地热数值模拟技术的调研

地热数值模拟技术的调研1.简介随着油气资源的持续开采，人们在对地下能源的勘探开发利用中，逐渐开始注意到另一种洁净的能源—地热，这是来自于地球内部熔融岩浆和放射性元素衰变时发出的热能，而且这是可再生资源，它与太阳能、风能、生物能、海洋能等统称为新能源。地热资源按赋存形式可分四种类型：一是热水型，既地球浅处（地下100-4500m）所含有的热水或水蒸气；二是地压地热能，即在某些大型沉积盆地深处（3-6km）存在的高温高压流体；三是干热岩地热能，由于特殊地质构造条件造成的高温但少水甚至无水的干热岩体需要人工注水的方法才可取出热能；四是岩浆热能，即储存于高温（700-1200℃）熔融岩浆中的巨大热能，尚处于探索开发阶段。开采地热能量逐渐得到重视，引进来数值模拟技术来推动这方面的研究工作，是具有极为重要价值意义的。对地下地热能量建立模型进行研究，根据建立的数学模型，依据计算机模拟软件在给出的特定条件下获得的地下热能的流动变化规律，会对我们进行开发奠定良好的基础。2.地热数值模拟技术现状及进展数值模拟技术从上世纪5O年代开始研究至今已发展成为一项较为成熟的技术，最先在石油,核物理，热传导等领域得到广泛应用，而且逐渐在油田开发方案的编制和确定油田开采中生产措施的调整和优化以及提高油藏采收率方面成为一种不可欠缺的主要研究手段。目前主流的油藏数值模拟技术软件有国外ECLIPSE、CMG、VIP、SURE、GrandTM及国内PRIS、CRS等数值模拟软件。采集地下天然热能的技术原理几乎与常见的石油工程作业很相似，需要经过钻井、完井和从位于地下目标层的井中开采流体等过程。但地热开采收获的不是流体，而是热能。将热能开采出来也是经过流体携带将其采到地表，例如，天然热水，对于干热岩也是经过压裂注水、注气，经高温岩体加热后再采出来利用。因此，可以借鉴油藏数值模拟技术来研究地下热能的流动状态。数值模拟技术应用到地热开采研究相对较为晚一段时间，但和油藏数值模拟技术的研究步骤也大体一致：①找出问题，确定研究对象；②获取、校正和整理所有数据，③建立地热研究模型；④实现模型的历史拟合；⑤动态预测；⑥形成报告，得出结论。应用数值模拟技术一直都在推动地质能源开采相关技术的研究，随着计算机的快速发展，模拟技术工业化应用的不断增强，数值模拟技术水平得到很大的提高。软件平台综合技术的应用，实现了工作站软件一体化，形成了跨专业的综合软件系统；模型前后处理技术的发展，交互式模型数据的输入、交互式图形处理与网格设计、模拟运行进程监控、完成数据报告与模拟图形、建立三维可视化图形等技术都极大的促进研究进展；先进的模拟技术与方法的采用，根据以往的软件改造模块化、集成化，形成一体化的多功能模型，采取精确化的网格技术准确反映地层构造特征及流体动态现象，最后依据模型的离散化、离散模型的线性化及线性系统的求解方法获得精度高、稳定性强的数据结果。3.地热数值模拟技术关键及难点应用数值模拟技术对地层热流体进行研究，有很多的技术关键点需要处理。对一个地层进行研究，首先，要确定存在的问题和要研究什么地热系统（是CO2增强地热裂缝系统或是油气田伴生地热系统）及需要了解地层的哪些性质，这是我们研究的前提，没有一个明确的研究对象，就不会知道如何研究去获得想要的答案。另外，我们要考虑哪些因素建立什么样的数学模型才能够精确反映研究对象的实际情况，怎样调整条件实现数值模拟结果的拟合等等都是我们进行数值模拟要面临的关键问题，也是难点，这都需要我们在实际研究中结合地热系统真实情况来做出正确的选择。目前，地热研究所采用的技术是与油气田相似，但实际考虑的环境条件却有很大的差别，流体的组分、运动机理及其运动形式也有所差异。