基于热-流-固耦合理论的地热双重体系热突破评价方法

技术领域

本发明属于干地热开采技术领域，具体涉及基于热-流-固耦合理论的地热双重体系热突破评价方法。

背景技术

可再生能源是一种可以在自然环境中再生的能源形式，包括风能、水能、地热能和太阳能。地热能作为一种可再生能源，储量大、产量稳定，具有几乎不受气候、季节等外界因素影响的先天优势。因此，地热能作为一种清洁的可再生能源显示出广阔的发展前景。

干热岩中储存的地热能已成为地热能开发的重要组成部分。由于干热岩的渗透性较低，在注入冷流体之前，采用水力压裂技术增加地热储层的有效渗透性，构建了增强型地热系统(EGS)。地热双井系统是EGS中常见的地热开发和利用方式。显然，在EGS的地热双井系统中，裂缝主导着流体的流动。同时，裂缝也可能导致注入井和产出井之间的短路，降低EGS的效率。此外，热-流-固(THM)耦合过程对于预测含有单一裂缝或裂缝网络的地热双井系统的性能至关重要，因为裂缝孔隙度的变化会影响系统性能。当单一裂缝是流体循环的主要通道时，不均匀或各向异性的裂缝粗糙度可能导致裂缝表面上的通道流形成，这会改变热突破的情况。

近年来，在干热岩中粗糙裂缝或离散裂缝网络的流动和传热特性研究方面取得了巨大进展。郭等人研究了EGS中具有非均质裂缝孔隙度场的单一裂缝的通道流现象。刘等人研究了裂缝几何形状(即分形裂缝)对地热双井中热突破的影响，但假设水力孔隙度是均匀的。Okoroafor等人基于实验室尺度的裂缝分析了裂缝孔隙度各向异性对传热的影响。陈等人通过数值模拟研究了实验室尺度下粗糙裂缝的传热特性。结果表明，应力变化引起的凸起接触和空隙空间的改变增加了人工裂缝中流线分布和水温分布的非均匀性。因此，必须研究不均匀性或各向异性的裂缝粗糙度对热突破的影响。

发明内容

本发明的目的是提供基于热-流-固耦合理论的地热双重体系热突破评价方法，分析了非均质和各向异性粗糙度对裂缝内流体流动和传热的影响。

本发明所采用的技术方案是，基于热-流-固耦合理论的地热双重体系热突破评价方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、收集岩石基质和裂隙的物理力学参数和工程参数；

步骤2、根据工程参数，建立拟模拟地热储层的几何模型，通过插值函数将非均质水力孔隙度场分配给裂缝域，得到计算域，使用线性四面体元对计算域进行离散化；

步骤3、对计算域分别添加流体场、变形场以及传热场，建立相互间的耦合关系，形成覆盖裂缝变形的热-流-固耦合模型；

步骤4、对热-流-固耦合模型添加裂纹韧度，即接触粗糙系数；

步骤5、对热-流-固耦合模型的交点处指定恒定质量流率和压力边界条件拟模拟注入和产出过程，得出产水温度随时间变化的数值，画出产水温度随时间变化的曲线，评估热突破的风险。

本发明的特点还在于，

步骤1中，岩石基质的物理力学参数包括：基质的达西速度、基质渗透率、基质的储层系数、基质的Biot系数、岩石基质的孔隙度；裂隙的物理力学参数包括：裂隙孔隙度、裂隙的储层系数、裂隙的达西速度、裂隙的Biot系数、裂隙的体积应变、裂隙的渗透率、裂缝的单位法向量、参考孔隙压力水平；工程参数包括：地热储层的尺寸、双井之间的距离和裂缝的宽度。

步骤2中，使用COMSOL软件建立拟模拟地热储层的几何模型的具体步骤为：由地热储层的工程地质特性，建立计算几何模型，在画布上定义储层的几何形状及尺寸，根据工程参数，确定地热双井间距和裂缝的厚度，通过COMSOL中的插值函数，将得到的非均质水力孔隙度场分配给裂缝域。

步骤3中，热-流-固耦合模型包括能量守恒方程、质量守恒方程和变形方程：

能量守恒方程：

岩石基质的能量守恒方程，如式(1)所示：

岩石裂隙的能量守恒方程，如式(2)所示：

式中，ρ为密度、c为比热容、m为基质、

质量守恒方程：

岩石基质的质量守恒方程，如式(3)所示：

式中，S

式中，k

岩石裂隙的质量守恒方程，如式(5)所示：

式中，S

式中，k

变形方程：

岩石基质的变形方程，如式(7)所示：

式中，￡是弹性矩阵、α

步骤4中，接触粗糙系数，如式(9)所示：

式中，d

步骤5中，模拟注入和产出过程具体为：注入井通过质量源设置为恒定压力和质量流率，分别模拟不同的注入条件，产出井通过Point wise Constraint固定为恒定压力，模型运行后得出产水温度随时间变化的数值，用origin画出产水温度随时间变化的曲线。

