发布时间：2020-04-13所属分类：电工职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要:介绍了我国干热岩资源状况、作用及开发过程，重点阐述了干热岩开采数值模型由基础的简单模型、二维模型、简单的三维模型发展成能够模拟地下裂隙网络的复杂的三维模型的研发过程，并提出未来干热盐发电数值模型发展的方向:应模拟不同地质和地温条件对发
摘要:介绍了我国干热岩资源状况、作用及开发过程，重点阐述了干热岩开采数值模型由基础的简单模型、二维模型、简单的三维模型发展成能够模拟地下裂隙网络的复杂的三维模型的研发过程，并提出未来干热盐发电数值模型发展的方向:应模拟不同地质和地温条件对发电的影响，分析裂纹的大小、密度、方向、抽热层体积及井距等对地下温度、压力场、流量分布及发电的影响。通过对水压破碎、液体循环和热量提取进行全面模拟，计算出温度、流量随时间的改变，为未来干热岩的试验和实际开采起指导作用。
关键词:干热岩发电数值模拟发展现状
干热岩(HDR)是一种新兴地热能源，一般指温度大于200℃、埋深地下数千米，内部不存在流体或仅有少量地下流体(致密不透水)的高温岩体，具有发电稳定、持续，储能丰富等优点，是最有前景的清洁能源之一。干热岩发电清洁无污染，能大幅降低温室效应和酸雨对环境污染的影响，与太阳能和风能发电相比更具有电价竞争力。
我国高温岩体干热岩地热资源储量非常丰富，全国陆域干热岩可采资源量达1.7×1013t标准煤，其能量可用4000年。除西北、东北地区外，东部地区地壳薄，有利于开发传导型地热，也是地热利用的有利地区[1]。2018年我国科学家在青海共和盆地3705m深处钻获236℃的高温干热岩体，实现了我国干热岩勘查的重大突破，引起国内外广泛关注。
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干热岩的开发主要是采用人工形成地热储层干热岩开发包含水力压裂和液体循环2个重要阶段。水力压裂阶段是指在低渗透岩体中人工增加流体压力的过程，高压流体通过注入井打入目标储层，从而引发岩石破裂而增大渗透率，产生微裂纹网络系统。液体循环阶段是指冷水通过注入井进入水力压裂后形成的具有微裂纹的储层，与高温岩体发生热交换，然后被加热的高温水(汽)通过生产井流出到地面进行发电[3]。
干热岩开发过程困难，打井时间长、成本高，因此计算机数值模拟就非常重要，但我国在这方面的研究甚少。笔者阐述了模型的控制因素，并对国内外研究者对干热岩开采数值模拟的发展演变过程及研究成果进行综述。
1数值模型的发展过程
1.1裂隙网络模型
1983年，在日本和美国关于水力压裂和地热能的首次联合研讨会上提出一个裂缝储层是圆盘状裂纹和一个伪三维平面裂缝的模型[4-5]，这是油藏模型(如CGDD和PKA)的扩展[6]。随后，日本东北大学研究了基于岩石断裂力学的HDR系统设计方法，提出了一种裂隙网络模型来模拟储层特性[7]，用规整或半规整的网格对裂缝储层进行建模。在此基础上，1987年在法国举办的强破裂岩石的研讨会上提出了用于模拟油藏行为的裂缝网络模型，即裂缝性储层采用常规或半规则网格模型[8]。1989年，Elsworth[9]使用了球面元素近似的简化数学，引入了一个纯抽象的模型。储层被压缩成一个单一的球形区域，并在半导电空间内经历均匀的热降。也有很多其他的模型描述了统计分布的变量，如方向、孔径、长度等[10]，但循环系统的流体损失预测问题尚未得到解决。
