数值模拟在热回收效率不同的工作液体在高温岩体

文摘

具有重要意义的可持续发展全球能源发展干热岩(HDR)地热资源利用增强型地热系统(EGS)技术。不同的工作液体EGS有不同的热回收效率。因此,本文以水和有限公司₂载热介质,建立了热液压机械耦合模型来模拟高温岩体的热回收过程。通过考虑不同围压、岩石温度和注射压力,H的优点₂O-EGS和有限公司₂egs。结果表明,随着围压的增加,水的热回收效率明显高于有限公司₂,但在更高的储层温度,有限公司₂作为载热介质有更多的优势。的净热量萃取率随喷射压力的增加将会增加,这表明质量流率热回收过程中起着主导作用,增加流体的注入压力更有利于EGS的热回收。本研究将提供一个技术指导为热能利用干热的岩石在不同地质条件下。

1。介绍

的巨大消耗煤炭、石油和其他化石燃料不仅会导致能源危机也造成重大环境和气候问题[1,2]。因此,全球努力寻求绿色和可持续的替代能源。作为一种可再生能源,低碳干热岩(HDR)地热资源近年来吸引了全世界的关注(3- - - - - -5]。在发展的过程中干热的岩石上,有必要形成一个裂缝网络连接注入井和生产井通过一些手段,如水力压裂,以建立一个“热回收和发电”关闭cycle-enhanced地热系统,如图1(6,7]。

传统EGS使用水作为载热介质,有很多国内外研究这项技术(8- - - - - -11];它是发现,热提取的H₂O-EGS具优势的存在原位流体在储层(12]。然而,有些学者指出,H的使用₂O-EGS将导致大量的水资源损失(13),也导致一系列问题,并不有利于地热系统的操作和维护14- - - - - -17]。要解决这些问题,2000年,布朗首先提出,它可以使用超临界CO₂(SCCO₂)代替水作为载热介质(18]。自那时以来,许多研究已经进行使用公司的可行性₂以热提取液(12,14,19- - - - - -23]。此外,许多研究影响因素的热开采有限公司₂egs(如有限公司₂注入率、渗透率、纯洁的有限公司₂,注射温度的有限公司₂)进行了24- - - - - -27]。有限公司₂低密度和粘度,可以获得大迁移率和浮力和减少热回收循环的泵功率(18,28]。然而,低比热容的有限公司₂导致热量提取的有效能量低于水,和公司的质量流率₂很容易受到储层温度和压力的影响。目前,国内外专家学者分析了影响储层温度、注气压力、温度、注水温度和干热岩断裂形态上有限公司₂egs和H₂O-EGS通过理论分析和数值模拟,但几乎没有热回收效率的差异研究注水和注气在高温岩体在相同条件下。因此,本文将在这个问题上开展相关研究。

本研究关注的影响储层渗流场的变化,储层温度场、储层应力场对渗流和载热介质的传热,建立了thermal-fluid-solid耦合模型,分别分析了注射压力的影响,样品温度和围压的变化对热回收效率当H₂O和有限公司₂作为工作流体。本研究将为提高干热岩提供技术指导生产力在不同地质条件下。

2。控制方程

温度场之间的耦合关系,渗流场和应力场在地热开发如图2。三个字段实现的耦合渗流运动的载热介质,裂隙岩体的变形和传热。因此,第一步是确定每个物理场的控制方程。

2.1。岩石变形

根据毕奥本构方程的理论(29日)如下: 在哪里是固体应变张量分量,应力张量分量,孔隙流体压力,是正常的应力分量,岩石的毕奥系数,是剪切模量,泊松比。

根据方程(1),获得应力分量的弹性本构方程如下: 在哪里是体积应变,弹性模量,是岩体的热膨胀系数,然后呢岩体的温度。

应变和位移之间的关系在小变形和变形几何方程如下:

根据Terzaghi [30.有效应力原理,水库的总压力如下: 在哪里是总压力,有效应力,相当于张量。

不考虑惯性力的影响,动量守恒方程如下:

通过结合方程(2),(3),(4)和(5),得到位移表达的平衡微分方程如下: 在哪里位移分量,泊松比,是体积力组件,是蹩脚的弹性常数。

2.2。流体流动

本研究是基于地热储层由致密结晶花岗岩等岩石。在这里,只考虑裂缝内流体的流动。流体在裂缝是一个饱和单相流的过程,和流体的质量守恒方程是表示由以下公式: 在哪里是流体密度,源(汇)的液体,是液体的动力粘度,流体压力,孔隙度,渗透率。

