李娜娜,呂 俊,李 兵,姜鵬飛
(1.陜西新眉清潔能源有限公司,陜西 寶雞 722300;2. 西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710054)
地?zé)崮苁且环N綠色低碳、可循環(huán)利用的可再生能源,具有儲量大、分布廣、清潔環(huán)保等特點。我國地?zé)豳Y源豐富,我國城市淺層地?zé)崮芸刹傻責(zé)豳Y源量折合標準煤t ;水熱型地?zé)崮芸刹少Y源量折合標準煤 t,地?zé)崮馨l(fā)展前景廣闊[1]。利用中深層水熱型地?zé)崮苓M行供暖對調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排、改善環(huán)境具有重要意義,這一舉措有利于促進“碳達峰,碳中和”目標的實現(xiàn)。
數(shù)值模擬可以有效對地?zé)衢_發(fā)利用過程地層溫度場、地下水流場等進行預(yù)測分析,對于優(yōu)化地?zé)崛崮J郊肮に噮?shù)具有一定的指導(dǎo)意義。受地層復(fù)雜性的影響,可利用模型對實際地質(zhì)情況模擬,從而對實際地?zé)衢_采工作進行一定的指導(dǎo)。李成[2]等采用一種集總參數(shù)模型模擬計算了地?zé)嵯到y(tǒng)的物理狀態(tài)的參數(shù)。高有川[3]等利用井-儲耦合數(shù)值模擬程序T2WELL,建U型井取熱不取水地?zé)衢_采模型, 預(yù)測實際供暖參數(shù)下 U 型井的長期運行性能,并定量分析不同工程參數(shù)對其取熱性能的影響。李孜軍[4-5]等提出了礦產(chǎn)與地?zé)崮軈f(xié)同開采治理熱害的構(gòu)想,并建立了礦井巖層地?zé)崮軈f(xié)同開采多物理場耦合模型,對地?zé)衢_采采熱性能以及對井巷的降溫效果進行了分析。徐宇[6]等利用COMSOL數(shù)值軟件建立2種尺寸模型分別求解,驗證建立的相似準則準確性,研究礦井巖層地?zé)衢_采過程中采熱流體流動傳熱規(guī)律以及地?zé)衢_采對通風(fēng)巷熱環(huán)境的作用機制。王瑞鳳[7]等建立了一個高溫巖體地?zé)衢_發(fā)的數(shù)學(xué)模型,得出地?zé)衢_發(fā)過程中溫度場的變化規(guī)律。HOU[8]等提出了一種多層多分支的網(wǎng)格狀水平井換熱系統(tǒng),通過三維地?zé)衢_采模型驗證斜井布置的采熱效果較好。
在“碳中和、碳達峰”目標的背景之下,地?zé)衢_采利用日益廣泛,地?zé)衢_采過程涉及巖層熱質(zhì)傳遞,涉及多孔介質(zhì)傳熱,屬于多物理場耦合問題,本次采用COMSOL數(shù)值模擬軟件研究眉縣城區(qū)地?zé)衢_采過程中地下水及熱儲層溫度場的演化規(guī)律。
研究區(qū)位于寶雞市眉縣縣城內(nèi),眉縣位于渭河盆地以南,距離秦嶺山前約15 km,眉縣區(qū)域主要由秦嶺山前斷裂、余下斷裂、啞柏斷裂和渭河斷裂及其次級平行斷裂控制[9]。區(qū)域內(nèi)賦水區(qū)域主要有砂巖孔隙儲水、砂巖構(gòu)造裂隙儲水、基巖風(fēng)化裂隙儲水和基巖構(gòu)造裂隙儲水。表明該區(qū)域地層富水性好,并且具有良好的巖層間水力聯(lián)系,可以通過抽采和回灌地下水來進行地?zé)豳Y源的開發(fā),主要開采層位為中元古界寬坪群裂隙水。
