李靜巖，劉中良，周宇，李艷霞

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室，北京 100124）

熱儲上下巖層熱補償作用對CO2羽流地熱系統(tǒng)性能的影響

李靜巖，劉中良，周宇，李艷霞

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室，北京 100124）

二氧化碳羽流地熱系統(tǒng)（CPGS）能夠在直接開采地熱的同時實現(xiàn) CO2的地質(zhì)封存，熱儲上側(cè)和下側(cè)巖層的熱補償作用是影響 CPGS性能的重要因素。建立了三維蓋巖-熱儲-基巖整體模型，研究了熱補償作用對 CPGS采熱性能及熱儲內(nèi)巖石和流體溫度演化過程的影響，為優(yōu)化CPGS設(shè)計、提升CPGS的系統(tǒng)經(jīng)濟性和工程應(yīng)用提供了理論參考。研究結(jié)果表明：熱補償作用減小了生產(chǎn)流體在豎直方向上的溫度差異及系統(tǒng)運行后期生產(chǎn)流體溫度下降的速率，有效延長系統(tǒng)運行壽命，使系統(tǒng)獲得更好的采熱性能和更穩(wěn)定的產(chǎn)能輸出；考慮熱補償時系統(tǒng)總熱開采量明顯提高；與蓋巖相比，基巖的熱補償作用更強。

巖層；熱儲；熱補償；二氧化碳；地熱系統(tǒng)；多孔介質(zhì)；數(shù)值模擬

引 言

當今社會主要依賴于傳統(tǒng)的化石能源，而化石燃料的大量使用，造成了以二氧化碳（CO2）為主的溫室氣體大量排放，引發(fā)了全球變暖等諸多環(huán)境問題[1-2]。二氧化碳地質(zhì)封存是一種有效減少 CO2排放、緩解溫室效應(yīng)的技術(shù)途徑[3-5]，然而單一的CO2地質(zhì)封存成本過高，難以實現(xiàn)大規(guī)模工程應(yīng)用[6]。針對這一問題，Brown[7]于2000年首次指出CO2具有良好的流動特性和傳熱特性，可以替代水作為開采地熱的傳熱工質(zhì)，即基于CO2的增強型地熱系統(tǒng)（enhanced geothermal systems powered by CO2，CO2-EGS）進行地熱開采，系統(tǒng)運行過程中CO2在地下的流量損失可以間接達到地質(zhì)封存的目的。隨后 Pruess[8-11]進一步驗證了 CO2用于地熱開采的可行性，并且圍繞CO2-EGS的采熱能力展開了研究。但是CO2-EGS存在很大的局限性。首先，人工熱儲層的構(gòu)造需要較高的壓裂費用，從而使系統(tǒng)整體的經(jīng)濟性較低；此外，“人工壓裂”技術(shù)有可能破壞地質(zhì)構(gòu)造，進而引起地震活動[12]。因此，CO2-EGS的發(fā)展受到了極大的經(jīng)濟與政治約束[13]。

針對CO2-EGS存在的諸多問題，Randolph等[14-15]提出了二氧化碳羽流地熱系統(tǒng)（CO2plume geothermal system，CPGS）這一全新的概念。與CO2-EGS的目標儲層不同，CPGS使用的是自然存在的地質(zhì)儲層，這種天然的儲層具有一定的滲透率和孔隙率，無須人工壓裂，可以直接用于地熱開采，從而提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟效益；同時其較大的儲層體積使之具有比CO2-EGS更大的采熱潛力和CO2地質(zhì)封存潛力[16-18]。

CPGS的目標儲層普遍位于地層深處，上、下側(cè)分別被低滲透性的蓋巖與基巖包圍。隨著系統(tǒng)的運行，熱儲在與冷流體的換熱過程中逐漸被冷卻，造成與蓋巖、基巖的溫度差越來越大，蓋巖和基巖均將對熱儲產(chǎn)生一定的熱補償作用?？紤]到地熱系統(tǒng)較長的運行時間（一般為幾十年），來自蓋巖與基巖的熱補償作用會對熱儲內(nèi)的溫度變化以及系統(tǒng)的采熱性能造成不可忽略的影響[19-20]。