考虑到骨折的粗糙度,流体在裂缝的渗透率如下(31日]: 在哪里是断裂的粗糙系数,

孔隙压力和热应力的作用下,裂缝宽度如下(32]: 在哪里正常的压力和吗是正常的裂纹刚度。

孔隙度的变化的影响下应力场、渗流场、温度场和如下:

2.3。传热

裂隙岩体中的传热过程可以由以下公式表示: 在哪里岩石样品的温度,液体的密度,是液体的比热容,流速,源项,导热通量,有效导热系数,孔隙度,岩石样品的密度,是岩石样品的热导率,是流体的导热系数。

3所示。数值模型和仿真方案

3.1。模型描述

之前的实验室测试研究交替注入的热回收效率H₂O和有限公司₂到标准花岗岩样品单一骨折;结合H的实验结果₂O-SCCO₂交替注入,该模型下的岩石渗流热提取THM耦合建立(33]。因此,模型的大小符合标准的岩石样本( ),有一个全面的模型的轴向裂纹;几何模型如图3。它包含3324个免费的三角形单元,最小单位大小是1毫米,最大单元大小是6毫米。有限元软件COMSOL多重物理量用于解决这个问题。解决模块包括结构力学模块、地下水径流模块,和传热模块。

3.2。初始和边界条件

应力场的边界条件包括:上部边界应用轴向力、侧向力应用正确的边界,和左和更低的边界应用滚动支持。

温度场的边界条件包括:上部边界应用轴向力、侧向力应用正确的边界,和左和更低的边界应用滚动支持。

渗流场的边界条件包括:上部边界和下边界定压边界,和左边界和右边界都是零通量边界。

在阅读相关文献[34,35),公司的热物理的参数₂和其他液体确定,模型中的有关参数如表所示1。

3.3。仿真方案和数据处理

仿真方案如表所示2。

测量分(25毫米和50毫米)中选择模型如图4。

载热流体的热能产品瞬时明智的焓和质量流率,和的净热量生产力生产如下: 在哪里由载热流体热能提取,是载热流体的质量流量流出的岩体(千克/秒),是载热流体的质量流量流入岩体(千克/秒),在注入液体的比焓(J /公斤),然后呢在流出液体的比焓(J /公斤)。

4所示。结果和讨论

4.1。围压的影响

模拟的围压的影响因素,模型的初始温度为473 K,热源和边界为0.001 W /毫米²。液体注射压力是2 MPa,轴向压力35 MPa,围压是26 MPa, 28 MPa, 30 MPa, 35 MPa,分别。分别后,注入水和有限公司₂在不同围压下,在测点温度变化如图5。

结果表明,温度测点注水后随围压的增加(或有限公司₂),并有温度变化的三个阶段:初始稳定阶段(短时间内),最后快速下降阶段,稳定阶段。当围压较低时,第一阶段是不明显的。随着围压的增加,初始稳定阶段的持续时间延长,并推迟第二阶段的开始。在第三阶段,围压越高,温度越高,压力是稳定的。比较后注水后的温度和温度有限公司₂注射,它是发现,注水后测点的温度略高于后有限公司₂注入,尤其是35 MPa的围压下,两个条件之间的温差在第三阶段测点是大约10 K。

数据6和7600年代后显示岩石样本的应力分布注水和600年代有限公司₂分别注入26 - 35周不等MPa围压下。可以看出,当围压的增加,模型的内部压力增加。根据方程(9),模型裂缝张开度随压力的增加而减小,这减少了渗透和影响热回收效率。

图8显示了水后的净热量的时间变化和有限公司₂注入不同围压下。可以看出的净热量随围压的增加而减小的过程中,注水和有限公司₂注入。增加围压降低流体速度,延长换热流体和岩体之间的时间,也减少了渗透率和流体质量流量相应的时间;两个因素的综合影响下,净热量减少,表明后者因素有更大的影响力。与前面的实验研究,结果通常是与实验结果一致(36]。

比较后的净热量结果注水和有限公司₂注射,它是发现,注水后的净热量提取略高于有限公司₂注入同一围压下。低围压下这种差异不明显,但随着围压的增加,水的热回收效率明显高于有限公司₂。

