（工程力学专业论文）高温岩体地热开发的固流热多场耦合与数值仿真.pdf

a 原j ：! ! t 大学顾士研究生毕业论史 摘要 高温岩体地热是我国以至人类尚未大规模利用而又极具广 阔开发远景的新的洁净能源，对其进行开发利用的理论与技术都 属于新型领域的新型课题，已经吸引了大批的国内外科技工作者 的投入，并取得了一定的成采。 在前人研究的基础上，本文做了如下工作，获得了如下主要 成果： l 、建立了高温岩体地热圩发的块裂介质固、流、热多场耦合 数学模型，模型控制方程包括完全耦合的变形方程、渗流方程、 热传导与对流方程，描述了热储层的非线性特性。 2 、提出了高温岩体地热丌发的固、流、热多场耦合数学模型 的数值解法，其基本的求解策略是： 将崮体变形，流体渗流与温度场方程看成独立的子系统，耦 合迭代求解；利用有限元离散( g a l e r k i i q ) 方法将控制方程在几何 域上离散，并用差分法得到时间域上的离散方程，并在此基础 上，编制了相应的计算机源程序；有限元求解中，为减小边界效 应的影响，住i 算中采取粗细网格结合的方法，顺利地实现了高 温岩体地热丌发三维巨系统的数值仿真。 3 、认真地对腾冲高温岩体地热开发进行了数值模拟计算和 分析得出了地热开发过程中岩体应力、温度以及裂缝宽度随地 热提取的变化规律等重要结论： ( 1 ) 在高温岩体地热开发系统中，能量的运移、输送与水的流动主 要通过裂缝面发生，注入的低温水在流到生产井的过程中，发生 传导、划流、吸收圈岩热量，达到升温的目的。 ( 2 ) 在地热开采过程中，温度整体呈下降趋势，在生产井附近区域， 温度置对数规律变化y 一2 9 5 5 9 1 n ( x ) + 3 8 5 13 ，而在注水并附近 a 腺理工人学欢士删艽生毕业论史 区域，争线性蚬j ：j ! 变化，y 2 0 3 3 9x + 5 7 3 13 。 花，菏温岩体地热_ 川：发系统中，随j i ：采时删的延长，注入的低a 】i 水i t j 温度r t 高的速率逐渐碱小。 f 1 ) 如果把注入井与牛产井之间的距离分为三段，分别记为i ( 0 2 0 0 i i ) ，1 1 ( 2 0 0 5 0 0 m j ，1 1 1 ( 5 0 0 7 0 0 m ) ，温度在i 段会急骤 升高，到i i 段升高的速率会变得平缓，在i i i 段温度变化很小，几 甲趋于稳定。 ( 5 ) 高温岩体地热开发的水循环系统在一年后变的稳定，即从注 入井到生产井有固定的压力梯度维持系统的运行，而且在注入井 附近区域的压力梯度较大，达到4 3 o m p a k r n ，中间区域的压力 梯度仅为1 0 7 m p a k m 。 ( 6 ) 高温岩体地热片发中，裂缝面法向应力受温度变化的显著影 响，在系统开始运行的个月内，注入井附近区域其温度降低较 快形成低应力区：随开采时间的延长，其温度变化逐渐平缓， 而生产井附近区域温度降低加快，逐渐形成新的低应力区。 ( 7 ) 在高温岩体地热开发中，其裂缝宽度是随地热提取而逐渐加 宽的，在开始运行的一年内，宽度增长迅速，其增长率达到1 0 0 以上，然后变得平缓，到3 年后，变化很小，几乎趋于稳定。 ( 8 )在高温岩体地热开发中，其热能的提取是随开采时间的延长 而逐年降低的，且服从指数规律变化，y = 1 1 1 4 6 e 。0 “。可以为 设计电站的装机容量提供理论依据。 卜述结论可以埘地热开发| 殳计、以及开发过程中各个可能出 j 抛的问题做出l 卜确的判断为经济、合理、高效布置地热开发系 统、制u 最经济的开发模式奠定了理论基础，对高温岩体地热开 发决策、技术方案选择提供了理论基础及其方法，具有重要参考 价值。 关键词：固流热耦合数学模型数值模拟高温岩体地热开发 n e w ! c ld 原理工夫学7 曲 研究7 o 业论t a b s t t a c t do v o lo p i n c nlp r os 口 a n da lr o a dv o g yw or he r c u j a f1 ( 】r _ m 一，cr lh p 2 c f l c 【gy lk c ts ，bu t 【c rni q n nk i l l f l 1 b e 】o n g a n da 1r e adyh a y co b t a i l l s t l l d y b yo i lrp 1c d c cess0 1s owh e a to f 3 d o fc0 1 1 川e 1e 1y r e g a r hl e i l l th o d t huf o l lu w l l 3gr l l a inres u l t yf l e l ds c ol p 1t n gm a t he m a t lcsm o d e lf o i - b 1o c k e dm e d lu m inh d rt h ec o i i l _ ro 】e q u al io n c l j p le dd ，、r ( 1r n a iin n 、“i l nc l o n 、s ee a a g e o fh e