考虑岩体裂缝系统分形特征的EGS耦合数值模拟研究

作     者：辛莹 

作者单位：中国石油大学(华东) 

学位级别：硕士

导师姓名：孙致学

授予年度：2019年

学科分类：070801[理学-固体地球物理学] 080703[工学-动力机械及工程] 07[理学] 08[工学] 0708[理学-地球物理学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：增强型地热系统 热流固耦合 数值模拟 裂缝系统 分形 采热评价 

摘      要：增强型地热系统（Enhanced Geothermal System,EGS）的开发与运行过程原理复杂,其中涉及到裂缝岩体内温度场、水动力场和应力场的多物理场、多尺度综合效应。工作流体传质传热作为增强型地热系统开采地热能源的核心环节,主要发生在干热岩裂缝和裂缝网络,包括天然节理、人工裂缝和地质断裂。因此,基于热储内热流固（thermo-hydromechanical,THM）多场耦合作用,考虑岩体裂缝系统的分形特征,围绕揭示载热流体（水）与高温热储传质传热机制这一核心问题,系统开展理论推导及数值模拟对EGS的研究意义重大。本文总结了岩心尺度单条裂缝及井组尺度裂缝网络的分形特征,使用光谱合成方法构建真实的粗糙裂缝表面。考虑热流固耦合效应,包括了高温岩体中所产生的热应力引起的固体性质变化、温度导致的流体流动特性的改变和开采过程中力学行为造成的裂缝渗透性的演变,建立起EGS传质传热THM耦合数学模型。为了证实本文的数学模型和求解方法的准确性和可靠性,将岩心尺度和井组尺度的数值模拟结果分别与实验结果、解析解结果进行对比分析。采用分形分析的方法处理岩心尺度下渗流场、温度场结果,并对平均出口温度的影响因素进行单一因素分析及正交试验分析,考量不同指标的影响程度;针对井组尺度双水平井EGS开发系统构建了采热评价体系,采用优选出的参数对EGS采热性能进行评价,评估不同分形特征的裂缝网络模型下的热采效果。研究结果表明,对于不同分形维数的粗糙裂缝表面,可以直观地看出,分形维数越高,裂缝表面分布越不规则。建立的EGS传质传热THM耦合数学模型,经与实验结果、解析解结果对比,证实了本文的数学模型和求解方法可靠。对于岩心尺度和井组尺度三维模型,数值模拟都得到了关于温度、渗流及应力各物理场的分布特征,表现出流体通过岩心流动换热的过程中存在较强的THM耦合作用,和现有的一般性结论较为吻合。粗糙裂缝面上流体流动的非均质性和局部化程度很高,可以看出分形维数越大,渗流场分布的非均质性越大,得出了分形维数与等效导水系数的拟合公式。岩心出口平均温度的各个影响因素中,最明显的为平均裂缝开度,其次是岩体热膨胀系数及注入温度。根据对井组尺度EGS采热性能的评估发现,相互连通且分叉级数越高的裂缝网络,产热量和发电量越高;两井间未连通的裂缝网络的能源效率具备一定的优势;裂缝条数越多,分叉级数越大,生产井附近的局部采热率及整体采热率越高。