数据9和10分别显示岩石样本的温度分布在注水600年代和有限公司₂注入600年代为26 - 35周不等MPa的围压下。可以看出,低围压下岩石样品的热损失明显低于高围压下,注水后和岩石样品的热损失略低于有限公司₂注入同一围压下。可以看出,流体的热物理性质有明显的热回收率的影响。虽然公司的低质量流率₂导致较低的热回收在相同条件下,岩石样本的热损失有限公司₂被水高于。

4.2。初始温度的影响

模拟的初始温度的影响因素的岩石样本,边界热源为0.001 W /毫米²、流体注射压力是2 MPa,轴向压缩35 MPa,围压是26 MPa。我们模拟注水的热回收过程和有限公司₂注入的初始温度373 K, 403 K, 433 K, 493 K,分别。图11显示规则的净热量变化与水和有限公司₂在不同的温度下注射时间。

可以看出,在注水过程中热回收,增加的净热量随着初始温度的增加岩石的样本。有限公司的过程中₂注入热回收,净热量随初始温度的增加而减小的岩石样本。与前面的实验研究,结果通常是与实验结果一致(37]。由于体积小的岩石样本,断裂表面的温度迅速降低流体注射后,导致最初的净热量的快速下降。在实际EGS水库,将补偿热回收区域附近的高温岩体。当边界热源被添加到模型中,净热量曲线略有波动,这是热回收之间的交互的结果和热补偿。数据12和13600年代后显示岩石样本的应力分布注水和600年代有限公司₂注入的初始温度373 K - 493 K,分别。可以看出,当初始温度的增加,模型的内部压力增加。一般来说,公司的密度粘度比₂水比,两种液体温度和压力的敏感性是截然不同的。这个比例的水主要是温度的函数,更少受到压力的影响。然而,对于公司₂,这一比率显著受温度和压力的影响。当岩石样品的温度增加从373 K到493 K,水的密度粘度比增加0.5,和比焓增加120 kJ /公斤,和水的净热量增加岩石温度的增加。然而,上面的岩石样本的变化温度降低的密度粘度比有限公司₂1,增加的比焓仅30 kJ /公斤。前中起主导作用的净热量的影响,虽然公司的净热量₂随岩石温度的增加而减小。

图14显示的温度分布特征岩石样本在注水和有限公司₂注入600年代在373 - 493 K的初始温度。可以看出,后岩石样品的热损失有限公司₂注入是略高于同一初始温度下注水的岩石样本。这是符合围压的影响的结果。因此,公司的热回收效率₂可以通过合理选择高于水的注入条件有限公司吗₂。

4.3。注射压力的影响

在影响因素的模拟有限公司₂注射压力、岩石样品的初始温度为473 K,热源的边界为0.001 W /毫米²35 MPa,轴向压力和围压是26 MPa。该模型模拟了热回收公司的过程₂在高喷射压力的8 MPa, 9 MPa, 10 MPa,分别和11 MPa。图15显示规则的净热量变化与有限公司₂注射时间在不同的注射压力。

发现公司的净热量提取₂随喷射压力的增加在相同的时间。与前面的实验研究,结果通常是与实验结果一致(37]。注气压力的增加会导致在单位时间内气体体积流量的增加,气体的热交换岩石断裂。注气压力的增加会导致岩石渗透率的增加,导致公司的增加₂质量流率的流出。同时,它还减少了换热时间有限公司₂在骨折。两个因素的综合影响下,净热量随喷射压力的增加,这表明质量流率起着主导作用。

图16公司后显示了岩石样品的应力分布₂600年代不同注入压力下注入。可以看出公司的增加₂注射压力几乎没有影响的内部压力模型,和裂缝打开不会改变太多。相比之下,公司的影响₂质量流率增加,应力的影响可以忽略。

后的温度分布的岩石样本有限公司₂不同注入压力下注入的600年代图所示17。它可以发现岩石样品的热损失随喷射压力的增加逐渐增加一段时间。因此,增加流体的注入压力有利于EGS的热回收,但抑制热补偿的效果,大大降低了生产生活的水库。

