本文關(guān)鍵詞：巖石熱物性參數(shù)分析及多場(chǎng)熱效應(yīng)耦合模型研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來(lái)，隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的日益加劇，對(duì)可再生能源的開發(fā)利用迫在眉睫。地?zé)崮芫哂芯G色、連續(xù)、穩(wěn)定、利用效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，利用前景十分廣闊，預(yù)計(jì)將會(huì)成為未來(lái)能源格局中重要組成部分。除了被直接利用，發(fā)電和供熱也是地?zé)崮艿膬煞N主要利用方法。由于地?zé)崮苡性S多優(yōu)點(diǎn)，它在緩解能源危機(jī)和提高生態(tài)環(huán)境方面扮演著越來(lái)越重要的作用。干熱巖（Hot Dry Rock，HDR）是一種新型的地?zé)豳Y源，由于其廣泛的分布和巨大的儲(chǔ)量引起了人們的關(guān)注，它是指地下高溫但由于低孔隙度和滲透性而缺少流體的巖體，主要是各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖類巖體，儲(chǔ)存于干熱巖中的熱量需要通過(guò)人工壓裂等技術(shù)形成增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced Geothermal System，EGS）才能得以開采。EGS工程的概念就是通過(guò)注入井將冷水注入到目標(biāo)儲(chǔ)層，然后通過(guò)生產(chǎn)井提取熱水用以發(fā)電，從而達(dá)到開發(fā)干熱巖熱量的目的。EGS是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在這個(gè)過(guò)程中存在很多科學(xué)問(wèn)題和工程問(wèn)題，如資源靶區(qū)定位技術(shù)，人工壓裂，微地震、示蹤劑等監(jiān)控監(jiān)測(cè)技術(shù)，資源評(píng)價(jià)方法，地?zé)岬刭|(zhì)模型，地下高溫巖體的多場(chǎng)耦合過(guò)程，地?zé)峤橘|(zhì)的換熱特性機(jī)制，能源轉(zhuǎn)換效率評(píng)價(jià)，發(fā)電系統(tǒng)高效利用，示范場(chǎng)地建設(shè)。 隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及節(jié)約能源、減少污染物排放的需要，目前存在的能源結(jié)構(gòu)不再符合國(guó)內(nèi)形勢(shì)的要求，發(fā)展與利用可再生能源已經(jīng)成為全社會(huì)的共識(shí)。而地?zé)豳Y源在緩解能源供應(yīng)壓力和提升經(jīng)濟(jì)環(huán)境方面可以發(fā)揮重要的作用，中國(guó)作為能源消耗大國(guó)，需要大力開發(fā)地?zé)豳Y源和發(fā)展地?zé)崮芗夹g(shù)，特別是干熱巖。由于干熱巖屬于新型地?zé)豳Y源，目前世界上還沒(méi)有形成一套成熟理論對(duì)其進(jìn)行開發(fā)利用，距離大范圍推廣還有很長(zhǎng)的一段時(shí)間。而中國(guó)在干熱巖的開發(fā)研究方面正處于起步階段，需要大量的理論研究、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，如熱物性、物理力學(xué)參數(shù)的確定，儲(chǔ)層改造及評(píng)價(jià)，水熱交換及能量轉(zhuǎn)換效率，地下高溫巖體的多場(chǎng)耦合過(guò)程等。 本文研究主要依托國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目“干熱巖熱能開發(fā)與綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2012AA052801），開展“巖石熱物性參數(shù)分析及多場(chǎng)熱效應(yīng)耦合模型研究”。首先，利用中國(guó)大陸地區(qū)松遼盆地、鄂爾多斯盆地及青海共和盆地的巖石樣品，本文選擇光學(xué)掃描設(shè)備（TCS）及BRR巖土比熱容測(cè)試儀確定巖石樣品的熱物性參數(shù)，并測(cè)試相應(yīng)巖石樣品的孔隙率、含水量、波速、礦物成分及密度，分析了巖石的熱物性參數(shù)與這些因素之間的關(guān)系，進(jìn)一步采用支持向量回歸機(jī)（Support Vector