增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)熱流固耦合模型及數(shù)值模擬
孫致學(xué),徐軼,呂抒桓,等
摘要:目的:增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)利用水力壓裂地下高溫巖體形成人工熱儲(chǔ),通過(guò)載熱流體循環(huán)以提取干熱巖(HDR)所存儲(chǔ)的地?zé)崮埽溟_(kāi)采過(guò)程包含滲流、熱能交換及巖體介質(zhì)變形,為典型的熱流固(THM)耦合問(wèn)題。旨在解決目前關(guān)鍵技術(shù)難題中如何模擬大規(guī)模復(fù)雜裂隙及有效處理裂隙介質(zhì)中傳熱、滲流與應(yīng)力過(guò)程的多場(chǎng)耦合作用,尤其是研究應(yīng)力場(chǎng)變化引起裂隙的張開(kāi)、閉合對(duì)介質(zhì)滲透率和傳熱效率的改變等對(duì)EGS的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生的影響,最終研究增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)內(nèi)溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的變化關(guān)系。方法:基于局部非熱平衡理論,將裂隙巖體視作基于離散裂隙網(wǎng)絡(luò)和基質(zhì)巖體的雙重介質(zhì),給出 THM耦合的數(shù)學(xué)模型,基于商業(yè)有限元軟件COMSOL Mutilphysics進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)裂隙巖體溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的全耦合求解。利用一個(gè)已知解析解的算例驗(yàn)證耦合模型和全耦合求解方法的正確性。最后利用隨機(jī)生成的二維裂隙網(wǎng)絡(luò)模型模擬EGS的運(yùn)行過(guò)程,分析干熱巖儲(chǔ)層內(nèi)滲流、溫度、應(yīng)力及變形的分布規(guī)律。結(jié)果:利用隨機(jī)生成的二維離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型模擬EGS運(yùn)行過(guò)程得到如下結(jié)果,(1)滲流場(chǎng)流速直接影響裂隙巖體中溫度場(chǎng)的變化,研究滲流場(chǎng)的變化規(guī)律對(duì)控制ESG的運(yùn)行有重要意義。(2)EGS中裂隙巖體溫度場(chǎng)分布具有強(qiáng)非均勻性和各向異性,利用水力壓裂產(chǎn)生裂隙,增強(qiáng)巖體的導(dǎo)流能力、提高采熱效率是水力壓裂技術(shù)的重要特征,并且裂隙巖體中熱量主要沿裂隙傳輸。(3)在高壓水的作用下,裂隙和基質(zhì)巖塊的變形提高了系統(tǒng)的導(dǎo)流能力,會(huì)加快熱量的傳輸速率;溫度的劇烈變化也會(huì)導(dǎo)致巖體應(yīng)力分布的改變。在EGS儲(chǔ)層中溫度、滲流和應(yīng)力三場(chǎng)之間是相互影響和制約的。(4)系統(tǒng)可以在某一階段保持穩(wěn)定出力,一段時(shí)間后,低溫區(qū)不斷擴(kuò)大,生產(chǎn)井附近的溫度開(kāi)始下降,在裂隙面附近由于裂隙水的流速高,水溫下降更快,系統(tǒng)的出力也不斷減小;入口水溫越低,則出口平均水溫下降越快。結(jié)論:(1)將巖體視作由離散裂隙網(wǎng)絡(luò)和基質(zhì)巖塊組成的雙重介質(zhì),有效考慮裂隙巖體傳熱、滲流與應(yīng)力過(guò)程中的相互作用,建立了相應(yīng)的THM耦合數(shù)學(xué)模型;(2)基于商業(yè)軟件 COMSOL二次開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)了模型的全耦合求解,求解精度更高。對(duì)于飽和土熱固結(jié)問(wèn)題,能夠獲得與解析解較為一致的結(jié)果,在一定程度上說(shuō)明了耦合模型的可靠性;(3)在增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的算例分析中,數(shù)值模擬可以得到溫度、滲流及應(yīng)力各物理場(chǎng)的分布特征,且和現(xiàn)有的一般性結(jié)論較為吻合。數(shù)值模擬反映了三場(chǎng)之間的耦合作用規(guī)律,說(shuō)明干熱巖開(kāi)采過(guò)程中存在較強(qiáng)的THM耦合作用。因此,研究增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的利用效率和運(yùn)行控制有必要考慮THM三場(chǎng)耦合作用特點(diǎn)。
來(lái)源出版物:中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016,40(6): 109-117
入選年份:2016