增強型地熱系統熱流固化耦合模擬裝置研制

張 博,劉恒偉,竇 斌,田 紅,肖 鵬

(1.中國地質大學(武漢)工程學院，武漢 430074；2.武漢市勘察設計有限公司，武漢 430022)

0 引 言

隨著常規油氣資源開采難度增大及其在使用過程中帶來越來越多的環境問題，尋找清潔的可再生能源已成為能源界主要的科學任務。地熱資源以其清潔、可再生、使用不受環境影響、儲量大、用途廣泛等優勢越來越得到人們的關注[1-4]。干熱巖 (Hot Dry Rock，HDR)一般指溫度大于150 ℃，埋深約3～10 km，內部不存在或含有少量流體(致密不透水)的高溫巖體[5]。美國能源部把開采干熱巖的工程系統統稱為增強型地熱系統(EGS)[6]。EGS通過人工壓裂形成地熱儲層，使流體流過注入井和生產井之間的裂隙網絡獲取干熱巖中的地熱能[6]，幾乎可以用在世界上任何存在高地熱流的區域[7]，是目前最熱門的研究方向[4,6]。

1973年，美國在芬頓山(Fenton Hill)首次實行EGS試驗研究[6]，1977年，第1期工程取得成功，鉆孔深達4.5 km，形成第1個EGS循環回路。隨后，日、德、法、澳等國家逐步開展對EGS的研究[8]。除了現場直接試驗以外，數值模擬也是研究EGS的重要方法之一。EGS中的熱-流-固-化(Thermal-Hydrological-Mechanical-Chemical,T-H-M-C)耦合作用是數值模擬研究的主要問題[9-10]。針對各個過程的耦合問題，部分學者對此也做出了成功地研究[11-12]。雷宏武等[13]采用TOUGH2，結合太沙基固結理論一維力學模型的功能模塊以及BIOT固結理論三維力學模型的功能模塊，開發了T-H-M耦合模擬器TOUGH2-Biot。Taron等[14]將TOUGHREACT中模擬熱(T)、水(H)、化學溶解或沉淀(C)的能力同FLAC3D的力學(M)結構相結合，實現T-H-M-C的耦合，在可變形、斷裂的多孔介質中研究T-H-M-C過程。但是，對EGS工程現場試驗，耗資巨大，實施深達數km的鉆井、壓裂等等需要耗費幾千萬元甚至上億元的資金，成本及風險極大[15]。而數值模擬雖能夠獲得廣泛的研究結論，但是其本身需要大量數據檢驗與支持，缺少一定的可信度。所以，進行實驗室規模的模擬研究對解決EGS問題具有十分重要的意義。

然而，國內外針對EGS中的T-H-M-C作用而進行的實驗模擬僅有少數學者研究。趙堅等[16]通過倫敦帝國理工學院的巖石熱力學試驗系統，針對真實巖樣研究了單一狹窄裂隙中的流體與巖石之間的熱交換問題。研究表明，裂隙幾何和表面粗糙度在流體-巖石傳熱過程中起著重要的作用。Robert等[7]利用巖石三軸測試儀AutoLab1500，發現EGS裂隙網路中的裂隙開度和滲透率在開采過程中的發展演化會受到T-H-M-C共同作用，其中化學作用是影響裂隙發展演化的驅動因素；另一方面，國內現有實驗設備一般在室溫下進行，以及對裂隙開度、長度以及粗糙度等無法控制，因此無法研究變溫場以及裂隙特征等因素對EGS的影響。

本文研發了一種能夠精確地模擬裂隙的發展演化以及T-H-M-C耦合過程的實驗儀器，可改變裂隙特征以及溫度場，從而為EGS提供更多可靠的理論依據，實現更加可觀的經濟效益。

1 試驗裝置

圖1為高溫裂隙滲流模擬裝置示意圖。裝置由4個系統組成：溫壓控制系統、循環系統、模擬系統以及數據采集系統。

1-注水口；2-出水口；3-巖塊；4-耐高溫與腐蝕的防水密封膠套；5-電加熱板；6-保溫層；7-單一裂隙；8-溫度控制裝置；9-進水溫度傳感器；10-進水壓力傳感器；11-出水溫度傳感器；12-出水壓力傳感器；13-流量計；14-高壓柱塞泵；15-恒溫供液槽；16-出液槽；17-支撐劑；18-流速溫度傳感器；19-沙袋；20-定位卡；21-調節手柄；22-隔板；23-上頂板；24-出水口；25-計算機控制系統

圖1 高溫裂隙滲流模擬裝置示意圖

1.1 溫壓控制系統

溫度控制系統主要是由高功率電加熱板以及溫度控制裝置組成。電加熱板的作用是為實驗裝置提供高溫模擬環境，而溫度控制裝置則是對這種環境進行控制并進行監測，以達到實驗所要求的溫度環境。可控溫度在25～400 ℃之間。壓力控制系統由壓力調節手柄和壓力表構成。通過壓力調節手柄對系統壓力進行控制，并利用壓力表對壓力進行監測。可控壓力最高可達60 MPa。