Regression, SVR）模型預(yù)測(cè)巖石的導(dǎo)熱系數(shù)；然后，本文研究了巖石導(dǎo)熱系數(shù)在空間各個(gè)方向上的變化，確定其各向異性特征；其次，分析了溫度和壓力對(duì)巖石導(dǎo)熱系數(shù)的影響，并利用遺傳算法反演溫度和壓力對(duì)不同類型巖石導(dǎo)熱系數(shù)影響的經(jīng)驗(yàn)公式；再者，在課題組研發(fā)的EGS-THM耦合分析程序的基礎(chǔ)上進(jìn)一步修改和完善，利用STIMPLAN軟件對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂分析，建立多場(chǎng)熱效應(yīng)耦合模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃兔绹?guó)Desert Peak干熱巖場(chǎng)地進(jìn)行驗(yàn)證，分析修正程序在EGS工程中模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性及適用性，明確系統(tǒng)中各物理場(chǎng)的耦合過(guò)程與作用機(jī)理；最后，針對(duì)中國(guó)的第一個(gè)干熱巖靶區(qū)-松遼盆地北部地區(qū)的徐家圍子斷陷區(qū)，進(jìn)行干熱巖開發(fā)利用過(guò)程的THM耦合分析研究，評(píng)價(jià)熱提取過(guò)程中各物理場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律，為我國(guó)干熱巖地?zé)豳Y源開采工程的設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論支撐，有助于我國(guó)深部地?zé)豳Y源開發(fā)利用的進(jìn)一步深入研究及實(shí)際工程的開展。 在巖石熱物性參數(shù)評(píng)價(jià)及影響因素研究中，針對(duì)來(lái)自松遼盆地、青海共和盆地及鄂爾多斯盆地的巖石樣品，測(cè)試了巖石的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度、孔隙度、含水率、礦物成分及波速等參數(shù)，分析了巖石熱物性參數(shù)與不同因素之間的關(guān)系，并對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)。第一，青海共和盆地巖石樣品的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容隨深度變化，三個(gè)鉆孔巖石樣品的比熱容都隨深度增加均有小幅度的下降，最后穩(wěn)定于0.7kJ/(kg K)，數(shù)值大小都介于0.7~1.2kJ/(kg K)之間；導(dǎo)熱系數(shù)隨深度增加有一些數(shù)值的波動(dòng)，但整體上呈逐漸變大的趨勢(shì)，最后數(shù)值大小趨近于3W/(m K)，所有樣品的導(dǎo)熱系數(shù)介于1.0~3.2W/(m K)之間。第二，對(duì)于干燥狀態(tài)下不同類型巖石的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和孔隙率，發(fā)現(xiàn)比熱容與孔隙率之間并沒(méi)有明顯的規(guī)律，而導(dǎo)熱系數(shù)隨孔隙率的增加整體呈現(xiàn)變小的趨勢(shì)；根據(jù)巖石導(dǎo)熱系數(shù)與孔隙度的理論關(guān)系，研究了不同計(jì)算模型與實(shí)測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有一種模型適合所有的巖石樣品，但根據(jù)不同的巖石樣品，提出了適合巖石導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算模型。第三，研究認(rèn)為不同類型的巖石波速并不相同，但基本上波速越大的巖石，導(dǎo)熱系數(shù)越大，二者之間呈正相關(guān)關(guān)系，并提出了適合本文巖石樣品的理論公式。第四，不同地區(qū)的同一類型巖石的導(dǎo)熱系數(shù)與密度的關(guān)系并不相同，這反映出形成環(huán)境對(duì)巖石的影響；從整體上來(lái)看，隨著密度的增大，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸升高，二者呈正相關(guān)關(guān)系，并對(duì)二者之間的關(guān)系進(jìn)行了擬合分析；而巖石比熱容與密度之間沒(méi)有明顯的聯(lián)系。第五，不同類型巖石的干燥導(dǎo)熱系數(shù)的變化范圍并不相同，飽和導(dǎo)熱系數(shù)亦不一樣，這與巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)，本文提出了飽和影響系數(shù)，分析飽和程度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響，并與理論公式計(jì)算出的理論飽和影響系數(shù)進(jìn)行對(duì)比。