就拿压裂后的岩层讲，油气田需要了解流体在裂缝中的渗流速率及其与岩石物性的关系，而地热层则需要认识到流体与岩石间复杂的相互作用及热传导、热对流中的能量变化过程。4.地热数值模拟技术现有的数学模型数学模型就是用数学语言描述地层流体渗流过程中的所有的力学物理现象的内在联系和运动规律的方程式。它是我们进行地层流体数值模拟的基础和发展流体数值模拟技术的关键。一个完整的数学模型包括控制方程和定解条件（初始条件、内外边界条件），它是近似于地层流体渗流系统的。在建立数学模型我们需要考虑流体渗流的区域及区域的几何特征、渗透性、储容性和渗流形式，还有描述的自变量和确定建模假设条件，只有这样我们才可以正确建立一个有研究意义的数学模型。（1）对于干热岩地层，现有地热能开采方式主要是增强压裂地层注水注气。其方法是对地下进行深层钻探断裂岩石，把水注入地下这些人工产生的、张开的连通裂隙带中。水与岩体接触后被加热，这些高温水产生蒸汽就可用于发电。往干热岩地层注入CO2，将CO2视为地热能载体，使其在高温的地下几公里处循环，这能有效地将热量带到地面，用于发电。【1】由于在系统裂缝中存在气水两相的流动，所以我们可以建立相应的裂缝渗流数学模型。可以参照以下两个模型来看：A.低渗致密裂缝性气藏建立整体压裂模拟模型【2】假设条件：：①储层内气、水二相流体流动，气水两相不互溶，且渗流为等温渗流；②二重介质，岩块为主要储集空间，裂缝为流动通道，把岩块视为被裂缝系统所切割的互不连通的单元体的集合；③岩石微可压缩，且各向异性；④流体可压缩，考虑重力、毛管力、粘滞力、岩石形状及人工压裂裂缝等多方面的因素；⑤压裂裂缝为双翼垂直裂缝，对称于井眼；⑥裂缝导流能力不随时间变化渗流；建立的数学模型有：（1）天然裂缝系统方程Sg{div)+()ggggggggradIQst（div)+()（1wgss(2)基岩系统方程{+()ggfmggmIQst+()wwfmwwmIQst1wmgmss(3)人工裂缝系统方程{divgrad++=ggfgfgfmgfggfQQst（）（）divgrad++=wwfwfwfmwfwwfQQst（）（）+1wfgfss以上三式中Qi(i=w,g)为源或汇，ifmQ、ifQ（i=w，g）为人工裂缝上的源或汇，分别表示从基岩和天然裂缝流入人工裂缝的量。Qg、Qw水和气的产率，产为正，注为负。g、w气水的势，定义分别是：*()*iigrad=grad--1)ioigradoi（**g=,gg定义fiiiKK*fiififFRCDKW,=fFRCDKW,定义：fiiiKK’'/(/)iiiirlupKKK,'/(/)miimiirlupKKKe45-407.81ln{K/[(1)]}2w1=e1-sws（（））,(imiimmI）wgII、分别为基岩、裂缝交换项；为高速非达西渗流系数。'[(1)][()(1)()iriiriimmmiiKKKKα=0、β=1；表示线性的达西渗流模拟模型；α=0、β=0；表示高速非达西渗流模拟模型；α=1、β=1；表示低速非达西渗流模拟模型。B.干热岩平板裂缝三维模型【3】假设条件：①无限大储层内气、水二相流体流动，气水两相不互溶，近似认为渗流为等温渗流；②二重介质，裂缝为流动通道，裂缝水平、有限大、任意形状；③岩石不可渗；④流体不压缩，考虑重力、毛管力、粘滞力、岩石形状及人工压裂裂缝等多方面的因素；⑤裂缝不随时间发生宽度变化，裂缝导流能力不随时间变化；⑥忽略储层蓄热和压裂液中的热量。