基于热-流-固耦合理论的地热双重体系热突破评价方法

本发明属于干地热开采，具体涉及基于热-流-固耦合理论的地热双重体系热突破评价方法。

背景技术：

1、可再生能源是一种可以在自然环境中再生的能源形式，包括风能、水能、地热能和太阳能。地热能作为一种可再生能源，储量大、产量稳定，具有几乎不受气候、季节等外界因素影响的先天优势。因此，地热能作为一种清洁的可再生能源显示出广阔的发展前景。

2、干热岩中储存的地热能已成为地热能开发的重要组成部分。由于干热岩的渗透性较低，在注入冷流体之前，采用水力压裂技术增加地热储层的有效渗透性，构建了增强型地热系统(egs)。地热双井系统是egs中常见的地热开发和利用方式。显然，在egs的地热双井系统中，裂缝主导着流体的流动。同时，裂缝也可能导致注入井和产出井之间的短路，降低egs的效率。此外，热-流-固(thm)耦合过程对于预测含有单一裂缝或裂缝网络的地热双井系统的性能至关重要，因为裂缝孔隙度的变化会影响系统性能。当单一裂缝是流体循环的主要通道时，不均匀或各向异性的裂缝粗糙度可能导致裂缝表面上的通道流形成，这会改变热突破的情况。

3、近年来，在干热岩中粗糙裂缝或离散裂缝网络的流动和传热特性研究方面取得了巨大进展。郭等人研究了egs中具有非均质裂缝孔隙度场的单一裂缝的通道流现象。刘等人研究了裂缝几何形状(即分形裂缝)对地热双井中热突破的影响，但假设水力孔隙度是均匀的。okoroafor等人基于实验室尺度的裂缝分析了裂缝孔隙度各向异性对传热的影响。陈等人通过数值模拟研究了实验室尺度下粗糙裂缝的传热特性。结果表明，应力变化引起的凸起接触和空隙空间的改变增加了人工裂缝中流线分布和水温分布的非均匀性。因此，必须研究不均匀性或各向异性的裂缝粗糙度对热突破的影响。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于热-流-固耦合理论的地热双重体系热突破评价方法，分析了非均质和各向异性粗糙度对裂缝内流体流动和传热的影响。

2、本发明所采用的技术方案是，基于热-流-固耦合理论的地热双重体系热突破评价方法，具体按照以下步骤实施：

3、步骤1、收集岩石基质和裂隙的物理力学参数和工程参数；

4、步骤2、根据工程参数，建立拟模拟地热储层的几何模型，通过插值函数将非均质水力孔隙度场分配给裂缝域，得到计算域，使用线性四面体元对计算域进行离散化；

5、步骤3、对计算域分别添加流体场、变形场以及传热场，建立相互间的耦合关系，形成覆盖裂缝变形的热-流-固耦合模型；

6、步骤4、对热-流-固耦合模型添加裂纹韧度，即接触粗糙系数；

7、步骤5、对热-流-固耦合模型的交点处指定恒定质量流率和压力边界条件拟模拟注入和产出过程，得出产水温度随时间变化的数值，画出产水温度随时间变化的曲线，评估热突破的风险。

8、本发明的特点还在于，

9、步骤1中，岩石基质的物理力学参数包括：基质的达西速度、基质渗透率、基质的储层系数、基质的biot系数、岩石基质的孔隙度；裂隙的物理力学参数包括：裂隙孔隙度、裂隙的储层系数、裂隙的达西速度、裂隙的biot系数、裂隙的体积应变、裂隙的渗透率、裂缝的单位法向量、参考孔隙压力水平；工程参数包括：地热储层的尺寸、双井之间的距离和裂缝的宽度。

10、步骤2中，使用comsol软件建立拟模拟地热储层的几何模型的具体步骤为：由地热储层的工程地质特性，建立计算几何模型，在画布上定义储层的几何形状及尺寸，根据工程参数，确定地热双井间距和裂缝的厚度，通过comsol中的插值函数，将得到的非均质水力孔隙度场分配给裂缝域。

11、步骤3中，热-流-固耦合模型包括能量守恒方程、质量守恒方程和变形方程：

12、能量守恒方程：

13、岩石基质的能量守恒方程，如式(1)所示：

14、

15、岩石裂隙的能量守恒方程，如式(2)所示：

16、

17、式中，ρ为密度、c为比热容、m为基质、为梯度算子、κ为热导率、κeff为有效热导率、t为温度、ρw为水的密度、cp，w为水的比热容、νm为基质的达西速度、dh为裂隙孔隙度、p为流体压力、κw为水的热导率、vf为裂隙的达西速度、切向梯度；

