高温岩体地热开采数值模拟

中文题目：高温岩体地热开采数值模拟外文题目：NUMERICALSIMULATIONINEXPLOITATIONOFHDR毕业设计（论文）共66页（其中：外文文献及译文2０页）图纸共０张完成日期2011年6月答辩日期2011年6月、11绪论1.1研究背景和研究意义21世纪，人类面临的是能源与环境两大主题，寻求和开发洁净的新能源是基本的能源发展战略，洁净的用之不竭的地热资源的开发与利用已经受到国内外的广泛承认与普遍重视。正如著名的科学家李四光教授指出的：“开发利用地热能，就像人类发现煤炭、石油能够燃烧一样，开辟了人类用能的新纪元。”地热能是地球内所储藏的热能，来源主要是岩石中放射性元素蜕变产生的热。地球内部中、长半衰期放射性元素蜕变产生的热量平均每年有20.934×1020J。而一般所说的地热资源是指埋藏深度不大，在今后适当的技术条件下能够经济而又合理地开采利用的资源。在当前条件下有经济开发利用价值的地热被认为是10km以内。1977年PollaCk和Chapman在全球地热基础资源估算中得出，10km以内有热储含量403.3×106quads，是地球上储藏的全部煤炭可释放热量的1.7亿倍。可见，地热能源的储量是非常可观的。高温岩体地热开发是利用地壳中存在的自然热能,提供广泛的、有价值的、非污染的热能。按照现行的高温岩体地热资源的开发模式,完全可以在许多国家形成商业规模而广泛应用。对中国而言,它的使用可以减少我国对进口石油的依赖,增加国家能源安全,减少外汇支出。研发、推广节能新技术和大力开发可再生能源(如太阳能、风能、水能、生物质能、地热能等)替代不可再生能源成为解决人类未来能源危机问题，支撑人类社会可持续发展的两个主要途径[1-2]。国际公认的新世纪能源开发应满足的基本准则是：在不增加化石能源的需求的同时,大力开发新能源；而对新能源的基本要求是:运行安全,价格合理和低环境影响。就此意义讲,高温岩体地热资源与核能（裂变和聚变）、太阳能或者其他可再生的能源相比，具有更大的优势[10]。从世界范围来说，利用中、高温地热水发电是地热利用和研究的重点。美国、日本等发达国家正在进行高温岩体发电系统的研究，采用发电和直接利用相结合的梯级利用以提高中、低温地热资源开发的经济效益，是地热能利用的发展趋势之一。因此，高温岩体地热开采的技术研究具有重要的工程应用价值和理论意义。：高温岩体地热开采数值模拟21.2研究现状评述1.2.1高温岩体高温岩体(也称干热岩体)地热资源，是指温度在200℃以上的岩体中蕴藏的热能资源，它可以通过开采，提取过热水蒸气，直接用于发电等。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们用了一个更专业的名称“hotdryrock”，中文直译为干热岩，其明确的科学和工程意义为：岩石是干的、无水的、致密的、不渗透的；另一层含义为岩石是热的，具有较高温度的。1984年，干热岩地热开发在美国成功后，“hotdryrock”及其缩写HDR广泛出现在科技文献中。地球是一个庞大的热库，蕴藏着巨大的热能，它通过火山爆发、温泉、喷泉及岩石等热能方式源源不断地向地表传送。理论上讲，从地壳表层向地壳深部，岩体温度是逐渐增高，到一定深度，岩体温度都会达到高温岩体的温度。但由于技术和经济的原因，并不是地壳内部所有的高温岩体都能为人类所开发利用，而只有那些在一定地质构造区域内的地热异常区存在的、埋深较浅的高温岩体，才有利于人类的开发和利用。所以，地热开发中所说的高温岩体不是一般意义上的高温岩体，它特指在特定岩石圈动力学环境中和特定地质构造区域内，存在于地壳中，且温度在200℃以上的岩体。根据该岩体的岩石组成、结构、埋置深度、地应力状态等特征和所处的地表人文环境、自然环境、社会环境等特点，可以在当前或不远的将来的技术和经济条件下开发利用。