CO_(2)基增强型地热系统中流体-花岗岩相互作用研究进展及展望

CO_(2)与水相比,膨胀性大、黏度低、与岩石反应程度低,并且在作为增强型地热系统(EGS)渗流传热流体时,比水具有更高的换热效率。对CO_(2)-EGS生产过程中储层岩石物性变化的研究具有重要意义,从理论研究、实验研究、数值模拟3个方面,对CO_(2)基增强型地热系统CO_(2)-EGS中流体-岩石相互作用的研究现状进行了总结,并且从矿物成分、微观孔结构和力学性质3个方面对储层岩石性质的变化进行了评价。结果表明,CO_(2)-水-岩石相互作用参与反应的矿物主要为石英、长石类;而沉淀的矿物为蒙脱石、伊利石及方解石等。CO_(2)-水-岩石相互作用会导致储层岩石的力学性质下降,孔隙结构特征改变。最后,讨论了CO_(2)作为EGS渗流传热流体仍需攻克的难点问题,包括:CO_(2)的热动力学特征、换热效率,CO_(2)-水-岩石的相互作用及其对储层性质的改变,影响CO_(2)-EGS经济性的因素,以及CO_(2)-EGS数值模型的研究等。针对这些方面的研究可为今后CO_(2)-EGS的开发奠定基础。

回注参数对增强型地热超临界CO_(2)循环热力性能的影响

采用超临界CO_(2)循环的增强型地热系统(enhanced geothermalsystems,EGS)是干热岩开发技术之一,回注参数决定了生产井口CO_(2)的压力和温度,进而影响循环的热力性能。基于青海共和盆地干热岩特性,建立井下换热模型,揭示井下沿程CO_(2)的压力、温度及相关热物性参数的变化规律,分析回注参数对CO_(2)-EGS循环热力性能的影响。结果表明:回注压力一定,增大过冷度,可提高生产井出口压力,进而提高净输出功率,且回注压力越大,增大过冷度对提高净输出功率的作用越明显。回注温度低于23.5℃时,净输出功率和发电效率随回注压力的升高先增加后降低;回注温度为20℃,回注压力为6.29MPa时系统的净输出功率最大,达3.17MW。

CO_(2)单井增强地热系统取热性能研究

为提高闭式单井系统取热性能,提出一种CO_(2)单井增强地热系统(CO_(2)-SEGS)。建立井筒流动换热和储层热−流−固耦合的数学模型,考虑CO_(2)可压缩性以及井纵向压力传递特性,对比分析了水和CO_(2)在SEGS中的取热性能,研究系统取热性能与封隔间距、井筒保温的关系。结果表明:(1)额定循环流量下,井口生产温度从134.09℃降低至116.06℃;CO_(2)在采出过程中降压膨胀做功,产生明显的温降效应,中心管井口温度比底部低约57℃。(2)井筒不同位置处CO_(2)的密度、热容差异很大,当循环流量小于50 kg/s时,依靠浮升力作用,SEGS可实现自主循环运行,无需额外泵功。(3)当水和CO_(2)的流量分别为15 kg/s和40 kg/s时,两者年均取热速率近似相等,CO_(2)的采出温度比水低约40℃,而压力损耗远小于水。(4)SEGS取热性能与封隔间距以及中心管保温性能呈正相关。研究结果可为SEGS系统的开发提供参考。

高温高压下超临界二氧化碳作用对花岗岩力学性质影响的试验研究

为了研究二氧化碳基增强型地热系统核心及邻近区域中超临界二氧化碳(ScCO_(2))作用对岩石力学性能的影响,设计了纯ScCO_(2)与干燥花岗岩作用,ScCO_(2)、水蒸气与干燥花岗岩作用,ScCO_(2)与在水中浸泡了24 h后的花岗岩作用3种试验条件,每种试验条件下均开展了210、240、270℃温度下的试验。对ScCO_(2)作用后的岩样以及一个未经处理的对比样先后开展纵波波速测试以及单轴压缩试验,获得了岩石的纵波波速、单轴抗压强度以及弹性模量。纵波波速试验结果表明,在上述3种试验条件下,花岗岩样的波速会都会发生一定程度的降低。单轴压缩试验结果表明,ScCO_(2)作用后的岩石单轴抗压强度及弹性模量都几乎没有受到影响,但是从破坏模式看,未经处理的岩石以张拉破坏为主,处理后的岩石以剪切破坏为主,并且随着温度的升高剪切破坏越明显。试验结果说明,在不存在水或者仅有微量水存在的情况下,ScCO_(2)的作用对岩石产生轻微损伤,岩样的刚性减弱、塑性增强,导致其纵波波速有少量的下降,但对力学强度的影响可以忽略。由此可见,在CO_(2)-EGS系统的核心及其邻近区域,CO_(2)的作用不会对花岗岩的力学性能产生显著影响。