增强地热系统中多孔热储层内传热传质的分形分析

Enhanced geothermal system (EGS) has the potential to become a major means for future utilization of geothermal energy. There may exist two key steps: how to fracture the subsurface hot dry rock to form an artificial geothermal reservoir, and how to maximize heat extraction from the reservoir. The fractured porous network of and the involved heat and mass transfer inside the reservoir are identified to be critically important to the heat extraction efficiency and the life-time of the EGS. By virtue of fractal theory, we propose to conduct a systematic study on the fractured porous network of the artificial geothermal reservoir. We will describe the structure of porous heat reservoir and seek for an optimized structure via theoretical derivation and numerical simulation. Results obtained are deemed to provide theoretical basis and technical support for practical EGS enginneering. We will establish a dual-component fractal model for the porous system consisting of reservoir and proppant additives, and analyze the impacts of the proppant shape, size, and distribution on the heat and mass transfer process. We will also explore an emerging technique, using silica gel to prevent short-circuiting of fluid flow and thus to increase the residence time of heat transmission fluid in the reservoir for better heat extraction efficiency. Finally, we will analyze and compare advantages and disadvantages of EGSs using different heat transmission fluids (such as water and supercritical CO2)。

增强地热系统可能是将来地热能利用的主要发展方向。在增强地热系统中，压裂干热岩以形成人工热储层和如何最大化地提取人工热储层热能是其中的关键技术，研究人工热储层这类多孔介质的裂隙网络及其传热传质特性，对提高增强地热系统的采热效率和延长寿命至关重要。本项目结合分形理论，对人工热储层裂隙网络结构进行描述和研究分析，通过理论推导和数值模拟实验对其进行优化，以期给压裂过程提供理论依据和技术指导；建立裂隙-支撑剂双重多孔介质模型，系统分析裂隙和支撑剂形状、大小、分布等对传热传质特性的影响；探讨在增强地热系统中采用硅凝胶防止流动"短路"的方法，延长流体驻留储热层时间，加强流固换热，以提高采热效率；并拟研究分析不同采热工质的优劣。

针对当前严峻能源形势，地热能发挥越来越大的作用。课题组发现深层地热开发技术——增强型地热系统（EGS）可能是将来地热能开发利用的主要发展方向。在EGS中，人工压裂所形成的热储层是其关键组成部分，研究人工热储层内传热传质过程对提高EGS的采热效率和延长寿命至关重要。因此本项目致力于对人工热储层内部结构进行描述和研究分析，通过理论与数值模拟对其进行优化，以期给EGS热储层构建过程以及其商业化运行提供理论依据和技术指导。在项目执行期间，课题组根据项目申报书的研究内容和研究的目标开展了提高增强型地热系统采热效率和延长寿命的理论和数值模拟研究工作。数值模拟方面，提出了一个新颖的EGS地下传热传质模型，该模型有如下突出优点：首先，模型由生产井、注入井、人工热储层以及热储层周围干热岩组成，我们把它视为一个具有多个不同特征属性（孔隙度和渗透率等）子区域的整体，从而避免传统多域方法边界条件处理的难点，有利于各子域之间完整地下换热过程的数值实现与仿真；其次，热储层被视为一个单一孔隙率的等效多孔介质，但我们考虑固体和流体的非热平衡情形，引入两套传热方程来分别描述流体和岩石基质温度，可以模拟和分析岩石流体之间的对流换热。该模型指出流体与岩石的热交换强度是影响EGS采热效率和寿命的重要参数，探讨了热储周围岩石热补偿作用以及井布局对EGS寿命的影响，对EGS应用开发有一定的指导意义；理论模型方面，因热储层内裂隙形貌及分布对采热过程有重大影响，我们基于裂隙开度和长度的分形特征，建立了EGS分形分叉网络模型，推导出EGS采热速率表达式，发现泵功、裂隙最大开度、扭曲率分形维数、裂隙开度分布分形维数、裂隙分叉网络级数及裂隙长度都是影响EGS采热速率的重要因素。.课题组已基本完成了项目提出的研究内容，达到了既定的目标。本项目已发表论文9 篇，其中包括发表在Energy 、Fractals等国际期刊以及工程热物理学报上的论文，SCI/EI 收录6 篇。.