数值模拟方法在增强型地热系统的应用分析

增强型地热系统水平井平行多裂隙换热过程数值模拟肖鹏;闫飞飞;窦斌;田红;刘恒伟;朱振南【摘要】干热岩(HDR)是一种清洁的可再生能源,主要通过增强型地热系统(EGS)进行开发.由于将水平井多裂隙开发技术应用于EGS中,能够提高EGS的经济效益,因此文章建立三维EGS水平井平行多裂隙模型,并采用CFX软件模拟分析了不同注水流量条件下EGS的运行性能,揭示了裂隙内流体的流动特征与EGS釆热机理之间的关系.研究结果表明:裂隙中的流体会形成流动短路和流动死角,导致EGS的开采率降低;裂隙中流体的温度场会受到流体的流动特征以及热储层温度场的影响;注水流量是影响EGS运行寿命和开采率的关键因素,较大的注水流量会产生流动短路,进而缩短EGS的运行寿命,但会提高EGS的开采率.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2019(037)007【总页数】9页(P1091-1099)【关键词】增强型地热系统;干热岩;水平井;平行多裂隙;数值模拟【作者】肖鹏;闫飞飞;窦斌;田红;刘恒伟;朱振南【作者单位】中国地质大学(武汉) 工程学院, 湖北武汉 430074;中国地质大学(武汉) 工程学院, 湖北武汉 430074;中国地质大学(武汉) 工程学院, 湖北武汉430074;中国地质大学(武汉) 工程学院, 湖北武汉 430074;中国地质大学(武汉) 工程学院, 湖北武汉 430074;中国地质大学(武汉) 工程学院, 湖北武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】TK5290 前言干热岩（Hot Dry Rock，HDR）为存在于地球深部，不含或含有少量流体，且温度高于423 K 的高温热岩体。

干热岩地热资源具有储量大、开采过程安全且受环境影响较小等优点。

自从20 世纪70年代美国Los Alamos 实验室首先提出开发利用干热岩地热资源后，世界上已有多个国家对干热岩开展了钻探实验，干热岩地热资源的研究越来越受到科学界的关注。

增强型地热系统垂直裂隙热储热开采过程数值模拟胡剑;苏正;吴能友;翟海珍;曾玉超【摘要】增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)作为开采深层地热资源最为有效的方法已经成为国际研究热点.充分探究EGS运行时热储内热量的开采过程对评估EGS性能及今后EGS商业开采过程中工程优化控制有着重要意义.文章建立了平行相间的垂直裂隙系统EGS开采模型,运用FLUENT软件对多平行垂直裂隙情形下增强型地热系统热储热开采过程进行了数值模拟.同时,通过改变对热储热开采过程有影响的裂隙宽度和水流速度两个参数,对比研究了其对热储热开采过程的影响.研究结果显示,裂隙宽度和水流速度对热储热开采过程影响较大,且影响效应几乎一致.当裂隙宽度为1 mm、裂隙水流速度为1 cm/s时,开采20 a时间内无论是裂隙宽度扩大1倍还是水流速度提高1倍,对热储内经济可用热能的开采率提升均超过25％,对热储内热能开采速率提升达到252％.%As the most effective method to extract deep geothermal resources,enhanced geothermal systems (EGS) has been a hot spot of academic research all over the world.It is of vital significance to make a full understanding mining process of the heat in reservoir for assessment of reservoir performance and project's optimal control.In this paper,a numerical simulation has been made to study the heat mining process in the EGS reservoir by FLUENT with vertical multi-fracture model.And the value of two influential factors,fracture width and fluid velocity has been changed to find out how they will affect the heat mining process.The results showed both the two factors have a heavy but nearly the same influence on the heat mining process.And either 1 mm of the original fracture width or 1 cm/s of fluidvelocity is doubled,the mining ratio of economic & available heat energy in the reservoir has increased by over 25％,and also the mining rate of heat energy in the reservoir has increased by 252％.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2014(032)006【总页数】7页(P829-835)【关键词】增强型地热系统;地热能;热开采;垂直裂隙;数值模拟【作者】胡剑;苏正;吴能友;翟海珍;曾玉超【作者单位】中国科学院广州能源研究所,广东广州510640;中国科学院大学,北京100049;中国科学院广州能源研究所,广东广州510640;中国科学院广州能源研究所,广东广州510640;中国科学院广州能源研究所,广东广州510640;中国科学院大学,北京100049;中国科学院广州能源研究所,广东广州510640;中国科学院大学,北京100049【正文语种】中文【中图分类】TK520 引言增强型地热系统作为开发地热能的两个发展方向之一，已经引起了各国学者的极大关注。

