增强型地热系统的多区域多物理场耦合模拟

摘要

地热能是来源稳定的可再生清洁能源,储量巨大、无污染.地热能开发的重中之重是地热发电.我国地热能资源十分丰富,但目前的开发主要限于中低温地热能的直接利用,地热发电二十年来停滞不前,没有得到应有的发展.采用增强型地热系统以获得深部地热能进行地热发电是一个有广泛应用前景、值得深入研究的方向.EGS采热是一个典型的多区域多物理场耦合工程问题。注水井与生产井中，自由流体湍流流动与对流传热耦合；热储层裂隙岩石中，固体变形与流体渗流及传热耦合；围岩中，固体变形与热传导耦合。数值模拟EGS采热过程，不但需要正确处理各区域内的不同物理场耦合，还必须恰当处理各区域之间的多物理场连接与耦合。本研究基于湍流模型、孔隙弹性理论和传热学原理建立三维有限元模型，统一模拟EGS采热工程中的固体变形、流体流动、热传导及对流过程。通过施加合理的连接条件，保证应力、温度和热流在各区域间的连续、流体流量和压力在井壁处的连续、弹性位移在储层与围岩间的连续、井孔形状和大小随井壁变形而变化。在计算区的外部边界上，各物理场统一采用第三类边界条件以方便实现与远场环境温度、应力等条件的协调。结合EGS采热实际数据的模拟结果显示，本研究提出的模型能够成功实现多区域多物理场耦合，为精确模拟未来EGS电站运行提供了一个可靠的数值模型。