以往的研究多只關(guān)注于CPGS的熱儲部分，圍繞熱儲滲透率、比熱容、初始鹽度、初始溫度等物性參數(shù)以及系統(tǒng)布井方式等對系統(tǒng)采熱性能的影響展開研究[21-25]，而針對熱補償作用對采熱性能影響的研究較少。目前，建立模型時，對熱補償作用的處理主要有兩種方式：一種是忽略熱儲上下側(cè)巖層的熱補償[21,23]，即將熱儲上下側(cè)邊界假設(shè)為絕熱邊界，應(yīng)用此類模型計算得到的系統(tǒng)采熱量中未包含熱補償作用的貢獻量，與系統(tǒng)實際采熱量相比具有較大偏差；另一種是通過將熱儲邊界設(shè)置為一種溫度隨時間變化的傳熱邊界來考慮上下巖層的熱補償[25-28]，這類邊界模型能夠較為準確地描述熱補償?shù)淖饔眠^程，與忽略熱補償?shù)哪Ｐ拖啾雀系責衢_采的實際情況。然而，實際上，蓋巖和基巖的物性盡管可以與熱儲有明顯不同，甚至可以忽略其質(zhì)量傳遞作用，但從熱量傳遞的角度看，它們與熱儲是不可分割的。所以這種通過設(shè)定溫度邊界的辦法有很大的隨意性，只能模擬考慮熱補償后熱儲內(nèi)的熱量傳遞過程和巖石的溫度變化，不能得到蓋巖和基巖中的溫度分布，同時無法獲知系統(tǒng)總熱開采量中熱補償作用的貢獻量。Jiang等[29-30]通過在熱儲周圍設(shè)置滲透性可忽略不計的巖石區(qū)域，考慮了周圍巖石的熱補償作用，與上述兩種對熱補償作用的處理方式相比，Jiang的模型[31-32]更符合地熱開采時熱補償過程的實際情況，但 Jiang的研究主要針對EGS，且以CO2作為采熱工質(zhì)時忽略了熱儲內(nèi)初始水的影響。

基于以上問題，本文首先結(jié)合非等溫的 CO2-水兩相滲流原理建立了基于CPGS的，能夠準確描述熱補償過程和地熱開采過程的蓋巖-熱儲-基巖整體模型，隨后通過對比考慮熱補償和忽略熱補償兩種情況，針對熱補償作用對CPGS采熱性能及熱儲內(nèi)巖石和流體溫度演化過程的影響展開研究，最后對兩種情況下系統(tǒng)熱開采量的組成進行了分析，并提供了計算蓋巖和基巖熱補償作用對總熱開采量的貢獻量的方法。為后期優(yōu)化CPGS設(shè)計奠定基礎(chǔ)，為提升CPGS的系統(tǒng)經(jīng)濟性提供理論依據(jù)，為CPGS的工程應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型

為合理描述 CPGS運行過程中儲層內(nèi)的流動與傳熱過程，基于以下假設(shè)建立了非等溫條件下的兩相滲流模型：①將熱儲視為均勻性質(zhì)的多孔介質(zhì)；②忽略水和CO2間的溶解作用，液相中只有水組分，氣相中只有CO2組分；③不考慮流體與巖石之間的化學(xué)反應(yīng)；④忽略巖石熱應(yīng)力引起的熱儲孔隙率及滲透率的變化；⑤模型整體滿足局部熱平衡。

對于多孔含水層中的水和CO2兩相，其連續(xù)性方程可表示為

流動滿足達西方程，即

輔助方程

巖層內(nèi)水氣巖三相統(tǒng)一的能量守恒方程為

式中，φ、S、u、K、κr、μ、p、ρ、g、u、h、C、T、λ、q和Qh分別表示巖石孔隙率、飽和度、速度、巖石固有滲透率、流體相對滲透率、流體動力黏度、流體壓力、密度、重力加速度、流體比內(nèi)能、流體比焓、比熱容、溫度、熱導(dǎo)率、質(zhì)量源和熱源。下標w、c、s分別表示水、CO2和固體巖石。毛細壓力及相對滲透率采用 Brooks-Corey-Burdine（BCB）模型[33]進行計算，具體計算公式見表1。

圖1 CO2和水的物性-壓力-溫度關(guān)系Fig.1 Pressure-temperature relationship of CO2 and H2O physical properties

表1 毛細壓力及相對滲透率模型Table 1 Model of capillary force and relative permeability

數(shù)值求解采用有限元分析軟件COMSOL，通過自定義偏微分方程（PDE）模塊建立上述方程。模擬過程中考慮流體的物性變化，由NIST數(shù)據(jù)庫獲取CO2和水的物性建立物性數(shù)據(jù)差值表，通過線性內(nèi)插獲得如圖1所示的物性隨溫度和壓力變化的擬合曲面用于計算。

