二氧化碳羽流地热系统多相流动态特性与能量转换机制优化研究

The concept of carbon dioxide plume geothermal system (CPGS) which involves pumping CO2 into deep, naturally porous and permeable geological formation where CO2 displaces native formation fluid is presented. It can be a practical way to improve the efficiency and conomics of Carbon dioxide Geologic sequestration （CGS）, and to realize the excess emission of CO2 and extraction of the deep geothermal resource. However a series of key scientific problems must to be solved In the time of the system is running, such as the changes of thermodynamic parameters and phase shift for cold upercritical CO2 when the temperature and pressure radical changes in wellbore. With the extraction of deep geothermal resource, the multiphase flow, heat transfer and geochemical function will occur in the wellbore and reservoir. It will be make the system running and heat extraction process to be instability. It developed the study of the mechanism and optimization of geothermal energy extraction for CPGS. The goal of project is to (1) explore the flow and heat transmission mechanism of CO2 in wellbore and deep reservoir; (2) identify the influence of water-rock-gas interaction on flow field; (3) evaluate the performance of CO2 or water as the heat medium under complex geological conditions; (4) determine the condition of stable operation and influence factors and optimize the scheme. The theoretical basis and technical support of CO2 geological storage and geothermal resources exploitation will be provided by this study.

CO2羽流地热系统（CO2-plume geothermal system，简称CPGS)是利用注入到沉积盆地孔隙储层的CO2提取地热能的一种工程技术手段，实现CO2减排与深部地热的开发。但系统运行面临一系列关键的科学问题，如低温超临界CO2在温压剧烈变化条件下相态及热力学参数的转变，以及井筒和深部热储中发生复杂流态下的多相流流动、传热和地球化学作用，使系统热提取产生不稳定性。本次研究建立井筒流耦合储层流的双流场模型，揭示载热CO2在循环过程中流动-传热-能量转换过程的作用机理及动态演变特性；分析水-岩-气相互作用对地层流场与传热的影响；进行CO2与传统工质的对比研究，确定适宜采用CO2为载热工质的系统条件；建立CPGS地热能优化开采系列模型群，明确深部地质条件下控制系统稳定热输出的各类参数条件，形成CPGS地热能最优开采决策体系，为CO2地质储存中的地热能开采提供理论依据与技术支撑。

CO2羽流地热系统实现了中深部地热能开发与CO2资源化利用。注入过程中，温度和压力存在一个自增强过程。在系统循环动力、浮力及重力综合作用下，伴随CO2单相干区、CO2-水两相及液相区的时空转化，在沿生产井上升到地表的过程中，CO2流速不断增高、动能增大，同时压力降低、体积膨胀、生产温度降低。CO2密度在储层和生产井井筒降低幅度显著，形成了较大的密度差，因此载热CO2可以通过温差环流作用实现自循环过程。系统的净热提取量趋于稳定（约10MW），可获得约6.31MW的净发电量。系统水-岩-气相互作用对热储矿物组份的改变。研究结果表明：孔渗在整个模拟区域上呈现由注入井向外呈辐射状逐渐减小的变化规律，流场孔渗的改变致使生产总流量及净热提取量有微弱变化，40年平均净热提取量降低4.1%。.依据三维五点式井筒耦合热储层基本模型，对开采流量、生产压力、注入压力、注入温度、井孔参数、储层物性及布井方式等进行影响分析，确定系统稳定运行的各开采参数区间，并在稳定运行基础上进行优化设计。研究表明：CO2可以通过温差环流现象实现负压下的流体自循环过程；宜采用较大的井径（0.2m）及相对粗糙度小的井筒参数；低渗热储层有利于系统的稳定运行及生产流体的增温；不同布井方式会影响井筒及储层内CO2-水两相区域的分布状态及CO2的突破时间，三点式和两点式布井的生产流量中均含有一定数量的水，导致系统的净热提取量会有所增高，但同样会给后期CO2利用的干化处理带来困难。.CO2作为一种新型载热工质其热力学性质与水存在较大差异，研究结果显示：相同流量条件下，水的净热提取量高于CO2，但水在地下循环过程中消耗的压力较大且随流量增加而增大，而CO2可以在温差环流作用下实现流体自循环，且流量越小循环负压差越大。CO2更适于作为中低温和低渗透率储层的传热工质，而且CO2比水更适用于小循环压差（4MPa以内）、低注入温度的地热系统。