吉林松原中深层地热供暖潜力及模型研究

发布时间：2020-03-19 13:33

【摘要】：几个世纪以来能源问题始终是影响人类社会稳定与发展的关键因素,针对当前环境恶化以及化石能源枯竭问题,全世界已将目光汇聚到开发新型可再生能源。地热能作为一种新型清洁能源,由于其分布范围广且不受空间展布限制等优势,已经成为继水力、生物质能之后的最具开发潜力的可再生能源。中国地热资源储量丰富,但对地热资源的开发与利用仍处于发展阶段,地热能供暖是有效利用地热资源的一种重要途径,其不仅能够缓解冬季能源供应压力,也可以有效减轻环境负担。目前我国利用地热资源供暖主要是提取浅层地热资源和部分低品的水热型地热资源,然而在实际工程中水热型地热资源空间分布受构造地形所限,无法大面积实施,而浅层地热能供暖常伴随供暖量与供暖效率问题,尤其是东北地区,冬季极为寒冷,常用的地热供暖模式无法进行有效推广。针对上述问题,为促进地热资源供暖在东北地区的合理推广,本文依托吉林省省校共建计划专项“深部地热资源(含干热岩)勘查与开发利用”(项目编号:SF2017-5)、“十三五”国家重点研发计划子项目“压裂监测与人工储层裂隙网络评价”(项目编号:2018YFB1501803-02),以及国家自然科学基金项目“增强型地热系统储层低温诱导开裂机理与模型研究”(项目编号:41602243),开展“吉林松原中深层地热供暖潜力及模型研究”,探索适用吉林地区的地热供暖新方向。本文首先通过搜集已公开资料结合区域构造、地层条件、地温特征等因素综合评估研究区中深层地热资源潜力。研究区热源主要为燕山期、华力西期花岗岩,基底花岗岩为较好的干热型热储,在基底花岗岩热储层之上覆盖有近2000m的白垩系下统盖层,区域内部发育多级断裂体系形成良好的传热通道,因此研究区具有较好的地热生成条件。研究区中深层具有较高的地温梯度,大地热流范围在73~79 mW/m~2,经过计算评估,松原地区中深层水热型地热资源量为6.5×10~(20)J,折合标准煤2.22×10~(10)t;干热型地热资源量为7.38×10~(21)J,折合标准煤2.52×10~(11)t,无论是水热型还是干热型地热资源,储量都十分丰富具有较高的开发潜力,在当前政策形势下有很好的开发前景。室内实验方面,通过研究区花岗岩岩石室内热物性实验与高温力学实验,获得储层岩性参数,通过室内清水压裂试验分析研究区花岗岩的压力破坏特性以及压裂后渗流效果。研究区花岗岩密度范围在2.763-2.926g/cm~3;孔隙度变化范围在1.39%-2.78%,渗透率变化范围在0.255md-0.327md;平均纵波波速为5.132km/s,平均横波波速为3.104 km/s;比热容变化范围在0.704-0.748kJ/(kg·℃);岩石轴向导热系数在2.455-2.932w/m·K,径向导热系数在2.391-2.887w/m·K;分析在不同温度下岩石单轴抗拉强度、三轴抗压强度、内聚力、内摩擦角、断裂韧度、弹性模量和泊松比等力学参数的变化规律;讨论岩石破裂压力受围压、流速影响的变化规律,确定试样实验室压裂后裂隙渗透率在5.2×10~(-14)~1.1×10~(-13)8)~2之间。现场试验方面,在松原研究区创新1井场地开展周期2个月的中深层换热现场试验,实验结果显示研究区地温梯度在纵向分为四个梯级:0-103m为1℃/hm、104-451m为7.19℃/hm,452-901m为3.79℃/hm,902-2044m为5.4℃/hm,井底温度为107.3℃,平均地温梯度为5.07℃/hm。系统初始运行时流体进出口温度分别为36.7℃和58.2℃,运行两个月后进出水温度分别为29.1℃和43.0℃。系统初始运行和运行两个月后内管中出水流体温度在井口较井底分别下降2.5℃和1.5℃,由于热负荷的运行,供热功率由初始的368.15W/m下降到238W/m。模型研究方面,首先针对研究区现场试验过程建立中深层同轴套管供暖模型,对现场换热试验过程进行模拟与验证,开展不同工况下取热能力的分析与研究。模拟结果显示,系统运行两个月后,出口流体温度在热负荷100W/m、200W/m、300W/m、400W/m条件下对应的热损失分别为0.42℃、0.52℃、0.69℃、0.73℃。300W/m工况与现场试验进行对比,结果有较好的契合度。在同轴套管底部地层温度下降的影响范围与套管-岩石(土)距离有关,本试验中在距离6m时,地层温度几乎不受流体的影响。其次建立研究区中深层地热资源EGS(Enhanced Geothermal System)供暖模型,针对研究区地层特征建立不同施工条件下的16个压裂模型并进行压裂模拟分析。模拟结果显示压裂裂缝半长在179.2-290.0m之间,裂缝高度在121.6-137.7m之间,最大开度为14.8mm,最大导流能力和渗透率分别为1038.1mD?m与70.14D。分析支撑剂浓度、施工排量、压裂液体积对压裂结果的影响,并最终选择方案12作为研究区最优压裂方案。在此压裂结果基础上开展EGS三维水热耦合模拟研究,对影响换热效果的设计参数进行敏感性分析,分析注水速率、布井间距、注水温度换热效率的影响。最后提出创新1井地热供暖模型优化设计方案,开展研究区中深层地热供暖潜力综合分析并进行环境与环境经济性评价。优化方案选择8kg/s的注入流速、400m布井间距与30℃注水温度施工方案,模拟系统运行20年,EGS供暖系统的平均产热功率为1.99MW,流动阻抗达到2.43MPa/(kg/s),平均能源效率达到11.43且20年中始终保持在9.9以上。EGS换热供暖系统运行20年累计供暖产能1.25×10~(15)J,每年平均可保证39000平方米供暖需求,预期10-15年可收回投资成本,运行期间累计节约用煤6.08×10~4t,减少CO_2排放量1.08×10~5t,减少SO_2排放量9.35×10~5kg,减少NO_x排放量1.46×10~6kg。
【图文】：

