增强型地热系统（EGS）中热能开发力学耦合水热过程分析

发布时间：2022-10-10 15:08

　　以化石燃料为基础构建的能源结构对人类赖以生存的环境产生了越来越大的影响。干热岩（Hot Dry Rock，HDR）作为传统水热型地热的延伸，由于其环境友好性、清洁、可再生和空间分布的广泛性，被认为是21世纪最有潜力的新型能源。 世界目前开采和利用地热资源主要是水热型地热。干热岩是一种没有水或蒸汽的深部高温岩体，主要是各种变质岩或结晶岩类岩体。保守估计地壳中干热岩（3~10千米深处，其温度范围在150~650oC之间）所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。中国地质调查局的最新评价数据显示：中国大陆3~10千米深处干热岩资源总量相当于860万亿吨标煤；若能开采出2％，就相当于中国2010年全国一次性能耗总量（32.5亿吨标煤）的5300倍。 增强型地热系统（Enhanced Geothermal System，EGS），是采用人工形成地热储层的方法，从低渗透性岩体中经济地采出深层热能的人工地热系统，即从干热岩中开发地热的工程。干热岩的开发主要是采用人工形成地热储层，冷水通过注入井注入，进入人工产生的、张开的联通裂隙带，并与高温的岩体接触被加热，然后通过... 

【文章页数】：174 页

【学位级别】：博士

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内容提要
ABSTRACT
图目录
表目录
第1章 绪论
    1.1 研究背景和选题依据
        1.1.1 研究背景
        1.1.2 选题依据
    1.2 干热岩资源潜力和增强型地热系统示范工程
        1.2.1 干热岩地热能潜力
        1.2.2 EGS 示范工程
    1.3 国内外研究现状、发展趋势及存在问题
        1.3.1 增强型地热系统储层改造和效果评价数值模拟
        1.3.2 增强型地热系统地热能开采数值模拟
        1.3.3 增强型地热系统数值模拟软件
        1.3.4 存在问题和发展趋势
    1.4 研究内容和技术方法及路线
        1.4.1 研究内容
        1.4.2 技术方法和路线
    1.5 论文创新点
第2章 增强型地热系统力学耦合水热模型
    2.1 力学和水热耦合数学模型
        2.1.1 水热过程数学模型
        2.1.2 力学过程数学模型
        2.1.3 井筒中水热耦合模型和井筒-储层水热耦合方法
        2.1.4 TOUGH2 模拟器中相关过程刻画的改进
        2.1.5 力学和水热耦合方法
    2.2 力学和水热耦合过程的数值模型
        2.2.1 时空离散
        2.2.2 离散方程的建立
    2.3 方程组求解方法
        2.3.1 非线性方程组求解
        2.3.2 线性方程组求解
    2.4 本章小结
第3章 增强型地热系统力学耦合水热模型模拟程序开发
    3.1 单机版计算程序开发
        3.1.1 水热耦合模型求解模块
        3.1.2 力学模型求解模块
        3.1.3 井筒-储层水热耦合流程
    3.2 计算程序并行策略
        3.2.1 网格区域优化分割
        3.2.2 数据读入和分配
        3.2.3 系数矩阵的并行组装
        3.2.4 线性方程组的并行求解
    3.3 程序验证
        3.3.1 一维固结沉降模型解析解和数值解对比
        3.3.2 一维热传导引起的沉降模型解析解和数值解对比
        3.3.3 与实际场地数据和 TOUGH2-FLAC3D对比
    3.4 本章小结
第4章 美国 DESERT PEAK EGS 水力压裂过程数值模拟
    4.1 DESERT PEAK EGS 水力压裂概况
    4.2 水力压裂模型建立
        4.2.1 概念模型
        4.2.2 数学模型
        4.2.3 模拟器选择和模型参数
        4.2.4 网格剖分
    4.3 模型校正
    4.4 结果分析
        4.4.1 温度时空变化特征
        4.4.2 压力时空变化特征
        4.4.3 渗透率变化时空演化特征
    4.5 讨论
        4.5.1 温度对水力压裂的影响
        4.5.2 不同模式水力压裂比较
    4.6 本章小结
第5章 中国松辽盆地场地级 EGS 地热能开采优化设计
    5.1 松辽盆地 EGS 场地概况和靶区选择
        5.1.1 区域地质概况
        5.1.2 EGS 靶区选择
    5.2 优化开采模型建立
        5.2.1 概念模型
        5.2.2 水热数学模型和优化目标
        5.2.3 模拟器选择和模型参数
        5.2.4 网格剖分
    5.3 优化结果
        5.3.1 优化后的参数
        5.3.2 优化后的生产特征
        5.3.3 优化后的温度和压力时空变化特征
    5.4 模型不确定分析
        5.4.1 布井方式的影响
        5.4.2 渗透率的影响
        5.4.3 裂隙间隔的影响
        5.4.4 井筒直径的影响
        5.4.5 埋深的影响
    5.5 优化开采过程中的力学变化特征
    5.6 本章小结
第6章 结论和建议
    6.1 结论
    6.2 建议
参考文献
附录A TOUGH2BIOT 中力学模型有限元离散
附录B 随机裂隙网络的渗透张量
附录C TOUGH2BIOT 模拟器输入输出文件和运行说明
主要符号说明
作者简介、攻读博士学位期间科研成果及所获奖项
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]地下热-水动力-力学耦合过程数值模拟:以CO2地质储存为例[J]. 雷宏武,金光荣,石岩,李佳琦,王福刚,许天福.  岩土力学. 2014(08)
[2]增强型地热系统的研究进展[J]. 毛永宁,汪小憨,呼和涛力,赵黛青.  能源与环境. 2013(04)
[3]增强型地热系统的开发——以法国苏尔士地热田为例[J]. 王晓星,吴能友,苏正,曾玉超.  热能动力工程. 2012(06)
[4]增强型地热系统(干热岩)开发技术进展[J]. 许天福,张延军,曾昭发,鲍新华.  科技导报. 2012(32)
[5]中国大陆干热岩地热资源潜力评估[J]. 汪集旸,胡圣标,庞忠和,何丽娟,赵平,朱传庆,饶松,唐晓音,孔彦龙,罗璐,李卫卫.  科技导报. 2012(32)
[6]增强型地热系统数值模拟研究进展[J]. 王晓星,吴能友,苏正,曾玉超.  可再生能源. 2012(09)
[7]我国陆区干热岩资源潜力估算[J]. 蔺文静,刘志明,马峰,刘春雷,王贵玲.  地球学报. 2012(05)
[8]增强型地热系统储层试验与性能特征研究进展[J]. 曾玉超,苏正,吴能友,王晓星.  矿业研究与开发. 2012(03)
[9]增强型地热系统研究开发:以美国新墨西哥州芬登山为例[J]. 苏正,吴能友,曾玉超,王晓星.  地球物理学进展. 2012(02)
[10]增强型地热系统开发过程中的多场耦合问题[J]. 王晓星,吴能友,张可霓,苏正,曾玉超.  水文地质工程地质. 2012(02)



本文编号：3689852