具有商业用途的高温岩体地热资源开发的概念与思路，首先是由MortonSmith领导的美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家小组于1970年提出的，其基本思路是：预期一个钻孔进入热的岩体，然后形成垂直裂缝，第二个钻孔进入裂缝带，从一个钻孔进入裂隙区的水循环后，从另一个钻孔以压力热水的形式排到地面。高温岩体开发的两个关键技术问题是深部人工储留层的建造技术和高温岩体中的钻井技术。人工储留层建造是高温岩体地热开发最关键的步骤，它直接关系到高温岩体地热开发的成本和经济性。水压致裂法、爆炸法和热应力法是建造人工储留层的主要方法。1.2.2国内外研究现状我国高温岩体地热资源分布广，例如:云南腾冲地区，海南省、台湾、吉林长白山地区和黑龙江的五大莲池地区都有极其丰富的高温岩体地热资源，但限于技术和资金的原因，中国高温岩体地热资源的开发几乎等于零，仅能见到非常零散的、个别的基础类研究论文。、3在高温岩体地热开发的理论研究方面，从70年代开始，许多学者、科学家己经对高温岩体热、物理、力学特性位了大量的研究工作:郝晋升研究了华北地区典型岩石在l万巴压力下的密度和弹性波速变化，揭示了砂岩、花岗岩、石灰岩、玄武岩、辉长岩、橄榄岩在高压力下的体积模量、裂隙空隙度、裂纹闭合压力、波速达到稳定变化的压力等[6]。王子潮、王威研究了花岗岩、辉长岩、麻粒岩、和石英岩等在地壳温度压力条件下的流速规律。并于1996年，王子潮，唐户俊一郎，发表钇铝榴石晶体的超高温强度和流变性一文，在温度高达2023K，可控氧分压和不同应变速率条件下，对钇铝榴石单品体进行了蠕变实验[5]。研究表明、钇铝榴石晶体的脆—延性转变温度高达1833K。对钇铝榴石晶体蠕变机制的研究表明，其高温塑性变形起因于晶体的位错滑移，晶体在高温下的高强度与其很高的Peier1s力相关.钇铝榴石晶体在高温下的晶体稳定性和超高强度使其有可能替代金刚石，在高温高压和特殊的化学环境下应用。1999年，赵坚在岩石裂隙中的水流—岩石热传导一文中，通过加热岩石和迫使水流在岩石裂隙的循环，进行了岩石裂隙的水力—热力特性试验研究。试验采用花岗岩裂隙试样，在不同的水流和温度条件下进行。试验表明应用传统的热对流关系式进行预测均高寸试验结果[4]。1999年，刘洁、宋惠珍等以大庆外围某油田为例，研究得出，在钻井前后，井眼附近地应力的分布截然不同，采取扩大井口半径的手段，揭示了钻井后井口附近的应力场变化规律[7]。从地热能的利用情况来看，目前只对少数浅层地热能源进行了经济开采，全世界地热发电装机容量达9000MW以上，主要是在关国和菲律宾等国家。目前用于发电的大部分为高于200℃的地热水或干蒸汽。低温水多为直接利用，己有44个国家进行了开发利用。根据最近资料统计表明，全世界直接利用地热的设备装机容景为15000MW，年节能相当于595x103吨石油。欧洲、美国、日本等在这方面做了大量的工作[3]。1970年，美国LoSAlamoS国家实验室MortonSmith领导的科学家小组最早提出了具有商业价值的深部高温岩体地热开发的设想(Heatdryrock简称HDR)，并从1978年开始，历时十几年，在新墨西哥洲Jemez山脉的ValleS休眠火山区西侧的FentonHill进行试验，投资1500多万美元，施工钻井四口，深度3000~4000米，地层应力达到80MPa以上，地温300℃，进行了多次压裂试验，取得了良好效果。1984年开始，日本工业技术院在“阳光计划”之下，在肘折地区开展了高温岩体地热开发的现场试验，施工地热调查井两口SKGI(15O0m)、SKGZ(1800m)，揭露地温254℃，1988年开始实施水力压裂及循环试验，：高温岩体地热开采数值模拟41985.10~1990.11，实施了四期研究实验计划[8]。从1977年开始，由英国能源部出资，CamborneSchoolofMines(CSM)负责，在nearCamborneinCornwall进行试验，到1980年进行第一阶段试验，钻孔4个，深度300m;1980~1988年进行第二阶段试验，钻孔3个，RHll(2038m)、RH12(2156m，79℃)、RH15(2600m，100℃)；从1988年开始，进行第三阶段试验，目标是钻孔深度6000m，生产温度200℃，覆盖岩体体积300㎜3。