文摘
地热储层数值模拟,描述为一个bottom-heated正方形盒子,装满了水务公司2提出了混合工作。此外,结果两个极限情况下的水库满纯水或有限公司2提出了。不同的参数包括公司的影响2浓度以及储层压力和温度对系统的整体性能。指出,与一个固定的储层压力和温度,增加有限公司2浓度会导致更好的性能,较强的对流和更高的传热速率。与一个固定的公司2浓度,然而,储层压力和温度可以显著影响储层整体传热和流率。这种差异的细节被记录和本文中讨论。
1。介绍
同时发电和geosequestration制造有限公司2地热发电厂的一个非常有吸引力的选择。因此,二氧化碳基工程地热系统(CO2EGS)之前提出替代水性EGS系统(1]。后来的研究进一步的细节和报告改善能源开采的可能性2- - - - - -7]。有趣的是,“干燥期”,或者从一个最初水EGS系统过渡到一个有限公司2丰富的一个(8- - - - - -11)已经收到了大量的关注主要是因为可能导致矿物溶解和沉淀储层流体成分和储层渗透率的变化变更(12- - - - - -14]。此外,(15调查公司的影响2丰富的成分在生产阶段从水库中提取流量和热量。还没有在文献中报道的是一个详细的数值模拟的水务公司2混合物填充一个水库。简单的热力学分析储层的显示,可以提炼出更多的热量(水饱和油藏相比)主要是因为有限公司2——比纯水的混合物。这可能严重影响能源开采水饱和油藏。这些水库遭受渗透率下降与深度。因此,拥有一个更活跃的流体可以对抗重力,至少部分,不仅是可取的,还会严重影响钻井成本预计增长指数与井深(16- - - - - -18]。
流体迁移的作用在地下积聚的热量地热系统还不是很清楚。众所周知,脱气的有限公司2与同位素组成表明地幔来源地区构造活动与当地地热温度升高(19- - - - - -21]。对流流体羽毛可能发挥作用在增强热来自地幔内地热水库和水库本身。此外,对流在地热储层可提高地热储层的生产永久提高供热系统的底层地层和通过确保更均匀分布在水库的热能,也就是说,通过交易中采用局部冷却沿着主要的流动路径。
这可能也意味着被水浸透的储层,分为非生产性的,主要是由于缺乏对流,注入有限公司2可以导致对流细胞的形成,从而促进热量提取。在下面,一个数值分析给出了这个问题的定量测量对流模式的改善和增强传热的水库。这是旨在提供有限的可能机制2存在或除了地下水库可能导致对流传热的增强。
2。造型
储层建模为bottom-heated方箱绝热横向边界和冷壁如图1所示。冷热温度变化从331年到431 K和416到516 K,分别在冷热温差保持在85 K。不变的属性,当然同样的水库大小、孔隙度、渗透率、一个期望的结果是一样的,只要温差不改变。然而,它将是即将到来的部分所示的情况,这不是我们的问题作为属性明显随温度和压力。储层孔隙度是固定在0.05和permeability-length产品10点保持不变−11米3类似于Haghshenas胭脂et al。7没有贯流式)。储层压力变化从20到60 MPa(相当于大约2到6公里的静水压力水)覆盖范围广泛的地热开发的实际应用。达西流模型使用流模型与线性叠加获得的单相流体性质的个人液体与各自的分数加权;也就是说, 真正的(即。,nonideal) properties are determined for pure CO2使用一个基于亥姆霍兹自由能的状态方程[22)和纯H2O使用国际协会水和蒸汽的性质状态方程(23]。使用单相基础造型,使考试改变属性的影响没有额外的复杂的两相流分离行为。进一步的评论中提供了讨论。获得的储层属性同样利用孔隙度和可靠性的权函数如下:
指出,在上述配方储层孔隙度和渗透率的变化而不考虑流体性质在每次迭代更新。
内部代码,使用的Hooman和Gurgenci24),旨在与商用软件ANSYS-FLUENT和用于创建和网格几何和最终解决控制方程。至于控制方程的标准二维传热条件下,基于假设绝热侧墙和恒温的顶部和底部边界,如下: 边界条件如图1。
3所示。数值的细节