5。结论

本文建立数值模型来模拟岩石的围压和初始温度的影响样品的热回收率在注水和有限公司₂注入断裂的岩石样本,公司的影响₂注射压力热回收率。本文比较和分析了热回收的优势通过注水和有限公司₂注射,得到以下主要结论:(1)注水后(或有限公司₂),在测点温度随围压的增加,还有温度变化的三个阶段:初始阶段,稳定快速下降阶段,最终稳定的阶段。热回收水注射后,测点的温度略高于有限公司₂围压下的注入,尤其是35 MPa。测点的温差之间的两个条件,第三阶段是大约10 K。的净热量随围压的增加,同一围压下,注水后的净热量提取略高于有限公司₂注入。低围压下这种差异不明显,但随着围压的增加,水的热回收效率明显高于有限公司₂(2)水的净热量随岩石样品温度的增加,而公司的净热量₂随岩石样品温度的增加而减小。393 K温度的岩石样本,最大的净热量比有限公司₂水大概是3。与样品温度的增加,最大的净热量比有限公司₂水在493 K降低到0.4。因此,随着岩石温度的增加,热萃取率的有限公司₂逐渐低于水吗(3)在相同的时间,公司的净热量提取₂随喷射压力的增加。随着喷射压力的增加,速度的有限公司₂在骨折的增加,从而增加公司的质量流率₂,但也降低了换热时间有限公司₂在骨折。的净热量随喷射压力的增加,这表明质量流率起着主导作用;增加液体的注入压力有利于EGS的热回收,但抑制热补偿效应,显著降低了水库的生产生活

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的基础研究基金为中央大学、中国矿业大学和技术(批准号2015 xkzd06)。

