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  開(kāi)始檢測(cè)
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  開(kāi)始檢測(cè)
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  開(kāi)始檢測(cè)

　　摘要:介紹了我國(guó)干熱巖資源狀況、作用及開(kāi)發(fā)過(guò)程，重點(diǎn)闡述了干熱巖開(kāi)采數(shù)值模型由基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單模型、二維模型、簡(jiǎn)單的三維模型發(fā)展成能夠模擬地下裂隙網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜的三維模型的研發(fā)過(guò)程，并提出未來(lái)干熱鹽發(fā)電數(shù)值模型發(fā)展的方向:應(yīng)模擬不同地質(zhì)和地溫條件對(duì)發(fā)電的影響，分析裂紋的大小、密度、方向、抽熱層體積及井距等對(duì)地下溫度、壓力場(chǎng)、流量分布及發(fā)電的影響。通過(guò)對(duì)水壓破碎、液體循環(huán)和熱量提取進(jìn)行全面模擬，計(jì)算出溫度、流量隨時(shí)間的改變，為未來(lái)干熱巖的試驗(yàn)和實(shí)際開(kāi)采起指導(dǎo)作用。

　　關(guān)鍵詞:干熱巖發(fā)電數(shù)值模擬發(fā)展現(xiàn)狀

　　干熱巖(HDR)是一種新興地?zé)崮茉?，一般指溫度大?00℃、埋深地下數(shù)千米，內(nèi)部不存在流體或僅有少量地下流體(致密不透水)的高溫巖體，具有發(fā)電穩(wěn)定、持續(xù)，儲(chǔ)能豐富等優(yōu)點(diǎn)，是最有前景的清潔能源之一。干熱巖發(fā)電清潔無(wú)污染，能大幅降低溫室效應(yīng)和酸雨對(duì)環(huán)境污染的影響，與太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電相比更具有電價(jià)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　我國(guó)高溫巖體干熱巖地?zé)豳Y源儲(chǔ)量非常豐富，全國(guó)陸域干熱巖可采資源量達(dá)1.7×1013t標(biāo)準(zhǔn)煤，其能量可用4000年。除西北、東北地區(qū)外，東部地區(qū)地殼薄，有利于開(kāi)發(fā)傳導(dǎo)型地?zé)?，也是地?zé)崂玫挠欣貐^(qū)[1]。2018年我國(guó)科學(xué)家在青海共和盆地3705m深處鉆獲236℃的高溫干熱巖體，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)干熱巖勘查的重大突破，引起國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。

　　相關(guān)期刊推薦：《能源化工》(雙月刊)，1980年創(chuàng)刊，是由中國(guó)石油化工集團(tuán)公司主管，中國(guó)石化集團(tuán)南京化學(xué)工業(yè)有限公司、南化集團(tuán)研究院主辦，能源化工編輯部編輯出版的化工技術(shù)性刊物。主要內(nèi)容：國(guó)內(nèi)外煤化工、石油化工、天然氣、煤層氣、頁(yè)巖氣等能源化工領(lǐng)域的最新科研成果和技術(shù)進(jìn)展，實(shí)用的工程和生產(chǎn)技術(shù)，及時(shí)的行業(yè)技術(shù)動(dòng)態(tài)和信息;以及與此相關(guān)的催化技術(shù)、凈化技術(shù)、油田化學(xué)品、CCUS、節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)等。讀者群體：國(guó)內(nèi)外從事能源化工領(lǐng)域及相關(guān)行業(yè)的科研人員、工程技術(shù)人員、生產(chǎn)技術(shù)人員、管理人員以及高等院校的師生等。

　　干熱巖的開(kāi)發(fā)主要是采用人工形成地?zé)醿?chǔ)層干熱巖開(kāi)發(fā)包含水力壓裂和液體循環(huán)2個(gè)重要階段。水力壓裂階段是指在低滲透巖體中人工增加流體壓力的過(guò)程，高壓流體通過(guò)注入井打入目標(biāo)儲(chǔ)層，從而引發(fā)巖石破裂而增大滲透率，產(chǎn)生微裂紋網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。液體循環(huán)階段是指冷水通過(guò)注入井進(jìn)入水力壓裂后形成的具有微裂紋的儲(chǔ)層，與高溫巖體發(fā)生熱交換，然后被加熱的高溫水(汽)通過(guò)生產(chǎn)井流出到地面進(jìn)行發(fā)電[3]。

　　干熱巖開(kāi)發(fā)過(guò)程困難，打井時(shí)間長(zhǎng)、成本高，因此計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬就非常重要，但我國(guó)在這方面的研究甚少。筆者闡述了模型的控制因素，并對(duì)國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)干熱巖開(kāi)采數(shù)值模擬的發(fā)展演變過(guò)程及研究成果進(jìn)行綜述。