2 算例設(shè)置

參考前人的經(jīng)驗[22,34-35]，選用五點式布井方案建立研究區(qū)域（圖2），注入井位于儲層中心位置，生產(chǎn)井位于方形區(qū)域的4個角上，與注入井的井間距均為500 m。由于五點式布井方式的對稱性，只考慮方形區(qū)域的1/4部分，建立三維幾何模型（圖3）。模型區(qū)域包括注入井、生產(chǎn)井、多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱儲及滲透率可以忽略不計的蓋巖和基巖，熱儲中心位于地表以下2500 m的深處，熱儲尺寸為353 m × 353 m × 100 m，蓋巖和基巖厚度為500 m，注入井和生產(chǎn)井地下部分只對熱儲開放，井筒半徑均為0.15 m。

初始時刻，熱儲孔隙中被水充滿，流體壓力服從靜水壓強，巖石的溫度分布隨深度線性增加，地表溫度293.15 K，地溫梯度為4 K/100 m。不考慮井筒中的流動與換熱問題，采用固定井底壓力的方式進行開采，注入井井底和生產(chǎn)井井底與儲層之間的壓力差均取2 MPa，注入井井底CO2的注入溫度為313.15 K。模型通過改變熱儲頂部和底部邊界（熱儲與蓋巖和基巖的交界面）的邊界條件控制考慮熱補償和忽略熱補償兩種情況，考慮熱補償時設(shè)為開邊界，忽略熱補償時設(shè)為絕熱邊界，兩種情況下模型的其余邊界均設(shè)為絕熱邊界。熱儲、基巖和蓋巖的物性參數(shù)見表2。

圖2 五點式布井方案Fig.2 Five-spot well pattern

圖3 儲層模型幾何尺寸Fig.3 Geometry (including geometric dimensions) of a doublet CPGS

計算區(qū)域網(wǎng)格劃分采用自由剖分四面體網(wǎng)格，考慮到注入井和生產(chǎn)井的井筒尺寸較小，重點細化井筒周圍網(wǎng)格。為保證計算結(jié)果不受網(wǎng)格數(shù)量的影響，對網(wǎng)格進行加密，直至獲得網(wǎng)格無關(guān)性計算結(jié)果，最終網(wǎng)格數(shù)為168664，其中蓋巖和基巖的網(wǎng)格數(shù)均為73005，熱儲的網(wǎng)格數(shù)為22654，四面體網(wǎng)格最小單元尺寸為1.45 m，最大單元尺寸為25 m。

表2 物理性質(zhì)Table 2 Physical properties

3 結(jié)果與討論

3.1 巖層溫度分布

圖4顯示了考慮熱補償和忽略熱補償兩種情況下不同時刻儲層內(nèi)的溫度分布。注入低溫CO2后，注入井附近巖石被迅速冷卻，形成低溫區(qū)域，隨CPGS運行時間的推移，CO2逐漸向生產(chǎn)井側(cè)擴散，低溫區(qū)域逐漸向生產(chǎn)井側(cè)擴展。同時，在豎直方向上，重力作用導(dǎo)致底部流體流動速度較快，使得儲層底部巖體被冷卻的速度加快。而圖4(b)、(d)、(f)、(h)顯示出，隨時間的推移，蓋巖與基巖對熱儲的熱補償作用逐漸明顯，豎直方向上熱補償作用的強度由熱儲頂部與底部向熱儲中部逐漸減弱，從而出現(xiàn)了頂部與底部溫度變化較慢，而中部溫度變化較快的現(xiàn)象。

考慮熱補償時，隨熱儲溫度的不斷降低，熱儲與蓋巖及基巖的溫差逐漸增大，蓋巖和基巖與熱儲間發(fā)生熱量傳遞，并造成前者的溫度變化。圖5給出了考慮熱補償情況下不同時刻蓋巖和基巖的溫度分布。由圖中可以看出，由于熱儲內(nèi)流體的對流傳熱作用，蓋巖和基巖與熱儲交界面附近的巖體首先被冷卻，在注入井附近形成低溫區(qū)域，隨時間的推移，低溫區(qū)域逐漸向水平及豎直方向擴展。由于蓋巖和基巖中無流體流動，巖體溫度的變化僅由巖石的導(dǎo)熱作用引起，因此低溫區(qū)域在豎直方向上的擴展速度較小。通過對比圖 5(a)、(c)、(e)、(g)和圖 5(b)、(d)、(f)、(h)不難發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)運行至20年時，基巖中低溫區(qū)域在豎直方向上的最大波及范圍位于注入井附近，超過70 m，而同一時刻蓋巖中低溫區(qū)域在豎直方向上的最大波及范圍僅為50 m。由此可知，在系統(tǒng)開采過程中基巖的熱量損失更為明顯。

