增强型地热系统高温热储热流耦合数值模拟分析

＊袁安冬 唐文龙 汪丽娟 王海涛

（安徽建筑大学 环境与能源工程学院 安徽 230601）

引言

干热岩（Hot Dry Rocks，HDR）地热资源属于一种深层热岩体，埋深3～10km，温度可达150℃以上，不含或含有少量流体，并需要通过压裂造热储取热，开采干热岩资源的系统称为增强型地热系统（EGS）[1-3]。干热岩资源具有储量巨大且不受地域限制，换热过程在地下对环境影响较小等优点。我国大陆地区干热岩地热资源储量据估算约为20.9×1024J，储量虽然大，然而我国对干热岩的研发还处于初步研究阶段，与发达国家相比还有一定差距[4-6]。

EGS是一个复杂的工程系统，开发干热岩是流体介质在高温热储中的流动换热问题，而介质在热储中的换热过程是一个典型的多场耦合问题，目前数值模拟方法因其经济快速的特点可以高效模拟和分析EGS换热耦合的过程，得到了广泛的应用，国内外研究学者也对此作了一些研究：肖鹏、闫飞飞等[7]将水平井多裂缝开发技术应用于EGS，建立了三维EGS水平井平行多裂缝模型，利用CFX软件分析了不同注入流量条件下EGS的性能，揭示裂缝中流体流动特征与EGS换热机理的关系，从而提高EGS的经济效益；翟海珍等[8]基于美国沙漠峰地热田的地质背景，构建了基于围岩的EGS平行多裂隙概念模型，对采热过程进行数值模拟研究；段云星等[9]以云南腾冲热海热田为地质背景通过COMSOL软件分析了EGS对井间距、注入流量等因素对系统采热性能的影响，得出注入流量是主要关键因素；罗良等[10]基于分形分叉网络模型研究了干热岩储层内裂隙对循环采热过程的影响，得到影响采热速率的关系式；Saeid等[11-12]对低温EGS进行了一维和二维耦合模拟，通过对不同参数的比较，得出EGS的使用寿命取决于孔隙度、流量和井距的定量关系。

同时许多研究和现场证据发现，注入流体会沿着“裂隙”的优选流动路径快速移动，注入井的水可以快速运移到裂隙性储层中的产出井[13]。因此，笔者在总结前人的基础上，利用COMSOL软件建立单裂隙增强型地热系统300℃高温热储换热模型，研究其运行40a的换热过程，最后探究影响EGS高温热储高效换热的各项因素，为提高商业化采热及热储的优化设计提供指导。

图1 几何模型

图2 300℃高温热储温度变化规律云图

1.模型的建立

(1)几何模型

通过参考位于我国松辽盆地的大庆油田莺深井2测井进行建模，选用地下3800～4300m段发育程度较好的区域作为研究对象，建立的理想3D热储模型整体尺寸为500m×500m×500m，包括上下基质、裂隙面、注入井和产出井与热储相交的开孔段。几何模型如图1所示，注入井与产出井直径为0.2m，两井相距400m，离热储两边的距离分别为50m和250m。

(2)边界条件和初始条件

整个增强型地热系统热储的模拟时间为40a，每个时间步长为0.5a，初始条件和边界条件如下：

①温度场：目前大部分的研究基本都以200℃左右的热储为主，本文研究300℃的高温热储，整体模型初始温度为300℃，注入井注水温度为20℃，模型四周边界绝热。

②渗流场：模型初始孔隙压力为静水压力40MPa。注入井口的边界条件为流量，注入流量为10kg/s。为了保证水的循环，产出井出口压力设为10MPa，储层四周不可渗透。

(3)模型初始计算参数设置

模拟结果的准确性一定方面上取决于计算参数的选择，本文水作为增强型地热系统的循环工质，模型整体初始温度300℃，压力为40MPa，裂隙面厚度dl为3mm，其他参数见表1。

表1 热物性参数表

续表

2.结果与分析

(1)温度场变化规律

图2为温度场变化规律云图，在运行初期阶段，在注入井开孔段附近由于低温水的注入，低温水通过热储上下基质和裂隙面流动，与热储上下基质岩体和裂隙之间快速发生热交换，热量由热储传到水，水的温度升高。同时由于靠近注入井开孔段附近的热量首先被带出去，注入井开孔段周边区域温度快速降低，形成低温区域。

对于40a长期的热开采，随着运行时间的推移，被冷却的范围越来越大，低温区域沿着水平方向和竖直方向慢慢向产出井开孔段扩散，低温区域半径逐渐变大，形成由低到高的温度梯度。EGS热储内由于裂隙面的渗透率要远高于热储上下基质，导流能力较强，裂隙面成为水的主要流通通道。可以看到低温区域在裂隙面通道的扩散比较快，这是因为对流换热在裂隙面的作用更强，先沿着裂隙面到达产出井开孔段，但在热储上下基质岩体边缘位置的扩散比较慢，裂隙面的低温区域明显高于上下基质低温区域，会率先到达产出井开孔段附近。由此可见说明对于双孔隙率连续介质模型EGS的热提取较大的取决热储内的水流动。

(2)系统寿命和热提取率评估分析

目前，大多数研究中在评估EGS热储寿命的普遍标准是出口温度降为初始温度的70%～90%时的时间作为EGS的运行寿命。本文从这个角度出发，定义了3种由低到高Standard：Standard1、Standard2和Standard3，具体内容是：当出口水温降低为初始温度70%、80%和90%时的时间作为EGS的运行寿命。

为了进一步了解热储的热提取情况，定义热提取率η(t)，作为研究热储的热提取情况，表达式为：

式中：TC和T0(t)分别为初始时间和t时间产出井出口水温，TS为3种Standard下EGS的末温。

η(t)＜1表明出口水温仍能被加热到各自Standard下EGS的末温，热量提取还不够充分，η(t)＞1表明出口水温已经降到各自Standard温度以下，热量提取已经比较充分。图3为3种Standard下EGS的热提取情况，由图可知，3种Standard在5a前增长缓慢，基本保持恒定，这是因为前5a水在到达产出井的温度接近基质温度。40a时，Standard1、Standard2,和Standard3的热提取率分别为0.31、0.46和0.92，表明3种Standard40a内的热量提取都不够充分，还有提升空间，但Standard3热提取率接近1，40a后热量提取空间不大，也表明了EGS在Standard3下运行寿命约为40a。

图3 3种Standard下EGS的热提取率

3.结论

（1）越靠近注入井开孔段，温度降低越快，热储内由于裂隙面的渗透率要远高于热储上下基质，导流能力较强，裂隙面成为流体的主要流通通道，裂隙面的低温区域影响半径也明显高于上下基质。

（2）通过对热储进行寿命和热提取率发现：Standard越高，热储寿命越短，热提取越充分，Standard越低，热储寿命越长，热提取不够充分，其中Standard3在40a时热提取率为0.92，其后热量提取空间不大，而Standard1、Standard2 40a的热提取率分别为0.31、0.46，热量提取仍有大量空间，实际对热储运行寿命和热提取率进行评价时，应根据实际EGS的用途选择合适的标准。