一种干热岩垂直裂隙采热开发潜力分析方法及装置与流程

专利检索2022-05-10  2



1.本发明涉及深层地热开发分析,具体一种干热岩垂直裂隙采热开发潜力分析方法及装置。


背景技术:

2.地热能的数量是巨大的。利用地热能有助于减少对化石能源使用和温室气体。但是,开发这种可再生资源目前仅限于水热型地热系统,在这种热液系统中,天然的断裂网络允许流体循环,并允许通过开采这些热流体产生地热。然而,由于热水是可排放的,天然流体不可能以稳定的方式和经济水平维持电厂的长期运行。因此,迄今为止,仅有很少部分地热开发具有潜力,而深部干热岩地热开发和加速利用变得尤为重要,而如何对干热岩垂直裂隙采热开发潜力进行分析评价对于深部干热岩地热开发和加速利用又显的至关重要。
3.深部热岩渗透率有限,天然流体含量少。因此,增强型地热系统技术已应用于从热岩中提取地热能:(1)通过水力激发制造渗透率,激活现有岩石裂缝或创造新的裂缝;(2)通过注入和生产钻孔系统建立和维持这些裂隙网络的流体循环,并转化为人们可使用的热能。该项目在美国新墨西哥州中北部的芬顿山,于1974年开始首次尝试建造一个大规模深层地热储层。又在世界范围内进行了连续的增强型地热系统野外试验,如是亨特谷、科索、沙漠峰和库珀盆地地热项目。
4.增强型地热系统的尝试证明,通过裂隙网络中的循环水从热干岩中提取能量是可行的。高性能增强型地热系统需要一个大型热储,必须具有巨大的裂缝用于热交换、足够的水流速率和低的水损失。裂缝通常具有垂直于平面,与最小主应力方向垂直。它们可能与天然节理或裂缝相交,因此成为图1所示的复杂网络储层框架。其网络框架结构和水流特征已通过静态加压试验和示踪技术大致确定。增强型地热系统的热储结构可以概念性的视为相互独立的裂隙,并由注水井和生产井相联系,实现流体循环。
5.热液耦合效应对增强型地热系统储层的性能有较大影响。一些研究主要集中在裂缝中水文与传热之间的耦合,在研究流体和热流的解析解中,通过源/汇项考虑了基体与断裂之间的传热,仅考虑基体和断裂的传导传热,而忽略了通过裂缝的对流传热。尽管断裂面会迅速失去温度,随着时间的推移,流体无法在流动通道中从裂隙表面获得任何进一步的热量补充。所有这些研究都假定流体温度总是与岩石温度相等,但一些研究表明,主岩与循环流体之间存在明显的温度梯度。


技术实现要素:

6.本发明的目的在于克服上述现有技术的不足,提供一种一种干热岩垂直裂隙采热开发潜力分析方法及装置,以对干热岩开发潜力进行较为准确的分析评价。
7.为实现上述目的,本发明的技术方案是:
8.第一方面,本发明一种干热岩垂直裂隙采热开发潜力分析方法,包括:
9.获取参数,所述参数为干热岩垂直裂隙采热过程参数;
10.将所获取的参数输入至分析模型中,分析模型输入分析结果。
11.进一步地,所述的干热岩垂直裂隙采热开发潜力分析方法,还包括:
12.将所述分析结果应用于干热岩开发。
13.进一步地,所述干热岩垂直裂隙采热过程参数通过如下方式获取:
14.流体通过注水井进入垂直裂隙中,向上流动,并与干热岩界面发生热交换,热交换后的流体从出水井产出,服务于地面开发利用,当中参数包括:初始温度t
ro
、裂缝长度l、裂缝单元高度δy、岩石密度ρ
r
、岩石热容c
r
、岩石热导率k
r
、注入水温度t
f0
、水密度ρ
f
、水热容c
f
、热交换系数h、裂缝宽度δ、流体速率u
f

15.进一步地,所述分析模型包括:
16.岩石温度的控制方程,为:
[0017][0018]
微分方程的边界条件是裂缝表面温度与裂缝内流体温度相等;岩石温度的初始条件表示为原始岩石温度;
[0019]
流体温度控制方程,为:
[0020][0021]
q
e
是从热岩石到流体的热传递量,表示为垂直于裂缝任何界面处流体流动的一维热传导量;边界条件t
z=0
是裂缝入口处的温度,等于注入流体的温度t
f0
。初始条件t
t=0
等于岩石的原始温度t
ro