　　1數(shù)值模型的發(fā)展過(guò)程

　　1.1裂隙網(wǎng)絡(luò)模型

　　1983年，在日本和美國(guó)關(guān)于水力壓裂和地?zé)崮艿氖状温?lián)合研討會(huì)上提出一個(gè)裂縫儲(chǔ)層是圓盤(pán)狀裂紋和一個(gè)偽三維平面裂縫的模型[4-5]，這是油藏模型(如CGDD和PKA)的擴(kuò)展[6]。隨后，日本東北大學(xué)研究了基于巖石斷裂力學(xué)的HDR系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，提出了一種裂隙網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)模擬儲(chǔ)層特性[7]，用規(guī)整或半規(guī)整的網(wǎng)格對(duì)裂縫儲(chǔ)層進(jìn)行建模。在此基礎(chǔ)上，1987年在法國(guó)舉辦的強(qiáng)破裂巖石的研討會(huì)上提出了用于模擬油藏行為的裂縫網(wǎng)絡(luò)模型，即裂縫性儲(chǔ)層采用常規(guī)或半規(guī)則網(wǎng)格模型[8]。1989年，Elsworth[9]使用了球面元素近似的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)，引入了一個(gè)純抽象的模型。儲(chǔ)層被壓縮成一個(gè)單一的球形區(qū)域，并在半導(dǎo)電空間內(nèi)經(jīng)歷均勻的熱降。也有很多其他的模型描述了統(tǒng)計(jì)分布的變量，如方向、孔徑、長(zhǎng)度等[10]，但循環(huán)系統(tǒng)的流體損失預(yù)測(cè)問(wèn)題尚未得到解決。

　　1995年，Willis-Richards提出了2種簡(jiǎn)單的模型，以標(biāo)準(zhǔn)解析解為基礎(chǔ)，結(jié)合裂縫表面摩擦特性的簡(jiǎn)單表征對(duì)裂紋的力學(xué)性能進(jìn)行了分析。該模型描述了HDR儲(chǔ)層對(duì)地下天然裂縫系統(tǒng)的水壓破碎與流體循環(huán)。在該模型中，假定了一個(gè)連通的裂縫網(wǎng)絡(luò)，但忽略了水壓破碎后的裂縫空間分布的細(xì)節(jié)。另外，在計(jì)算裂縫體積和儲(chǔ)層阻抗變化時(shí)，模型也考慮了自然斷裂組的大小和方向分布。1985—1992年，這2種模型已被應(yīng)用于RosemanowesHDR試驗(yàn)的數(shù)據(jù)模擬。其中，第一個(gè)模型能夠計(jì)算足夠的刺激壓力和流體體積，儲(chǔ)層內(nèi)儲(chǔ)層的注入量曲線和流體通量/裂縫面面積分布[11]。

　　1.2“分形幾何”網(wǎng)絡(luò)模型

　　1995年，Watanabeh等[12]提出了一種基于“分形幾何”的描述地下裂縫網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)，地下巖石裂紋網(wǎng)絡(luò)的三維結(jié)構(gòu)被“分形幾何”所近似描述和模擬，為地?zé)崮茉刺崛∠到y(tǒng)建模提供了一種新的描述地下裂紋分布的方法。裂紋網(wǎng)絡(luò)模型是裂紋在地下空間上隨機(jī)分布，利用斷裂長(zhǎng)度r與裂隙數(shù)N之間的分形關(guān)系，對(duì)地下裂縫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模。利用這種斷裂網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)蒙特卡羅模擬法計(jì)算井間水流路徑的連接，并與滲流模型得出的結(jié)果進(jìn)行了比較。

　　1.3三維網(wǎng)絡(luò)模型

　　1996年，Willis-Richards等[13]描述了一種二維裂縫網(wǎng)絡(luò)模型，該模型考慮了高溫巖體的巖體特征和原位的地下應(yīng)力等因素對(duì)熱儲(chǔ)層(微裂紋系統(tǒng))的產(chǎn)生以及流體循環(huán)的影響。該模型基于巖石斷裂力學(xué)，對(duì)操作物理過(guò)程、裂縫網(wǎng)絡(luò)以及流體循環(huán)進(jìn)行了分析。

