二氧化碳羽流地热系统运行机制及优化研究

【摘要】：以二氧化碳为主的温室气体的大量排放引发了全球变暖现象，进而造成了严重的环境问题。针对CO2减排目标，国际上提出许多削减CO2排放量的新方法和新技术。二氧化碳地质储存（Carbon dioxide geologic sequestration，简称CGS）是目前国际社会公认的应对全球气候变化的重要对策及显著减少温室气体排放的有效技术手段之一。但已有的研究表明，单一的CO2地质储存（CGS）在大规模工程应用中费用昂贵，如能在CO2地质储存的同时，利用其作为工作流体进行深部地热能的开发利用，实现其资源化，会提高CGS的经济可行性，极大推动我国CO2地质储存事业的发展。因此，越来越多的研究聚焦于如何在进行CO2地质储存的同时，进一步实现CO2的资源化利用。地热能是一种可再生的清洁能源，近年来国外学者的研究表明：利用CO2提取深部储层孔隙介质中的地热能是增强CO2地质储存经济性和可行性的良好途径。 CO2羽流地热系统（CO2-plume geothermal system，简称CPGS)，是利用注入到沉积盆地天然孔隙储层的CO2提取地热能的一种工程技术手段。虽然CPGS系统有着巨大的应用前景，但也面临一系列重大科学问题，如CPGS运行中低温超临界CO2由井筒注入深部咸水层后，伴随着对深部地热的提取将在储层和井筒中发生复杂流态下的多相流流动、传热和地球化学作用，使系统的运行和热能提取过程产生不稳定性，这是CPGS工程实施中的关键科学问题。 本文进一步研究了CO2羽流地热系统，以我国典型沉积盆地——松辽盆地泉头组的地质构造及热储条件为背景，考虑井筒流对CO2作为载热工质的地热系统的影响，建立井筒流和储层流的耦合模型，采用室内实验、数值模拟和理论分析相结合的方法，研究注-采温压条件下井筒和储层中多相流动力学-热力学变化过程，以及流场-温度场的时空演变规律，揭示CO2羽流地热系统的多相流流动及传热机理；分析水-岩-气相互作用对地层流场和传热过程的影响；确定系统稳定条件，进行CPGS的优化开采设计；系统全面进行CO2与水工质的对比研究，客观评价各自的优缺点，确定适宜以CO2为载热工质的系统条件，为我国典型沉积盆地CO2地质储存中的地热资源开采提供基础理论依据和技术支撑。 【关键词】：地热开发 二氧化碳羽流地热系统 二氧化碳地质储存 井筒流 松辽盆地
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P314
【目录】：

