吉林松原中深層地?zé)峁┡瘽摿澳Ｐ脱芯?/H1>
發(fā)布時(shí)間：2020-03-19 13:33
【摘要】：幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)能源問(wèn)題始終是影響人類社會(huì)穩(wěn)定與發(fā)展的關(guān)鍵因素,針對(duì)當(dāng)前環(huán)境惡化以及化石能源枯竭問(wèn)題,全世界已將目光匯聚到開(kāi)發(fā)新型可再生能源。地?zé)崮茏鳛橐环N新型清潔能源,由于其分布范圍廣且不受空間展布限制等優(yōu)勢(shì),已經(jīng)成為繼水力、生物質(zhì)能之后的最具開(kāi)發(fā)潛力的可再生能源。中國(guó)地?zé)豳Y源儲(chǔ)量豐富,但對(duì)地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)與利用仍處于發(fā)展階段,地?zé)崮芄┡怯行Ю玫責(zé)豳Y源的一種重要途徑,其不僅能夠緩解冬季能源供應(yīng)壓力,也可以有效減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)。目前我國(guó)利用地?zé)豳Y源供暖主要是提取淺層地?zé)豳Y源和部分低品的水熱型地?zé)豳Y源,然而在實(shí)際工程中水熱型地?zé)豳Y源空間分布受構(gòu)造地形所限,無(wú)法大面積實(shí)施,而淺層地?zé)崮芄┡０殡S供暖量與供暖效率問(wèn)題,尤其是東北地區(qū),冬季極為寒冷,常用的地?zé)峁┡Ｊ綗o(wú)法進(jìn)行有效推廣。針對(duì)上述問(wèn)題,為促進(jìn)地?zé)豳Y源供暖在東北地區(qū)的合理推廣,本文依托吉林省省校共建計(jì)劃專項(xiàng)“深部地?zé)豳Y源(含干熱巖)勘查與開(kāi)發(fā)利用”(項(xiàng)目編號(hào):SF2017-5)、“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子項(xiàng)目“壓裂監(jiān)測(cè)與人工儲(chǔ)層裂隙網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)”(項(xiàng)目編號(hào):2018YFB1501803-02),以及國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)儲(chǔ)層低溫誘導(dǎo)開(kāi)裂機(jī)理與模型研究”(項(xiàng)目編號(hào):41602243),開(kāi)展“吉林松原中深層地?zé)峁┡瘽摿澳Ｐ脱芯俊?探索適用吉林地區(qū)的地?zé)峁┡路较颉１疚氖紫韧ㄟ^(guò)搜集已公開(kāi)資料結(jié)合區(qū)域構(gòu)造、地層條件、地溫特征等因素綜合評(píng)估研究區(qū)中深層地?zé)豳Y源潛力。研究區(qū)熱源主要為燕山期、華力西期花崗巖,基底花崗巖為較好的干熱型熱儲(chǔ),在基底花崗巖熱儲(chǔ)層之上覆蓋有近2000m的白堊系下統(tǒng)蓋層,區(qū)域內(nèi)部發(fā)育多級(jí)斷裂體系形成良好的傳熱通道,因此研究區(qū)具有較好的地?zé)嵘蓷l件。研究區(qū)中深層具有較高的地溫梯度,大地?zé)崃鞣秶?3~79 mW/m~2,經(jīng)過(guò)計(jì)算評(píng)估,松原地區(qū)中深層水熱型地?zé)豳Y源量為6.5×10~(20)J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤2.22×10~(10)t;干熱型地?zé)豳Y源量為7.38×10~(21)J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤2.52×10~(11)t,無(wú)論是水熱型還是干熱型地?zé)豳Y源,儲(chǔ)量都十分豐富具有較高的開(kāi)發(fā)潛力,在當(dāng)前政策形勢(shì)下有很好的開(kāi)發(fā)前景。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方面,通過(guò)研究區(qū)花崗巖巖石室內(nèi)熱物性實(shí)驗(yàn)與高溫力學(xué)實(shí)驗(yàn),獲得儲(chǔ)層巖性參數(shù),通過(guò)室內(nèi)清水壓裂試驗(yàn)分析研究區(qū)花崗巖的壓力破壞特性以及壓裂后滲流效果。