　　2000年，景鎮(zhèn)子等[14]提出了一種用于模擬熱干巖地?zé)嵯到y(tǒng)的三維隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型。該模型綜合了分形幾何描述地下裂紋網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，將上述二維模擬首次擴(kuò)展到了三維模擬。該模型考慮了地下的巖體性質(zhì)以及地下應(yīng)力的影響，并且裂紋的網(wǎng)絡(luò)模擬中也充分考慮到實(shí)際的裂縫方向、尺寸及密度。該模型可以用于模擬水壓破碎產(chǎn)生的裂紋網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行流體循環(huán)及熱交換發(fā)電的模擬。由于三維模型的微裂紋網(wǎng)絡(luò)的分布接近實(shí)際地下的裂紋分布，該模型可以用于全方位的模擬，例如裂紋網(wǎng)絡(luò)、水壓破碎、流體循環(huán)、熱抽出、示蹤響應(yīng)，提高了模擬準(zhǔn)確度。該模型用于模擬和驗(yàn)證了日本Hijiori的2200m的深部HDR熱儲(chǔ)層多井系統(tǒng)(2個(gè)抽出井)的流體循環(huán)和熱抽出。FRACSIM-3D模型模擬示意見(jiàn)圖1[15]。

　　地下深部的高溫高壓水環(huán)境下巖石/水的反應(yīng)，由于其巖石的溶解/析出將影響到地下裂紋系統(tǒng)的裂紋大小，進(jìn)而影響到流體循環(huán)以及熱抽出。2002年，景鎮(zhèn)子等[16]在上述三維基礎(chǔ)上又開(kāi)發(fā)了三維巖石/水反應(yīng)的HDR熱抽出模型，并且用于HijioriHDR深部熱儲(chǔ)層的熱抽出模擬。之后提出了一種三維部分耦合的波-熱彈性模型[17]，研究了冷水注入對(duì)干熱巖裂紋系統(tǒng)的裂紋大小熱彈性效應(yīng)(熱脹冷縮對(duì)裂紋大小的影響)。在模型中，采用有限元法對(duì)裂縫中的潤(rùn)滑流體流動(dòng)和對(duì)流換熱進(jìn)行了建模。

　　為了評(píng)價(jià)干熱巖儲(chǔ)層長(zhǎng)期性能的熱彈性影響，2014年景鎮(zhèn)子等[15]提出了一種簡(jiǎn)單的三維熱彈性模型，該模型是建立在冷水注入抽熱層裂紋系統(tǒng)后，冷卻巖石為球型對(duì)稱體積的假設(shè)基礎(chǔ)上，從而推導(dǎo)和計(jì)算出由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力(熱彈性)。該模型研究了該熱彈性(熱應(yīng)力)對(duì)三維HDR模型的流體循環(huán)和熱抽出的影響。值得注意的是，該模型成功地預(yù)測(cè)了日本Hijiori深部抽熱層的長(zhǎng)期試驗(yàn)(18個(gè)月);指出對(duì)于一個(gè)多井的HDR熱抽出系統(tǒng)(例如日本的Hijiori)，不同流路(兩井之間的裂紋通道)由于容易產(chǎn)生不同的熱彈性效應(yīng)(熱脹冷縮)，故易引起“熱短路”現(xiàn)象。

　　然后Li等[18]提出了一種全耦合的水力壓裂處理模型，在該模型中，采用混合有限體積/有限單元法求解耦合系統(tǒng)，利用多點(diǎn)通量近似法來(lái)計(jì)算內(nèi)部流體和熱流，描述水力裂縫與自然裂縫之間的交叉行為。

　　1.4幾種模型評(píng)述

　　就整個(gè)發(fā)展過(guò)程來(lái)看，干熱巖發(fā)電模擬的模型有自然破碎巖體中耦合流體流動(dòng)、傳熱和巖石力學(xué)的二維數(shù)值模型[19]、三維隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型、“分形幾何”的網(wǎng)絡(luò)模型、三維部分耦合的波-熱彈性模型、新型的三維瞬態(tài)模型[20]、EGS地下熱流動(dòng)過(guò)程三維動(dòng)態(tài)模擬[21]、建立在油氣藏內(nèi)冷卻巖石球?qū)ΨQ體積的假設(shè)基礎(chǔ)上的三維熱彈性模型、EGS分形分叉網(wǎng)絡(luò)模型[22]、基于地質(zhì)特征的裂隙介質(zhì)的三維熱-水-機(jī)械耦合模型[23]、用于Habanero增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)的增韌性儲(chǔ)層模型[24]、全耦合的水力壓裂處理模型等。這些模型從巖體表征、原位應(yīng)力數(shù)據(jù)、熱儲(chǔ)周圍巖體的熱補(bǔ)償、熱彈性能、天然孔隙和裂縫介質(zhì)中的屬性分布等方面，以多種方法對(duì)影響生產(chǎn)溫度、注射壓力和水損失的因素進(jìn)行了分析和模擬，對(duì)提高地?zé)崮茉吹牟删蛐逝c可持續(xù)利用具有重要意義。