本发明的有益效果是，基于地质场转折带的随机场发生器，考虑不同的相关长度，生成裂缝粗糙度的空间自相关随机场。同时，基于低维断裂单元和弹性薄层假设，考虑裂缝非均质粗糙度，建立了覆盖裂缝变形的热-流-固耦合模型，其运行能够得到不同粗糙度裂缝，分析了非均质和各向异性粗糙度对裂缝内流体流动和传热的影响，通过产水温度变化曲线能够定量评估地热系统的热突破风险。

附图说明

图1是本发明基于热-流-固耦合理论的地热双重体系热突破评价方法的流程图；

图2是本发明地热双井系统的示意图；

图3a是接触粗糙系数的正态分布图；

图3b是接触粗糙系数的对数正态分布图；

图4a是非均匀粗糙度与孔径分布示例图；

图4b是均匀粗糙度和非均匀粗糙度下的流量分布图；

图4c是均匀粗糙度和非均匀粗糙度下的温度分布图；

图5a是本发明案例1的产水温度演变曲线示意图；

图5b是本发明案例1的热效率演变曲线示意图；

图6是本发明案例1的产水温度的箱线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明基于热-流-固耦合理论的地热双重体系热突破评价方法，具体为：收集岩石基质和裂隙的物理力学参数和工程参数；建立拟模拟地热储层的几何模型，对得到的计算域进行离散化；对计算域分别添加流体场、变形场以及传热场，形成热-流-固耦合模型；对耦合模型添加接触粗糙系数；对模型的交点处指定恒定质量流率和压力边界条件拟模拟注入和产出过程，得出产水温度随时间变化的数值，画出产水温度随时间变化的曲线，评估热突破的风险。

实施例2

本发明基于热-流-固耦合理论的地热双重体系热突破评价方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1、收集岩石基质和裂隙的物理力学参数和工程参数；

岩石基质的物理力学参数包括：基质的达西速度、基质渗透率、基质的储层系数、基质的Biot系数、岩石基质的孔隙度；

裂隙的物理力学参数包括：裂隙孔隙度、裂隙的储层系数、裂隙的达西速度、裂隙的Biot系数、裂隙的体积应变、裂隙的渗透率、裂缝的单位法向量、参考孔隙压力水平；

工程参数包括：地热储层的尺寸、双井之间的距离和裂缝的宽度。

步骤2、根据工程参数，使用COMSOL软件建立拟模拟地热储层的几何模型，通过COMSOL中的插值函数，将得到的非均质水力孔隙度场分配给裂缝域，得到计算域，接着使用线性四面体元对计算域进行离散化。

使用COMSOL软件建立拟模拟地热储层的几何模型的具体步骤为：由地热储层的工程地质特性，建立计算几何模型，在画布上定义储层的几何形状及尺寸，根据工程参数，确定地热双井间距和裂缝的厚度。通过COMSOL中的插值函数，将得到的非均质水力孔隙度场分配给裂缝域。

步骤3、对计算域分别添加流体场、变形场以及传热场，建立相互间的耦合关系，进而形成了覆盖裂缝变形的热-流-固耦合模型；

步骤三中，覆盖裂缝变形的热-流-固耦合模型包括能量守恒方程(热)、质量守恒方程(流)和变形方程(固)：

能量守恒方程：

岩石基质的能量守恒方程，如式(1)所示：

岩石裂隙的能量守恒方程，如式(2)所示：

式中，ρ为密度、c为比热容、eff是effective的缩写、m为基质、

质量守恒方程：

岩石基质的质量守恒方程，如式(3)所示：

式中，ρ

式中，k

岩石裂隙的质量守恒方程，如式(5)所示：

式中，d

式中，k

变形方程：

岩石基质的变形方程，如式(7)所示：

式中，

步骤4、对覆盖裂缝变形的热-流-固耦合模型添加裂纹韧度，即接触粗糙系数(Joint Roughness Coefficient，JRC)。

裂隙岩体的接触粗糙系数(JRC)由图3a和3b可知，其分布分别遵循正态分布和对数正态分布。裂隙粗糙度采用二维转辊随机场生成器(TBSIM)的对数正态分布，基于JRC的分布，使用一个经验模型来描述裂隙孔隙度和基质孔隙度之间的关系，如式(9)所示：