数值模拟与仿真技术在建筑水暖与供热领域的应用随着科技的不断发展，数值模拟与仿真技术在建筑水暖与供热领域的应用日益广泛。

这项技术通过数学模型和计算机算法，模拟和仿真建筑中的水暖与供热系统，能够准确分析系统的热力学行为、优化设计和操作方案，并预测系统的性能和运行情况。

本文将详细介绍该技术在建筑水暖与供热领域的应用，并探讨其带来的益处和前景。

首先，数值模拟与仿真技术在建筑水暖与供热领域的应用可以提高系统的能效与可靠性。

传统的设计方法往往只考虑系统的平均性能，而无法准确预测系统在实际运行中的各种工况。

而数值模拟与仿真技术可以根据建筑物的实际参数和运行需求，模拟出各种复杂的工况，并通过计算分析得出最佳的设备选型、管路布置和操作策略。

通过这种方法，可以有效降低系统的能耗，并提高系统的运行可靠性。

其次，数值模拟与仿真技术在建筑水暖与供热领域的应用可以加快设计和改进的速度。

传统的设计方法需要通过试错和实验来优化系统的性能，这不仅耗时耗力，而且成本高昂。

而数值模拟与仿真技术可以通过调整参数和方案，直接在计算机上进行模拟和预测，并得出最佳的设计方案。

这样不仅可以减少实际试验的次数，还可以避免一些不必要的错误和损失。

此外，通过数值模拟与仿真技术，还可以快速改进和优化已有的系统，提高系统的性能和效率。

此外，数值模拟与仿真技术在建筑水暖与供热领域的应用还可以提高系统的安全性和可持续性。

通过模拟和仿真，可以准确评估系统在不同工况下的安全性能和可靠性，并针对可能出现的问题提出相应的解决方案。

此外，数值模拟与仿真技术还可以帮助优化系统的控制策略和运行参数，减少能耗和排放，从而提高系统的可持续性。

然而，数值模拟与仿真技术在建筑水暖与供热领域的应用也面临一些挑战和局限性。

首先，该技术需要准确获取建筑物的参数和运行需求，包括建筑的材料性质、热负荷、用水量等。

如果这些参数不准确或者缺乏，模拟和仿真的结果可能会与实际情况存在一定的差距。

摘要世界能源格局的变化使得储量大、污染小的干热岩备受关注，特别是实现干热岩高效开发的增强型地热系统（EGS）受到研究者的广泛追捧。

为研究EGS开采过程中各物理场的变化过程，利用数值模拟来演化其开发过程中所引起的渗流场、温度场以及应力场的复杂变化规律，解决其热流固(thermo-hydro-mechanical,THM)耦合问题是很有必要的。

同时由于超临界二氧化碳特殊的热物理学性质，研究其在EGS热开采过程中的作用对EGS高效开发和环境保护有都着十分重大的意义。

本文基于渗流场、温度场以及应力场方程建立增强地热系统THM耦合数学模型。

根据不同温度、压力条件下的流体密度、粘度、常压热容以及导热系数的函数关系式，利用有限元模拟方法建立更接近实际储层的离散裂缝网络模型来数值模拟其储层内渗流场、温度场以及应力场的变化过程。

不同注入参数对EGS换热效率影响结果表明：注入井压力越高、生产井压力越低、注入温度越高，各生产井流速越大、温度越低。

此外，研究发现各生产井的井位以及压力对EGS换热效率影响很大。

因此本文基于SPSA优化算法分别建立以净换热量、净发电量为目标函数的EGS开采优化模型，确定出目标函数最优值情况下各生产井的最优井位以及压力值。

根据超临界二氧化碳特殊的热物理学性质，利用数值模拟对比其和水作为换热介质情况下EGS开采各生产井流速与温度变化情况发现：相较于水，超临界二氧化碳作为换热介质时各生产井的流速提升4倍左右。