　　這些模型顯示了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的演變。最初是一個(gè)二維的抽象模型，該模型假定流體流動(dòng)是水平的，并且局限于2個(gè)正交和垂直裂縫組中最具導(dǎo)水性的裂縫，描述了代表儲(chǔ)層形成過(guò)程中所引起的水力-機(jī)械相互作用的數(shù)學(xué)模型，并給出了計(jì)算該模型的求解方法。討論了提取熱量時(shí)引起的儲(chǔ)層熱應(yīng)力應(yīng)變問(wèn)題和熱儲(chǔ)層長(zhǎng)期性能[19]。之后發(fā)展為簡(jiǎn)單的三維幾何模型，該模型綜合了分形幾何描述地下裂紋網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，考慮了地下的巖體性質(zhì)以及地下應(yīng)力的影響，并且裂紋的網(wǎng)絡(luò)模擬中也充分考慮到實(shí)際的裂縫方向、尺寸及密度等。然后三維模型進(jìn)一步發(fā)展和完善，由于三維模型的微裂紋網(wǎng)絡(luò)的分布接近實(shí)際地下的裂紋分布，因此可以用于全方位的模擬，例如裂紋網(wǎng)絡(luò)、水壓破碎、流體循環(huán)、熱抽出、示蹤響應(yīng)，提高了模擬準(zhǔn)確度。之后，景鎮(zhèn)子等[16]將巖石與水的反應(yīng)也加入到這個(gè)模型中，研究了巖石與水的化學(xué)相互作用對(duì)干熱巖熱儲(chǔ)層長(zhǎng)期性能的影響。并綜合了許多現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，形成了與儲(chǔ)層天然裂縫分布非常相似的裂縫網(wǎng)絡(luò)，可以預(yù)測(cè)巖石與水的反應(yīng)對(duì)整個(gè)裂縫儲(chǔ)層的影響。

　　2干熱巖開(kāi)采研究現(xiàn)狀

　　干熱巖發(fā)電可以提供巨量的綠色能源，因此其發(fā)展?jié)摿薮?。早?973年，美國(guó)就在FentonHill率先開(kāi)始了干熱巖發(fā)電的研究與試驗(yàn)[25];1985年，日本在Hijiori實(shí)驗(yàn)站開(kāi)始了對(duì)干熱巖發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)的研究[26];隨后英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家都展開(kāi)了一系列的研究和試驗(yàn)，而我國(guó)在干熱巖開(kāi)采方面的研究起步較晚。隨著近幾年各國(guó)對(duì)新能源的關(guān)注度日益提高，大量的試驗(yàn)研究被用于干熱巖的綠色能源開(kāi)采利用上。我國(guó)科研人員還采用地球物理、地球化學(xué)、放射性調(diào)查等綜合技術(shù)手段圈定干熱巖有利勘探區(qū)18處，面積超過(guò)3000km2。

　　發(fā)現(xiàn)了巨量的干熱巖體存儲(chǔ)，如果要實(shí)現(xiàn)其價(jià)值，就要將其開(kāi)采并加以利用。干熱巖體試驗(yàn)十分復(fù)雜昂貴，而且試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，唯一有效的開(kāi)采方法就是依靠或結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行開(kāi)采與預(yù)測(cè)。但是我國(guó)在這方面研究才剛剛起步，數(shù)字建模與模擬的研究也不多見(jiàn)。

　　3結(jié)語(yǔ)

　　近年來(lái)，隨著干熱巖開(kāi)采試驗(yàn)的進(jìn)步，越來(lái)越多的研究者對(duì)干熱巖開(kāi)采的各方面進(jìn)行模擬和分析。建立三維隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)干熱巖開(kāi)采過(guò)程中水壓破碎、流體循環(huán)、熱抽出、示蹤響應(yīng)等進(jìn)行模擬是目前最先進(jìn)的方法。同時(shí)，由于地下高溫?zé)釒r特征，數(shù)值模型還應(yīng)考慮到巖石/水的反應(yīng)、熱彈性以及地下水的密度等對(duì)干熱巖體熱抽出的影響等。現(xiàn)在的很多模型只關(guān)注物理的特定方面，或?qū)Ｗ⒂趯?duì)干熱巖體系統(tǒng)的定性分析。理想的模型應(yīng)該是:模擬不同地質(zhì)條件和地溫條件對(duì)發(fā)電的影響，分析裂紋的大小、密度、方向、抽熱層體積以及井距等對(duì)地下溫度分布、壓力場(chǎng)分布、流量分布以及發(fā)電的影響。對(duì)水壓破碎、液體循環(huán)和熱量提取三方面進(jìn)行全面模擬，從而計(jì)算出溫度、流量隨時(shí)間的改變，以推測(cè)幾年后的開(kāi)采情況，為今后干熱巖的實(shí)際開(kāi)采和試驗(yàn)起到指導(dǎo)作用。