文摘

地热能源将成为未来能源的重要组成部分,因为它的优势来源稳定、可持续发展,和潜在的高利用率。特别是,深层地热能的开发利用HDR逐渐吸引了人们的注意力。针对解决EGS-D的瓶颈,提出了基于挖掘技术的一个新的EGS-E。在这篇文章中,一个简洁而直接的方法估算的早期表现这种颠覆性和创新性的地热开发计划是建立一个可行的替代超级计算后续定量研究的一个典型深工程结构之间的对应关系及其热提取效率。首先,固定在隧道壁温度的影响,隧道半径和岩石类型的年度热萃取率隧道解析解的基础上,研究了一维径向平面瞬态热传导问题,通过高温围岩隧道壁覆盖30年。然后,三种不同评估方法的EGS-E效率和旧村chessboard-shaped地下隧道,分别进行了研究,研究思想的估计EGS-E系统更复杂cobweb-shaped指出隧道。

1。介绍

地热能源将成为未来能源的重要组成部分,因为它的优势来源稳定、可持续发展,和潜在的高利用率。地热能源存储深度小于10公里的地下估计达到1.7亿倍的热量释放所有煤炭存储在地球,基于波拉克的研究和查普曼于1977年。然而,地热能源的规模与温度低于150°C深度浅地下3公里处通常是太小,不足以维持长期稳定的电力生产的需求。低温水热资源的这部分只占总量的10%地热能储存在地球1]。和国土资源部公布的官方数据表明中国总干热岩(HDR)地热资源深度3到10公里的大陆相当于860万亿吨煤,这是中国当前的年度能源消耗260000倍(2]。因此,一个更广泛的计划的增强型地热系统(EGS),旨在利用地热能的HDR 3 - 10公里深处的逐渐吸引了人们的注意力。

当前流行的热提取法从HDR了EGS基于钻井技术(EGS-D)。效果断裂系统(人工蓄热器)建立了水库等刺激技术通过注入井水力压裂。注入冷水断裂(或其他液体)加热的换热结构,然后,产生的热水或蒸汽生产井抽水地面发电。注水井、生产井和地下热储层形成一个闭环系统的高温热液(3]。HDR的发展的关键包括(1)本地化资源的目标区域。它应该基于大地热流值,结合地质构造的特征。地震勘探技术、电法、电磁法以及重力和磁力法可以用来进行详细勘探所选择的研究领域(4- - - - - -6]。(2)改善水库:深钻探技术在高温高压条件下相对比较成熟。石油勘探钻井的深度和综合科学研究钻井已经超过7000米。目前,水力压裂(7)、化学刺激(8),和热刺激9),以及这些技术的组合,通常用于创建EGS热源。现在常用的裂缝监测技术包括微地震监测、声发射、井下成像,以及各种示踪剂(10,11]。(3)研究THMC (Thermal-Hydraulic-Mechanical-Chemical) multifield EGS耦合:一些学者已经成功地研究了每一过程的耦合问题。然而,热储层模型的建设仍然需要开发,这将继续重点EGS数值模拟研究[12- - - - - -14]。近年来,学者和相关机构提出新的替代系统,如EGS使用超临界二氧化碳作为循环流体(15和生产超临界EGS水蒸气16)以及垂直Radiator-EGS,由一系列相互关联的叶片通过连续的水平钻井和生产frac-induced rubblization [17]。

世界上有几种典型EGS-D开发案例如芬顿山,Hijiori, Ogachi,库珀盆地,Soultz。然而,没有一个实现大规模商业发电由于规模小的缺点,效率低、地理限制,等等18]。它所面临的最大的挑战是如何在经济上建立一个人工热库。HDR发展报告由麻省理工学院的研究人员也指出,有成本效益的发展的关键EGS在未来20年是获取经济和有效multireservoir施工工艺,以确保足够的热量内容( )长期地热开发(19]。