同时研究发现，超临界二氧化碳的强流动性使得各生产井的流速和温度变化对不同注入参数的敏感性更强。

利用优化算法优化以净换热量为目标函数的超临界二氧化碳开采EGS结果表明，优化后整个EGS换热范围更大，换热更均匀，净换热量大幅度提升。

关键词：增强地热系统，THM耦合，离散裂缝网络模型，SPSA，超临界二氧化碳The Numerical Simulation and Exploitation Optimization Theory ofEnhanced Geothermal SystemLong Tao(Oil & Gas Field Development Engineering)Directed by Zhang KaiAbstractThe change of the world energy pattern makes the dry-hot rocks with large reserves and small pollution have attracted much attention, in particular, the enhanced geothermal system (EGS) for efficient dry-hot rock development has been widely sought after by researchers.In order to study the changing process of each physical field during the EGS mining process, numerical simulation is used to evolve the complicated changing law of seepage field, temperature field and stress field caused by its development process, and to solve its thermo-hydro-mechanical (THM) Coupling issues are necessary.At the same time, due to the special thermophysical properties of supercritical carbon dioxide, studying its role in the thermal recovery of EGS is of great significance for the efficient development of EGS and environmental protection.Based on the seepage field, temperature field and stress field equation, the THM coupling mathematical model of enhanced geothermal system is established. According to the function relationship of fluid density, viscosity, atmospheric heat capacity and thermal conductivity under different temperature and pressure conditions, a discrete fracture network model closer to the actual reservoir was established by finite element simulation method to simulate the change of seepage flow field, temperature field and stress field in the reservoir.The effect of different injection parameters on EGS heat transfer efficiency results show that the higher the injection pressure, the lower the production pressure and the higher the injection temperature, the higher the flow rate and the lower the temperature in each production well.In addition, the study found that well locations and pressures in each production well had a significant impact on EGS heat transfer efficiency. Therefore, based on the SPSA optimization algorithm, an EGS mining optimization model with net heat transfer and net power generation as objective functions is established respectively to determine the optimal well position and pressure value of each production well under the function optimal value.According to the special thermophysical properties of supercritical carbon dioxide, numerical simulation is used to compare the flow rate and temperature change of EGS production wells in both cases of water and supercritical carbon dioxide as the heat transfer medium. The results show that the production flow rate of all wells increased to about 4 timesCompared to water.At the same time, it is found that the strong fluidity of supercritical carbon dioxide makes the production flow rate and temperature change more sensitive to different injection parameters.The results of EGS using optimization algorithm to optimize the net heat exchange as the objective function show that the EGS has better heat transfer range, more uniform heat transfer and more net heat transfer after optimization.Key Words: enhanced geothermal gystem, THM coupling, discrete crack network model, SPSA, supercritical carbon dioxide目录第一章绪论 (1)1.1 研究目的及意义 (1)1.2 国内外研究现状及存在问题 (1)1.2.1 增强地热系统研究现状 (1)1.2.2 多场耦合研究现状 (2)1.2.3 最优化方法研究 (5)1.2.4 二氧化碳开采增强地热系统研究现状 (5)1.3 选题依据与研究内容 (7)1.3.1 选题依据与研究意义 (7)1.3.2 研究内容 (7)1.4 技术路线 (9)第二章增强地热系统开采数值模拟 (10)2.1 基本假设 (10)2.2 数学模型 (10)2.2.1 渗流场方程 (10)2.2.2 温度场方程 (11)2.2.3 应力场方程 (12)2.3 THM耦合作用 (13)2.3.1 渗透率耦合特性 (13)2.3.2 流体耦合特性 (13)2.4 增强地热系统数值模拟 (14)2.4.1 二维离散裂缝网络模型 (14)2.4.2 增强地热系统数值模拟算例 (15)2.4.2 注入参数对EGS热开采效率影响分析 (21)2.5 本章小结 (25)第三章增强地热系统开采优化 (27)3.1 目标函数 (27)3.1.1 净换热量作为目标函数 (27)3.1.2 净发电功率作为目标函数 (27)3.2 优化方法 (30)3.3 优化结果 (31)3.3.1 净换热量作为目标函数优化结果 (31)3.3.2 净发电功率作为目标函数 (41)3.4 本章小结 (47)第四章超临界二氧化碳增强地热系统研究 (48)4.1 超临界二氧化碳特性 (48)4.2 超临界二氧化碳基本物性 (49)4.2.1 密度 (49)4.2.2 粘度 (50)4.2.3 常压热容 (51)4.2.4 导热系数 (51)4.3 超临界二氧化碳开采EGS数值模拟 (52)4.4 注入参数对超临界二氧化碳开采EGS热效率影响分析 (55)4.5 超临界二氧化碳优化开采EGS (59)4.6 本章小结 (63)结论 (64)参考文献 (65)攻读硕士学位期间取得的学术成果 (71)致谢 (72)中国石油大学（华东）硕士学位论文第一章绪论1.1 研究目的及意义化石能源的短缺以及其所带来的环境污染和生态破坏问题使得可再生能源成为世界各国关注的焦点。

