COMSOL 模拟储层岩石、裂缝和地热井的热-水-力耦合效应—来自TOP期刊《Energy》

2024-11-09 18:29 山东

大家好！今天给大家分享来自TOP期刊《Energy》的文章，大家快来学习一下吧。

受季节性开发和储存影响的地热双井对耦合热-水-力建模

Coupled thermo-hydro-mechanical modeling on geothermal doublet subject to seasonal exploitation and storage

1. 主要摘要

本研究探讨了将传统的高温含水层热能储存系统（ATES）与常见的地热储层开发系统相结合，以增加能源获取的潜力。研究定义了三个评估参数和三个评价标准，以评估具有季节性能源开发和储存的深层地热储层的可持续性和效率，并提出了一种优化开发参数的稳健方法。通过结合数值储层模型、实验设计和替代模型以及多响应优化方法，基于中国清华大学地热双井的案例研究，展示了所开发优化方法的稳健性和合理性。结果表明，最优开发参数不仅可以最大化总可回收能量和有效回收效率，而且还能符合深层地热储层的可持续开发要求。通过在地热储层开发中加入人工热储存，可回收热能可增加约20%，因此强烈建议在未来的地热储层开发系统中加入能源储存。

2. 引言

含水层热能储存（ATES）是连接季节性需求供应差距的关键解决方案，特别是在风能和太阳能等可再生能源领域。ATES可以将非供暖季节的多余热能储存起来，在供暖季节使用以满足热能需求。本研究旨在理解具有季节性能源开发和储存的深层地热储层中的耦合热-水-力（THM）过程，并评估自然参数（如裂缝开口）和开发参数（如流量和注入温度）对能源开发和储存效率的影响。

3. 主要内容

1.地热能开发和储存系统设计

研究提出了一种新型地热能开发和储存系统，该系统在夏冬季使用相同的井进行生产或注入，而不是反转泵的方向，以增加能源获取并节约钻井成本。定义了三个评估参数（热突破时间、水头、垂直位移）和三个评价标准（总可回收能量、储存能量、有效回收效率），确保地热能的可持续发展和有效储存。

2.耦合热-水-力建模方法

利用COMSOL Multiphysics软件，建立了集成地热储层模型，模拟了长期开发和储存地热能过程中的流体流动、热传递和机械变形过程。

模型考虑了储层岩石、裂缝和地热井的热-水-力耦合效应，以及它们之间的相互作用。

3.替代模型与多响应优化

采用Plackett-Burman设计方法，通过实验设计构建了地热储层性能与自然参数和开发参数之间的替代模型，并通过多元回归分析确定了影响地热储层响应的关键参数。

使用期望函数方法和遗传算法（GA）进行多响应优化分析，以最大化复合期望函数，寻找最优的开发参数。

4.案例研究与结果分析

以中国清华大学的地热双井为案例，展示了所开发优化方法的稳健性和合理性，并通过实际案例验证了模型的准确性和优化方法的有效性。

分析了自然参数和开发参数对地热储层性能的影响，并讨论了在不同渗透率条件下如何选择最优的开发参数。