📝 摘要

干热岩（HDR）地热资源因其潜力巨大、污染小，已成为全球关注的焦点。增强型地热系统（EGS）的热开采涉及复杂的多场耦合过程，研究热储层的时空演化具有重要意义。本研究建立了实用的数值模型来模拟 EGS 中的产热过程，并分析了热-水（TH）、热-水-力（THM）和热-水-力-化（THMC）耦合在热储层中的差异。结果表明，三种情况下的稳定生产阶段约为 5 年。然而，与 TH 和 THMC 耦合相比，THM 耦合的使用寿命分别减少了 1140 天和 332 天。力学增强效应被化学沉淀所抵消，SiO₂ 的沉淀量远大于方解石的溶解量。

🖥️ CMG软件应用情况总结

项目 内容
所用软件 • CMG STARS：热采及高级过程模拟器，用于验证 TOUGH2-EGS 程序的准确性。具体用于模拟垂直裂缝中的热驱替过程（heat sweep in a vertical fracture），并与 TOUGH2-EGS 结果进行对比验证（论文第7页，图6）。
主要用途 程序验证：作者使用 CMG STARS 作为基准参考，验证其自行开发的 TOUGH2-EGS 程序在模拟增强型地热系统多场耦合问题时的准确性。TOUGH2-EGS 的结果与 CMG STARS 结果非常接近，证明了该程序的有效性。
验证问题描述 模拟一个垂直裂缝，裂缝两侧为不渗透岩石（提供导热热源）。初始温度 300°C，从裂缝一侧以 3.75 kg/s 的速率注入 100°C 的水，另一侧生产（图5）。比较了两种情况：无围岩热传导和有围岩热传导时的生产温度。
验证结果 图6(a) 显示无围岩热传导时，TOUGH2-EGS 与 CMG STARS 的生产温度曲线非常吻合；图6(b) 显示有围岩热传导时，两者结果同样非常接近。
论文中其他软件 本研究主要使用作者自行开发/改进的 TOUGH2-EGS 程序进行 TH、THM 和 THMC 耦合模拟，该程序基于 TOUGH2 系列代码。CMG STARS 仅作为验证工具使用。

文中明确指出：

“Fakcharoenphol et al. (2013) used a non-isothermal commercial reservoir simulator of computer modeling group (CMG-STARS) to study this problem with high reliability, and this paper compares the simulation results with the CMG-STARS results.” （第7页，第2.3.3节）

“Fig. 6(a) shows the production temperature comparison without obtaining heat from surrounding rock between CMG-STARS and TOUGH2-EGS… It can be found that the results of TOUGH2-EGS are very close to those of the CMG-STARS.” （第7页，第2.3.3节）

🧪 模拟方案与主要结果

1. 模型建立与参数（第3节，表1-3，图7）

研究区域：中国松辽盆地北部（深度 3500-5200 m），岩性以流纹岩为主。

模型参数：

参数 值 参数 值
杨氏模量 14.4 GPa 岩石基质孔隙度 0.05
泊松比 0.2 岩石基质渗透率 3.2×10⁻¹⁶ m²
Biot 系数 1 裂缝孔隙度 0.1
线热膨胀系数 4.14×10⁻⁶ °C⁻¹ 裂缝渗透率 3.2×10⁻¹⁴ m²
岩石比热 1000 J/kg·°C 注入速率 8 kg/s
岩石密度 2600 kg/m³ 井底流压 33.25 MPa
岩石热导率 2 W/m·°C 初始温度 150-201°C

网格：主网格 6912 个，MINC 方法细分后共 15104 个子网格。

2. 温度场演化（第4.1节，图8-10）

耦合类型 30 年后生产温度（占初始温度比例） 稳定生产阶段 使用寿命（相对 TH 耦合） 关键结论
TH ~86% ~5 年 基准 最低温度下降
THM ~83% ~5 年 减少 1140 天 低温区扩展最快
THMC ~84% ~5 年 减少 332 天 低温区扩展快于 TH，慢于 THM

3. 孔隙度-渗透率演化（第4.2节，图11-14）

耦合类型 注入点孔隙度（初始 0.1） 注入点渗透率（初始 3.2×10⁻¹⁴ m²） 变化体积占比（孔隙度>10%） 关键结论
TH 无变化 无变化 0% 无力学和化学效应
THM ~0.13（增加 30%） ~7.52×10⁻¹⁴（增加 135%） ~8.8% 力学增强效应显著
THMC ~0.115（增加 15%） ~5.04×10⁻¹⁴（增加 57.5%） ~3.6% 化学沉淀抵消力学增强

