增强型地热系统热流固耦合过程数值模拟研究

摘要

干热岩的开发主要是利用人工形成地热储层，冷水通过注入井注入，进入人工产生的、张开的联通裂隙带，并与高温的岩体接触被加热，然后通过生产井返回地面，形成一个闭式回路，从而实现持续不断提取深部储层中热能的目的。增强型地热系统（Enhanced Geothermal Systems，EGS）是在干热岩技术基础上提出的，从低渗透性岩体中采出深层热能的人工地热系统。在许多地热田中，虽然大量现场证据表明，在裂缝储层中，注入的水可以沿优先流动路径快速的迁移到生产井，但是相关迁移规律依旧没有得到清晰地认识，针对此问题的验证，本文做了以下几个方面的研究： （1）在TOUGH2软件框架的基础上，引入了FLAC3D的应力应变分析，结合TOUGH2共同组成了通用的三维力学耦合水热模型，通过广泛的算例比对，在算法层面详细地研究了TOUGH2和FLAC3D是如何进行迭代耦合和如何实现对孔隙度φ和渗透率k进行数据传递，修正和更新的，这为后续编程的实现奠定了理论基础； （2）基于TOUGH2-FLAC3D力学耦合水热模型程序的基本流程，对一维固结沉降模型和厚壁空心圆筒热应力数值模拟，验证了TOUGH2-FLAC3D耦合流程的准确性；通过将TOUGH2-FLAC3D耦合流程应用到阿尔及利亚的In Salah工程中，经数学模型的程序模拟结果与现场监测值对比分析，数据表明：模拟结果高于现场监测为19%，证实了其耦合程序工程应用的价值。 （3）对理想的人工地热储层进行建模分析，分析注入的水是如何很快地迁移到生产井，以及通过设置注入井和生产井位置的不同，研究人工低热注采模型随井位置变化对采热效率影响，分析结果表明：注入井和生产井的位置相对位置越近，采热效率越低；当井沿对角布置时，注入的流体在优先流动路径下扫掠的面积最大，即储层开发程度高。 美国劳伦斯伯克利国家实验室在深地储层工程热流固耦合过程数值模拟分析研发上，处于世界前沿的领先地位。本硕士学位论文研究，凭借个人独立地攻关与钻研，成功地实现了TOUGH2-FLAC3D耦合流程，完成了技术引进和应用分析的初步验证的目标，为进一步深入深部干热岩采热的建模数值分析研究，奠定了坚实的工具基础。该学位论文的成果，对正在及即将开展储层工程热流固耦合过程研究的团队与同行，具有具体细节的指导意义，提供了直接的参考价值。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 人工地热能抽取的国内外研究现状综述

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 问题的提出

1.4 研究内容

2 TOUGH2和FLAC3D力学耦合水热模型程序流程

2.1 引言

2.2 水热过程数学模型

2.3 力学过程数学模型

2.4TOUGH2和FLAC3D 迭代耦合程序

2.4.1耦合过程

2.4.2应力，孔隙度和渗透率之间的关系

2.5 本章小结

3 TOUGH2和FLAC3D多场耦合程序的解析解验证

3.1 一维固结沉降模型解析解和数值解对比

3.1.1 固结模型和基本假设

3.1.2 太沙基单向固结微分方程及其解析解

3.1.3 模型建立及参数选择

3.1.4 结果分析

3.2厚壁空心圆筒热应力计算的数值解与解析解对比

3.2.1厚壁空心圆筒模型

3.2.2厚壁空心圆筒解析解

3.2.3结果分析

3.3 本章小结

4 TOUGH2和FLAC3D多场耦合程序的工程应用验证

4.1 引言

4.2 模型建立

4.2.1 数学模型

4.2.2 模拟器选择及模拟流程

4.3 结果分析

4.4 本章小结

5 人工地热储层优先流动路径的数值模拟研究

5.1 引言

5.2 模型建立

5.2.1 数学模型

5.2.2 模拟器选择及模拟流程

5.3 结果分析

5.3.1优先流动路径分析

5.3.2井位置对产能的影响

参考文献

致谢

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