1.2 循環系統

循環系統主要是為流體的流動提供路徑以及動力，以模擬流體在地熱開采過程中的流動狀態。通過控制流體的狀態可以研究流體狀態對于EGS工程效益的影響機理。包括液槽、流通管道、高壓柱塞泵、控制閥門等。高壓注塞泵可控制流體注入速率0～100 mL/min，提供0～100 MPa的注水壓力。

1.3 模擬系統

模擬系統主要作用是模擬流體在巖石裂縫中的流動狀態。主要由以下5部分組成。

(1)注、出水口。包括1個注水口，4個出水口。如圖2所示，注水口1與出水口2距離400 mm，與各出水口之間間隔50 mm，無水通過時，用蓋子密封。

(2)試驗巖樣。包括兩塊長方體巖塊，由一整塊巖石通過劈裂形成。規格：長×寬為600 mm×100 mm，厚度為40～50 mm。

(3)耐高溫與腐蝕的防水密封膠套。

(4)管閥件、出水槽。

(5)支撐劑。選用陶瓷球體支撐劑，如圖3所示，支撐劑布置在裂隙邊緣，用于支撐裂隙形成開度，開度大小約為1～6 mm。

圖2 進水口與出水口布置示意圖

1-進水口；2-出水口；17-支撐劑；18-流速溫度傳感器

圖3 支撐劑與流速溫度傳感器布置示意圖

1.4 數據采集系統

數據采集系統是通過傳感器采集EGS模擬過程中的狀態數據。包括加壓壓力傳感器、進水壓力傳感器、出水壓力傳感器、出水溫度傳感器、微型溫度與流量傳感器、液體流量計、計算機。其中，加壓壓力傳感器量程為0～60 MPa，水壓力傳感器量程為0～10 MPa，溫度傳感器量程為(-50～450)±5 ℃，液體流量計量程為0～500 mL/min。

2 試驗步驟

巖石裂隙對流傳熱試驗所用巖樣包括兩塊長方體巖塊，由一整塊巖石通過劈裂形成。可分別對各類儲層巖石的平直裂隙或粗糙裂隙開展對流傳熱試驗。

(1)制備巖樣。選取規格為600 mm×100 mm×100 mm的長方體巖樣，可制備沿軸線方向貫通整個巖樣的平直或粗糙裂隙，在頂面注水孔處鉆孔直至巖樣裂隙，然后可在頂面距注水孔相隔300、350、400以及450 mm處鉆孔作為出水孔，以控制裂隙長度這一變量。

(2)將制好的巖樣放入換熱室中，如要調節孔隙率或裂隙開度，則可加入支撐劑，然后調節溫度控制裝置，對巖樣進行加熱，當溫度達到試驗預期的溫度時維持平衡狀態，使溫度在30 min內變化不超過1 ℃，即可進行后續試驗。溫度的等級可由25～400 ℃，設定不同的溫度即為不同的變溫場。

(3)通過壓力調節手柄對系統壓力進行控制，并利用壓力表對壓力的大小進行監測，可控壓力最高可達60 MPa。設定不同的壓力即為不同的變壓場。

(4)在設定的溫度與壓力水平下，將第1級滲流流量設定為1 mL/min，并通過溫度及壓力傳感器記錄進口與出口溫度、巖樣內外表面的溫度以及進出口壓力，圍壓等數值。控制滲流流速增量為1 mL/min，逐漸升高滲流流量直至50 mL/min，并記錄相關數據。

(5)試驗結束后，關閉高壓柱塞泵，待冷卻后可更換巖樣，并重復(2)～(4)。

3 試驗內容

在自然界，熱能主要通過熱傳導、熱對流和熱輻射3種方式傳遞，但是在地熱領域，熱輻射在傳熱方面發揮作用很小，可忽略不計，采熱介質在巖石裂隙中的流動換熱過程屬于對流傳熱，就目前而言，針對巖石裂隙的對流換熱問題研究不多。但是，對流換熱是影響EGS的重要因素之一[17-19]。裂隙開度、裂隙長度、粗糙度、孔隙率、采熱介質等對傳熱影響較大。此外，循環過程中采熱介質與巖石發生水巖相互作用會對巖石基質產生溶蝕作用。本裝置致力于研究對流傳熱以及水巖相互作用，進而探索EGS中巖石-流體介質對流換熱機理。

3.1 裂隙特征對傳熱的影響

裂隙特征主要包括裂隙長度、裂隙表面粗糙度、裂隙開度等。

裂隙長度不同，流體流經裂隙的狀態變化程度就不同。本裝置通過控制注水口與出水口距離改變裂隙長度的大小，通過監測流體流經不同長度裂隙前后的狀態，以此來研究裂隙長度對傳熱的影響。

裂隙表面不同起伏的程度所產生的流阻也不同。巖石破裂過程中由于內部復雜的結構而產生不同裂隙面，采用CT掃描技術可對裂隙面粗糙度進行描述，然后在進水口和出水口對流體監測，從而研究裂隙粗糙度對傳熱的影響。