4. 化学场演化（第4.3节，图15-17）

矿物 变化类型 体积分数变化 关键结论
方解石 溶解 减少 0.034% 溶解度随温度降低而增加
SiO₂（无定形） 沉淀 增加 0.08% 沉淀量远大于方解石溶解量
钠长石 沉淀 少量 贡献较小
其他矿物 变化 几乎为零 可忽略

关键结论：SiO₂ 的沉淀量远大于方解石的溶解量，这是导致 THMC 耦合下孔隙度和渗透率低于 THM 耦合的根本原因。

✅ 主要结论

  1. 稳定生产阶段：三种耦合情况下的稳定生产阶段均约为 5 年。此后，随着生产进行，出口温度持续下降。

  2. THM 耦合使用寿命最短：与 TH 和 THMC 耦合相比，THM 耦合的使用寿命分别减少了 1140 天和 332 天。同时考虑力学场和化学场时，低温区移动速度快于 TH 耦合，但慢于 THM 耦合。

  3. 孔隙度和渗透率变化：

    • 考虑温度、应力和化学反应影响时，整个裂缝区域的孔隙度和渗透率均有所升高。

    • THMC 耦合的孔隙度和渗透率分别约为 THM 耦合的 88% 和 67%。

    • 孔隙度变化超过 10% 或渗透率变化超过 30% 的储层体积分别占总裂缝区域的 3.6%（THMC）和 8.8%（THM）。

  4. 化学溶蚀与沉淀：

    • 方解石是溶解最多的矿物，体积分数减少 0.034%。

    • 无定形 SiO₂ 是沉淀最多的矿物，体积分数增加 0.08%。

    • SiO₂ 的沉淀量远大于方解石的溶解量，这是力学增强效应被化学沉淀抵消的原因。

  5. CMG STARS 的验证作用：本研究中，CMG STARS 作为商业热采模拟器的基准参考，成功验证了 TOUGH2-EGS 程序在模拟 EGS 热驱替问题时的准确性。两者结果高度吻合，增强了 TOUGH2-EGS 程序的可信度。

🏛️ 作者及单位信息

作者 单位
Shichao Chen (陈时超) 中国石油大学（华东），新能源学院
Bin Ding (丁斌) 中国石油大学（华东），新能源学院
Liang Gong (巩亮) 中国石油大学（华东），新能源学院
Zhaoqin Huang (黄朝琴) 中国石油大学（华东），石油工程学院
Bo Yu (宇波) 北京石油化工学院，深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室
Shuyu Sun (孙树瑜) 阿卜杜拉国王科技大学（KAUST），计算输运现象实验室

  • 期刊：Advances in Geo-Energy Research

  • 卷/期/页：Vol. 3(4), pp. 396-409

  • DOI：10.26804/ager.2019.04.07

  • 出版年份：2019 年

💡 补充说明

该论文是一项关于增强型地热系统（EGS）多场耦合数值模拟的比较研究，核心创新点在于：

  • 三种耦合方式的系统对比：首次在同一地质模型（松辽盆地）中系统比较了 TH、THM 和 THMC 三种耦合方式对 EGS 热开采性能的影响，定量给出了各耦合方式下生产温度、孔隙度、渗透率等关键参数的演化差异。

  • CMG STARS 的程序验证：将 CMG STARS 作为工业标准的商业热采模拟器，用于验证自行开发的 TOUGH2-EGS 程序的准确性。两者在垂直裂缝热驱替问题中的结果高度吻合，证明了 TOUGH2-EGS 程序的有效性。

  • 力学与化学的竞争机制：首次定量揭示了力学增强效应与化学沉淀抵消效应之间的竞争关系。THM 耦合下孔隙度和渗透率增加显著（+30% 和 +135%），而 THMC 耦合下由于 SiO₂ 沉淀（+0.08%），孔隙度和渗透率增加幅度降低至 +15% 和 +57.5%。

  • 矿物溶蚀/沉淀的定量分析：定量计算了各矿物（方解石、SiO₂、钠长石等）的体积分数变化，明确了 SiO₂ 沉淀是抵消力学增强效应的主导因素，而方解石溶解是主要溶解过程。

  • 实际地质数据的应用：模型基于松辽盆地北部实际工程地质数据和英深井区现场监测数据建立，使研究具有较强的实践指导意义。

该研究对从事增强型地热系统（EGS）、干热岩（HDR）地热能开发、多场耦合数值模拟、THMC 耦合过程以及地热储层评价的工程师和科研人员具有重要的参考价值。

case141

发表评论