裂缝型热储层渗流传热特性及多井开采寿命出力数值模拟

葛一洋; 郤保平; 刘克柳; 武雪晴; 迟嘉宁

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2507087

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (19) :8108-8118 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2507087

天文学、地球科学

裂缝型热储层渗流传热特性及多井开采寿命出力数值模拟

葛一洋 ¹^,² ,
郤保平 ¹^,²^,^* ,
刘克柳 ¹^,² ,
武雪晴 ¹^,² ,
迟嘉宁 ¹^,²

作者信息 +

Numerical Simulation of Seepage-heat Transfer Characteristics and Longevity and Output of Multi-well Exploitation in Fractured Geothermal Reservoir

GE Yi-yang ¹^,² ,
XI Bao-ping ¹^,²^,^* ,
LIU Ke-liu ¹^,² ,
WU Xue-qing ¹^,² ,
CHI Jia-ning ¹^,²

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摘要

针对增强型地热系统(enhanced geothermal system,EGS)因构建人工储层引发的地质灾害风险及地热储层稳定性问题,选取西藏羊八井地热田为背景,以天然裂缝型热储层开采为切入点,规避了构建人工储层所带来的问题;通过建立控制方程组,验证数学模型准确性以确保数值模拟精度,依据羊八井地质条件设定物理参数,依照ZK4001与ZK4002勘探井实测设置边界条件,构建三维裂缝型模拟热储层,运用数值模拟方法研究了地热开发中裂缝型热储层渗流传热动态变化,预测裂缝型地热储层的寿命与出力(即采热性能),提出了地热资源应用方案,讨论了井间距、注入流量与开采压力对出力的影响。结果表明,裂缝网络分布是影响地热提取效率的主要因素;裂缝型模拟热储层开采寿命约为50年,共提取地热能3.66×10¹⁰ MJ;多井开采系统采出温度存在明显的距离衰减效应,距离注入井越远的产热井采出高温的持续时间越长,注入流量及开采压力对地热系统寿命和出力影响显著。可见,研究结果可为深部地热资源开发性能研究提供理论依据,为地热资源高效可持续利用开采提供新思路。

Abstract

To address the geohazard disaster risks and geothermal reservoir stability posed by the construction of artificial reservoirs in enhanced geothermal systems (EGS), the Yangbajing geothermal field in Xizang was selected as the research context. Focusing on the exploitation of naturally fractured geothermal reservoirs the problems were avoided related to artificial reservoir creation. A system of governing equations was established, and the accuracy of the mathematical model was verified to ensure the precision of numerical simulation. Physical parameters were defined based on the geological conditions of Yangbajing, and boundary conditions were configured according to the actual measurements from exploration wells ZK4001 and ZK4002. A three-dimensional model of a fractured geothermal reservoir was constructed. Numerical simulation methods were employed to investigate the dynamics of seepage and heat transfer dynamics within the fractured reservoir during geothermal extraction. The reservoir’s lifespan and heat extraction performance were predicted, a resource application scheme was proposed, and the impacts of well spacing, injection flow rate, and production pressure on efficiency were examined. The results indicate that the fracture network distribution is identified as the primary factor affecting geothermal extraction efficiency. The production lifespan of the simulated fractured reservoir is approximately 50 years, with a total extracted geothermal energy of 3.66×10¹⁰ MJ. In the multi-well production system, a clear distance attenuation effect is observed in the produced fluid temperature, with production wells located farther from the injection well maintaining higher output temperatures for a longer duration. Furthermore, the injection flow rate and production pressure are demonstrated to have significant impacts on the lifespan and output of the geothermal system. It is provided a theoretical basis for deep geothermal resources development and offers new insights for the efficient and sustainable utilization.

