熱儲上下巖層熱補償作用對CO2羽流地熱系統性能的影響

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DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20170413

文章來源：《化工學報》2017年第68卷

第12期：4526-4536

熱儲上下巖層熱補償作用對CO2 羽流地熱系統性能的影響

李靜巖，劉中良，周宇，李艷霞

（北京工業大學環境與能源工程學院，傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室，北京 100124）

摘要

二氧化碳羽流地熱系統（CPGS）能夠在直接開采地熱的同時做到CO2的地質封存，熱儲上側和下側巖層的熱補償作用是影響CPGS性能的重要因素。建立了三維蓋巖-熱儲-基巖整體模型，研究了熱補償作用對CPGS采熱性能及熱儲內巖石和流體溫度演化過程的影響，為優化CPGS設計、提升CPGS的系統經濟性和工程應用提供了理論參考。研究結果表明：熱補償作用減小了生產流體在豎直方向上的溫度差異及系統運行後期生產流體溫度下降的速率，有效延長系統運行壽命，使系統獲得更好的采熱性能和更穩定的產能輸出；考慮熱補償時系統總熱開采量明顯提高；與蓋巖相比，基巖的熱補償作用更強。

引言

當今社會主要依賴於傳統的化石能源，而化石燃料的大量使用，造成了以二氧化碳（CO2）為主的溫室氣體大量排放，引發了全球變暖等諸多環境問題。二氧化碳地質封存是一種有效減少CO2排放、緩解溫室效應的技術途徑，然而單一的CO2地質封存成本過高，難以做到大規模工程應用。針對這一問題，Brown於2000年首次指出CO2具有良好的流動特性和傳熱特性，可以替代水作為開采地熱的傳熱工質，即基於CO2的增強型地熱系統（enhanced geothermal systems powered by CO2，CO2-EGS）進行地熱開采，系統運行過程中CO2在地下的流量損失可以間接達到地質封存的目的。隨後Pruess進一步驗證了CO2用於地熱開采的可行性，並且圍繞CO2-EGS的采熱能力展開了研究。但是CO2-EGS存在很大的局限性。首先，人工熱儲層的構造需要較高的壓裂費用，從而使系統整體的經濟性較低；此外，「人工壓裂」技術有可能破壞地質構造，進而引起地震活動。因此，CO2-EGS的發展受到了極大的經濟與政治約束[。

針對CO2-EGS存在的諸多問題，Randolph等提出了二氧化碳羽流地熱系統（CO2plume geothermal system，CPGS）這一全新的概念。與CO2-EGS的目標儲層不同，CPGS使用的是自然存在的地質儲層，這種天然的儲層具有一定的滲透率和孔隙率，無須人工壓裂，可以直接用於地熱開采，從而提高了系統的經濟效益；同時其較大的儲層體積使之具有比CO2-EGS更大的采熱潛力和CO2地質封存潛力。

CPGS的目標儲層普遍位於地層深處，上、下側分別被低滲透性的蓋巖與基巖包圍。隨著系統的運行，熱儲在與冷流體的換熱過程中逐漸被冷卻，造成與蓋巖、基巖的溫度差越來越大，蓋巖和基巖均將對熱儲產生一定的熱補償作用。考慮到地熱系統較長的運行時間（一般為幾十年），來自蓋巖與基巖的熱補償作用會對熱儲內的溫度變化以及系統的采熱性能造成不可忽略的影響。

以往的研究多只關注於CPGS的熱儲部分，圍繞熱儲滲透率、比熱容、初始鹽度、初始溫度等物性參數以及系統布井方式等對系統采熱性能的影響展開研究，而針對熱補償作用對采熱性能影響的研究較少。目前，建立模型時，對熱補償作用的處理主要有兩種方式：一種是忽略熱儲上下側巖層的熱補償，即將熱儲上下側邊界假設為絕熱邊界，應用此類模型計算得到的系統采熱量中未包含熱補償作用的貢獻量，與系統實際采熱量相比具有較大偏差；另一種是通過將熱儲邊界設置為一種溫度隨時間變化的傳熱邊界來考慮上下巖層的熱補償，這類邊界模型能夠較為準確地描述熱補償的作用過程，與忽略熱補償的模型相比更符合地熱開采的實際情況。然而，實際上，蓋巖和基巖的物性盡管可以與熱儲有明顯不同，甚至可以忽略其質量傳遞作用，但從熱量傳遞的角度看，它們與熱儲是不可分割的。所以這種通過設定溫度邊界的辦法有很大的隨意性，只能模擬考慮熱補償後熱儲內的熱量傳遞過程和巖石的溫度變化，不能得到蓋巖和基巖中的溫度分布，同時無法獲知系統總熱開采量中熱補償作用的貢獻量。Jiang等通過在熱儲周圍設置滲透性可忽略不計的巖石區域，考慮了周圍巖石的熱補償作用，與上述兩種對熱補償作用的處理方式相比，Jiang的模型更符合地熱開采時熱補償過程的實際情況，但Jiang的研究主要針對EGS，且以CO2作為采熱工質時忽略了熱儲內初始水的影響。

基於以上問題，本文首先結合非等溫的CO2-水兩相滲流原理建立了基於CPGS的，能夠準確描述熱補償過程和地熱開采過程的蓋巖-熱儲-基巖整體模型，隨後通過對比考慮熱補償和忽略熱補償兩種情況，針對熱補償作用對CPGS采熱性能及熱儲內巖石和流體溫度演化過程的影響展開研究，最後對兩種情況下系統熱開采量的組成進行了分析，並提供了計算蓋巖和基巖熱補償作用對總熱開采量的貢獻量的方法。為後期優化CPGS設計奠定基礎，為提升CPGS的系統經濟性提供理論依據，為CPGS的工程應用提供參考。

結論

建立了CPGS蓋巖-儲層-基巖整體模型，研究了熱儲上下側巖層熱補償作用對系統性能的影響。結果表明，熱補償作用對CPGS生產流體溫度、質量流量、系統熱提取率及熱開采量均會產生一定的影響，在評估采熱性能時是一不能簡單忽略的重要因素。熱補償作用可減小重力作用造成的生產井中生產流體在豎直方向上的溫度差異，同時減小系統運行後期生產流體溫度下降的速率，有效延長系統運行壽命；有助於提高CPGS生產流體質量流量和系統熱提取率，並減弱熱提取率隨時間的波動，使系統獲得更好的采熱性能和更穩定的產能輸出；考慮熱補償時系統總熱開采量明顯提高，但由於熱補償的加熱作用減緩了熱儲溫度的下降速率，因此熱儲開采量減少。此外，與蓋巖相比，基巖的熱補償作用更為明顯，本文算例中基巖對總熱開采量的貢獻量約為蓋巖的兩倍。

1 數學模型

表1 毛細壓力及相對滲透率模型

熱儲上下巖層熱補償作用對CO2羽流地熱系統性能的影響-雪花新聞