1995年，Willis-Richards提出了2种简单的模型，以标准解析解为基础，结合裂缝表面摩擦特性的简单表征对裂纹的力学性能进行了分析。该模型描述了HDR储层对地下天然裂缝系统的水压破碎与流体循环。在该模型中，假定了一个连通的裂缝网络，但忽略了水压破碎后的裂缝空间分布的细节。另外，在计算裂缝体积和储层阻抗变化时，模型也考虑了自然断裂组的大小和方向分布。1985—1992年，这2种模型已被应用于RosemanowesHDR试验的数据模拟。其中，第一个模型能够计算足够的刺激压力和流体体积，储层内储层的注入量曲线和流体通量/裂缝面面积分布[11]。
1.2“分形几何”网络模型
1995年，Watanabeh等[12]提出了一种基于“分形几何”的描述地下裂缝网络建模技术，地下岩石裂纹网络的三维结构被“分形几何”所近似描述和模拟，为地热能源提取系统建模提供了一种新的描述地下裂纹分布的方法。裂纹网络模型是裂纹在地下空间上随机分布，利用断裂长度r与裂隙数N之间的分形关系，对地下裂缝网络进行建模。利用这种断裂网络模型，通过蒙特卡罗模拟法计算井间水流路径的连接，并与渗流模型得出的结果进行了比较。
1.3三维网络模型
1996年，Willis-Richards等[13]描述了一种二维裂缝网络模型，该模型考虑了高温岩体的岩体特征和原位的地下应力等因素对热储层(微裂纹系统)的产生以及流体循环的影响。该模型基于岩石断裂力学，对操作物理过程、裂缝网络以及流体循环进行了分析。
2000年，景镇子等[14]提出了一种用于模拟热干岩地热系统的三维随机网络模型。该模型综合了分形几何描述地下裂纹网络特点，将上述二维模拟首次扩展到了三维模拟。该模型考虑了地下的岩体性质以及地下应力的影响，并且裂纹的网络模拟中也充分考虑到实际的裂缝方向、尺寸及密度。该模型可以用于模拟水压破碎产生的裂纹网络系统，并在此基础上进行流体循环及热交换发电的模拟。由于三维模型的微裂纹网络的分布接近实际地下的裂纹分布，该模型可以用于全方位的模拟，例如裂纹网络、水压破碎、流体循环、热抽出、示踪响应，提高了模拟准确度。该模型用于模拟和验证了日本Hijiori的2200m的深部HDR热储层多井系统(2个抽出井)的流体循环和热抽出。FRACSIM-3D模型模拟示意见图1[15]。
地下深部的高温高压水环境下岩石/水的反应，由于其岩石的溶解/析出将影响到地下裂纹系统的裂纹大小，进而影响到流体循环以及热抽出。2002年，景镇子等[16]在上述三维基础上又开发了三维岩石/水反应的HDR热抽出模型，并且用于HijioriHDR深部热储层的热抽出模拟。之后提出了一种三维部分耦合的波-热弹性模型[17]，研究了冷水注入对干热岩裂纹系统的裂纹大小热弹性效应(热胀冷缩对裂纹大小的影响)。在模型中，采用有限元法对裂缝中的润滑流体流动和对流换热进行了建模。
为了评价干热岩储层长期性能的热弹性影响，2014年景镇子等[15]提出了一种简单的三维热弹性模型，该模型是建立在冷水注入抽热层裂纹系统后，冷却岩石为球型对称体积的假设基础上，从而推导和计算出由此产生的热应力(热弹性)。该模型研究了该热弹性(热应力)对三维HDR模型的流体循环和热抽出的影响。值得注意的是，该模型成功地预测了日本Hijiori深部抽热层的长期试验(18个月);指出对于一个多井的HDR热抽出系统(例如日本的Hijiori)，不同流路(两井之间的裂纹通道)由于容易产生不同的热弹性效应(热胀冷缩)，故易引起“热短路”现象。
然后Li等[18]提出了一种全耦合的水力压裂处理模型，在该模型中，采用混合有限体积/有限单元法求解耦合系统，利用多点通量近似法来计算内部流体和热流，描述水力裂缝与自然裂缝之间的交叉行为。
1.4几种模型评述