过去的经验在地热水库建设的发展表明,人工水库主要是由剪切破坏(20.现有的关节,这不同于拉伸开裂引起的常规油气储层水力压裂。的刺激只发生剪切破坏的部分流体压力成为原位低于目标储层的最小主应力。与当前的技术,很难预测周围的应力场的分布在钻前,特别是远离井筒应力场的分布。原位和方向的主应力与深度可能会改变,这也影响了预测裂缝扩展的方向(21,22]。通常很难预测裂缝扩展的方向没有准确的井下数据的测量。即使相关数据已经可用,骨折可能不会沿着预测方向发展。因此,它是难以实现通过水力压裂井之间的互连。从理论上说,最好是先开发的蓄热然后找到一个方法(例如,微震监测技术、声发射技术)实现定向钻井其次(23- - - - - -25]。然而,人工裂缝(射孔和压裂刺激所致)井筒周围的只起着主导的作用。蓄热压裂期间的增长和扩张主要是由现有的天然裂缝系统控制(或联合分布)。蓄热的发展在水力压裂主要来自激活现有的天然裂缝是由原地应力场控制(26,27]。因此,EGS-D在地理限制选择。即使蓄热刺激和定向钻井的过程顺利,水力压裂形成的裂缝往往是高地应力的作用下封闭深度。这使得裂缝断开连接,因此无法形成一个足够数量的蓄热(28]。

此外,有很多原因导致短路的影响流体流动,也使热回收不可避免的失败。这些包括以下几点:(1)使用支撑剂在井筒附近需要较高的注射压力和流量,和过度的注射压力将导致裂缝持续增长,导致增加了水损失和/或液体短路。(2)反复高压刺激现有骨折可能会导致更多的直接连接导致流体注入和生产井之间的短路。(3)如果天然裂缝与井,水力压裂提高连通性和可能导致短路,特别是当井距小。(4)任何操作加压水库是不可逆转的,并不总是有利于发展蓄热。长期高压注水岩石会造成无法弥补的损害,导致流体短路和过度失水到更远的地区。(5)深层和浅层储层可以通过裂缝沟通增长注水测试或井筒穿透两个水库,这将影响到多个水库的建设(29日- - - - - -33]。

一句话,从传统EGS-D的发展现状,可以看出,创新突破迫切需要研究的深层地热开发计划。

2。材料和方法

2.1。增强型地热系统基于挖掘技术(EGS-E)

针对EGS-D的缺点,比如困难建设大规模蓄热稳定,水流速度小,易引起污染,一个新的EGS基于挖掘技术(EGS-E)最近提议提供新方案的开发深度HDR热(34]。

如图1,它包括(1)大热流通过开挖形成的一个超级大的轴,(2)热源与大容量和高渗透裂缝和破碎形成通过钻探和爆破隧道内实现的,和(3)蓄热大容量和高电导率通过屈服方法基于开挖形成的地下热水储层和隧道径向伸出。在EGS-E,水平隧道360度分布在不同深度的轴可以通过采矿开挖技术,挖掘和多个稳定的大型热存储可以从隧道由屈服的方法。与EGS-D相比,它可以极大地扩展规模蓄热稳定,扩大热交换面积,升级的大小实现大规模的地热开发地热运输。

目前,Mponeng金矿在南非已经掌握了开挖技术的深度4350米(35]。至于高温在开挖的过程中,迫切需要发展冰冷辐射冷却技术和局部制冷降温技术,新型耐热材料(例如,热绝缘衬里夹膜),智能机械、远程控制机器人,等等36]。研发组织在南非最近开发出一种概念为钻孔机器人。在瑞典北部基律纳铁矿是世界上最大的地下矿山已基本实现“无人值守智能挖掘。无人开采“这些技术突破将越来越接近我们,让EGS-E越来越可行。确实EGS-E还需要大规模生产降低成本为了竞争与其他基本发电技术(37]。而获得大量的热水(或另一个合适的液体或液体更好的蓄热,交流,和运输,如超临界CO₂),可以结合深部开采EGS-E EGS-E降低工程成本,提供一个活跃的冷却方案深部开采的高温环境,实现资源和能源发展的一个双赢的局面。也可以结合地下采石。地下没有风化花岗岩不仅是理想的高质量的石头,也可以发展为建筑材料,以弥补开挖成本。与此同时,它可以保护地表环境。此外,地下的地热发电厂的建设也可以考虑,可以减少热量的损失在运输和保存液的长途运输费用。