研究區(qū)花崗巖密度范圍在2.763-2.926g/cm~3;孔隙度變化范圍在1.39%-2.78%,滲透率變化范圍在0.255md-0.327md;平均縱波波速為5.132km/s,平均橫波波速為3.104 km/s;比熱容變化范圍在0.704-0.748kJ/(kg·℃);巖石軸向?qū)嵯禂?shù)在2.455-2.932w/m·K,徑向?qū)嵯禂?shù)在2.391-2.887w/m·K;分析在不同溫度下巖石單軸抗拉強(qiáng)度、三軸抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、斷裂韌度、彈性模量和泊松比等力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律;討論巖石破裂壓力受圍壓、流速影響的變化規(guī)律,確定試樣實(shí)驗(yàn)室壓裂后裂隙滲透率在5.2×10~(-14)~1.1×10~(-13)8)~2之間�，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面,在松原研究區(qū)創(chuàng)新1井場(chǎng)地開(kāi)展周期2個(gè)月的中深層換熱現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示研究區(qū)地溫梯度在縱向分為四個(gè)梯級(jí):0-103m為1℃/hm、104-451m為7.19℃/hm,452-901m為3.79℃/hm,902-2044m為5.4℃/hm,井底溫度為107.3℃,平均地溫梯度為5.07℃/hm。系統(tǒng)初始運(yùn)行時(shí)流體進(jìn)出口溫度分別為36.7℃和58.2℃,運(yùn)行兩個(gè)月后進(jìn)出水溫度分別為29.1℃和43.0℃。系統(tǒng)初始運(yùn)行和運(yùn)行兩個(gè)月后內(nèi)管中出水流體溫度在井口較井底分別下降2.5℃和1.5℃,由于熱負(fù)荷的運(yùn)行,供熱功率由初始的368.15W/m下降到238W/m。模型研究方面,首先針對(duì)研究區(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程建立中深層同軸套管供暖模型,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)換熱試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行模擬與驗(yàn)證,開(kāi)展不同工況下取熱能力的分析與研究。模擬結(jié)果顯示,系統(tǒng)運(yùn)行兩個(gè)月后,出口流體溫度在熱負(fù)荷100W/m、200W/m、300W/m、400W/m條件下對(duì)應(yīng)的熱損失分別為0.42℃、0.52℃、0.69℃、0.73℃。300W/m工況與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果有較好的契合度。在同軸套管底部地層溫度下降的影響范圍與套管-巖石(土)距離有關(guān),本試驗(yàn)中在距離6m時(shí),地層溫度幾乎不受流體的影響。其次建立研究區(qū)中深層地?zé)豳Y源EGS(Enhanced Geothermal System)供暖模型,針對(duì)研究區(qū)地層特征建立不同施工條件下的16個(gè)壓裂模型并進(jìn)行壓裂模擬分析。模擬結(jié)果顯示壓裂裂縫半長(zhǎng)在179.2-290.0m之間,裂縫高度在121.6-137.7m之間,最大開(kāi)度為14.8mm,最大導(dǎo)流能力和滲透率分別為1038.1mD?m與70.14D。分析支撐劑濃度、施工排量、壓裂液體積對(duì)壓裂結(jié)果的影響,并最終選擇方案12作為研究區(qū)最優(yōu)壓裂方案。在此壓裂結(jié)果基礎(chǔ)上開(kāi)展EGS三維水熱耦合模擬研究,對(duì)影響換熱效果的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,分析注水速率、布井間距、注水溫度換熱效率的影響。最后提出創(chuàng)新1井地?zé)峁┡Ｐ蛢?yōu)化設(shè)計(jì)方案,開(kāi)展研究區(qū)中深層地?zé)峁┡瘽摿C合分析并進(jìn)行環(huán)境與環(huán)境經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。優(yōu)化方案選擇8kg/s的注入流速、400m布井間距與30℃注水溫度施工方案,模擬系統(tǒng)運(yùn)行20年,EGS供暖系統(tǒng)的平均產(chǎn)熱功率為1.99MW,流動(dòng)阻抗達(dá)到2.43MPa/(kg/s),平均能源效率達(dá)到11.43且20年中始終保持在9.9以上。EGS換熱供暖系統(tǒng)運(yùn)行20年累計(jì)供暖產(chǎn)能1.25×10~(15)J,每年平均可保證39000平方米供暖需求,預(yù)期10-15年可收回投資成本,運(yùn)行期間累計(jì)節(jié)約用煤6.08×10~4t,減少CO_2排放量1.08×10~5t,減少SO_2排放量9.35×10~5kg,減少NO_x排放量1.46×10~6kg。