在假设条件下我们可以得到:润滑流动方程：232(,=-[/(,(,)pxywxyqxy））]，,xy∈A定义,qw，(,)01(,,)(,)wxyxyzdzwxy流体连续性方程：2(,=(,)(,)eeiiqxyQxxyyQxxyy）W：裂缝宽度；A：裂缝面；δ：Dirac函数边界条件：在裂缝面A上0pn热量传导三维扩散方程：23(,,,)(,,,),,,rrrTxyztKTxyztcxyzt0(,,,0),,,TxyzTxyzΩ：储层的无限域；23：三维空间内Laplace算子由于压裂后只有一部分产生的裂缝可以让流体通过，裂缝的方向性不可预知，非均质性差异很大，井口附近渗透率相对大一些，离井口越远就越低，所以建立起来的数学模型的完善程度比较差一些，存在很大的局限性，对单口井建立模型相对较好点，对于多口井整体的模型构建就有很大的不准确性。而且地热温度梯度的变化，高温岩体与流体的热交换中存在损失，井与井之间存在的干扰因素都会影响模型的实用性。（2）油气藏伴生地热是指油气井开钻过程中意外钻遇到地热水层，但前期主要目的是采油气资源，后期油气枯竭，可将地热作为新能源继续利用或二次利用报废的闲置井加以开采，以增加经济效益（例如华北、胜利一些油田含水量已高达95～97%，逐步转为以开采地热资源为主，可在开发地热资源的同时开采剩余的油气资源，对油田地区的经济发展和产业调整十分有益。）。该系统下的数学模拟模型以纯水藏来建立，需要加入能量守恒方程。以下可以参考下列数学模型来研究：假设条件：①储层均质、水平、圆形等厚、无边界；②储层内水单相流动，且渗流为不稳定热力渗流；③岩石微可压缩，流体可压缩；④地层渗流能力不随时间、温度变化；⑤忽略地层岩石与流体水热量交换过程中的能量损失；⑥考虑热传导、热对流、水和岩石的热容及地层顶底层的热损失。渗流控制方程为：{2210(),()1lim()2能量守恒方程为：202[][1]2()（）22Thr:热传导项；[]：热对流项；hqh：注入热源；[1]wwrrChTChTt（）:热累计项；02()TT：顶底层热损失项。另外再介绍一个含水层能量系统模型（ATES）的研究方法：假设条件：①模型均质、各向同一性、承压含水层；②模型流体和含水层温度处于平衡；③流体的密度和粘度恒定不变；④用于冷却或加热建筑物提取的地下水完全通过注水井回注到含水层；⑤模型的地下水流动是无界的；⑥考虑垂向上的热传导、热对流及忽略流体流动中的热损失。依据Darcy定律得出流体的流动公式：/[]ffShtKhQ（）+热转换方程：/]ssfhCTtKTCTQ（）+[-热转换一维稳态控制方程：22(/)/ffsTcKTzz（）=0，已知方程：00)zLTTTTf（（,z/L)f（,z/L)=[exp(z/L)-1]/[exp()-1]，/ffscK其中：fc-流体比热；fC-流体体积热容量；sC-含水层的体积热容量；h-水头；fK-水力传导系数；sK-含水层的热传导系数；hQ-热量；fQ-源/汇的质量流量;S-特定的存储系数；z-深度；L-垂直长度。油气田半生热系统中热水层数学模型的建立有很多的有利条件：井网相对较密、开发数据丰富、地层参数可知、三维地质建模等其他可利用的资源材料很多。依据较密集的井网和丰富的数据资源我们可以建立精细的数值模拟，可以选择较小的网格尺寸，增加模拟精度；有选择性的甄选数据，真实反映产井的流动状态及地层能量大小。精细数值模拟研究中，如何选择合理有效的网格是比较关键的。网格的定向、尺寸、纵向网格划分及不规则网格的选择都是要考虑到。开采的地下热水层如果被先前油气开采的过程中污染，就会加大模拟结果的差异。5.小结地热能的潜在价值是非常巨大的，主要是用于发电、供暖，另外还可以用于医疗保健、温泉洗浴、水产养殖等其他一些工业利用。相比较其他新能源，地热的利用率是最高的，可高达85%以上（下表）。可再生能源利用率%供给可靠性环境影响主要应用地热能86-95持久、可靠占地面积小发电、取暖生物能83可靠极低交通、取暖水力动能3