1992年开始，由法国、德国、CEC欧洲HDR共同计划，CamborneSchoolofMines(CSM)负责，在Soultz进行试验，施工了井孔GPKI，深度3590m，温度159.5℃。接着在1993年，以50L/s，10MPa的压力，注水45000吨，(1000m×800m×40Om)的岩石被压裂。从1992年2月开始，由Stanford大学与Leningrad矿山研究院合作，在Elbrus镇附近的Kabardino___BalkarskySSR，进行试验，钻井深度3700m，温度200℃。西欧绝大部分地区，地热梯度都非常低，所以，目标是深钻计划的实施，德国KBT计划，目标是12000m的深孔。日本小岛隆等研究了热水环境下，花岗岩的破坏强度，发现了由于高温水的作用，岩石强度衰减十分显著，其实验水温为200℃，压力10MPa。日本学者出口为等研究了含水、空气状态下，岩石热传导系数、揭示了饱和含水岩石的热传导系数比干岩石高1.2～1.5倍的现象，并进一步研究了岩石固相率与热传导率的相关关系式，此实验条件为温度为20～60℃。英国学者O.KOLITZ以研究了三维裂隙岩体中的传导、对流热转换过程，模拟地热开发系统的运行周期，揭示了在三维裂隙岩体斗，随着平行裂隙的增多，其地温衰减率会变慢。日本学者秋林智·杉本文男·菊地贤一福田道博研究了岩石—热水相互作用下，其中化学成分运移情况的数值解析，给出一种形成平行平板人工储留层裂缝表面积的算法。地热能源系统按地下热储的存在形式，主要可分为两种类型：即：地压型；高温岩体地热型（HDR）。到目前为止，有关高温岩体地热开发的研究，都是一些零散的工作。高温高压下岩石或岩体的导热性、应力应变特性、强度特性、孔隙裂隙渗流特性、裂缝起裂、扩展、延展等特性、声波、电磁效应特性、热破裂特性、超深地层构造及裂缝探测理论与技术、岩体断裂特性、岩体原始裂隙结构特征的作用与影响及其耦合作用特性、控制方程、数值分析等所有的研究工作都是刚刚开始，急待进行广泛深入细致的工作[12]。图1(a)，(b)，(c)为高温岩体地热开发示意图。图1(a)，(b)分别表示生产井和注入井的三种不同贯通方式，、5图1(c)为生产井和注入井及其连通方式的剖面图。图1高温岩体地热开发示意图Fig.1Principleofheatextractioninheatdryrock1.2.3多场耦合效应以往对工程岩体地质特征的研究，往往只是关注单一地质环境(地下水渗流场、应力场或温度场)，例如对水电工程的坝基稳定性研究中，关心的是坝基岩体的应力场分布；对地下工程中的热害问题，关心的是工程围岩体的温度场分布；而对于隧道涌水灾害问题，关心的是隧道围岩体的地下水渗流场分布等等。但随着工程实践的深入，尤其在当今时代发展的HDR开发技术中，人们逐渐认识到工程岩体所赋存地质环境的复杂性和多变性，这就提出了工程岩体赋存地质环境中各个因素之间相互影响作用（耦合作用)的研究课题。对工程岩体赋存地质环境各因素之间影响作用的研究，国内外的研究现状从全面完整的角度而一言还涉及很少或研究不够，具体表现在：(l)藕合理论从本世纪50年代美国水库诱发地震分析的萌芽，到70年代Witherspoon的正式提出，直至80年代以来Morishad的完善发展，主要都局限于工程岩体地下水渗流场与应力场之间的耦合作用分析研究。(2)80年代中期Barton对工程岩体地下水渗流场、应力场与温度场之间的耦合作用进行了初步的探讨性研究，但只是针对工程岩体的稳定性和冻土地区隧道涌水问题进行了个别应用性研究，目前为止尚缺乏全面系统的理论体系研究；(3)进入90年代中期，结合放射性废物处置问题的研究，瑞典核能研究所的学者Jing：高温岩体地热开采数值模拟6给出了相对较系统的岩体地下水渗流场、应力场和温度场藕合作用的研究模型，但从模型的简化实用角度还研