断层模式干热岩地热开采的数值模拟研究

论文摘要

干热岩地热能是极具开发前景的可再生能源,目前干热岩地热能开采大多使用增强型地热系统,在该系统中,建造人工储层非常困难且局限性较大,致使全世界至今未建成商业规模的干热岩电站。本文针对团队2008年提出的断层模式干热岩地热开发方案,以中国西藏羊八井高温地热田深层大倾角断层带作为天然的人工储层,采用三维固-流-热耦合数值模拟方法,研究断层模式干热岩地热开发过程中温度场、渗流场、固体应力场的变化规律及出力与寿命。主要工作及成果如下:1.建立了用于干热岩地热开发的拟连续介质固-流-热耦合计算模型,即温度场、固体应力场、渗流场的控制方程。分别采用有限单元法和有限体积法给出了离散方程。2.在Visual Studio2015环境下使用C++、QT、OpenGL编制了THM-FF软件,该软件用于固-流-热耦合数值计算,还具备网格划分、材料赋值、施加边界条件及指定节点或单元的数据提取等功能。3.根据西藏羊八井的断层结构,沿水平走向,间隔6000m布置一个注水井和两个生产井,形成一个独立的干热岩地热开采系统。通过THM-FF软件进行干热岩地热开发的固-流-热耦合数值计算,得到以下结论:（1）注水初期,注水井迅速周围形成了温度降低区,随开采时间增加,低温区主要向生产井方向扩展,在断层埋深越浅的位置,扩展越突出,22年后,沿断层走向扩展2.5km,并未影响到其他地热开采系统的运行。1#生产井在系统运行22年内,持续产出450℃的高温水;2#生产井出水温度在系统运行第8年时开始,从450℃随运行时间呈指数规律降低,第14年时,出水温度降低至200℃以下。随开采时间的增加,水温沿断层带升高的速率逐渐减小。（2）随着地层温度的降低,岩体的挤压应力逐渐减小,致使岩体的渗透性能提高,为流体在断层中的渗流创造了有利条件。（3）开采初期,因为注水井周围的高压力梯度和倾斜断层带在开采初期存在的渗透性差异,致使注入水在注水井周围积留,随开采时间的增加,注水井周围岩体因与注入水发生热交换,挤压应力降低,渗透性能提高,水流突破了渗透阻碍,渗流通道逐渐通畅。第166天,2#生产井开始出水,第397天,1#生产井开始出水。随开采时间增加,两口生产井周围较大的压力梯度致使四周断层带中大部分的水流入到了生产井中,出水流量逐渐增大。（4）两个生产井的出水温度和质量流量均已满足经济需求,其中2#生产井最高平均流量可达335kg/s左右,并可以保持200℃以上的温度,1#生产井平均流量最多可达245kg/s左右,水温高达445℃,可维持10年以上;2#生产井第15年的平均水温已降低至200℃以下,实际生产时,可在第15年时关闭2#生产井,待岩体温度回升后继续开采;该系统运行的22年内,有效热产量高达13130MW·a,可使地表装机容量为500MW的地热电站工作25年。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 地热资源的发展潜力
•   1.2 干热岩地热开采技术研究现状
•   1.3 干热岩地热开采数值模拟研究进展
•   1.4 本文主要研究内容
• 第二章 拟连续介质固-流-热耦合数学模型
•   2.1 基本假设
•   2.2 固-流-热耦合数学模型
•     2.2.1 基质岩块和断层岩体的变形控制方程
•     2.2.2 基质岩块的温度场控制方程
•     2.2.3 断层岩体的温度场控制方程
•     2.2.4 断层岩体的渗流场控制方程
•   2.3 小结
• 第三章 拟连续介质固-流-热耦合数学模型的数值解法
•   3.1 有限单元法（FEM）的理论基础
•     3.1.1 等参变换
•     3.1.2 变分有限元法
•     3.1.3 加权残差法-伽辽金法
•   3.2 有限单元法的拟连续介质固-流-热耦合数值解法
•     3.2.1 基质岩块和断层岩体变形控制方程的泛函及离散
•     3.2.2 基质岩块热传导方程的离散
•     3.2.3 断层岩体对流-传导方程的离散
•     3.2.4 断层岩体水渗流方程的离散
•   3.3 有限体积法（FVM）的理论基础及数值解法
•     3.3.1 理论基础
•     3.3.2 扩散项的离散
•     3.3.3 对流项的离散
•     3.3.4 边界条件处理
•   3.4 固-流-热耦合程序设计
• 第四章 固-流-热耦合模拟软件设计与开发
•   4.1 界面设计与图形技术
•     4.1.1 界面设计
•     4.1.2 图形技术
•   4.2 前处理模块
•     4.2.1 网格划分方法
•     4.2.2 网格模型建立
•     4.2.3 材料参数定义及赋值
•     4.2.4 施加初边值条件
•   4.3 求解模块
•   4.4 后处理模块
•   4.5 有限体积法的算例分析
• 第五章 西藏羊八井干热岩地热开采的数值模拟研究
•   5.1 羊八井干热岩地热开发方案研究
•   5.2 模型简化及初边值条件
•     5.2.1 坐标模型简化
•     5.2.2 初边值条件
•   5.3 耦合模型的求解方法
•   5.4 温度场变化规律研究
•     5.4.1 垂直剖面温度场分布
•     5.4.2 断层面上的温度场分布
•   5.5 应力场变化规律研究
•     5.5.1 垂直剖面应力场分布
•     5.5.2 断层剖面应力场分布
•   5.6 渗流场变化规律研究
•     5.6.1 垂直剖面流场分布规律
•     5.6.2 断层剖面比流量分布规律
•   5.7 断层钻井处的耦合规律
•     5.7.1 断层钻井处的热-固耦合规律
•     5.7.2 断层钻井处的流-固耦合规律及比流量变化
• 第六章 西藏羊八井HDR地热开发的出力与寿命研究
•   6.1 出力和寿命的影响因素及计算方法
•   6.2 西藏羊八井HDR地热电站出力与寿命计算
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 附录 有限体积法的公式补充
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 魏鑫

导师: 赵阳升

关键词: 干热岩地热开发,固流热耦合,断层模式,出力与寿命,数值模拟

来源: 太原理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 太原理工大学

分类号: P314

总页数: 122

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