超临界地热系统水热多相流动过程及模型

At present, with the development of geothermal energy and the enhancement of drilling capacity, supercritical geothermal resource has attracted more and more attention. Supercritical geothermal resource refers to that water exists in the supercritical state under the condition of ultra-high temperature and pressure in the deep part of the crust (22.1MPa, 374.15oC and above). Its physical properties are significantly different from the shallow liquid state, and its mobility and thermal extraction efficiency are greatly improved. But at present, the research on supercritical geothermal energy is still in the preliminary exploration stage, and the processes such as the flow pattern of fluid and heat, phase change, and hydrogeochemical reaction are still not very clear. This project intends to study the mechanism of phase change, multiphase flow process and supercritical hydrogeochemical reaction of a H2O-NaCl binary system under supercritical conditions. A mathematical model of multiphase flow and fluid-rock geochemical reaction under supercritical conditions is established. Then a high performance simulation programs is developed. Finally, the supercritical geothermal engineering in Iceland is taken as the research object to study the hydrothermal multiphase flow, phase change and geochemical interaction of the supercritical geothermal system by means of "theoretical research - model construction - program development - experimental verification - field application". It provides a theoretical basis and simulation tool for basic geoscience research of deep fluid and future supercritical geothermal development.

目前，随着地热能开发的兴起与钻探能力的增强，超临界地热资源越来越受到社会的关注。超临界地热资源是指在地壳深部超高温压条件下（22.1MPa，374.15oC以上），水以超临界态存在，其物理性质与浅部液态形式存在显著不同，流动性和热提取效能有大幅提升。但目前对于超临界地热能的研究仍处于初步探索阶段，对开发过程中的水热传递规律、相态变化、以及水文地球化学反应等过程仍不十分清晰。本项目拟研究超临界地热开采过程中，水盐二元体系的多相流动过程、系统的相态变化、以及超临界水文地球化学反应等作用机理；建立超临界条件下多相流动和流体-岩石化学作用数学模型；开发高性能计算模拟程序。最后以冰岛超临界地热工程为研究对象，以“理论研究-模型构建-程序开发-实验验证-场地应用”相结合的手段研究超临界地热系统水热多相流动、相态转化和地球化学作用。为深部流体的基础地学研究和未来超临界地热开发提供理论基础和模拟工具。

随着对低碳能源需求的增强，地热能成为能源结构转型的重要方向。超临界地热能作为一种新兴的地热资源，在世界范围内日益受到关注。超临界地热能是指当热储温压条件超过水的临界点（373.946℃，22.064MPa）时，水以超临界态存在，用来进行地热开发。超临界水具有能量密度高，粘度低等优势。有学者指出，400℃超临界地热能的发电效率相比200℃传统地热能高一个数量级。我国在长白山，青藏高原等深部，均可能存在超临界或近临界地热资源。.本次的主要研究内容包括：建立超临界流体状态方程及多流动方程，建立超临界流体地球化学反应模型，开发传热-渗流-化学（T-H-C）多场耦合模拟程序，并将模型应用于冰岛、意大利等实际超临界地热工程场地。本次研究通过IAPWS-IF97建立水一元体系状态方程，基于TOUGH2程序框架，开发相应状态方程模块，实现传热-渗流耦合计算，并通过动量方程和漂移流模型，实现了超临界条件下井筒-热储的耦合计算；整理Reed和Palandri的化学反应热力学数据库Soltherm.xpt，并改进TOUGHREACT，实现300℃以上化学反应的计算；以石英为例，推导了蒸汽及低密度超临界流体中的反应溶质运移过程，实现传热-渗流-化学（T-H-C）多场耦合，通过水岩反应实验，测试其他矿物在超临界条件下的平衡常数。在MPI框架下实现了高性能并行计算程序的开发。.本次将所开发程序应用于冰岛及意大利的超临界地热钻探工程。研究发现，对于冰岛IDDP-2工程，其3300m层位渗透率高达250mD以上，底部渗透率低于2mD。对于意大利DESCRAMBLE工程，通过模拟系统的热结构演化，解译了2500m以下地温梯度升高的异常现象。原因在于中间的沸腾区以及深部高温引起的导热系数衰减。随后分析了系统的地热开发潜力及水热流动特征。.本次研究中所开发的超临界状态方程模块处于国际并跑地位，国际上类似程序多处于室内研究或调试阶段，尚未有商业软件；超临界条件下井筒-储层耦合计算程序及多相反应溶质运移程序处于国际领先地位，目前尚未有相关报道。所开发的软件已通过合作方式，提供给意大利地球科学与地质资源研究所（IGG）及日本日铁矿业咨询公司（NMCC）。