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增强型地热系统通过变形裂隙的反应流耦合模型

日期:2020-12-22    来源:地热科学前沿  作者:地热小分队

国际新能源网

2020
12/22
16:34
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关键词: 地热系统 地热能源 地热开发

文章来源

Salimzadeh S , Nick H M . A Coupled model for reactive flow throughdeformable fractures in Enhanced Geothermal Systems[J]. Geothermics, 2019,81(SEP.):88-100

全文导读

通过裂隙的反应流导致矿物的溶解/沉淀,从而改变裂隙的孔径/开度,从而影响裂隙中的流动路径。由于溶解引起的裂隙开口很可能在限制应力下不稳定,从而导致裂隙闭合。在这项研究中,提出了一种将水热力(THM)与化学(C)过程耦合的新方法,该方法能够在增强型地热系统(EGS)热采期间捕获孔径闭合过程。考虑了二氧化硅的溶解过程,在施加地应力之前,裂隙的孔径会相对均匀地增大。解决了力学平衡问题,并根据裂隙表面的接触应力计算出最终孔径。由于基质的可塑性,在大多数情况下,已经观察到由于二氧化硅的均匀溶解而导致的孔的闭合。将结果与不考虑溶解过程的力学平衡的情况(即THM和C的单向耦合)进行比较,在没有溶蚀孔力学反馈的情况下,裂隙中的流动受溶蚀孔控制,这也影响了EGS产热量。但是,在施加地应力后,溶解孔对热量产生的影响减小了。根据基体可塑性、裂隙的尺寸和溶解口的开度,应力会重新分布以满足力学平衡,从而影响裂隙上的孔径分布。

图1 几何模型和模拟中使用的裂隙模型。三种情况是:(i)X = 3 km,R = 500 m,(ii)X = 1.5 km,R = 250 m,(iii)X = 600 m,R = 100 m

表1 模拟使用的不同情况表

结果讨论

图2显示了在不同情况下THC,THM,THM + C和THMC裂隙的孔径分布。在THC模型中,孔径变化完全来自化学反应,最大的孔径增加发生在温度较高的区域。在THM模型中,孔径变化是由THM载荷下基质的机械变形引起的。最大孔径增加发生在流体压力较高的较冷区域,即在注入井附近。在THM + C模型中,孔径分布是THM和THC模型中孔径分布的结合。然而,THMC模型中的孔径分布与THM模型非常相似,这意味着化学刺激产生的裂隙在THM压缩下闭合。在案例II、III和IV中的溶解孔(即裂隙)被放大了,在案例IV中,裂隙的大小减小了,由于岩石基质中应力的重新分布,THMC模型的孔径比THM模型略高。

图2 表1中显示了不同情况下(THC、THM、,THM + C、THMC)30年后裂隙孔径分布

图3显示了使用5种不同模型(TH,THC,THM,THM + C和THMC)在表1四种情况30年后的温度分布。随着裂隙尺寸的减小,较大部分裂隙会受到冷流体的影响。考虑到化学反应时,即在THC和THM + C模型中,化学刺激改变孔径影响流动和传热。与TH模型相比,THC和THM + C模型中的了冷锋面逐渐远离注入井和生产井,低温区域更大。例如,在情况IV中,由于化学过程的作用,使得低温流体几乎可以渗流至整个储层。然而,当裂隙孔径由应力主导时(即THM和THMC模型),与TH型相比,冷锋面向生产井的延伸更大。在THMC模型中,由于应力作用主导的裂隙是闭合的,化学反应对温度分布没有明显影响,因此THMC模型中的温度分布也与THM模型非常相似。

图3 表3中列出了不同情况下30年后的断裂温度分布。THC:热-水-化学过程,THM:热-水-化学过程,THM + C:热-水-机械-化学过程,化学孔径被视为接触孔,THMC:热-水-机械化学过程,化学孔视为位移孔。

图4显示了不同情况下生产温度随时间的变化。结果表明,化学溶解(C)和机械变形(M)对裂隙中的流态具有相反的影响。化学溶解会在较远的裂隙区域中产生较长的路径,使冷流体流向生产层,因此增加了流体的停留时间并提高了地热系统的效率。另一方面,机械效应增大了直接通向生产井的流道,进而降低了效率。以TH模型的结果作为参考,THC模型预测的产热量比TH模型高得多,而THM模型的产热量较TH模型低得多。THM + C模型的结果与THC模型非常相似(即化学溶解作用占主导)。由于化学诱导间隙的闭合而引起的应力的重新分配实际上促进了流道的流动,从而降低了EGS的热量产生。

图4 表1中不同情况的生产温度变化

本文提出了两种水热力(THM)过程与化学(C)反应耦合的方法:单向耦合(THM + C)和双向耦合(THMC)。将两种方法对EGS产生的热量的影响以及几种简化模型进行了比较,本文研究的结论如下:

对于裂隙孔径的变化,化学溶解(C)和力学变形(M)产生的作用相反。

化学溶解作用可通过影响偏远区域的裂隙来改善EGS产生的热量(与参考TH模型相比)。

力学变形通过促进流体流向生产井,从而减少了EGS 产生的热量(与参考TH模型相比)。

当化学溶解和力学变形的影响线性组合时(如THM + C模型),产热量介于THM和THC两个模型之间。根据主导的过程(M或C),THM + C的结果可能更接近THM或THC模型的结果。

当考虑由于二氧化硅溶解产生的裂隙,并考虑接触应力时,在THMC模型中这些裂隙在压力状态下被封闭,因此结果非常接近THM模型。

在THMC模型中,由于溶解孔的闭合而引起的应力重新分布会增加流向生产井的流体流量。

对于方解石等反应性更高的矿物,双向耦合(THMC模型)的结果可能会有所不同,但是可以预测,在压力作用下,溶解孔的开度会减小,由于裂隙变形会导致接触应力的重新分布,进而影响了裂隙的流通性。

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