發布時間：2020-04-13所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:介紹了我國干熱巖資源狀況、作用及開發過程，重點闡述了干熱巖開采數值模型由基礎的簡單模型、二維模型、簡單的三維模型發展成能夠模擬地下裂隙網絡的復雜的三維模型的研發過程，并提出未來干熱鹽發電數值模型發展的方向:應模擬不同地質和地溫條件對發
摘要:介紹了我國干熱巖資源狀況、作用及開發過程，重點闡述了干熱巖開采數值模型由基礎的簡單模型、二維模型、簡單的三維模型發展成能夠模擬地下裂隙網絡的復雜的三維模型的研發過程，并提出未來干熱鹽發電數值模型發展的方向:應模擬不同地質和地溫條件對發電的影響，分析裂紋的大小、密度、方向、抽熱層體積及井距等對地下溫度、壓力場、流量分布及發電的影響。通過對水壓破碎、液體循環和熱量提取進行全面模擬，計算出溫度、流量隨時間的改變，為未來干熱巖的試驗和實際開采起指導作用。
關鍵詞:干熱巖發電數值模擬發展現狀
干熱巖(HDR)是一種新興地熱能源，一般指溫度大于200℃、埋深地下數千米，內部不存在流體或僅有少量地下流體(致密不透水)的高溫巖體，具有發電穩定、持續，儲能豐富等優點，是最有前景的清潔能源之一。干熱巖發電清潔無污染，能大幅降低溫室效應和酸雨對環境污染的影響，與太陽能和風能發電相比更具有電價競爭力。
我國高溫巖體干熱巖地熱資源儲量非常豐富，全國陸域干熱巖可采資源量達1.7×1013t標準煤，其能量可用4000年。除西北、東北地區外，東部地區地殼薄，有利于開發傳導型地熱，也是地熱利用的有利地區[1]。2018年我國科學家在青海共和盆地3705m深處鉆獲236℃的高溫干熱巖體，實現了我國干熱巖勘查的重大突破，引起國內外廣泛關注。
相關期刊推薦：《能源化工》(雙月刊)，1980年創刊，是由中國石油化工集團公司主管，中國石化集團南京化學工業有限公司、南化集團研究院主辦，能源化工編輯部編輯出版的化工技術性刊物。主要內容：國內外煤化工、石油化工、天然氣、煤層氣、頁巖氣等能源化工領域的最新科研成果和技術進展，實用的工程和生產技術，及時的行業技術動態和信息;以及與此相關的催化技術、凈化技術、油田化學品、CCUS、節能減排、環境保護等。讀者群體：國內外從事能源化工領域及相關行業的科研人員、工程技術人員、生產技術人員、管理人員以及高等院校的師生等。
干熱巖的開發主要是采用人工形成地熱儲層干熱巖開發包含水力壓裂和液體循環2個重要階段。水力壓裂階段是指在低滲透巖體中人工增加流體壓力的過程，高壓流體通過注入井打入目標儲層，從而引發巖石破裂而增大滲透率，產生微裂紋網絡系統。液體循環階段是指冷水通過注入井進入水力壓裂后形成的具有微裂紋的儲層，與高溫巖體發生熱交換，然后被加熱的高溫水(汽)通過生產井流出到地面進行發電[3]。
干熱巖開發過程困難，打井時間長、成本高，因此計算機數值模擬就非常重要，但我國在這方面的研究甚少。筆者闡述了模型的控制因素，并對國內外研究者對干熱巖開采數值模擬的發展演變過程及研究成果進行綜述。
1數值模型的發展過程
1.1裂隙網絡模型
1983年，在日本和美國關于水力壓裂和地熱能的首次聯合研討會上提出一個裂縫儲層是圓盤狀裂紋和一個偽三維平面裂縫的模型[4-5]，這是油藏模型(如CGDD和PKA)的擴展[6]。隨后，日本東北大學研究了基于巖石斷裂力學的HDR系統設計方法，提出了一種裂隙網絡模型來模擬儲層特性[7]，用規整或半規整的網格對裂縫儲層進行建模。在此基礎上，1987年在法國舉辦的強破裂巖石的研討會上提出了用于模擬油藏行為的裂縫網絡模型，即裂縫性儲層采用常規或半規則網格模型[8]。1989年，Elsworth[9]使用了球面元素近似的簡化數學，引入了一個純抽象的模型。儲層被壓縮成一個單一的球形區域，并在半導電空間內經歷均勻的熱降。也有很多其他的模型描述了統計分布的變量，如方向、孔徑、長度等[10]，但循環系統的流體損失預測問題尚未得到解決。