裂隙開度對傳熱速率、效率有一定的影響。本裝置通過加入不同粒徑的支撐劑來控制裂隙的開度大致為1～6 mm，然后通過對流體流經裂隙的狀態監測分析來研究裂隙開度對傳熱的影響。

3.2 孔隙率對傳熱的影響

EGS中構造的裂隙網絡是流體的主要流通通道。因巖石孔隙率遠小于裂隙孔隙率，因此對巖石孔隙率可忽略不計，僅用裂隙孔隙率來刻畫裂隙網絡特征。

本實驗裝置通過加入不同數量支撐劑來控制支撐劑密度從而控制裂隙孔隙率。巖石裂隙孔隙率

n=1-2πsr2/(3LB)

(1)

式中:s為巖石中支撐劑的數量；r為支撐劑的半徑；L為巖石的長度；B為巖石的寬度。主要操作方式為：先加入兩塊所述規格的巖塊，在巖石中間加入不同數量支撐劑，監測流體流經裂隙前后的狀態，研究孔隙率對傳熱的影響。

3.3 采熱介質對傳熱的影響

采熱介質的熱學性質對于流體與裂隙的換熱效率具有很重要的影響。不同的采熱介質與裂隙具有不同的換熱效率。在本裝置中采用不同的循環流體便可以研究不同采熱介質與巖石樣品之間的換熱效率。

3.4 水巖相互作用

EGS循環過程中，采熱介質會對巖石基質產生溶蝕作用且溶蝕的物質會在裂隙下游沉淀。在EGS高溫高壓條件下，這種溶蝕作用會加劇。本裝置利用采熱介質在系統中進行長期循環模擬，通過監測循環前后采熱介質的物質變化以及裂隙特征變化，從而對水巖相互作用進行研究，為EGS工程采熱介質選取以及循環過程中裂隙網絡發展演化趨勢提供理論依據。

4 結果處理

若要獲得通用性規律，則需要進行多次試驗，考慮到試驗可能失敗等因素，所花費的人力、物力、成本等是超過可接受范圍的，而利用相似原理以及量綱分析對解決問題有很大幫助。研究對流傳熱問題，無量綱特征數有雷諾數(Re)、普朗特數(Pr)、努塞爾數(Nu)等，利用這些無量綱特征數可使結果更有通用性。

對流傳熱的總傳熱量

Q=cmΔT=cm(T2-T1)

(2)

式中:c為導熱介質的比熱容，kJ/(kg · K)；m為導熱介質(一般為水)的質量流速，kg/s，可由試驗流量換算而來;T1及T2分別代表進口、出口溫度，℃，可直接測得。

導熱介質的對流換熱系數：

h=Q/[2LB(Ts-Tw)]

(3)

式中:Q為總傳熱量，J/s；L為巖樣長度，m；Ts為巖樣裂隙內表面溫度，℃，裂隙中的流速溫度傳感器可測；Tw為導熱介質平均溫度，可取進出口溫度均值。

雷諾數計算，對本文巖石單裂隙滲流的非圓形管道，特征長度應取當量直徑，為4倍水力半徑，水力半徑為過水斷面面積除以濕周，公式如下：

(4)

由于對過水斷面，b?B，故

Re≈2bρv/μ

(5)

又流速v可換為流量除以斷面面積，則有

Re=2ρq/(Bμ)

(6)

式中:v為流速，m3/s，可由流速溫度傳感器測得；ρ為流體密度，可查相關資料或通過實驗獲得；q為流量，m3/s；b為巖樣上下兩塊的間距；μ為采熱介質運動黏滯系數，m2/s，查找相關資料或通過實驗獲得。

普朗特數計算：

Pr=μ/a

(7)

式中:μ為采熱介質運動黏滯系數，m2/s；a為熱擴散系數，m2/s。

熱擴散系數可由下式計算：

a=λ/(ρc)

(8)

式中:λ為采熱介質的導熱系數，W/(m·K)，可查閱相關資料或通過實驗獲得；ρ為采熱介質密度，kg/m3，查閱相關資料；c為采熱介質比熱容，kJ/(kg · K)。

努塞爾數計算：

Nu=hH/λ

(9)

式中:h為對流換熱系數，W/(m2·K)；H為傳熱層厚度，m，大約為巖樣高度。

5 結 語

自主研發的EGS T-H-M-C耦合模擬裝置有望通過試驗的方式研究EGS中的T-H-M-C耦合作用，彌補了現場試驗及數值模擬中的不足之處，而且可為數值模擬提供數據支持，對現場試驗起到一定的指導意義。該裝置可實現更高的溫度場模擬，改變裂隙的長度，添加支撐劑改變裂隙的開度及裂隙孔隙度等優勢，通過本裝置可進行裂隙特征、裂隙孔隙率、采熱介質以及水巖相互作用等因素對對流換熱的影響，利用相似原理，選用無量綱特征數如雷諾數(Re)、普朗特數(Pr)、努塞爾數(Nu)等表征對流換熱效果，可使結果更有通用性。總的來說，本EGS模擬裝置結構原理簡單，操作方便，數據可靠。模擬實驗過程中取得的各種實驗數據均可以自動記錄到計算機中，建立專用的數據庫，方便科研人員的查閱。