摘要
干热岩作为新型可再生能源可以有效解决能源短缺和环境污染问题。我国拥有非常丰富的干热岩资源,但是赋存条件比较恶劣,在研究过程中难以开展物理实验,所以理论研究和数值模拟成为广大学者所接受的有效研究手段。首先本文在参考我国共和盆地地热田地质资料以及等效介质模型热-流-固三场耦合理论的基础上,提出了一种新型的水平-分层地热增强系统(Enhanced Geothermal System,EGS),在流场、温度场和采热效果三个方面,将该系统与传统双竖井增强地热系统进行了对比。发现在本文工况下,水平-分层EGS的采热效果明显好于传统双竖井EGS。虽然双竖井EGS的平均生产温度在衰减阶段高于水平-分层EGS,但是对于热输出功率,水平分层EGS为6.10~12.25 MW,是双竖井EGS的1.36~1.67倍。此外水平-分层EGS的采热率比双竖井EGS高出近7%,具有更高的经济效益。其次本文对水平-分层EGS中人为可控因素(注入井与生产井压力差、井间距和注入流体温度)对采热的影响进行了参数分析。分析结果显示,总体上热输出功率和采热率与压力差和井间距成正比,与注入流体温度成反比。具体显示为,在影响热输出功率的因素中,压力差的影响作用最大,井间距的影响次之,影响作用最小的因素为注入流体温度;而在影响采热率的因素中压力差和井间距的影响程度基本一致,注入流体温度对采热率的影响很小基本可以忽略。对于采热半径:压力差和井间距的增加均会使采热半径增大,但是前者的增大作用会随着压力差的增大而减弱,而后者增大的效果会随着时间的增长而增长;采热流体温度对采热半径的影响微乎其微可以忽略。最后,根据基质-裂隙双重介质模型,以水平-分层EGS中一个采热循环为研究对象,建立了联通注入井和生产井的主裂隙和本就存在的天然裂隙共存的裂隙系统,分析了天然裂隙、主裂隙与天然裂隙夹角和主裂隙渗透率对采热过程的影响。结果表明:(1)对于天然裂隙,与主裂隙连接的天然裂隙起到了扩大流体运移面积的作用,而没有与主裂隙连接的天然裂隙仅起到储水作用;天然裂隙对输出热功率影响较大,而对平均生产温度和采热率影响都比较小。(2)对于主裂隙与天然裂隙间的夹角,夹角与两井间渗透率成反比例指数关系;在工程中若想提高采热率和平均生产温度,可在裂隙夹角的30°~60°范围内增大夹角即可。(3)对于主裂隙渗透率,适当减小主裂隙渗透率可以得到长期稳定的生产井温度;本文工况下主裂隙渗透率在5×10~-1414 m~2~2×10~-1313 m~2这个范围内增加采热率经济效益较为明显。