1995年，Willis-Richards提出了2種簡單的模型，以標準解析解為基礎，結合裂縫表面摩擦特性的簡單表征對裂紋的力學性能進行了分析。該模型描述了HDR儲層對地下天然裂縫系統的水壓破碎與流體循環。在該模型中，假定了一個連通的裂縫網絡，但忽略了水壓破碎后的裂縫空間分布的細節。另外，在計算裂縫體積和儲層阻抗變化時，模型也考慮了自然斷裂組的大小和方向分布。1985—1992年，這2種模型已被應用于RosemanowesHDR試驗的數據模擬。其中，第一個模型能夠計算足夠的刺激壓力和流體體積，儲層內儲層的注入量曲線和流體通量/裂縫面面積分布[11]。
1.2“分形幾何”網絡模型
1995年，Watanabeh等[12]提出了一種基于“分形幾何”的描述地下裂縫網絡建模技術，地下巖石裂紋網絡的三維結構被“分形幾何”所近似描述和模擬，為地熱能源提取系統建模提供了一種新的描述地下裂紋分布的方法。裂紋網絡模型是裂紋在地下空間上隨機分布，利用斷裂長度r與裂隙數N之間的分形關系，對地下裂縫網絡進行建模。利用這種斷裂網絡模型，通過蒙特卡羅模擬法計算井間水流路徑的連接，并與滲流模型得出的結果進行了比較。
1.3三維網絡模型
1996年，Willis-Richards等[13]描述了一種二維裂縫網絡模型，該模型考慮了高溫巖體的巖體特征和原位的地下應力等因素對熱儲層(微裂紋系統)的產生以及流體循環的影響。該模型基于巖石斷裂力學，對操作物理過程、裂縫網絡以及流體循環進行了分析。
2000年，景鎮子等[14]提出了一種用于模擬熱干巖地熱系統的三維隨機網絡模型。該模型綜合了分形幾何描述地下裂紋網絡特點，將上述二維模擬首次擴展到了三維模擬。該模型考慮了地下的巖體性質以及地下應力的影響，并且裂紋的網絡模擬中也充分考慮到實際的裂縫方向、尺寸及密度。該模型可以用于模擬水壓破碎產生的裂紋網絡系統，并在此基礎上進行流體循環及熱交換發電的模擬。由于三維模型的微裂紋網絡的分布接近實際地下的裂紋分布，該模型可以用于全方位的模擬，例如裂紋網絡、水壓破碎、流體循環、熱抽出、示蹤響應，提高了模擬準確度。該模型用于模擬和驗證了日本Hijiori的2200m的深部HDR熱儲層多井系統(2個抽出井)的流體循環和熱抽出。FRACSIM-3D模型模擬示意見圖1[15]。
地下深部的高溫高壓水環境下巖石/水的反應，由于其巖石的溶解/析出將影響到地下裂紋系統的裂紋大小，進而影響到流體循環以及熱抽出。2002年，景鎮子等[16]在上述三維基礎上又開發了三維巖石/水反應的HDR熱抽出模型，并且用于HijioriHDR深部熱儲層的熱抽出模擬。之后提出了一種三維部分耦合的波-熱彈性模型[17]，研究了冷水注入對干熱巖裂紋系統的裂紋大小熱彈性效應(熱脹冷縮對裂紋大小的影響)。在模型中，采用有限元法對裂縫中的潤滑流體流動和對流換熱進行了建模。
為了評價干熱巖儲層長期性能的熱彈性影響，2014年景鎮子等[15]提出了一種簡單的三維熱彈性模型，該模型是建立在冷水注入抽熱層裂紋系統后，冷卻巖石為球型對稱體積的假設基礎上，從而推導和計算出由此產生的熱應力(熱彈性)。該模型研究了該熱彈性(熱應力)對三維HDR模型的流體循環和熱抽出的影響。值得注意的是，該模型成功地預測了日本Hijiori深部抽熱層的長期試驗(18個月);指出對于一個多井的HDR熱抽出系統(例如日本的Hijiori)，不同流路(兩井之間的裂紋通道)由于容易產生不同的熱彈性效應(熱脹冷縮)，故易引起“熱短路”現象。
然后Li等[18]提出了一種全耦合的水力壓裂處理模型，在該模型中，采用混合有限體積/有限單元法求解耦合系統，利用多點通量近似法來計算內部流體和熱流，描述水力裂縫與自然裂縫之間的交叉行為。