[0022]
进一步地,所述分析模型输出分析结构的过程为:
[0023]
采用拉普拉斯变换法求解岩石温度的控制方程和流体温度控制方程,将微分方程转化为多项式方程后进行求解;求解后,利用逆拉普拉斯变换将温度场恢复到时域,得到温度场的解析解解:
[0024]
岩石基质的温度方程为:
[0025][0026]
裂隙中的流体温度为:
[0027]
[0028]
第二方面,本发明提供一种干热岩垂直裂隙采热开发潜力分析装置,包括:
[0029]
参数获取模块,用于获取参数,所述参数为干热岩垂直裂隙采热过程参数;
[0030]
分析模块,其存储有分析模型,用于接收参数获取模块所获取到的参数,将参数输入至分析模型中,分析模型输入分析结果。
[0031]
进一步地,所述干热岩垂直裂隙采热过程参数通过如下方式获取:
[0032]
流体通过注水井进入垂直裂隙中,向上流动,并与干热岩界面发生热交换,热交换后的流体从出水井产出,服务于地面开发利用,当中参数包括:初始温度t
ro
、裂缝长度l、裂缝单元高度δy、岩石密度ρ
r
、岩石热容c
r
、岩石热导率k
r
、注入水温度t
f0
、水密度ρ
f
、水热容c
f
、热交换系数h、裂缝宽度δ、流体速率u
f

[0033]
进一步地,所述分析模型包括:
[0034]
岩石温度的控制方程,为:
[0035][0036]
微分方程的边界条件是裂缝表面温度与裂缝内流体温度相等;岩石温度的初始条件表示为原始岩石温度;
[0037]
流体温度控制方程,为:
[0038][0039]
q
e
是从热岩石到流体的热传递量,表示为垂直于裂缝任何界面处流体流动的一维热传导量;边界条件t
z=0
是裂缝入口处的温度,等于注入流体的温度t
f0
。初始条件t
t=0
等于岩石的原始温度t
ro

[0040]
进一步地,所述分析模型输出分析结构的过程为:
[0041]
采用拉普拉斯变换法求解岩石温度的控制方程和流体温度控制方程,将微分方程转化为多项式方程后进行求解;求解后,利用逆拉普拉斯变换将温度场恢复到时域,得到温度场的解析解解:
[0042]
岩石基质的温度方程为:
[0043][0044]
裂隙中的流体温度为:
[0045][0046]
本发明与现有技术相比,其有益效果在于:
[0047]
本发明解释了干热岩热储层开发中流体流动和热交换特征,而且得到的解析解更有利用计算岩体和流体的温度变化特征,对于干热岩开发潜力评价和应用具有重要科学意义和现实意义。
附图说明
[0048]
图1为美国峰登山地热田增强型地热系统。(a)用于表征裂隙网络的储层几何特征;(b)表征独立多裂隙模型的储层几何模型。
[0049]
图2为本发明实施例提供的干热岩垂直裂隙采热开发潜力分析方法的流程图;
[0050]
图3为干热岩裂隙储层概念模型。(a)独立多裂缝模型的三维视图;(b)单裂缝egs储层的二维视图。z向上裂隙高度为l,裂隙宽度为δ。裂隙长度可沿y方向延伸,单位裂隙长度δy(=1m)将用于以下建模。t
r
表示岩石温度,t
f
表示水温,u
f
表示水流量,t
f0
表示注入水的温度,q
e
是从岩石流向水的热量,t
fp
表示产水温度。
[0051]
图4为在岩石、裂缝和水流的参考条件下,注入水温度对采出水温度的影响。注入水温度分别为30℃、40℃、50℃和60℃。
[0052]
图5为本发明实施例提供的干热岩垂直裂隙采热开发潜力分析装置组成示意图。
具体实施方式
[0053]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0054]
实施例1:
[0055]
参阅图2所示,本实施例提供的干热岩垂直裂隙采热开发潜力分析方法主要包括如下步骤:
[0056]
101、获取参数,所述参数为干热岩垂直裂隙采热过程参数;
[0057]
102、将所获取的参数输入至分析模型中,分析模型输入分析结果。
[0058]
优选地,上述述的干热岩垂直裂隙采热开发潜力分析方法还包括:
[0059]
103、将所述分析结果应用于干热岩开发。
[0060]
在一具体实施例中,上述干热岩垂直裂隙采热过程参数通过如下方式获取:
[0061]
流体通过注水井进入垂直裂隙中,向上流动,并与干热岩界面发生热交换,热交换后的高温流体从出水井产出,服务于地面开发利用,当中参数包括:
[0062][0063][0064]
此外,在所述分析模型构建过程中,为了得到水岩温度变化的解析解,假设:

忽略水岩界面的热阻。热岩与水在界面处的热交换被假定为一个平衡过程。裂缝中的水温等于裂缝表面温度。这一假设的合理性已在许多实际案例中得到证实;

为了简单起见,忽略了岩石基质沿z方向(向上,平行于水流)的热传导。在解析解的推导中,考虑了岩石基质沿x方向(垂直于水流方向)的导热系数;

模型中没有考虑水中热传导的影响。裂缝中流体的温度变化完全取决于热对流和热提取。这一假设是基于流体集中在非常小宽度的裂缝中这一事实。
[0065]
根据传热理论和近似性,可以看出裂隙内流体温度控制方程包含非定常项、对流项和源项,岩石温度场控制方程只包含非定常项和热传导项。在方程推导过程中,用t定义系统的温度,用r和f下标指定方程中与岩石和流体有关的变量和参数。岩石的温度场可以表示为x、z、t的函数,裂缝中工作流体的温度可以表示为z、t的函数。
[0066]
系统的岩石温度由一维热传导控制。岩石温度的控制方程为:
[0067]
[0068]
微分方程的边界条件是裂缝表面温度与裂缝内流体温度相等。岩石温度的初始条件表示为原始岩石温度。
[0069]
系统的流体温度由沿裂缝的对流换热和裂缝两侧的吸热控制。流体温度控制方程为:
[0070][0071]
q
e
是从热岩石到流体的热传递量,表示为垂直于裂缝任何界面处流体流动的一维热传导量;边界条件t
z=0
是裂缝入口处的温度,等于注入流体的温度t
f0
。初始条件t
t=0
等于岩石的原始温度t
ro

[0072]
用拉普拉斯变换法求解上述方程。利用拉普拉斯变换将热方程转化为更容易求解的常微分方程。为了得到原问题的解,必须对变换后问题的解进行倒转。采用拉普拉斯变换,得到耦合变换方程。
[0073]
拉普拉斯变换通常将微分方程转化为多项式方程,从而更容易求解。求解后,利用逆拉普拉斯变换将温度场恢复到时域,得到温度场的解析解解。
[0074]
岩石基质的温度方程为:
[0075][0076]
裂隙中的流体温度为:
[0077][0078]
分析结果表明,岩石基质和裂隙流体的温度与原始岩石温度、注入流体温度、裂缝宽度、流体流速和施工时间有关。
[0079]
由此可见,本方法解释了干热岩热储层开发中流体流动和热交换特征,而且得到的解析解更有利用计算岩体和流体的温度变化特征,对于干热岩开发潜力评价和应用具有重要科学意义和现实意义。
[0080]
下面结合一个应用场景实例来对本方法进行进一步的验证说明:
[0081]
图1所示是美国峰登山增强型地热系统。芬登山位于新墨西哥州北部,布拉沃河(rio grande)断裂带北端的乌尔斯火山口(valles caldera)的边缘。选择芬登山作为增强型地热系统试验基地,一是因为其温度和岩体特性满足开采基本条件;二是它接近洛斯拉莫斯国家实验室,交通便利;三是因为干热岩具有良好的勘探和评估基础,具备火成岩、构造地质学、地球物理学和热流测量基础数据。芬登山项目是第一个干热岩储层的示范案例,两个独立的干热岩储层分别位于深度为2800m和3500m的结晶岩中,岩体温度分别为195℃和235℃。在峰登山进行了两期的钻井、水力压裂、流量测试等工程作业。
[0082]
图3所示为干热岩裂隙储层概念模型。为了理解热提取过程,对构造的几何形状进行了研究。为简单起见,将复杂的构造框架合理地描述为独立的多裂隙。研究表明,单裂缝模型能较好地反映增强型地热系统的基本特征和热提取过程。流体流动在裂缝网络中可能经历一个复杂的路径,但毫无疑问从注入井流向生产井,产出的能量必然是从热裂缝两侧提取而来。单个裂缝可视为一组沿曲折流动路径的节理裂缝被拉直为单个直裂缝。从概念上讲,增强型地热系统热储层可以通过一条具有巨大表面积的裂缝来实现传热和恢复。
[0083]
裂缝性储层的概念模型是在前人工作的基础上建立的。裂隙储层由岩石基质和独立的多条裂缝组成(图3a)。断裂宽度表示为δ,断裂长度表示为l。断裂高度δy为单位长度(1m),可在沿y坐标上延伸,以获得巨大的断裂。如前所述,单裂隙系统仅包括岩体中的一条裂隙(图3b)。干热岩的初始温度为t
ro
。注入水温度为t
f0
。注入水进入垂直裂隙中,以恒定速度u
f
循环,其温度被高温岩体加热,在出水口的温度为t
fp
。在二维坐标系中,x轴表示到裂缝的距离,与水流平行的z轴表示到入水口的距离。水流入口被指定坐标为(0,0)点。水的出口在(0,l)。
[0084]
图4为在岩石、裂缝和水流的参考条件下,注入水温度对采出水温度的影响。流体温度解析解表明,裂缝出口采出水温度是注入水温度、水流量、裂缝宽度和开采时间的函数。采出水温度一般随生产时间增长而降低,可通过提高注入水温度来提高产水温度。注入水温度分别为30℃、40℃、50℃和60℃。在注入水参考温度下,生产30年后,采出水温度降至140℃。当注入水温为60℃时,产出水温度可升高到150℃。假如采出水的温度标准为150℃,可接受的生产周期时间为23.2年,当注入水温度为60℃时,生产周期接近30年。
[0085]
方程(3)和方程(4)分别为岩石基质和裂隙中流体的温度计算解析方程。可以看出,温度是岩石原始温度、注入水温度、流体速率和裂隙宽度的函数。事实上,在干热岩中进行地热开发,需要进行压裂作业,产生的裂隙必然不是单一裂隙,而是很多垂直裂隙共同存在。计算时只要将设置裂隙距离,还有各裂隙的特征,就可以应用解析方程计算岩体和流体温度,进而计算产出的流体温度和热量,进而估算流体发电效率等。
[0086]
实施例2:
[0087]
参阅图5所示,本实施例提供了本发明提供一种干热岩垂直裂隙采热开发潜力分析装置,包括:
[0088]
参数获取模块501,用于获取参数,所述参数为干热岩垂直裂隙采热过程参数;
[0089]
分析模块502,其存储有分析模型,用于接收参数获取模块所获取到的参数,将参数输入至分析模型中,分析模型输入分析结果。
[0090]
在一具体实施例中,上述干热岩垂直裂隙采热过程参数通过如下方式获取:
[0091]
流体通过注水井进入垂直裂隙中,向上流动,并与干热岩界面发生热交换,热交换后的高温流体从出水井产出,服务于地面开发利用,当中参数包括:
[0092][0093]
此外,在所述分析模型构建过程中,为了得到水岩温度变化的解析解,假设:

忽略水岩界面的热阻。热岩与水在界面处的热交换被假定为一个平衡过程。裂缝中的水温等于裂缝表面温度。这一假设的合理性已在许多实际案例中得到证实;

为了简单起见,忽略了岩石基质沿z方向(向上,平行于水流)的热传导。在解析解的推导中,考虑了岩石基质沿x方向(垂直于水流方向)的导热系数;

模型中没有考虑水中热传导的影响。裂缝中流体的温度变化完全取决于热对流和热提取。这一假设是基于流体集中在非常小宽度的裂缝中这一事实。
[0094]
根据传热理论和近似性,可以看出裂隙内流体温度控制方程包含非定常项、对流项和源项,岩石温度场控制方程只包含非定常项和热传导项。在方程推导过程中,用t定义系统的温度,用r和f下标指定方程中与岩石和流体有关的变量和参数。岩石的温度场可以表示为x、z、t的函数,裂缝中工作流体的温度可以表示为z、t的函数。
[0095]
系统的岩石温度由一维热传导控制。岩石温度的控制方程为:
[0096]
[0097]
微分方程的边界条件是裂缝表面温度与裂缝内流体温度相等。岩石温度的初始条件表示为原始岩石温度。
[0098]
系统的流体温度由沿裂缝的对流换热和裂缝两侧的吸热控制。流体温度控制方程为:
[0099][0100]
q
e
是从热岩石到流体的热传递量,表示为垂直于裂缝任何界面处流体流动的一维热传导量(x=0),反映了系统中岩石与流体的耦合作用。边界条件t
z=0
是裂缝入口处的温度,等于注入流体的温度t
f0
。初始条件t
t=0
等于岩石的原始温度t
ro

[0101]
用拉普拉斯变换法求解上述方程。利用拉普拉斯变换将热方程转化为更容易求解的常微分方程。为了得到原问题的解,必须对变换后问题的解进行倒转。采用拉普拉斯变换,得到耦合变换方程。
[0102]
拉普拉斯变换通常将微分方程转化为多项式方程,从而更容易求解。求解后,利用逆拉普拉斯变换将温度场恢复到时域,得到温度场的解析解解。
[0103]
岩石基质的温度方程为:
[0104][0105]
裂隙中的流体温度为:
[0106][0107]
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点,其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。
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