增强型地热系统热开采过程的数值模拟研究陈继良;蒋方明【期刊名称】《新能源进展》【年(卷),期】2013(1)2【摘要】增强型地热系统（EGS）是指采用人工方法在地下3~10 km内的干热岩体中形成储层、通过灌输采热流体以开采出干热岩中热能用于地面发电的地热利用系统，是一种极富潜力的可再生清洁能源利用技术。

循环流体在地下热储中的流动与换热对EGS的采热性能有重要影响。

本文首先对EGS数值模型进行了综合评述，然后基于一套自主开发的三维瞬态数值模型模拟了不同渗流条件下EGS地下热储内的热流过程。

通过对模拟结果的分析，揭示了均匀压裂的人工热储中流体短路的形成机理，并通过对比双井和三井系统中流场和局部地热开采率分布，结合当前钻井工艺和裂隙激发技术水平，探讨了抑制流体短路、优化EGS采热性能的可能方案。

%Enhanced geothermal system aiming to mine heat from hot dry rocks (HDR) locating within subsurface 3~10 km depths represents a promising renewable energy utilization technology. It normally needs to create an artificial heat reservoir in HDR by a certain rock-fracturing technology such as hydraulic stimulation and then to circulate heat transmission fluids through the heat reservoir to extract heat for earth-surface power-generation utilization. The flow and heat transport processin the subsurface reservoir has significant influence on the heat extraction performance of EGS. A detailed review on EGS numerical models is given first, and then a self-developed 3D transient model focusing on thesubsurface thermo-fluidic process in EGS during heat extraction is briefly introduced. With this model, long-term operation processes of EGSs are simulated. Analyzing the simulation results reveals the formation mechanisms of “short circuit”flow in homogeneously fractured reservoir. We then perform a comparison study on the heat extraction performance of doublet and triplet EGSs. Comparing the seepage flow field and heat extraction ratio distribution for EGSs of different borehole layout, in combination of the state-of-the-art of borehole drilling and reservoir stimulation technologies, we further propose some possible strategies to restraining“short circuit”flow and improving the heat extraction performance of EGS.【总页数】9页(P187-195)【作者】陈继良;蒋方明【作者单位】中国科学院可再生能源重点实验室，中国科学院广州能源研究所先进能源系统实验室，广州 510640;中国科学院可再生能源重点实验室，中国科学院广州能源研究所先进能源系统实验室，广州 510640【正文语种】中文【中图分类】TK529;P314【相关文献】1.增强型地热系统开采过程中热储渗透率对温度场的影响 [J], 凌璐璐;苏正;吴能友2.增强型地热系统垂直裂隙热储热开采过程数值模拟 [J], 胡剑;苏正;吴能友;翟海珍;曾玉超3.增强型地热系统热开采性能的数值模拟分析 [J], 陈继良;蒋方明4.CO2羽流地热系统热开采过程热流固耦合模型及数值模拟研究 [J], LI Jingyan;LIU Zhongliang;ZHOU Yu;LI Yanxia5.增强型地热系统热流固耦合过程数值模拟研究 [J], 许欣; 李宏因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

利用二氧化碳作为工作流的增强型地热系统（EGS）——用于再生能源和碳储存的新方法【摘要】为应对二氧化碳减排需求，布朗2000年提出了新的增强型地热系统（EGS）的概念，即利用二氧化碳替代水作为热传导流。