就整个发展过程来看，干热岩发电模拟的模型有自然破碎岩体中耦合流体流动、传热和岩石力学的二维数值模型[19]、三维随机网络模型、“分形几何”的网络模型、三维部分耦合的波-热弹性模型、新型的三维瞬态模型[20]、EGS地下热流动过程三维动态模拟[21]、建立在油气藏内冷却岩石球对称体积的假设基础上的三维热弹性模型、EGS分形分叉网络模型[22]、基于地质特征的裂隙介质的三维热-水-机械耦合模型[23]、用于Habanero增强型地热系统(EGS)的增韧性储层模型[24]、全耦合的水力压裂处理模型等。这些模型从岩体表征、原位应力数据、热储周围岩体的热补偿、热弹性能、天然孔隙和裂缝介质中的属性分布等方面，以多种方法对影响生产温度、注射压力和水损失的因素进行了分析和模拟，对提高地热能源的采掘效率与可持续利用具有重要意义。
这些模型显示了从简单到复杂的演变。最初是一个二维的抽象模型，该模型假定流体流动是水平的，并且局限于2个正交和垂直裂缝组中最具导水性的裂缝，描述了代表储层形成过程中所引起的水力-机械相互作用的数学模型，并给出了计算该模型的求解方法。讨论了提取热量时引起的储层热应力应变问题和热储层长期性能[19]。之后发展为简单的三维几何模型，该模型综合了分形几何描述地下裂纹网络特点，考虑了地下的岩体性质以及地下应力的影响，并且裂纹的网络模拟中也充分考虑到实际的裂缝方向、尺寸及密度等。然后三维模型进一步发展和完善，由于三维模型的微裂纹网络的分布接近实际地下的裂纹分布，因此可以用于全方位的模拟，例如裂纹网络、水压破碎、流体循环、热抽出、示踪响应，提高了模拟准确度。之后，景镇子等[16]将岩石与水的反应也加入到这个模型中，研究了岩石与水的化学相互作用对干热岩热储层长期性能的影响。并综合了许多现场观测结果，形成了与储层天然裂缝分布非常相似的裂缝网络，可以预测岩石与水的反应对整个裂缝储层的影响。
2干热岩开采研究现状
干热岩发电可以提供巨量的绿色能源，因此其发展潜力巨大。早在1973年，美国就在FentonHill率先开始了干热岩发电的研究与试验[25];1985年，日本在Hijiori实验站开始了对干热岩发电关键技术的研究[26];随后英国、法国、德国等发达国家都展开了一系列的研究和试验，而我国在干热岩开采方面的研究起步较晚。随着近几年各国对新能源的关注度日益提高，大量的试验研究被用于干热岩的绿色能源开采利用上。我国科研人员还采用地球物理、地球化学、放射性调查等综合技术手段圈定干热岩有利勘探区18处，面积超过3000km2。
发现了巨量的干热岩体存储，如果要实现其价值，就要将其开采并加以利用。干热岩体试验十分复杂昂贵，而且试验周期较长，唯一有效的开采方法就是依靠或结合数值模拟进行开采与预测。但是我国在这方面研究才刚刚起步，数字建模与模拟的研究也不多见。
3结语
近年来，随着干热岩开采试验的进步，越来越多的研究者对干热岩开采的各方面进行模拟和分析。建立三维随机网络模型对干热岩开采过程中水压破碎、流体循环、热抽出、示踪响应等进行模拟是目前最先进的方法。同时，由于地下高温热岩特征，数值模型还应考虑到岩石/水的反应、热弹性以及地下水的密度等对干热岩体热抽出的影响等。现在的很多模型只关注物理的特定方面，或专注于对干热岩体系统的定性分析。理想的模型应该是:模拟不同地质条件和地温条件对发电的影响，分析裂纹的大小、密度、方向、抽热层体积以及井距等对地下温度分布、压力场分布、流量分布以及发电的影响。对水压破碎、液体循环和热量提取三方面进行全面模拟，从而计算出温度、流量随时间的改变，以推测几年后的开采情况，为今后干热岩的实际开采和试验起到指导作用。
SCI SSCI AHCI