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“深层地热开发理论与技术”专题

来源：煤炭学报

专题来自于《煤炭学报》2023年第3期，共4篇研究成果。

行业视野: 新能源
类别; 20个
关键词; 21位
专家; 4篇
论文; 987IP
点击量; 2578次
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煤-热共采模式下地热水非常规开采数值模拟研究

作者(Author)：万志军, 张源, 师鹏, 苟红, 王朱亭, 于振子

摘要：在我国“碳达峰、碳中和”时代背景下,开展矿井地热水资源开发利用实现煤-热共采的研究具有重要战略意义。然而,目前煤-热共采技术尚不成熟,针对矿井地热水抽采的研究还需进一步补充。因此,基于煤-热共采理论及技术框架,提出了一种地热水井下非常规开采方法。分析了矿区热储形成机制,采用热储体积法对矿区地热水资源量进行了估算,评价了矿井地热水开发潜力。同时,数值模拟了地热水非常规开采模式下的热储温度场及生产井水温变化。分析了生产井群参数对热储层温度场及生产井水温的影响,并与常规地热水生产方法进行了对比。最后,讨论了矿井地热水开采利用所产生的社会、经济效益。结果显示:① 矿区地热水静态可采量为1.14×1017 J,折合标煤3.9 Mt。动态可采量为2.95×1016 J/ a,折合标煤1.01 Mt/ a。② 生产井水温受回灌水温的影响较大,与回灌方式的关系不大,且回灌水温对生产井水温的影响主要体现在生产后期。③ 随着生产速率的增加,生产井群热突破时间提前,且在热突破点之后的温降速率加快。④ 均衡生产对生产井的服务年限具有有益作用。⑤ 通过调整非常规开采模式的生产策略可实现生产井群的协调开采,延长生产井群的开采期限,使其平均温降速率小于常规开采模式下的生产井温降速率。⑥ 矿井地热开发系统建成后,可实现煤矿17 万m2的供暖及全矿职工的洗浴,每年减少燃煤10 327 t,减少CO2排放量26 900 t,为企业创造693.8 万元的经济效益。因此,针对水热型高温矿井,实施井下地热水非常规开采具有一定的可行性。通过合理布置生产井群分布,科学制定生产策略,可实现矿井地热水的高效开采。

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煤炭学报

2023年第03期

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城市深层地热能可持续开采多场耦合效应数值模拟研究进展

作者(Author)：赵志宏, 刘桂宏, 王佳铖, 徐浩然

摘要：我国中深层(200~3 000 m)和深层( >3 000 m)地热资源储量丰富,具有很大的开发空间,可持续开发利用地热资源将是碳达峰、碳中和目标如期实现的重要保障之一。然而,地热能开采过程涉及复杂的温度场、渗流场、应力场耦合效应。为此,总结了笔者团队在水热型地热资源开发利用多场耦合效应数值模拟方面的研究成果,包括面向城市深层地热能可持续开采的资源量评价、采灌方案优化设计方法和在典型地热工程中的示范应用。从温度、水位、变形3 个方面给出了深层地热能可持续开采的多指标评价体系,以及基于数值模型的可采地热能计算公式。基于深层地热井-储系统多场耦合数值模型给出了满足可持续开采标准的可采地热能评价方法,提出了开采井风险评价的“红绿灯系统”,并依托雄安新区容东安置区地热开发利用工程验证了资源评价方法的合理性。基于深层地热井-储系统多场耦合数值模型给出了满足可持续开采标准的采灌方案优化设计方法,采用Plackett-Burman 设计构建了代理模型,通过多响应优化实现了参数的快速优化,并依托北京市城市副中心地热开发利用工程验证了采灌方案优化设计方法的合理性。为城市深层地热能可持续开采提供了理论与工具支撑,以促进城市深层地热能更大规模和更高质量的开发利用。

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煤炭学报

2023年第03期

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花岗岩干热岩体裂隙的大位移动态剪切-渗流特征

作者(Author)：赵鹏, 冯子军, 南翰墨, 李杰

摘要：水力剪切是干热岩地热、页岩气等深部能源开采的又一重要技术手段,水力剪切在提高储层渗透性的同时还会诱发地震。水力剪切增透和注入诱发地震的本质均是节理裂隙/ 断层的剪切-渗流。为深入研究不同诱因下,节理裂隙/ 断层岩体的剪切-渗流特性演化特征,利用自主研发的高围压大位移实时剪切渗流装置,研究了花岗岩干热岩体裂隙在剪切蠕变、剪应力增加、水压力增加和位移速率增加4 种诱因引起的滑动过程中的渗流特征,并利用现有的速率-状态方程分析了诱发地震过程中裂隙/ 断层的摩擦特性。结果表明:① 在三轴静水压力下,花岗岩裂隙内的注水压力与注水流量之间呈线性关系,裂隙的等效张开度与渗透率随法向应力的增加呈负指数衰减特征。② 剪切蠕变、注水压力、剪切应力速率和剪切位移速率4 种诱因所引起的裂隙/ 断层的黏滑均导致裂隙/ 断层的渗透性显著增加,且滑移变形和滑移速率越大,渗透率增幅越大。4 种诱因中,剪切蠕变引起的渗透率增幅最小,剪切应力速率引起的渗透率增幅最大。③ 在剪切-渗流过程中,速率-状态摩擦定律仍然可以用于分析裂隙/ 断层的稳定性特征,随着黏滑次数的增多,剪切应力降、b 值(即摩擦因数随时间或变形的降幅)及滑移速率等摩擦参数在规则黏滑中以对数形式增长,断层滑移的不稳定程度增加;而在混沌黏滑中,上述参数符合朗格缪尔方程,并趋向于0,断层滑移的不稳定程度降低。

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煤炭学报

2023年第03期

205

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深部矿井埋管充填体换热器蓄/释热过程中的热干扰问题

作者(Author)：张波, 杨紫桐, 刘浪, 赵玉娇, 郇超, 王美, 屠冰冰

摘要：矿床开采形成的丰富地下空间为太阳能等可再生能源的大规模存储提供了基本条件。将地埋管换热器置入矿井充填体中构建出具有蓄/ 释热功能的埋管充填体换热器是实现太阳能等可再生能源跨季节存储的新方法,但是热干扰问题会影响其蓄/ 释热性能而不容忽视。利用COMSOL仿真软件建立并验证了典型蛇形埋管充填体换热器的三维非稳态传热模型,通过管间热干扰系数(Itub)和层间热干扰系数(Ilay)量化研究了管间距、管径、充填体导热系数和比热容对埋管充填体换热器的单层蛇形管管间和多层蛇形管层间热干扰影响,通过引入相对灵敏度参数讨论分析了管间和层间热干扰对研究参数的敏感度。结果分析表明,Itub 随蓄/ 释热时间呈先下降后上升的变化趋势,整体变化不大(0.92~1.00),说明单层蛇形管管间热干扰影响较小。Ilay 呈单调显著递减,在蓄/ 释热阶段末分别低于0.25 和0.49,说明多层蛇形埋管层间热干扰随着蓄/ 释热的进行严重恶化。通过灵敏度分析发现,Ilay对研究参数的敏感度明显高于Itub。Ilay 对充填体比热容、管间距、充填体导热系数和管内径的敏感度依次降低,其中充填体比热容和管间距为正面影响,另外2 个为负面影响。Itub在蓄/ 释热的大部分时间段对管间距最敏感。本研究量化了关键参数对埋管充填体换热器热干扰的影响,为优化蛇形埋管布置及充填材料制备以降低热干扰影响提供了依据。

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煤炭学报

2023年第03期

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