3.2 生產(chǎn)流體溫度

圖6展示了考慮熱補償和忽略熱補償兩種情況下儲層出口處生產(chǎn)井內(nèi)流體溫度隨時間的分布。從圖中可以看出，兩種情況下生產(chǎn)井中生產(chǎn)流體的溫度分布在豎直方向上具有一定差異。在忽略熱補償?shù)那闆r下，由于重力作用儲層底部流體流速較快，導(dǎo)致儲層底部的生產(chǎn)流體首先出現(xiàn)溫度下降，從而產(chǎn)生儲層頂部生產(chǎn)流體溫度較高，底部生產(chǎn)流體溫度較低的現(xiàn)象。在系統(tǒng)運行至20年時，生產(chǎn)流體最低溫度位于儲層底部，溫度為340 K左右，最高溫度位于儲層頂部，溫度為380 K左右，頂部與底部溫差較大，溫度波動范圍較大。而在考慮熱補償時，熱補償對儲層底部流體起到了加熱作用，從而減緩了底部生產(chǎn)流體溫度下降的速率，同時生產(chǎn)流體首先出現(xiàn)溫度下降的位置由儲層底部上移至底部與中部之間。在系統(tǒng)運行至20年時，生產(chǎn)流體最低溫度位于儲層中部偏下，最低溫度為360 K左右，最高溫度與最低溫度溫差較小，整體溫度波動范圍較小。通過對比圖6(a)、(b)可知，熱補償作用有效抑制了儲層底部生產(chǎn)流體溫度的過早過快下降，同時縮小了生產(chǎn)流體溫度在豎直方向上的波動范圍，這有助于減小系統(tǒng)運行后期生產(chǎn)流體溫度的下降速率，延長系統(tǒng)運行壽命。

圖4 不同時刻熱儲溫度分布Fig.4 Temperature distribution of geothermal reservoir in different time

圖7給出了兩種情況下生產(chǎn)流體平均溫度的變化曲線。由圖中可以看出，在忽略熱補償?shù)那闆r下，生產(chǎn)流體溫度出現(xiàn)明顯下降的時間較晚，溫度隨時間的下降速率較快。而考慮熱補償時，生產(chǎn)流體溫度出現(xiàn)明顯下降的時間較早，溫度隨時間的下降速率較慢。這是由于考慮熱補償時，熱儲溫度相對較高，流體流動速度較快，因此流體溫度出現(xiàn)明顯下降的時間較為提前。同時由于上下巖層對熱儲的加熱作用，減慢了熱儲溫度的下降速率，使得生產(chǎn)流體溫度隨時間的下降速率也較為緩慢。

圖5 不同時刻蓋巖和基巖溫度分布Fig.5 Temperature distribution of cap and base rocks in different time

值得指出的是，在實際工程中，地熱系統(tǒng)地表的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備一般為汽輪機或熱泵機組，較低的生產(chǎn)流體溫度不利于熱能的轉(zhuǎn)換，為提高機組的能量轉(zhuǎn)換效率，假定以生產(chǎn)流體溫度下降至373 K（100℃）時作為系統(tǒng)運行結(jié)束的時間，則從圖 7可以看出，考慮熱補償時系統(tǒng)運行壽命可以達到20年，而忽略熱補償時只有18年左右，由此可見熱儲上下側(cè)巖層熱補償作用可以有效延長CPGS的運行壽命，從而對CPGS的采熱性能產(chǎn)生積極影響。