18、质量守恒方程：

19、岩石基质的质量守恒方程，如式(3)所示：

20、

21、式中，sm为基质的储层系数、t为时间、αm为基质的biot系数、εv为体积应变，其表达式如式(3)所示：

22、

23、式中，km为基质渗透率、μw为水的动力粘度；

24、岩石裂隙的质量守恒方程，如式(5)所示：

25、

26、式中，sf为裂隙的储层系数、αf为裂隙的biot系数、εvf为裂隙的体积应变，vf为裂隙的达西速度，其表达式如式(6)所示：

27、

28、式中，kf为裂隙的渗透率、μw为水的动力粘度；

29、变形方程：

30、岩石基质的变形方程，如式(7)所示：

31、

32、式中，￡是弹性矩阵、αt是热膨胀系数、t0是初始温度、i是单位矩阵、p0是参考孔隙压力水平、fv是体载荷，ε是无限小变形的总线性应变张量，并且它通过位移向量u表示，如式(8)所示：

33、

34、步骤4中，接触粗糙系数，如式(9)所示：

35、

36、式中，dh为裂隙孔隙度、dm为基质孔隙度、jrc为接触粗糙系数。

37、步骤5中，模拟注入和产出过程具体为：注入井通过质量源设置为恒定压力和质量流率，分别模拟不同的注入条件，产出井通过point wise constraint固定为恒定压力，模型运行后得出产水温度随时间变化的数值，用origin画出产水温度随时间变化的曲线。

38、本发明的有益效果是，基于地质场转折带的随机场发生器，考虑不同的相关长度，生成裂缝粗糙度的空间自相关随机场。同时，基于低维断裂单元和弹性薄层假设，考虑裂缝非均质粗糙度，建立了覆盖裂缝变形的热-流-固耦合模型，其运行能够得到不同粗糙度裂缝，分析了非均质和各向异性粗糙度对裂缝内流体流动和传热的影响，通过产水温度变化曲线能够定量评估地热系统的热突破风险。

技术特征：

1.基于热-流-固耦合理论的地热双重体系热突破评价方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

2.根据权利要求1所述的基于热-流-固耦合理论的地热双重体系热突破评价方法，其特征在于，所述步骤1中，岩石基质的物理力学参数包括：基质的达西速度、基质渗透率、基质的储层系数、基质的biot系数、岩石基质的孔隙度；裂隙的物理力学参数包括：裂隙孔隙度、裂隙的储层系数、裂隙的达西速度、裂隙的biot系数、裂隙的体积应变、裂隙的渗透率、裂缝的单位法向量、参考孔隙压力水平；工程参数包括：地热储层的尺寸、双井之间的距离和裂缝的宽度。

3.根据权利要求1所述的基于热-流-固耦合理论的地热双重体系热突破评价方法，其特征在于，所述步骤2中，使用comsol软件建立拟模拟地热储层的几何模型的具体步骤为：由地热储层的工程地质特性，建立计算几何模型，在画布上定义储层的几何形状及尺寸，根据工程参数，确定地热双井间距和裂缝的厚度，通过comsol中的插值函数，将得到的非均质水力孔隙度场分配给裂缝域。

4.根据权利要求1所述的基于热-流-固耦合理论的地热双重体系热突破评价方法，其特征在于，所述步骤3中，热-流-固耦合模型包括能量守恒方程、质量守恒方程和变形方程：

5.根据权利要求4所述的基于热-流-固耦合理论的地热双重体系热突破评价方法，其特征在于，所述步骤4中，接触粗糙系数，如式(9)所示：

6.根据权利要求5所述的基于热-流-固耦合理论的地热双重体系热突破评价方法，其特征在于，所述步骤5中，模拟注入和产出过程具体为：注入井通过质量源设置为恒定压力和质量流率，分别模拟不同的注入条件，产出井通过point wise constraint固定为恒定压力，模型运行后得出产水温度随时间变化的数值，用origin画出产水温度随时间变化的曲线。

技术总结
本发明公开了基于热‑流‑固耦合理论的地热双重体系热突破评价方法，具体为：收集岩石基质和裂隙的物理力学参数和工程参数；建立拟模拟地热储层的几何模型，对得到的计算域进行离散化；对计算域分别添加流体场、变形场以及传热场，形成热‑流‑固耦合模型；对耦合模型添加接触粗糙系数；对模型的交点处指定恒定质量流率和压力边界条件拟模拟注入和产出过程，得出产水温度随时间变化的数值，画出产水温度随时间变化的曲线，评估热突破的风险。本发明建立的覆盖裂缝变形的热‑流‑固耦合模型，其运行能够得到不同粗糙度裂缝，分析了非均质和各向异性粗糙度对裂缝内流体流动和传热的影响，通过产水温度变化曲线能够定量评估地热系统的热突破风险。

技术研发人员：薛熠,刘嘉,郅家辉,时旭阳,张云,滕腾,苏善杰
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19