然而,很难实现一个超级大型的数值模拟热采矿系统的EGS-E没有强大的超级计算机。因此,初步方法简明地估计EGS-E概念模型的早期性能提出了本文及其应用范围和误差评价也研究,这将为后续提供一个可行的替代超级计算定量研究典型深工程结构之间的对应关系及其热提取效率。在实际EGS-E模型中,有许多强制热对流区断裂组成的流动和周围岩体隧道。裂缝流之间的传热和HDR之后,所有收集的热水热水游泳池底部的轴通过强制对流计划循环管道安装在隧道墙壁来实现传热结构的最优控制。因为这篇文章的主要目的是研究估计EGS-E热提取效率的影响与不同的隧道布局和瞬态模拟大规模断裂的热对流流EGS-E需要超级计算,传热的机理简化到大规模的瞬态热传导与等效的均质隧道壁导热系数在这个阶段。这里的等效导热系数被认为是包括热对流的均质贡献在岩石的裂缝流动和热传导。使用这种简化,热量提取影响因素研究隧道墙壁。

2.2。热影响因素提取EGS-E隧道墙壁

指的是以前的研究(38,39),热进行围岩径向远远大于轴向方向;因此,后者可以忽略分析解决方案。一个轴对称平面问题,高温的瞬态热传导30年来一个圆形隧道围岩是解决在这一节中研究影响热的因素提取EGS-E隧道壁。

如图2,考虑到隧道的横截面和岩石都是圆形。从内部到外部半径和 ,分别。基于之前的研究(40),根据现有的国际标准开发、利用HDR (41),是3米,是100;因此,它可以被认为是外边界是足够远的隧道,其温度在30年不受热传导的影响,即外边界可以被视为保温。假定隧道壁的温度是150°C之间不断连续换热冷水和隧道壁。和围岩的初始温度是250°C。温度场分布的变化在隧道围岩进行了研究。和隧道壁的年度热萃取效率30年来与MATLAB可以通过数据处理获得。

对应的一维瞬态热传导问题分析解决方案如图2是为了解决一维柱坐标齐次热传导微分方程,这是表示如下(42]: 在哪里围岩的热扩散率和吗 。 , ,和的热导率、热容和周围岩石的密度,分别。

内部边界的温度经常被假定为150°C,这是第一类边界条件。外边界被认为是保温,即热通量为0,第二种类型的边界条件。围岩的初始温度是250°C。分析围岩的解决方案后,温度分布是通过分离变量法和正交展开法(43]: 在哪里和是第一类零阶贝塞尔函数和和第二种是零和一阶贝塞尔函数。所有的特征值以上需要积累,和的值下列方程的正根(44]:

然后,平均温度模型的 得到处理后围岩的温度与MATLAB的每一分,每一刻。和每年的温度下降的模型是通过减法每年在30年。根据这个公式 ,年度的解析解1米长隧道壁热萃取率随时间可以获得。

在一定初始温度的围岩,隧道壁的散热效率随墙温度、隧道半径和热力学参数的岩石。因此,上述公式的基础上,三个因素的影响,隧道壁的年度热萃取率进行了研究,分别。相应的计算条件如表所示1,结果在图所示3- - - - - -5。

从数据3来5,它可以直接在一定初始温度的围岩,隧道壁的年度热萃取率随隧道壁的恒定的温度越低,更大的半径隧道,或围岩的热扩散率更高。

2.3。EGS-E估计性能与不同的隧道布局

很难实现super-large-scale热的数值模拟采矿系统EGS-E没有强大的超级计算机。叠加的性能从每个组件提供一个可接受的估计的结构由早期热矿业生产?因此,以前的研究的基础上,评估方法EGS-E效率旧村地下隧道和chessboard-shaped地下隧道,分别提出了。及其应用范围和误差评价也研究,这将为后续研究提供基础。根据现有的技术条件,国际标准开发、利用HDR通常包括蓄热的体积应该大于1公里³有开发价值。因此,围岩的大小在本节的数值模型 ,和模型与chessboard-shaped旧村地下隧道及其有限元网格图所示6和7,分别。旧村chessboard-shaped隧道和隧道的范围 和 ,分别。隧道的横截面仍是圆形的,和隧道的半径是3米。围岩的初始温度为250°C。假定隧道壁的温度为150°C之间不断连续换热冷水和隧道壁。周围的边界设置为保温,和围岩的类型是花岗岩。等效热导率应该设置为175 W / (m·K)根据一半的可用立方地热田的热能量与chessboard-shaped隧道开采30年(即立方地热田的平均温度降低从250°C到200°C),这是合理的和可以实现的强制对流条件下的。模拟所需的其他热力学参数如表所示2,这是源自COMSOL内置材料图书馆多重物理量。

