干热岩人工裂隙渗透特性与多场耦合传热传质机理研究

Hot Dry Rock exploitation is a sophisticated technology in geothermal geology field. And one of the main scientific problems is to research the permeability characteristics and heat transfer mechanism of artificial thermal reservoir. To solve this problem, it needs to have an overall understanding of EGS geological structure, stress state and rock joints distribution，also need to grasp the law of forming, permeability change of artificial fractures and the law of heat transfer with supporting body distribution. By improving the high temperature and high press experimental method of rock mechanics, and based on theory of computational fluid mechanics, rock elastic mechanics, numerical heat transfer, researches are carried out as follows: the rock burst limit in the conditions of EGS exploration, law of fractures extension under inner and outer pressure among the fractures, permeability coefficient of artificial fractures with different particle size supporting body, heat transfer mechanism of working fluids (water or carbon dioxide)in flow field, stress field and temperature field during fractures. The research results can reveal the effect of rock stress distribution and inner-outer pressure on forming fractures. And those conclusions elucidate the relationship of supporting body distribution, closure pressure and fracture width with permeability coefficient. Then heat transfer mechanism of EGS work fluid in artificial thermal reservoir can be obtained. The experimental research innovation method and numerical computation on geothermal geology heat transfer problem under multi-physics field lay a theoretical foundation for deep research and offer an important technical support on formation and heat transfer of EGS artificial thermal reservoir.

干热岩开发利用是当今地热领域中最尖端技术。全面认识干热岩地质构造、应力及岩石节理分布，掌握岩石破裂条件、裂隙渗透特征，及多场耦合下能量传递规律是研究人工储层激发传热传质机理的关键。本项目通过拓展岩石力学高温高压的实验方法，依据计算流体力学、岩石弹性力学、传热学、热储工程学等理论，重点研究岩石破裂极限，缝内外压力下裂隙延伸规律，不同粒径支撑体裂隙-孔隙耦合渗透系数，裂隙流场、应力场与温度场耦合下流体（水、CO2）传热传质机理及换热效率。揭示花岗岩在高温高压下应力分布特征，缝内外压力与裂隙形成的机理，阐明支撑体分布、闭合压力、裂隙宽度与渗透系数的关系，压裂端面及通道与换热效率的关系，评价CO2在超临界状态下能量获取与封存意义。本项目在垂直裂隙渗透系数的测试方法、支撑体分布特征、地层闭合压力与裂隙渗透系数实验研究、多场耦合下传热传质机理的创新，为干热岩开发提供重要的理论依据和技术支撑。

采用增强型地热系统对干热岩进行开发利用是当今地热领域最前沿的技术，全面认识干热岩开采过程中的能量传递规律是研究人工储层传热传质机理和评价并优化储层激发方案的关键。.本研究的数值模拟部分结合了干热岩靶区的地质背景，针对增强型地热系统中换热流体从地表到储层再被输送回地表的过程进行了工程尺度的模拟研究，对干热岩能量转换效率和规律进行了定量描述。研究的主要内容包括：热储热-流-固耦合模拟下的能量传递规律及换热效率、井筒内传热传质机理及井筒-热储耦合模拟。实验研究包括高温高压下裂隙流体对流换热实验，研究了粗糙裂隙的渗流和换热特征，.针对热储内的热-流-固耦合过程，在流动和传热的控制方程基础上加入了岩体热弹性控制方程。孔隙压力和热应力在注入井处同时使渗透性能增加，岩体骨架的变形促进了流-固对流换热；而在生产井处二者作用相反，但由于热储的冷却作用，热应力的影响更为明显。在此基础上，对不同热储热物理性质、力学参数、热储边界条件及生产方式对生产能力的影响进行了研究。.课题通过单裂隙流体对流换热实验得到了泊肃叶数和努谢尔数的无量纲关系式。与宏观尺度的压力驱动流不同，裂隙通道内泊肃叶数随雷诺数的增加而降低，努谢尔数随无量纲距离的增加而减小。针对粗糙度的影响，采用附加粘性系数对模拟过程进行修正，数值计算结果与实验结果吻合较好。.干热岩普遍埋深较大，课题对井筒和热储进行了耦合模拟。由于井筒内的流动与热储内达西流动的控制方程存在差异，采用了间接耦合的方式，先在不同流速和温度下进行了井筒模拟，将模拟结果作为随后热储模拟的边界插值条件。耦合后的结果表明，在固定生产井井口压力的情况下，井筒-热储耦合模拟预测得到的结果较耦合前低。此外，针对井筒内对流换热过程，对井内压力分布和周围岩层热影响半径进行了模拟和计算。.进行了干热岩地层条件下的岩石破裂的实验研究，分析了花岗岩在内压作用下的裂隙形成机理和破坏规律。基于开发的拉伸-剪切测试专利方法和实验装置开展了这项试验，研究了其破坏特征及破裂极限和条件。