3.3 系統(tǒng)采熱性能分析

圖8展示了考慮熱補償和忽略熱補償兩種情況下生產(chǎn)流體質(zhì)量流量隨時間的變化曲線。運行前期儲層內(nèi)生產(chǎn)流體僅有單相水，隨著CO2被逐漸注入儲層并突破生產(chǎn)井，生產(chǎn)井附近壓力梯度逐漸增大，生產(chǎn)流體的速度隨之增大，導(dǎo)致生產(chǎn)流體質(zhì)量流量逐漸上升。CO2突破生產(chǎn)井后，生產(chǎn)流體質(zhì)量流量大幅下降，這是由于CO2密度小于水，在相同條件下的質(zhì)量流量小于水，從而引起生產(chǎn)流體質(zhì)量流量的下降。隨著生產(chǎn)流體中CO2飽和度的增大，CO2的相對滲透率隨之增大，造成CO2的流速增大，使得生產(chǎn)流體質(zhì)量流量在很長一段時間內(nèi)呈上升趨勢。蓋巖和基巖的熱補償作用對生產(chǎn)流體質(zhì)量流量的影響主要體現(xiàn)在CO2突破生產(chǎn)井后，從圖8中可以看出，考慮熱補償作用時，生產(chǎn)流體的質(zhì)量流量有一定的提升。這是由于熱補償?shù)淖饔眠^程比較緩慢，在系統(tǒng)運行前期并不明顯，隨時間的推移熱補償作用導(dǎo)致熱儲溫度較高，流體流動性能較強，流動速度較快，因此質(zhì)量流量較高。

圖6 儲層出口區(qū)域生產(chǎn)井中流體溫度隨時間分布Fig.6 Distribution of temperature of production fluid in thermal reservoir

圖7 生產(chǎn)流體平均溫度曲線Fig.7 Average temperature curves of production fluid

熱提取率是評價系統(tǒng)性能的重要參數(shù)。Pruess[11]的熱提取率計算公式為

圖8 生產(chǎn)流體質(zhì)量流量隨時間變化曲線Fig.8 Mass flow rate time-varying curves of production fluid

式(7)僅適用于單相流體的計算，因此采用式(7)的修改公式[22]進行熱提取率的計算，即

式中，Hpro-CO2為生產(chǎn)井中氣相 CO2的焓值；Hpro-H2O為生產(chǎn)井中水的焓值；Hinj-CO2為注入井中CO2的焓值；Fpro-CO2為生產(chǎn)井中的CO2的流量。CO2和水的焓值由注入和產(chǎn)出時的溫度和壓力確定，其焓值與壓力及溫度的關(guān)系已在圖1中給出。

圖9 熱提取率隨時間變化曲線Fig.9 Time-varying curves of thermal extraction efficiency

圖9展示的是系統(tǒng)熱提取率隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，熱提取率隨時間的變化存在兩個峰，在第2個峰的峰值點前，熱提取率的變化規(guī)律與質(zhì)量流量的變化一致，這是由于熱提取率在第2次下降之前，生產(chǎn)流體的溫度幾乎不變，熱提取率的變化主要由生產(chǎn)流體質(zhì)量流量決定，當生產(chǎn)流體溫度開始下降時，生產(chǎn)流體焓值隨之下降，從而引起熱提取率的下降。熱補償對熱提取率的影響起始于系統(tǒng)運行至2年左右，也就是CO2突破生產(chǎn)井時開始，考慮熱補償時的熱提取率相對較高，同時到達第2個峰值的時間較晚。在CO2突破生產(chǎn)井至第 2峰值點之間，考慮熱補償?shù)那闆r下生產(chǎn)流體質(zhì)量流量較高，導(dǎo)致其熱提取率較高。在第2個峰值點之后，由于考慮熱補償時生產(chǎn)流體溫度隨時間變化的速率較慢，因此熱提取率的下降也較慢。

與 CPGS總的運行時間相比，CO2驅(qū)替水的過程較短，因此系統(tǒng)正常的工作時間應(yīng)從CO2突破生產(chǎn)井后開始。由圖 9可知，考慮熱補償時系統(tǒng)的熱提取率較高，同時熱提取率隨時間的變化幅度較小，這一結(jié)果表明，熱補償作用能夠有效提高CPGS的熱提取率，同時減弱熱提取率隨時間的波動，使CPGS具有更好的采熱性能和更穩(wěn)定的產(chǎn)能輸出。

3.4 系統(tǒng)熱開采量

圖10給出了考慮和忽略熱補償兩種情況下各巖層熱開采量及系統(tǒng)總熱開采量隨時間的變化曲線。考慮熱補償時，系統(tǒng)總熱開采量由3部分組成，其中熱儲開采量為系統(tǒng)從熱儲中獲得的熱量，是總熱開采量的主要組成部分，蓋巖和基巖開采量是熱補償作用對系統(tǒng)采熱的貢獻量，在總熱開采量中所占的比例較小。熱儲、蓋巖、基巖及系統(tǒng)總熱開采量通過式(9)～式(11)進行計算。