评估的核心思想是把一个大型结构的模拟叠加的性能从每个组件。至于chessboard-shaped隧道简化模型和旧村EGS-E隧道模型如图6和7,他们都可以分解成几个交叉隧道。基于以下三个模型如图8(一个),8 (b),8 (c)分别不同的叠加方法估计EGS-E效率旧村chessboard-shaped和地下隧道进行了研究。

如图8(一个)在模型中,围岩的范围 。交叉隧道的范围 ,这是一样的交叉隧道的红色虚线框数据吗6和7。也就是说,chessboard-shaped隧道在图的范围6相当于25交叉隧道的范围是什么 ,和旧村隧道在图的范围7相当于5交叉隧道。这些模型在仿真计算边界效应,但隧道还远未达到边缘的地热田的实际情况。因此,考虑到整个chessboard-shaped或热萃取效率旧村隧道一样几次他们的中央交叉隧道减少模型边界估计的影响。初始条件、边界条件和计算所需参数设置相同的模型数据6和7。交叉隧道壁的热萃取率这三个模型在图8在任何时间在30年了,相比chessboard-shaped和旧村隧道研究三种不同模型的应用范围和误差评价图8。

图8 (b)显示另一个评估计划。模型中围岩的范围 。交叉隧道的范围 。初始条件、边界条件和计算所需参数设置相同的模型数据6和7,但只有热萃取率的交叉隧道的红色虚线框,如图8 (b)进行比较。这部分的范围也 。

在评估方案如图8 (c)围岩的范围 ,和交叉隧道的范围 。初始条件、边界条件和计算所需参数设置相同的模型数据6和7。交叉隧道壁的热萃取率在任何时间在30年了,相比中央交叉隧道标志人物6和7。

热萃取率交叉隧道的范围 在任何时间在30年基于上述三个估计方案相比中央交叉隧道相同的范围明显chessboard-shaped和旧村模型,分别如图9。直接从图可以看出,方案(c)的相对误差是最小的chessboard-shaped隧道的叠加热萃取率的估计覆盖30年。这是由于这一事实的chessboard-shaped隧道模型图6,它的隧道部分和岩石部分可以分为25个模型如图8 (c)用相同的布局和尺寸。然而,仍有一个微小的相对误差小于1%在30年。这是因为温度场均匀分布到中央部分交叉隧道将开始受到热提取其他周围隧道在某种程度上与等效热导率在30年内,这部分的热损失不能完全弥补自身“掠夺”周围其他热场部件由于边界效应的模拟。

旧村隧道的相对误差是最小的在选择方案(b),在30年下降不到20%。分析还可以从的角度给予温度场总额的平均部门总隧道长度。计划(b)是相对最好的效率估计旧村隧道由于其总长度的隧道和范围的温度场是相同的与模型如图7。然而,除了中央交叉隧道的红色虚线框,如图8 (b),其他隧道的布局相当不同于旧村隧道,所以中央交叉隧道的相互作用与周围隧道在热提取是截然不同的,这是它的主要来源的相对误差小于20%。

和旧村chessboard-shaped和隧道,上面的三个最大的相对误差估计计划在第一年只有20%。这一结论也具有重要的现实意义估计EGS-E的早期表现。

一般来说,如上所述,建议换成叠加估计计划研究在某种程度上在没有强大的超级计算机实现数值模拟super-large-scale热EGS-E采矿系统。和相对误差的分析也可以为评估方案的进一步改进提供灵感。

