[发明专利]一种考虑工质储存过程的增强型地热系统的数值模拟方法及应用

说明书

本发明公开了一种考虑工质储存过程的增强型地热系统的数值模拟方法及应用，其任意时刻的求解步骤为：将连续性方程中的非稳态项作为已知值，求解连续性方程和动量方程，计算此刻热储层中工质的速度场和压力场；计算此刻注入井井筒中工质的速度场、压力场和温度场；计算此刻热储层的温度场，并估算下一时刻热储层的温度场；计算此刻产出井井筒中工质的速度场、压力场和温度场；计算此刻热储层的平均总应力场，并估算下一时刻的平均总应力场；计算此刻热储层的孔隙率和渗透率分布，并估算下一时刻的孔隙率分布；判断各物理场是否收敛，如果未收敛，则重复上述步骤，如果收敛，则停止。本发明可同时模拟热开采性能及热储层中的工质储存量。

技术领域

本发明涉及地热开采技术领域，具体的说是考虑工质储存过程的增强型地热系统(EGS)的数值模拟方法及应用，用于计算EGS的热开采性能和工质储存量。

背景技术

EGS是一种从低渗透率、低孔隙率的地层(主要是干热岩)中提取热量从而获取大量热能的系统，该系统采用人工激发手段在地层中建设高渗透率、高孔隙率的热储层，进而通过工质循环置换热储层中的热量，达到开采地热能的目的。由于干热岩温度较高、资源丰富，EGS具有开采大量热能的巨大应用前景，并受到了广泛关注。参看图2，EGS系统包括注入井1、产出井2和热储层4；注入井1及产出井2在热储层4的一部分开设有孔结构3，其开采地热能的原理为：冷工质被注入到注入井1中，通过注入井1井筒竖直向下流动到达注入井开孔，然后渗透到热储层4(为多孔介质，包括岩石及其空隙中的流体工质)并与热储层4进行热交换，最后变为热工质并经过产出井2回到地面。在开采地热能的同时，一部分工质被储存在热储层中，因为随着热开采的进行，热储层温度逐渐下降，导致岩石收缩(即热储层孔隙率增大)、工质密度增大，进而导致热储层中的工质的质量增大。然而，现有研究都很少考虑由热储层孔隙率、工质密度增大引起的工质储存过程。

2016年12月，《中国石油大学学报(自然科学版)》第40卷第6期第109-117页，孙致学、徐轶、吕抒桓、徐杨、孙强、蔡明玉和姚军公开了一篇名为“增强型地热系统热流固耦合模型及数值模拟”的文章，该文章将岩体视作由离散裂隙网络和基质岩块组成的双重介质，考虑传热、渗流与应力过程中的相互作用，建立复杂裂隙岩体的THM(传热、流动、力学)耦合数学模型，基于商业有限元软件COMSOL Multiphysics进行二次开发，实现数学模型的全耦合求解；针对饱和土热弹性固结问题，将耦合模型模拟结果与解析解进行对比，以验证模型的可靠性；最后，将该模型应用于简化的增强型地热系统，研究其温度场、渗流场以及应力场的变化规律。

2016年10月，《北京工业大学学报》第42卷第10期第1560-1564页，唐志伟、米倡华、张学峰和刘爱洁公开了一篇名为“增强型地热系统热固流耦合数值模拟与分析”的文章，该文章结合北京市活动断层探测实际，运用CFD软件结构性网格，基于导热微分方程和渗流流动方程，建立裂隙-断层岩体非稳态温度场的数学模型，描述了裂隙-断层水流及岩体温度场的分布，并结合计算参数和边界条件，利用裂隙-断层模型做了一定的延伸，对增强型地热系统热固流耦合传热过程进行数值模拟与分析。

2015年2月，《工程热物理学报》第36卷第2期第388-392页，罗良、曹文炅和蒋方明公开了一篇名为“增强型地热系统采热的分形分叉网络模型”的文章，该文章基于热储裂隙开度和长度的分形特征，建立起分形分叉网络模型，推导出采热速率表达式，量化分析裂隙形貌、分布及流体驱动泵功对采热速率的影响。

然而，上述三篇文献都未分析由热储层孔隙率、工质密度增大引起的工质储存过程，而工质储存过程可能对系统热开采性能有影响，并且工质储存量也是系统的重要性能参数：对于以水为工质的EGS(H₂O-EGS)，工质储存量意味着被消耗的水量，而为了使系统正常运行，必须要补充相应的水量；对于以CO₂为工质的EGS(CO₂-EGS)，工质储存可以实现CO₂的封存，工质储存量即为CO₂封存量。综上所述，现有的EGS数值模拟方法都有一定的局限性。因此，有必要探究同时模拟EGS热开采性能和工质储存量的新方法。