式中，Wi、Wr和W分別為蓋巖或基巖開采量、熱儲開采量和總熱開采量；vi為蓋巖或基巖的巖層體積；Tini和T(t)分別為巖石初始和t時刻的溫度。

圖10 熱開采量隨時間變化曲線Fig.10 Time-varying curves of heat production

從圖 10中可以看出考慮熱補償時的總熱開采量較高，但熱儲開采量較少，這是由于蓋巖與基巖的熱補償作用減緩了熱儲溫度下降的速率。蓋巖和基巖的熱補償為總熱開采量做出了一定貢獻，其中基巖的熱補償作用更為明顯。在系統(tǒng)運行至 20年時，考慮熱補償?shù)那闆r下總熱開采量達到了1.93×1015J，比忽略熱補償時高出1.5×1014J，同時蓋巖和基巖開采量分別達到了 1.43×1014J和3.18×1014J，分別占總熱開采量的7.4%和16.5%，基巖對總熱開采量的貢獻量約為蓋巖的兩倍。造成基巖開采量較高的原因主要有兩點，一是由于地溫梯度的存在，基巖的溫度高于蓋巖，在相同情況下與熱儲的溫差更大，熱補償作用更強；二是由于重力作用，儲層底部流體的流速更快，換熱作用更為劇烈，相同時間內(nèi)能夠從基巖中獲得更多的熱量。

4 結(jié) 論

建立了 CPGS蓋巖-儲層-基巖整體模型，研究了熱儲上下側(cè)巖層熱補償作用對系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明，熱補償作用對CPGS生產(chǎn)流體溫度、質(zhì)量流量、系統(tǒng)熱提取率及熱開采量均會產(chǎn)生一定的影響，在評估采熱性能時是一不能簡單忽略的重要因素。熱補償作用可減小重力作用造成的生產(chǎn)井中生產(chǎn)流體在豎直方向上的溫度差異，同時減小系統(tǒng)運行后期生產(chǎn)流體溫度下降的速率，有效延長系統(tǒng)運行壽命；有助于提高CPGS生產(chǎn)流體質(zhì)量流量和系統(tǒng)熱提取率，并減弱熱提取率隨時間的波動，使系統(tǒng)獲得更好的采熱性能和更穩(wěn)定的產(chǎn)能輸出；考慮熱補償時系統(tǒng)總熱開采量明顯提高，但由于熱補償?shù)募訜嶙饔脺p緩了熱儲溫度的下降速率，因此熱儲開采量減少。此外，與蓋巖相比，基巖的熱補償作用更為明顯，本文算例中基巖對總熱開采量的貢獻量約為蓋巖的兩倍。

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date:2017-04-17.

Prof.LIU Zhongliang,liuzhl@ bjut.edu.cn

Influence of thermal compensation of geothermal reservoir rock formation on CO2plume geothermal system performance

LI Jingyan,LIU Zhongliang,ZHOU Yu,LI Yanxia
(Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation,Ministry of Education,College of Environmental and Energy Engineering,Beijing University of Technology,Beijing100124,China)

Carbon dioxide plume geothermal system (CPGS) can be used to exploit geothermal energy and realize carbon dioxide geological sequestration simultaneously.The thermal compensation from the rock formation around the geothermal reservoir is one of the important factors that affect the performance of CPGS.Based on a three dimensional base and cap rocks enclosed heat reservoir model,the influences of the thermal compensation on the temperature evolutionary process of the rock and fluid in the geothermal reservoir and the heat collection performance of CPGS were studied.The distribution of geothermal reservoir temperature and the temperature of production fluid were compared with that without consideration of the thermal compensation.The results show that the thermal compensation reduces both the production fluid temperature variation along the vertical direction and its temperature decreasing rate in the later period of system operation,therefore extends the lifetime of CPGS and gains better heat collection performance.With consideration of the thermal compensation,the heat production is improved significantly.The results also show that the thermal compensation of the base rocks is stronger than that of the cap rocks.

rock formation; geothermal reservoir; thermal compensation; carbon dioxide; geothermal system;porous media; numerical simulation

TK 124

A

0438—1157（2017）12—4526—11

10.11949/j.issn.0438-1157.20170413

2017-04-17收到初稿，2017-07-15收到修改稿。

聯(lián)系人：劉中良。

李靜巖（1992—），男，碩士研究生。