3所示。讨论

(1)摘要(40地下隧道)激发了另一种类型的布局(蜘蛛网),也方便向外伸展地下隧道的结构,从而进一步增加蓄热的体积,如图10。同样,cobweb-shaped隧道的热量提取效率也可以估计。区别在于需要传热的数值模拟的几个中央交叉隧道不同大小(以红色虚线框,如图10与不同长度)和几个单圆柱隧道(即不同交叉隧道之间的时间间隔)。然后,总体热量提取效率的评估结果与cobweb-shaped隧道模型的可以积累(2)本文的主要目的是研究估计EGS-E热提取效率的影响与不同的隧道布局,和瞬态模拟大规模断裂的热对流流动EGS-E需要超级计算;因此,传热的机理是简化到大规模的瞬态热传导等效为均质隧道壁的导热系数

三维模型模拟的准确性验证由以下两个方面:(i)的模拟结果与不同的离散模型几乎是相同的。(2)相对误差在高温下萃取率估计的叠加方法如图8 (c)对于EGS-E chessboard-shaped隧道在30年还不到1%。

这种简化还应该考虑和涉及必要的限制。即模型主要是基于简化的一个全面的均质热导率已经包含热对流的影响机制,通过在围岩断裂网络。这种简化肯定会取决于增强压裂的充分性,要么都基于爆破崩落法和自然崩溃或通过钻探钻孔水力压裂的刺激。和充分性将依赖于骨折的总接触面积墙壁岩石之间的接口和流,总长度和间距断裂和岩石结块性,等等。

此外,每个骨折热对流的影响因素不仅包括岩石属性和接触面积也是流体性质(热导率、粘度、热容和密度,等等)和传热表面特性(形状、大小和粗糙度等)。这也是相变密切相关。之间的双向耦合温度场和流场是一个必须考虑的重要因素。

一般来说,相比之下,热传导,热对流在裂缝流是一个更复杂的过程在很多因素的影响,而有必要进行相关研究根据影响因素的分类。随后,补充部分,代表当地的详细数值模型应该研究基于裂缝流和HDR之间的传热,即选择一个小的断裂区域之间的双向耦合数值模拟综合研究温度场和流场的因素如流量、流通量和热量提取效率假设蓄热设计并行由几个相对较小的断裂区域。

4所示。结论

地热能源将成为未来能源中一个重要的组成部分,因为它的优点稳定、可持续发展和有效利用。特别是,深层地热能的开发利用HDR逐渐吸引了人们的注意力。针对减轻EGS-D的瓶颈,一个新的EGS-E提出了基于挖掘技术。在这篇文章中,一个简单和直接的方法估算的早期表现大规模深层地热开采进行了研究,建立了其适用性的颠覆和创新的方案,即:,EGS-E大规模热开采,在不久的将来。初步探索了定量研究深工程结构之间的对应关系及其热提取效率。相关的研究和结论如下:(1)主要特征(大热流,热源与大容量和高渗透性,和热存储大容量和高导电性)介绍了EGS-E和优势。参与关键技术的突破和前景EGS-E系统的建设和运营也阐述了。此外,创新方案来减少EGS-E也提出的成本(2)隧道壁温的影响,隧道半径,年度热萃取率和岩石类型解析解的基础上,研究了一维瞬态热传导的径向平面问题通过高温围岩隧道壁覆盖30年。结果表明,在一定的初始温度场,每年从隧道壁热萃取率随内部边界固定温度越低,时间越长半径的隧道,或围岩的热扩散系数越大(3)通过与COMSOL进行数值模拟的物理模型,三种不同评估方法的EGS-E效率和旧村chessboard-shaped地下隧道,分别提出和研究思想的估计EGS-E系统更复杂cobweb-shaped指出隧道。相对最优估计方案旧村和chessboard-shaped地下隧道,分别。计划(c)的相对误差是最小的叠加估计热萃取率在30年chessboard-shaped隧道,30年内已不到1%。旧村隧道的相对误差是最小的在选择方案(b), 30年来一直低于20%。和chessboard-shaped旧村隧道,这三个的最大相对误差估计计划在第一年只有20%。因此,一般来说,建议利用便利和叠加的有效性评估计划研究在某种程度上在没有强大的超级计算机实现数值模拟super-large-scale热在EGS-E采矿系统

数据可用性

计算所需参数的值数值模拟解决方案和分析解决方案用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。