• 内容提要4-5
• 中文摘要5-8
• Abstract8-17
• 第1章 绪论17-35
• 1.1 研究背景及选题依据17-20
• 1.1.1 研究背景17-18
• 1.1.2 选题依据18-20
• 1.2 国内外研究进展20-30
• 1.2.1 深部地热开采系统的现状22-23
• 1.2.1.1 增强型地热系统研究现状22
• 1.2.1.2 二氧化碳羽流地热系统研究现状22-23
• 1.2.2 水和 CO_2作为传热工质的对比研究23-26
• 1.2.3 深部地热开发中井筒流的研究现状26-27
• 1.2.4 深部地热开发中水-岩-气作用对流场的影响27-29
• 1.2.5 我国沉积盆地地热资源的研究29-30
• 1.3 存在问题30-31
• 1.4 研究思路31-32
• 1.4.1 研究目标31
• 1.4.2 研究内容31-32
• 1.4.3 技术路线和研究方法32
• 1.5 创新点32-35
• 第2章 松辽盆地羽流地热系统研究区概况35-45
• 2.1 松辽盆地概况35-36
• 2.2 松辽盆地地质概况36-37
• 2.2.1 区域地层36
• 2.2.2 区域构造概况36-37
• 2.2.3 沉积特征37
• 2.3 松辽盆地地热场特征37-40
• 2.3.1 沉积盆地热源分析37-38
• 2.3.2 松辽盆地地热场特征38-40
• 2.4 目标热储层的地质概况40-45
• 2.4.1 岩性分布特征40-42
• 2.4.2 目标热储层的水文地质特征概化42-43
• 2.4.3 温度分布特征43-45
• 第3章 羽流地热系统非等温多相流数值模拟研究45-73
• 3.1 井筒非等温多相流水-热耦合数值模拟理论及方法45-50
• 3.1.1 质量和能量守恒方程45-47
• 3.1.2 漂移流模型（DFM）的动量守恒方程47-50
• 3.1.3 离散方程的求解方法50
• 3.2 储层流动-传热-化学耦合数值模拟理论及方法50-53
• 3.2.1 控制方程50-51
• 3.2.2 离散方程的求解方法51-53
• 3.3 井筒耦合储层的非等温多相流数值模拟程序53-54
• 3.3.1 井筒中流体流动和传热数值模拟软件53
• 3.3.2 储层的非等温多相流数值模拟软件53-54
• 3.4 羽流地热系统井筒-储层耦合数值模拟研究54-70
• 3.4.1 CO_2羽流地热系统运行原理54-55
• 3.4.2 模型的建立55-57
• 3.4.3 初始条件与模型验证57-58
• 3.4.4 模拟结果分析58-67
• 3.4.4.1 注入井筒中 CO_2热力学参数变化特征58-61
• 3.4.4.2 储层中 CO_2的流动及传热过程61-62
• 3.4.4.3 生产井筒内 CO_2热力学参数变化特征62-63
• 3.4.4.5 系统热能产出分析63-65
• 3.4.4.6 系统的热电转换计算65-67
• 3.4.5 讨论67-70
• 3.4.5.1 开采压力的影响分析67-68
• 3.4.5.2 开采流量的影响分析68-70
• 本章小结70-73
• 第4章 二氧化碳羽流地热系统水-岩-气作用对流场的影响73-91
• 4.1 水-岩-气相互作用原理73-74
• 4.2 水-岩-气相互作用实验74-76
• 4.2.1 实验目的74
• 4.2.2 实验内容74-75
• 4.2.3 实验仪器75
• 4.2.4 实验样品75-76
• 4.3 数值模拟研究76-77
• 4.3.1 模拟工具76
• 4.3.2 实验模型的建立76-77
• 4.4 实验与数值模拟结果分析77-84
• 4.4.1 咸水中各组分浓度分析77-80
• 4.4.2 岩石矿物组分含量变化分析80-83
• 4.4.3 岩石反应动力学数据的校正83-84
• 4.5 水-岩-气相互作用对流场及热提取的影响分析84-89
• 4.5.1 模型的建立84
• 4.5.2 模拟初始参数84-85
• 4.5.3 模拟结果分析85-89
• 本章小结89-91
• 第5章 羽流地热系统地热能开采优化研究91-117
• 5.1 CPGS 地热能开采优化设计目的91
• 5.2 CPGS 地热能开采优化设计目标91
• 5.3 优化开采模型的建立91
• 5.4 优化结果分析91-101
• 5.4.1 开采流量的优化设计91-94
• 5.4.2 开采压力的优化设计94-99
• 5.4.2.1 生产压力的优化94-97
• 5.4.2.2 注入压力的优化设计97-99
• 5.4.3 注入温度的优化分析99-101
• 5.5 模型不确定性分析101-113
• 5.5.1 井孔参数影响分析101-105
• 5.5.1.1 井孔直径的影响分析101-103
• 5.5.1.2 井孔绝对当量粗糙度的影响分析103-105
• 5.5.2 储层物性的影响分析105-109
• 5.5.2.1 储层渗透率的影响105-107
• 5.5.2.2 储层温度的影响107-109
• 5.5.3 布井方式的影响分析109-113
• 本章小结113-117
• 第6章 羽流地热系统中二氧化碳和水作为传热工质的对比研究117-129
• 6.1 CO_2和水的热力学性质对比117-119
• 6.2 两种载热工质循环过程温压变化及热提取分析119-123
• 6.3 对比分析123-126
• 6.3.1 注入流体温压条件的对比分析123-124
• 6.3.2 储层物性参数的对比分析124-125
• 6.3.3 井筒参数的对比分析125-126
• 本章小结126-129
• 第7章 结论与建议129-133
• 7.1 结论129-132
• 7.2 建议132-133
• 参考文献133-145
• 作者简介及攻读博士学位期间发表的论文145-149
• 致谢149

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