【圖文】：
已探明的化石燃料資源逐年略有提升，但面些增長(zhǎng)明顯杯水車薪。截至 2017 年末，全球探明石儲(chǔ)量 193.5 萬(wàn)億立方米，按照當(dāng)年產(chǎn)量水平，分別的產(chǎn)量[1]，能源安全問(wèn)題已成為當(dāng)今世界亟需解決源統(tǒng)計(jì)年鑒（2018 版）顯示，中國(guó) 2017 年一次萬(wàn)噸油當(dāng)量）（如圖 1.1）為世界首位，能源消費(fèi)增連續(xù)十七年成為全球能源消費(fèi)增量最大的國(guó)家[1]。結(jié)構(gòu)組成的持續(xù)優(yōu)化，新能源比例逐漸提高，但就占我們能源結(jié)構(gòu)的主體地位，如圖 1.2 所示。石油口依賴度連年提高，大量的不可再生能源消費(fèi)給我氧化碳等溫室氣體排放量也由連續(xù)兩年的逐漸減少同時(shí)空氣質(zhì)量下降、霧霾加重帶來(lái)的社會(huì)問(wèn)題也接顯，能源供應(yīng)轉(zhuǎn)型迫在眉睫。
二十世紀(jì)七十年代，美國(guó)洛斯阿拉莫斯（LANL）實(shí)驗(yàn)室首次提出 EGS 概念，從美國(guó) Fenton Hill 場(chǎng)地進(jìn)行初次測(cè)試到截至目前，，全球已有 30 多個(gè)地?zé)釄?chǎng)地在進(jìn)行或計(jì)劃進(jìn)行 EGS 工程試驗(yàn)[95]，在美國(guó)、澳大利亞、歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家均有已建設(shè)成的 EGS 示范場(chǎng)地（如圖 1.3）。EGS 工程具有較高的開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，技術(shù)實(shí)施的可行性取決于場(chǎng)地的地質(zhì)狀況，在過(guò)去的四十年中，儲(chǔ)層的壓裂工藝隨著油氣生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)也在快速發(fā)展。基于施工的難易程度，美國(guó)將 EGS 工程技術(shù)分為三類，即典型地?zé)釁^(qū)域 EGS 工程（greenfield EGS）、近傳統(tǒng)地?zé)釁^(qū)域 EGS 工程（near-field EGS）和傳統(tǒng)地?zé)釁^(qū)域 EGS 工程（in-field EGS）。早期的 EGS 試驗(yàn)都處在難度較大的 greenfield EGS 區(qū)域，成功率普遍偏低，但隨著水力壓裂技術(shù)的逐步成熟，EGS 工程的成功率也在逐漸增加，經(jīng)過(guò)多年經(jīng)驗(yàn)總結(jié)工程選址對(duì)EGS 施工能否成功具有較大影響[96]。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P314;TU832
【相似文獻(xiàn)】
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3 高小榮;;地?zé)峁┡?xiàng)目中換熱設(shè)備采購(gòu)的探討[J];內(nèi)江科技;2015年07期
4 張成崗;魯建國(guó);宋廣生;;“地暖害人說(shuō)”是真的嗎?[J];益壽寶典;2017年03期
5 卡梅倫·西科特;康·漫嵋;;雄安新區(qū)地?zé)峁┡熬昂肹J];環(huán)境與生活;2017年08期
6 馬春紅;趙豐年;劉金俠;;地?zé)峁┡緲?biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀分析[J];太陽(yáng)能;2014年07期
7 袁振江;;地?zé)峁┡?你選了嗎？[J];健身科學(xué);2012年02期
8 朱守義;;地?zé)峁┡瘍?yōu)勢(shì)分析[J];科技致富向?qū)?2011年14期
9 鄭克h
本文編號(hào)：2590293
本文鏈接：http://www.sikaile.net/jianzhugongchenglunwen/2590293.html
【圖文】：
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【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
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本文編號(hào)：2590293
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