以眉縣濱河新區(qū)地?zé)峋疄檠芯繉ο?初步采用“一抽一灌”方案進行中深層地?zé)豳Y源開發(fā)利用,并且從地下水流動方向的上游井作為回灌井,下游井作為抽采井。旨在研究一定采灌模式下,抽采回灌對地下水及熱儲層溫度場的影響,查明一定抽采時間后地下水及熱儲層溫度場的演化規(guī)律。
本文采用有限元數(shù)模軟件 COMSOL,基于其多孔介質(zhì)傳熱模塊、達西定律模塊和固體力學(xué)模塊,建立了基于水熱耦合條件下的抽采回灌傳熱模型。該模型由一條一維注水井筒和一條一維抽采井筒構(gòu)成,網(wǎng)格劃分模型如圖 1 所示。研究整體區(qū)域選定為7 000 m×2 000 m×2 000 m,即基巖區(qū)域尺寸為7 000 m×2 000 m×750 m,含水儲層區(qū)域尺寸為7 000 m×2 000 m×850 m,第三層(底部)基巖區(qū)域尺寸為7 000 m×2 000 m×400 m。為計算方便進行了模型簡化,其中抽采井與回灌井井深均為1 500 m,直徑均為 0.4 m,回灌井和抽采井之間的水平距離為4 000 m。其他計算參數(shù)[10]的選取如表1所示。
表1 初始取熱參數(shù)表
圖1 有限圖元網(wǎng)格劃分示意圖
模型假設(shè) :(1)含水儲層受圍巖完全覆蓋,與外界沒有能量交換;(2)含水層巖體為多孔介質(zhì);(3)模型不考慮取熱過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。針對建立的初始數(shù)值模型,通過用戶自定義的方式對模型進行有限元網(wǎng)格劃分,總單元數(shù)單元數(shù)68 000左右。通過網(wǎng)格無關(guān)性分析,得出網(wǎng)格數(shù)量對數(shù)值模擬結(jié)果的影響規(guī)律。經(jīng)過對不同有限元網(wǎng)格數(shù)量下生產(chǎn)井取熱溫度的模擬,可以得出,在有限元網(wǎng)格數(shù)量達到 60 000 后,灌入井和產(chǎn)出井以及含水層平均取熱溫度趨于穩(wěn)定,不再受網(wǎng)格數(shù)量的影響,所以模型網(wǎng)格數(shù)量設(shè)定在68 000左右,滿足計算精度要求。
為了研究深部含水層儲熱系統(tǒng)中滲流傳熱的規(guī)律, 首先考慮描述多孔介質(zhì)中流體運移過程, 這里采用達西連續(xù)性方程作為控制方程:
(1)
式中:Sp為儲水系數(shù),1/Pa;ρ為流體密度,kg/m3;Qm為源匯項,W/m3;v為流體流速, t表示時間s。
可由達西定律予以描述:
(2)
式中:μ分別對應(yīng)巖石的滲透率,m2;к流體粘滯系數(shù),Pa·s;p是壓強,MPa。
儲層中流體與巖石換熱過程由多孔介質(zhì)傳熱定律表征,熱交換的能量守恒方程為:
(3)
式中:(ρCp)eff表示等效體積熱容,J/m3·℃;ρw表示水的密度,kg/m3;T表示溫度,℃ ;v為流體流速,cm/s;Cp,w表示水的等壓熱容,J/m3·℃;Q為儲層中流體與巖石的熱量交換,W/m3;keff為巖石的導(dǎo)熱系數(shù),W/m3·℃。
要使用體積平均方法,則熱傳導(dǎo)方程中的體積比熱為:
(ρCp)eff=(1-εp)ρfCp,f+εpρwCp,w
(4)
式中:(ρCp)eff為等效體積熱容J/m3·℃;εp為儲層的孔隙度;ρf為儲水層密度,kg/m3;Cp,f為儲水層的等壓熱容,J/kg·℃;ρw為水的密度,kg/m3;Cp,w表示水等壓熱容,J/m3·℃。
導(dǎo)熱系數(shù)為:
keff=(1-εp)kp+εpkw
(5)
式中:keff為巖石的導(dǎo)熱系數(shù),W/m·℃;εp為儲層的孔隙度;kp為巖石的導(dǎo)熱系數(shù),W/m·℃;kw為巖石的導(dǎo)熱系數(shù),W/m·℃。
本文依據(jù)地溫梯度設(shè)置模型初始值及上、下溫度邊界,四周設(shè)置為熱絕緣邊界。初始模型設(shè)置灌入井筒所在地層邊界壓力設(shè)置 500 Pa,地溫梯度為 0.03 ℃ /m,法向流入速度為0.1 m/s。中間含水儲層上、下兩個邊界為不透水邊界,左右邊界分別選取為流入、流出邊界?;毓嗑墓嗳胨疁卦O(shè)定為298 K(25℃),地表恒溫層溫度設(shè)定為288 K(15℃),含水儲層的水溫與所在地層溫度一致。
研究對象為含水儲層,其所在深度范圍區(qū)間為-500~-2 500 m,初始溫度沿深度的表達式可定義為:
T=Ttop-0.03×z
(6)
式中:Ttop為地表恒溫層溫度,288 K;左側(cè)邊界流入作為上游(水由上游向下游流動),設(shè)置溫度336 K;z為深度范圍/m。
在采用“一抽一灌”的采灌模式下,模擬得到抽采井持續(xù)抽采四個月(120 d)的溫度的變化曲線,如圖2所示。在20 d內(nèi),溫度下降較快,抽采井在0 ~ 15 t左右采出水溫下降明顯,從64℃降溫到大約為61℃;大于20 d后,抽采井溫度下降速率變緩。結(jié)合工程現(xiàn)場是4個月的取熱期,因此模擬到120 d時,抽采井水溫溫度基本穩(wěn)定在60℃。
圖2 抽采井溫度隨時間變化曲線
圖3為含水層溫度隨時間變化曲線,為含水層中部的溫度變化情況。含水層四個月內(nèi)的溫度變化不大,從初始的61.5℃降至大約為60.5℃。觀察圖4兩井之間橫斷面溫度分布云圖,可知初始狀態(tài)含水層水溫巖層上部溫度低巖層下部溫度高,而抽采灌入持續(xù)120 d后,含水層橫截面中間溫度較低兩側(cè)溫度略高,但總的溫差并不大,穩(wěn)定在334 K,說明短期的抽采對含水層溫度場局部影響比較突出,隨著抽采的持續(xù)進行含水層中部溫度略有下降,這和含水層中間形成連續(xù)的滲流場相關(guān),但對含水層整體的溫度場的影響并不十分明顯。
圖4 采出井和灌入井中間含水層橫截面溫度云圖(K)
圖4為采出井和灌入井中間含水層橫截面溫度云圖,未開始地下水抽采和回灌時,含水層的溫度呈現(xiàn)梯度分布,上部溫度低約為57℃,下部溫度約為65℃。歷經(jīng)120 d的抽采回灌后,含水層中兩井中線位置溫度下降明顯,說明抽采過程中流體具體流向受抽采回灌兩井位置影響,并且流動過程中熱交換顯著,并且在歷經(jīng)40 d后抽采回灌后溫度場基本穩(wěn)定約為60.5℃左右。
(1)基于水熱多物理場耦合理論利用COMSOL軟件進行數(shù)值分析。在抽采回灌持續(xù)20 d內(nèi),抽采井水溫下降較快,大于20 d后,抽采井溫度下降速率變緩,結(jié)合工程現(xiàn)場取熱期為4個月,抽采回灌120 d后,抽采井水溫溫度基本穩(wěn)定在60℃;儲水層120 d內(nèi)的溫度變化不大,從初始的61.5℃降至大約為60.5℃,并且模擬結(jié)果顯示40 t左右溫度場基本穩(wěn)定。
(2)短期的抽采對儲水層局部溫度場影響突出,整體影響并不十分明顯。后續(xù)工作將針對多井抽采回灌模型進行精細化模擬,繼續(xù)探究多井抽采回灌行為對儲水層溫度場的影響,以及對儲水層變形的時效性影響。