电网独立运行软件验证了在不同网格大小的组合。观察,结果改变了不到2%在100×100网格系统是用来代替细孔网和200×200的网格点。结果也验证了常数财产自由对流的水在多孔腔,即Darcy-Benard问题。指出这是努塞尔特数之间的相关性(ν)和瑞利数(Ra)ν= Ra / 40最适合数字数据,如图2所示。Ra在这个例子中是按照确定的 作为进一步的检查结果的准确性,变量属性Darcy-Benard自由对流的纯水多孔腔研究观察,使用参考温度方法的Hooman和Gurgenci24)上面的相关性仍然可以使用5%以内。
4所示。结果与讨论
接下来我们关注自由对流热和流体流动的水务公司2混合多孔腔。我们使用ν和最大流率作为指标来评估对流模式的力量。ν是纯的总传热除以传导通过相同的空腔(无对流模式)。因此,任何ν值超过统一显示一定程度的对流。显然,更高ν值马克更强对流细胞。流量报告这是唯一自由对流引起的,也就是说,没有水源泵或任何其他吸/注入机制。我们系统地改变有限公司2质量分数从0(纯水)统一(纯有限公司2)在一系列储层压力和温度的变化多端的温差是相同的。恒房地产亚临界流体流动,一个期望,同样的温差,因此,同样的瑞利数(Ra),整体传热和流体流动不会改变。然而,随着公司2是超临界条件范围内的地下水库系统,这不是混合物的公司吗2和H2啊,证明了图3。这个图显示了ν和有限公司2质量分数在20 MPa冷热温差相同但不同冷热温度表示情节。看到,传热随有限公司2质量分数为任何给定的和组合。此外,从纯水纯有限公司2,增加传热是至关重要的;约一个数量级是最小传热增强。更有趣的是,然而,这一事实ν是最高最低的(很明显,最低保持相同的85 K)主要是因为较低的温度更接近那些伪临界条件的Ra预计将达到最大值;参见Forooghi et al。25- - - - - -28]。这显然是赞成低温地热水库时不得生产纯水是工作流体。
数据4(一)- - - - - -4 (c)给出了证明ν与有限公司2质量分数不同的储层压力和温度变化多端的组合。ν随质量分数为一个固定的压力和温度变化多端的结合。比较的数据之间的关系4(一)- - - - - -4 (c)对于一个固定的压力会导致结论类似基于图的仔细检查3。也就是说,增加传热温度接近准临界条件。此外,根据情节在同一个图表,压力增加会导致低热量trasnfer利率固定的有限公司2质量分数和温度。这可以解释为明显降低压缩性较高的流体密度和增加压力,固定液的温度,这将导致更低的热膨胀系数。结果,在相同的温度下,两种流体不会那么活跃在更高的压力相比,低的,所以将无相变的混合物。
(一)
(b)
(c)
对流流速也反映了压缩性的依赖,证明了图5。无量纲流量(归一化流函数在纵轴上)是通过规范的实际流量与速度合适的尺度,区域,和密度: 在数学上,这意味着我们使用nondimensionalize流量。需要提到的选择这些参数是可选的,但我们试图利用常量值密度和长度方便读者产生估计,根据我们的计算,对预期的流速通过给定的水库。此外,我们更感兴趣的是流量的趋势图对质量分数比实际流量值。这样做,(常数)水的密度在大气条件下使用,使用单位面积定义为空腔的长度乘以统一(1米)。流速,对于单相恒地产情况,假定为线性正比于热扩散率和Ra的产物1/2和逆线性腔长度成正比;例如, 的流量 热扩散率和密度的乘积是密度和留下一组独立的。因此质量流率范围是表示为 而和计算在标准大气条件下,Ra受到流体性质变化和使用后(1)- (2)。这个流量是buoyancy-induced流量由于流体密度的变化。buoyancy-induced流导致了上升运动的热流体对墙顶部,在冷却,然后流离失所其他热液上升。结果的质量流率规范化使用(8)呈现在图5对不同质量分数、压力、温度组合。类似ν情节,指出质量流率不仅是敏感的温差也实际的壁温值。此外,高有限公司2质量分数导致更高的流量。它可以指出,从数字5(一个)来5 (c)压力,流量不太敏感是增加了。与一个固定的和,一个notes不同流量,当压力变化的趋势。根据温度的变化值,压力的增加可以增加(图5(一个))或减少流量(图5 (b))。
(一)
(b)