这样不但达到了二氧化碳地质储存的目的而且还带来了附加效益。

根据他的建议，我们评价了热物理学性质，进行了数字模拟，针对用二氧化碳作为工作流设计的热储层，我们探讨了流体动力学和热传输问题。

我们发现，开采热碎岩的热量，二氧化碳比水的作用要大一些。

就井液压而言，二氧化碳还可以提供某些优势，与水相比，由于它的压缩性和膨胀性，二氧化碳将增加浮力，降低冲洗液循环系统附加的能量消耗。

CO2 -EGS 系统在热与液压方面是有潜力的，较大的不确定性主要是水流与岩石之间相互化学作用。

用二氧化碳作为注入流体的EGS系统对于进一步调查研究极具吸引力。

【关键词】增强型地热系统二氧化碳数值建模1 概述地热能资源基础是巨大的，但是，它的可再生资源的开发是受热液系统限制的，该系统天然存在的破裂网可以进行流体循环并且允许吸收的这些热液流通过钻孔产生地热。

大多数地热资源都存在于缺少裂隙渗透性和流体循环的岩层中，提出这种“增强的”或者“设计的”地热系统概念，目的是利用以下方式开采这些地热能资源：（1）通过水力压裂或者水力击破为岩石渗透性创造条件，包括通过钻孔的液体注入，以触发现有的岩石裂隙或者造成新的裂隙；（2）通过这些裂隙网络，依靠注入的系统和钻井建立并维持液体循环，为此热能才得以被输送到地表为人类使用。

在美国试图开发EGS以前，日本、欧洲和澳大利亚都使用水作为热传输液体。

水的许多特点适合于成为这一目的媒介，但是，水还有很多的缺点。

水不适合这一目的的特征是，水对于很多岩石矿物溶解力很强，特别是在温度升高时，这种溶解能力更强。

热岩裂隙中注入水引起很强的改变裂隙渗透性的分解作用和沉淀作用，这样使得人们用惯用的方式运行EGS储集非常困难。

此外，在许多区域，包括美国西部，水是稀有的、珍贵的。

增强型地热系统的多区域多物理场耦合三维数值模拟丁军锋; 王世民【期刊名称】《《中国科学院大学学报》》【年(卷),期】2019(000)005【总页数】8页(P694-701)【关键词】地热能; 增强型地热系统(EGS); 有限元模型; 区域耦合; 井内湍流【作者】丁军锋; 王世民【作者单位】[1]中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049; [2]中国科学院计算地球动力学重点实验室北京100049【正文语种】中文【中图分类】P314地热能是来源稳定的可再生清洁能源，储量巨大、无污染。

开发利用地热能既能满足人类的能量需求，又能保护地球环境免遭破坏，因而对国民经济的可持续发展意义重大。

地热能开发的重中之重是地热发电,其能源利用系数远高于水力、风力、太阳能发电和地热直接利用[1-3]。

由于地热电站可不受季节、气候、昼夜等自然条件的影响而不间断运行，地热发电可以作为国家电网的基础载荷，也易于调峰和实施热电联供[4-5]。

目前地热能的开发主要是中低温地热能的直接利用，地热发电没有得到应有的发展[6]。

1 研究背景地热资源按其成因和产出条件可分为水热型和干热岩型[7]。

水热型地热资源赋存于高渗透性的孔隙或裂隙介质中，与年轻火山活动或高热流背景相伴生形成高温水热系统，而处于正常或偏低热流背景下的地下水循环通常形成中低温水热系统，主要用于地热能的直接利用。

干热岩型地热资源赋存于地下较深处的高温但低渗透性岩体中，原则上不受地区分布限制，但其开采需要借助人工压裂进行储层改造(reservoir stimulation)，进而通过注水循环形成增强型地热系统(enhanced geothermal system，EGS)[8]。

近年来EGS的研究和开发广受关注，在美国、英国、法国、德国、瑞士、日本、澳大利亚等国家已经进行了EGS工程试验[5-6, 9-11]，但商业运行EGS电站的成功案例还很少[1]。

EGS是一个有广泛应用前景，值得深入研究的问题。