能源消费量,世界

已探明的化石燃料资源逐年略有提升，但面些增长明显杯水车薪。截至 2017 年末，全球探明石储量 193.5 万亿立方米，按照当年产量水平，分别的产量[1]，能源安全问题已成为当今世界亟需解决源统计年鉴（2018 版）显示，中国 2017 年一次万吨油当量）（如图 1.1）为世界首位，能源消费增连续十七年成为全球能源消费增量最大的国家[1]。结构组成的持续优化，新能源比例逐渐提高，但就占我们能源结构的主体地位，如图 1.2 所示。石油口依赖度连年提高，大量的不可再生能源消费给我氧化碳等温室气体排放量也由连续两年的逐渐减少同时空气质量下降、雾霾加重带来的社会问题也接显，能源供应转型迫在眉睫。

场地,地热区,工程

二十世纪七十年代，美国洛斯阿拉莫斯（LANL）实验室首次提出 EGS 概念，从美国 Fenton Hill 场地进行初次测试到截至目前，，全球已有 30 多个地热场地在进行或计划进行 EGS 工程试验[95]，在美国、澳大利亚、欧盟等发达国家均有已建设成的 EGS 示范场地（如图 1.3）。EGS 工程具有较高的开发风险，技术实施的可行性取决于场地的地质状况，在过去的四十年中，储层的压裂工艺随着油气生产的经验也在快速发展。基于施工的难易程度，美国将 EGS 工程技术分为三类，即典型地热区域 EGS 工程（greenfield EGS）、近传统地热区域 EGS 工程（near-field EGS）和传统地热区域 EGS 工程（in-field EGS）。早期的 EGS 试验都处在难度较大的 greenfield EGS 区域，成功率普遍偏低，但随着水力压裂技术的逐步成熟，EGS 工程的成功率也在逐渐增加，经过多年经验总结工程选址对EGS 施工能否成功具有较大影响[96]。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P314;TU832

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