a t w h lc i l h ed e t a i le dslr al e g ya n dm e ( h o dst os o l v et h is f l l o d c t h e l h eb a s jc d e f o r m a t l o n e q i _ l o ti0 1 2 n 【il ，d j fr ptp 1 1cp kw ，l e lh ee ( ，h t h o d ( g a a so l lu ws ： 、s ee p a g ee q u a tlon o n e q u a t io n o fh e a tas e q u al l o l 】 by c u u p ll 1 9 a 1 1 d i o ie q u a t io nlnc h eg e o m e t r vf ie ldb y e r k ir 1 ) ，。n ninth el i i l l ef ie db yl h e h s c k 】i 】 f o2 o n g n id y e g l r l u o j i 呲 i l l e i v 。 洲 _ ； d l l u 1 l 。 h k l v ， 蚴 o e f t _ 三 一 刚 一 哪 一 。 衙r p 0 l 虮 计 | 吾 蛐 a e 舱 耋 d d s 枷 f 一三 c t l o y t r c r a r c tx 、 eeh 妇理人学姐上如f 冗生毕牡论j c ；lrhih p 【n a j ( rv a r le t viu 1e 。ff o cki a sss 【1 ，ess j 1 1 c l 【jrewldl h de p e nd in gn i ：l he c h ll - xlr _ dcl lu f l i l ) in1 1 1eh f - l d ”y tnpk g e o ther m a le n e r g yexlra 。llon sys te l l l ，tr a t ls p o r t a t ：o no fo ner e ya n df 】o wo w a te ! “fik e 1 t ti i ly lhr n u z hlho1 1 1 ；l ( tur c ，thp 【( w r ltp m n e r “ll 1 ”? 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f 济f j j 挺日z i e 帕2 - 1 kf j = 】。精n ：j ，l ：荚幽，l i b k 资源就达6 gl l0 一k j ! 戈l l2 j f i i jn 汕的燃烧值，可见f 资源之丰富，足“前地热刀：发的发 j k 力川。 从地j l j 能r l , j 利用情况来彳写，目前只刑少数浅层地热能源进行 j 纾济川泵，全世界地热发j 乜装机容量达9 0 0 0 t i w 以上，卡要是 a 奠硎倍律寅等旧家。目前明于发电的人部分为高 2 0 0 的 地热水或_ 蒸汽。低温水多为直接利用，已有4 4 个圈家进行r 丌发利用。根据最近资料统训表明，令世界直接利用地热的设备 裂 【容帚为15 0 n 0 州，年节能相当于5 9 5 j0 。吨石油。欧洲、芙 、i 小等住这力做j 大量的上作， 找地热资源卡富，令世界地热能l 1 0 10 6 e j i a ，中围地热 资源潜力为lj 1o “e 。i ia ，占全球的7 9 。远景储量为i3 5 3 5 亿t 标h e 煤，探明储量为3 1 6 亿t 标准煤。我同每年一j 丁果地热 水资源为6 7 17 10 “m3 ，可利用热量9 6 22 8 l0 k 1 a 折合 标准煤3 2 8 3 3 8 10 4 t a 。我国目前地热水年开聚量约3 4 5 10 “m1 ， i 合标准煤1gl2 10 1t a 仅占采量的5 8 2 ， z i j 发利用的资源潜力很大，主要分布在减滇和台湾地区，h 前 舀一我凼正常运行的地热电站有西藏羊八井2 5 m w 和广东丰顺 “j 0 帅扩布r 乜i 。 从弘f 包l l _ t 斑，乖| j 1jt i i 、f 岛温地姒j 求解介质体内部的水的速度和介质体温度 场。强迫刈流引起水的速度的流动力则足作用在水 二的外界压力 砖异，因而水的速度不依赖于介质体的温度场。从运动学的观点 ，f _ ju j 以存热传递力程中把水的速度场当作已知函数给出。在高温 岩体地热开发系统，水的运动主要受注水井和生产井之间的压力 差所控制，而受温度变化引起的自由对流因素相对所起作用较 小，一般忽略不训，从而热传递方程和流体运动方程可以独立求 解。所以，在以下建立的热传递方程巾是仅考虑其强迫对流因 素，即从运动学观点假定水事先具有一定的已知速度，仅考虑其 速度所造成的热效应而并不追究其造成水流动的直接原因。 从能量守恒的观点出发，由于4 导作用控制体沿坐标轴方向 单位l 缸积上的热流量q 为： q = 一 。v 了1 ( 2 1 1 ) 由于流体运动而引起通过控制体沿坐标方向单位面积e 的热对 流量9 ，