式中，d

将上述公式添加入热-流-固耦合模型中，为了关注裂隙粗糙度的非均质性和各向异性，裂隙粗糙度的随机场是基于考虑不同相关长度的TBSIM生成的，采用指数协方差模型。在假设裂隙的机械孔隙度是恒定的情况下，通过方程计算出相应的裂隙孔隙度即可算添加成功；

步骤5、对热-流-固耦合模型的交点处指定恒定质量流率和压力边界条件拟模拟注入和产出过程，模型运行后得出产水温度随时间变化的数值，用origin画出产水温度随时间变化的曲线，定量评估热突破的风险。

模拟注入和产出过程具体为：注入井通过质量源(点)设置为恒定压力和质量流率，以分别模拟不同的注入条件，产出井通过Point wise Constraint固定为恒定压力。模型运行后得出产水温度随时间变化的数值，用origin画出产水温度随时间变化的曲线，若得出在恒定压力或质量流率情况下均质与非均质粗糙度的产水温度演化曲线相近则说明热突破风险较低，若演化曲线相差较大则反之。

实施例3

以某均匀和非均匀粗糙度裂缝模拟实验为例，其中，地热双井系统模拟案例设计如表1所示，模拟中使用的物理和力学参数如表2所示。岩石基质的物理力学参数包括：基质的达西速度、基质渗透率、基质的储层系数、基质的Biot系数、岩石基质的孔隙度；裂隙的物理力学参数包括：裂隙孔隙度、裂隙的储层系数、裂隙的达西速度、裂隙的Biot系数、裂隙的体积应变、裂隙的渗透率、裂缝的单位法向量、参考孔隙压力水平；其他参数：水的动力粘度、流体压差、水的密度、重力加速度、流体压力、体积应变、切向梯度、比热容、热导率、弹性矩阵、单位矩阵、热膨胀系数、初始温度、体载荷、无限小变形的总线性应变张量、薄弹性层的法向和剪切刚度、薄弹性层的弹性模量和泊松比、薄弹性层的剪切模量、薄弹性层的法向应变；工程参数包括：地热储层的尺寸、双井之间的距离和裂缝的宽度。

表1地热双井系统模拟案例设计

表2模型中物理和力学参数

本实施例中，根据工程参数，使用COMSOL软件建立拟模拟地热储层的几何模型，取样示意如图2所示，计算几何模型尺寸为500×500×500m3的地热储层，位于3000m以下，并含有一条裂缝，注入井和产出井之间的距离为200m。通过COMSOL中的插值函数，将得到的非均质裂隙孔隙度场分配给裂缝域，计算域使用线性四面体元进行离散化。接着对计算域分别添加流体场、变形场以及传热场，进而形成了覆盖裂缝变形的热-流-固耦合模型。

本实施例中，模拟注入和产出过程的步骤为：注入井通过质量源(点)设置为恒定压力和质量流率，以分别模拟不同的注入条件，产出井通过Point wise Constraint固定为恒定压力。模型运行后得出产水温度随时间变化的数值，用origin画出产水温度随时间变化的曲线，图4a、4b和4c为非均质JRC和裂隙孔隙度，分别绘制出均匀和非均质粗糙度下的产水温度变化曲线。

图5a绘制了案例1的产水温度演化曲线。可以观察到，在恒定注入压力下，非均匀粗糙度下的产水温度曲线(1-2)明显高于均匀粗糙度下的曲线(1-1)，这是由于非均匀粗糙度场导致了裂缝中裂隙孔隙度和流速的非均质性(图4a、图4b)。具有高于平均粗糙度的裂缝区域显著增加了流动阻力，而通道路径增加了有效流动通道长度并延迟了热突破，说明均匀的裂隙粗糙度热突破风险较高。

当注入边界固定为恒定质量流量时，两个产水温度曲线几乎重合，因为恒定质量流量边界导致注入压力随时间逐渐增加，降低了水力裂缝非均质性对流体流速的影响，热突破风险低。

从图5b可以观察到，热效率先升高后逐渐下降。同样，在恒定注入质量流量下，热效率曲线几乎重合。在恒定注入压力下，非均质粗糙度下的平均热效率低于均匀粗糙度下的平均热效率。与产水温度不同，恒定流量下的热效率误差棒较大。这是因为热效率不仅取决于产水温度，还取决于产水流量。图6中绘制了案例1在t＝1×10