1.4幾種模型評述
就整個發展過程來看，干熱巖發電模擬的模型有自然破碎巖體中耦合流體流動、傳熱和巖石力學的二維數值模型[19]、三維隨機網絡模型、“分形幾何”的網絡模型、三維部分耦合的波-熱彈性模型、新型的三維瞬態模型[20]、EGS地下熱流動過程三維動態模擬[21]、建立在油氣藏內冷卻巖石球對稱體積的假設基礎上的三維熱彈性模型、EGS分形分叉網絡模型[22]、基于地質特征的裂隙介質的三維熱-水-機械耦合模型[23]、用于Habanero增強型地熱系統(EGS)的增韌性儲層模型[24]、全耦合的水力壓裂處理模型等。這些模型從巖體表征、原位應力數據、熱儲周圍巖體的熱補償、熱彈性能、天然孔隙和裂縫介質中的屬性分布等方面，以多種方法對影響生產溫度、注射壓力和水損失的因素進行了分析和模擬，對提高地熱能源的采掘效率與可持續利用具有重要意義。
這些模型顯示了從簡單到復雜的演變。最初是一個二維的抽象模型，該模型假定流體流動是水平的，并且局限于2個正交和垂直裂縫組中最具導水性的裂縫，描述了代表儲層形成過程中所引起的水力-機械相互作用的數學模型，并給出了計算該模型的求解方法。討論了提取熱量時引起的儲層熱應力應變問題和熱儲層長期性能[19]。之后發展為簡單的三維幾何模型，該模型綜合了分形幾何描述地下裂紋網絡特點，考慮了地下的巖體性質以及地下應力的影響，并且裂紋的網絡模擬中也充分考慮到實際的裂縫方向、尺寸及密度等。然后三維模型進一步發展和完善，由于三維模型的微裂紋網絡的分布接近實際地下的裂紋分布，因此可以用于全方位的模擬，例如裂紋網絡、水壓破碎、流體循環、熱抽出、示蹤響應，提高了模擬準確度。之后，景鎮子等[16]將巖石與水的反應也加入到這個模型中，研究了巖石與水的化學相互作用對干熱巖熱儲層長期性能的影響。并綜合了許多現場觀測結果，形成了與儲層天然裂縫分布非常相似的裂縫網絡，可以預測巖石與水的反應對整個裂縫儲層的影響。
2干熱巖開采研究現狀
干熱巖發電可以提供巨量的綠色能源，因此其發展潛力巨大。早在1973年，美國就在FentonHill率先開始了干熱巖發電的研究與試驗[25];1985年，日本在Hijiori實驗站開始了對干熱巖發電關鍵技術的研究[26];隨后英國、法國、德國等發達國家都展開了一系列的研究和試驗，而我國在干熱巖開采方面的研究起步較晚。隨著近幾年各國對新能源的關注度日益提高，大量的試驗研究被用于干熱巖的綠色能源開采利用上。我國科研人員還采用地球物理、地球化學、放射性調查等綜合技術手段圈定干熱巖有利勘探區18處，面積超過3000km2。
發現了巨量的干熱巖體存儲，如果要實現其價值，就要將其開采并加以利用。干熱巖體試驗十分復雜昂貴，而且試驗周期較長，唯一有效的開采方法就是依靠或結合數值模擬進行開采與預測。但是我國在這方面研究才剛剛起步，數字建模與模擬的研究也不多見。
3結語
近年來，隨著干熱巖開采試驗的進步，越來越多的研究者對干熱巖開采的各方面進行模擬和分析。建立三維隨機網絡模型對干熱巖開采過程中水壓破碎、流體循環、熱抽出、示蹤響應等進行模擬是目前最先進的方法。同時，由于地下高溫熱巖特征，數值模型還應考慮到巖石/水的反應、熱彈性以及地下水的密度等對干熱巖體熱抽出的影響等。現在的很多模型只關注物理的特定方面，或專注于對干熱巖體系統的定性分析。理想的模型應該是:模擬不同地質條件和地溫條件對發電的影響，分析裂紋的大小、密度、方向、抽熱層體積以及井距等對地下溫度分布、壓力場分布、流量分布以及發電的影響。對水壓破碎、液體循環和熱量提取三方面進行全面模擬，從而計算出溫度、流量隨時間的改變，以推測幾年后的開采情況，為今后干熱巖的實際開采和試驗起到指導作用。
SCISSCIAHCI