最后，由于導(dǎo)熱系數(shù)在地?zé)衢_發(fā)中是一個(gè)十分重要的參數(shù)且受到許多因素的影響，沒(méi)有一個(gè)理論公式能完全吻合導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算，本文采用SVR模型對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)研究，得出的導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值接近，擬合精度較高。 導(dǎo)熱系數(shù)作為巖石的一個(gè)重要的熱物理性質(zhì)，，與巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部環(huán)境密切相關(guān)，在空間不同方向上的導(dǎo)熱性必定不同，也會(huì)呈現(xiàn)出明顯的各向異性。通過(guò)測(cè)試58個(gè)松遼盆地花崗巖、流紋巖、砂巖、泥巖及共和盆地花崗巖導(dǎo)熱系數(shù)，并進(jìn)行偏光顯微鏡和X光礦物成分衍射分析，初步得出了不同巖石類型的導(dǎo)熱系數(shù)各向異性特征。由于巖石樣品的結(jié)構(gòu)性不明顯，導(dǎo)熱系數(shù)各向異性因子的范圍為0.85～1.3，提出了符合巖石導(dǎo)熱系數(shù)各向異性的方程曲線。 一般來(lái)說(shuō)，干熱巖是處于高溫高壓條件下，這與常溫常壓條件的巖石導(dǎo)熱系數(shù)是由明顯的區(qū)別。通過(guò)收集有關(guān)學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室高溫高壓條件下做出的巖石導(dǎo)熱系數(shù)，如石英巖、砂巖、花崗巖；本文選擇應(yīng)用較廣的導(dǎo)熱系數(shù)理論計(jì)算公式，并利用人工智能遺傳算法反演公式中的未知參數(shù)，確定適合不同巖石的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度、壓力的關(guān)系公式，為后續(xù)章節(jié)中的模擬計(jì)算提供理論依據(jù)。 通過(guò)考慮高溫高壓對(duì)熱物性參數(shù)影響的理論，本文修改和完善課題組研發(fā)的EGS-THM耦合模擬程序，并依據(jù)美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)Taron的二維理論算例和Desert Peak地?zé)崽锏墓こ痰刭|(zhì)資料，驗(yàn)證修正程序在EGS工程中的適用性及合理性，對(duì)比分析導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)的變化帶來(lái)的溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的改變，三場(chǎng)的耦合強(qiáng)度以及相應(yīng)的熱產(chǎn)出能力變化；模擬結(jié)果顯示導(dǎo)熱系數(shù)的變化對(duì)儲(chǔ)層的溫度場(chǎng)和位移有一定的影響，而對(duì)孔隙壓力基本沒(méi)有影響。在此基礎(chǔ)上，研究了巖石比熱容的變化對(duì)地下溫度、孔隙壓力的影響，發(fā)現(xiàn)比熱容越大，溫度下降的趨勢(shì)越明顯，而相應(yīng)的孔隙壓力越小。進(jìn)一步分析了注入量與注入壓力之間，以及不同布井方式與熱產(chǎn)出能力之間的關(guān)系。 根據(jù)松遼盆地的工程地質(zhì)條件，確定中國(guó)大陸地區(qū)第一個(gè)干熱巖靶區(qū)為松遼盆地北部地區(qū)的徐家圍子斷陷區(qū)。針對(duì)該干熱巖靶區(qū)，本文利用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，研究了高溫高壓條件下的巖石力學(xué)參數(shù)，確定了彈性模量、泊松比，并測(cè)試了巖石Biot系數(shù)及斷裂韌度；依據(jù)該地區(qū)實(shí)際工程地質(zhì)條件，確定了干熱巖目標(biāo)儲(chǔ)層及最優(yōu)的壓裂方案，并根據(jù)壓裂模擬結(jié)果和地層條件建立多場(chǎng)熱效應(yīng)耦合模型，利用改進(jìn)的EGS-THM程序分析儲(chǔ)層熱傳遞過(guò)程中的THM耦合作用，確定溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的時(shí)空演變規(guī)律，對(duì)該地區(qū)干熱巖儲(chǔ)層的能量轉(zhuǎn)換效率及發(fā)電能力進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析；在此基礎(chǔ)上，對(duì)比了儲(chǔ)層的屬性參數(shù)和開采參數(shù)的不確定性對(duì)耦合模型的影響，以及由此所帶來(lái)的開采溫度和發(fā)電量的變化。

  本文關(guān)鍵詞：巖石熱物性參數(shù)分析及多場(chǎng)熱效應(yīng)耦合模型研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。