引用

1. t·科比,h·w·希弗,m .致密和e·帕诺斯,”全球能源展望到2060年——2019年WEC世界能源的场景,“能源战略回顾卷,31 p。100523年,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. y . f .曾庆红,w . Wang, m .曾和w·李,“结果化石燃料燃烧对空气环境质量的影响和研究情况,”中国民族大学学报,没有。2、113 - 120年,2001页。视图:谷歌学术搜索
3. w·g·l . Wang, j . y .梁w·j·林,z . m . Liu和w·l·王”在中国地热资源潜力的评价,”Geoscientia学报,38卷,不。4、448 - 459年,2017页。视图:谷歌学术搜索
4. 曾t .徐,y, z, x包,“技术进步在一个增强型地热系统(干热岩),“科学技术评论,30卷,不。32岁的使,2012页。视图:谷歌学术搜索
5. w·李,x, l .元et al。”概况和建议开发利用地热资源的中国,“中国矿业杂志,卷。29日,22日至26日进行的,2020页。视图:谷歌学术搜索
6. t·f·徐y l .元,z . j .江z侯,和b·冯”干热岩地热工程:国际经验和中国的前景,”吉林大学学报,46卷,不。4、1139 - 1152年,2016页。视图:谷歌学术搜索
7. d·l·盖洛普“生产工程地热技术:回顾”,地热学,38卷,不。3、326 - 334年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. 赵y, z, b . Xi, z Wan, d·杨和w·梁”的变形和不稳定破坏的钻孔在干热的岩石高温高压剥削,”可再生能源卷,77年,第165 - 159页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. w·Bujakowski a . Barbacki m . Miecznik l . Pająk r . Skrzypczak和a . Sowiżdżał”造型地热EGS安装和操作参数下波兰中部地区的三叠纪沉积地层,”可再生能源卷,80年,第453 - 441页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. 李x, y, g . et al .,“wellbore-reservoir耦合的数值模拟在增强型地热系统中,“可再生能源资源,33卷,不。3、421 - 428年,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. z, m·詹尼斯·a . Ghassemi和s·鲍尔,“实验调查injection-driven剪切滑移和渗透性演化的花岗岩EGS刺激,”诉讼第42研讨会地热水库工程、斯坦福大学,页13 - 15,斯坦福,加州,2017年。视图:谷歌学术搜索
12. j·w·普里切特,”H的相对有效性₂O和有限公司₂作为EGS水库工作流体热开采。”事务——地热资源委员会33卷,第239 - 235页,2009年。视图:谷歌学术搜索
13. j·b·伦道夫·m·o·萨尔州,“结合地热能捕获与二氧化碳地质封存,”《地球物理研究快报,38卷,不。10日,2011年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. k . Pruess和m . Azaroual”使用超临界CO的可行性₂作为工程传热流体在干热岩地热系统[J],”31日车间地热水库工程学报》上,第393 - 386页,2006年。视图:谷歌学术搜索
15. f·张,江p, r . Xu”系统的热力学性能比较有限公司₂egs和water-EGS系统。”应用热工程,卷61,不。2、236 - 244年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. 公元Atrens, h . Gurgenci诉鲁道夫,”公司₂热虹吸管竞争地热发电。”能源和燃料,23卷,不。1,第557 - 553页,2009。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. h·安,d . v . Duchane r·h·帕克和m . Kuriyagawa”现状和剩余HDR / HWR系统设计的问题,“地热学,28卷,不。4 - 5,573 - 590年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. p . Olasolo m . c .华雷斯m·p·莫拉莱斯´s D Amico,和中情局Liarte,“增强型地热系统(EGS):复习一下,”可再生能源和可持续能源的评论,56个卷,第144 - 133页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. k . Pruess“生产行为的增强型地热系统有限公司₂为工作流体”,能量转换和管理卷,49号6,1446 - 1454年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. a . Atrens h . Gurgenci诉鲁道夫,“(火用)分析的有限公司₂热虹吸管”诉讼中,三十四斯坦福大学地热油藏工程研讨会、斯坦福、加州2009。视图:谷歌学术搜索
21. 公元Atrens, h . Gurgenci诉鲁道夫,“发电使用二氧化碳热虹吸管,”地热学,39卷,不。2、161 - 169年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. a . Ram Mohan Turaga,诉Shembekar, d . Elsworth和美国诉Pisupati,“利用二氧化碳从燃煤发电厂作为发电的传热流体在增强型地热系统(EGS)”能源57卷,第512 - 505页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. 李和x, y, b .呗,”比较调查的传热特征气体有限公司₂和气体流经一个花岗岩断裂,水”国际热物理学杂志,38卷,不。11日,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. w·l·c·l . Wang Cheng y l .年l .杨比比,和m·h·刘”模拟热提取从有限公司₂基于增强型地热系统考虑有限公司₂封存。”能源卷,142年,第167 - 157页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. 徐f > r . n, p . x江“增强型地热系统热力学分析使用不洁净的有限公司₂geofluid,“应用热工程卷,99年,第1285 - 1277页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. f . Wang和n . a .金”的影响不同的公司₂注入温度在热萃取率有限公司₂增强型地热系统:鄂尔多斯基于CCS示范项目”,科技评论2013年,卷。31日。视图:谷歌学术搜索
27. f·罗,R.-N。徐,P.-X。江”,流体流动和传热的数值研究双重增强型地热系统有限公司₂作为工作流体(有限公司₂egs),“能源卷,64年,第322 - 307页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. k . Pruess”角色的流体压力在生产增强型地热系统与二氧化碳作为工作流体的行为[J],”美国呼吸和重症监护医学杂志》上,卷189,不。189年,第370 - 369页,2008年。视图:谷歌学术搜索
29. m·a·毕奥”理论传播的弹性波在流体多孔固体。即低频率范围。二世。更高的频率范围。”《美国声学学会杂志》上,28卷,不。182年,第191 - 168页,1955年。视图:谷歌学术搜索
30. k . v . Terzaghi“死Berechnung der Durchassigkeitsziffer des音调来自民主党Verlauf der hydrodynamischen Spannungserscheinungen [J],”那些从事der Wissenschaften在维也纳。Sitzungsberichte11卷,第124 - 105页,1923年。视图:谷歌学术搜索
31. 严f·p·肖,窦,h, h . Liu和z朱,“数值模拟的并行多裂缝水平井的传热过程增强型地热系统,”可再生能源资源,37卷,不。7,1091 - 1099年,2020页。视图:谷歌学术搜索
32. z Dianji, b . Shiwei, y春和”分析和研究裂隙岩体的渗透性,”现场调查的科学和技术,卷1,24 - 27日,2003页。视图:谷歌学术搜索
33. l .锅“thermo-hydro-mechanical-chemical耦合效应研究有限公司₂egs干热岩,2020。视图:谷歌学术搜索
34. 瞿z, w·张,t . k .郭”不同的断裂形态对热量的影响基于COMSOL矿业增强型地热系统的性能,”国际期刊的氢能源,42卷,不。29日,第18278 - 18263页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
35. 蜀,r·朱d Elsworth et al .,“温度和围压对液压和传热特性的进化的地热在花岗岩断裂,“应用能源,第272卷,第115290页,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
36. j·p·李,y Wu罗和h·张,”公司的影响₂热性能和地方骨折异质性传热超临界CO₂流经破碎花岗岩。”能源报告7卷,第1887 - 1875页,2021年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
37. j·p·李,y Wu刘et al .,”效应的注入参数对热超临界CO的萃取性能₂增强型地热系统。”能源科学与工程,7卷,不。6,3076 - 3094年,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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