(c)
这项工作是一个初步分析的作用有限2增强地热储层内的对流换热。它故意评估单相混合物的两个组件的行为。进一步的工作需要扩展这个账户为多个阶段。有三个特别的定性影响通过多相流有望改变这里给出的结果。(1)瞬态脱溶的溶解有限公司2泡沫在两相区域应该导致当地增强在泡沫由于其向上浮力对流运动。这方面的一个期望将对流热流的梯度的增加与质量分数(即,在气泡线),有限公司2开始exsolve H2O阶段。(2)在两相相对渗透率地区将采取措施减少流动的增强,随着储层渗透率小阶段内两相流通常大大减少。(3)在稳态条件下,会有一个期望的相分离为两个水平阶段相对密度的基础上,也就是说,一个上有限公司2丰富的阶段和较低的H2O-rich阶段。上阶段将经历显著提高对流换热率,因为它会内部传热特征类似于正确的数据4和5。此外,将进一步提高传热与温度有关的溶解度的H2在公司啊2丰富的阶段,导致额外的H2O蒸发成有限公司2阶段在两个阶段之间的边界,在储层的上表面冷凝。H2O-rich阶段将经历相反的效果,令人沮丧的传热率,尽管有限公司2在H溶解度2O依赖于温度远低于H2在公司啊2(11]。这些预期的定性行为需要进一步分析多相流的行为来确定它们的相对贡献占整体对流热流的提高。
然而,这些变化之和预计不会改变总体趋势表明,对流热通量增加的有限公司2添加到水库系统。考虑到这里给出的结果表明,有限公司2可以提高流量的2.67倍,我们认为这是一个潜在的重要的热传输方式在地热水库,需要进一步研究。我们预计下一个步骤是考虑额外的流动行为当多个阶段。
5。结论
对对流热传输的影响在一个封闭的水库系统分析了不同流体组成的CFD模型的单相流体属性源自composition-dependent平均纯CO2和纯氢2从H o .成分性质是不同的2O向有限公司2,大幅度提高被观察到在努塞尔特数(10倍)和正常流函数(2.67倍)。我们认为这表明大幅增加对流热传输。
对流热传输可能会进一步修改多相流的行为,我们认为,由于潜在的热流强度增强的有限公司2,进一步的研究探索这些行为对热传输的影响是十分必要的。
我们预期这一发现对研究天然地热水库、溶解气脱溶的作用在增强传热仍没有量化。此外,这些发现可能对公司潜在的兴趣2注入地热储层,因为它可能导致改进生产力通过机制阐明在这工作。
对热的大小影响生产率的地热发电厂是困难的在这个阶段量化和可能不是有意义的推测由于评估的限制只有单相流储层内的行为。然而,这些发现表明,水库与高有限公司2内容将会经历更大的对流换热,因此相对较高的温度(因此更大的资源价值)。此外,它可以得出的结论是,任何增加有限公司2现有水库的内容将增强对流行为(尽管这种效应的大小取决于两相流的行为以及水库的细节),因此将提高生产力和/或地热能源开采的长寿。
术语表
| : | 密度、公斤米−3 |
| : | 质量分数,无量纲 |
| : | 热膨胀系数K−1 |
| : | 动态粘度,Pa |
| : | 导热系数W m−1K−1 |
| : | 储层孔隙度、无量纲 |
| : | 定压热容,kJ公斤−1K−1 |
| : | 重力加速度,9.81年代−2 |
| : | 流体速度的水平分量,m−1 |
| : | 垂直分量的流体速度,m−1 |
| : | 努塞尔数,无量纲 |
| : | 瑞利数,无量纲 |
| : | 温度、K |
| : | 正常流量,无量纲 |
| : | 质量流率,公斤年代−1 |
| : | 区域,米2 |
| : | 储层高度,米 |
| : | 储层渗透率、米2 |
| : | 热扩散率,m−2。 |
| : | 二氧化碳 |
| : | 水 |
| : | 液体混合物 |
| : | 储层 |
| : | 岩石 |
| : | 系统温度最高,底部边界 |
| : | 系统温度最低,在边界。 |
利益冲突
作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。
确认
支持高影响研究资助。C / HIR /邻蒙古/ ENG / 23和马来亚大学的马来西亚,是承认。