性。最后利用随机生成的二维裂隙网络模型模拟EGS的运行过程，分析干热岩储层内渗流、温度、应力及变形的分布规律。结果：利用随机生成的二维离散裂隙网络模型模拟EGS运行过程得到如下结果，（1）渗流场流速直接影响裂隙岩体中温度场的变化，研究渗流场的变化规律对控制ESG的运行有重要意义。（2）EGS中裂隙岩体温度场分布具有强非均匀性和各向异性，利用水力压裂产生裂隙，增强岩体的导流能力、提高采热效率是水力压裂技术的重要特征，并且裂隙岩体中热量主要沿裂隙传输。（3）在高压水的作用下，裂隙和基质岩块的变形提高了系统的导流能力，会加快热量的传输速率；温度的剧烈变化也会导致岩体应力分布的改变。在EGS储层中温度、渗流和应力三场之间是相互影响和制约的。（4）系统可以在某一阶段保持稳定出力，一段时间后，低温区不断扩大，生产井附近的温度开始下降，在裂隙面附近由于裂隙水的流速高，水温下降更快，系统的出力也不断减小；入口水温越低，则出口平均水温下降越快。结论：（1）将岩体视作由离散裂隙网络和基质岩块组成的双重介质，有效考虑裂隙岩体传热、渗流与应力过程中的相互作用，建立了相应的THM耦合数学模型；（2）基于商业软件 COMSOL二次开发，实现了模型的全耦合求解，求解精度更高。对于饱和土热固结问题，能够获得与解析解较为一致的结果，在一定程度上说明了耦合模型的可靠性；（3）在增强型地热系统的算例分析中，数值模拟可以得到温度、渗流及应力各物理场的分布特征，且和现有的一般性结论较为吻合。数值模拟反映了三场之间的耦合作用规律，说明干热岩开采过程中存在较强的THM耦合作用。因此，研究增强型地热系统的利用效率和运行控制有必要考虑THM三场耦合作用特点。

来源出版物：中国石油大学学报（自然科学版）, 2016,40(6)： 109-117

入选年份：2016