Graphical abstract

关键词

裂缝型热储层 / 寿命和出力 / 渗流传热 / 多井模式 / 数值模拟

Key words

fractured geothermal reservoir / lifespan and output / seepage heat transfer / multi-well pattern / numerical simulation

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葛一洋, 郤保平, 刘克柳, 武雪晴, 迟嘉宁. 裂缝型热储层渗流传热特性及多井开采寿命出力数值模拟[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(19): 8108-8118 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507087

GE Yi-yang, XI Bao-ping, LIU Ke-liu, WU Xue-qing, CHI Jia-ning. Numerical Simulation of Seepage-heat Transfer Characteristics and Longevity and Output of Multi-well Exploitation in Fractured Geothermal Reservoir[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(19): 8108-8118 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507087

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地热能是清洁可再生能源,合理开发利用可推动能源转型^[1]。中国地热资源丰富,储量达1.17×10⁷ EJ,占全球总量的7.9%,开发潜力巨大,但深部地热资源因赋存条件复杂,面临开采技术难度大、采热成本高和利用率低等问题^[2]。

目前,增强型地热系统是深部地热开采的主流技术,中外学者围绕增强型地热系统(enhanced geothermal system,EGS)开展了大量研究。Ghassemi等^[3]以热力耦合为切入点研究了温度变化、孔隙压力变化及岩石弹性特性之间的相互作用,分析裂缝的变形、渗透率变化等关键问题;王曌龙^[4]构建裂隙网络的多孔介质模型,深入分析了流体与裂隙、岩体骨架之间的换热机制,丰富了地热能开采理论;魏菊艳等^[5]以高温气田为目标热储,构建热流固三场耦合模型,丰富了岩体热补偿作用理论并研究生产井数与系统采热性能的关系;王高升等^[6]构建了CO₂多级压裂EGS热流固耦合模型,分析了裂缝网络中的传热及热流固耦合过程,证明了裂缝在热储层渗流传热中的重要作用。然而,EGS系统的核心局限性在于需要构建人工储层;水力压裂的不可控性可能导致地层环境破坏,高压液体注入会导致地应力失衡,诱发小型地震,造成地下水资源污染风险^[7-10],这些问题严重制约了地热资源的安全可持续开发。

为此,围绕文献[11-12]提出的“断层模式(fault mode)干热岩地热开发”技术,聚焦于西藏羊八井地热田,研究多场耦合下的地热开发的寿命与出力,定量揭示羊八井地热储层在长周期开采下的温度衰减规律;提出适配羊八井高地温梯度的“发电+供暖”梯级利用优化方案,为该地区地热资源的高效、可持续开发提供了理论依据与数据支撑。

1 数学模型

1.1 控制方程

天然裂缝型热储层地热开采模拟的控制方程涵盖应变控制、质量守恒、能量守恒方程及裂缝网络渗透率控制方程。

1.1.1 应变控制方程

岩石体应变是热应变、有效应力及流体压力引发变形的综合结果,裂缝应变方程考虑法向和切向位移,体应变控制方程^[4]为

(1)ε_ij=$\frac{1}{2\mathit{G}}$σ_ij-$\left(\frac{1}{6\mathit{G}}-\frac{1}{9\mathit{K}}\right)$σ_kkδ_ij+$\frac{\mathit{\alpha }}{3\mathit{K}}$Δpδ_ij+$\frac{{\mathit{\alpha }}_{\mathrm{T}}\mathit{\Delta }\mathit{T}}{3}$δ_ij

式(1)中:ε_ij为应变张量分量;G为剪切模量,MPa;σ_ij为应力张量分量,MPa;K为岩体体积模量,GPa;σ_kk为应力不变量,MPa;δ_ij为Kronecker符号,i=j时δ_ij=1,i ≠ j时δ_ij=0;α为岩石的Biot系数;p为流体压力,MPa;α_T为岩石的热胀系数,K^-1;T为温度,℃。

裂缝可以视为由一对相邻表面构成,这两个表面之间存在法向位移和剪切位移。岩体裂缝的应变方程^[13]可以写为

(2)u_n=$\frac{\mathit{\sigma }\mathit{\text{'}}{}_{\mathrm{n}}}{{\mathit{C}}_{\mathrm{n}}}$, u_s=$\frac{\mathit{\sigma }\mathit{\text{'}}{}_{\mathrm{s}}}{{\mathit{C}}_{\mathrm{s}}}$

(3)σ'_n=σ_n-p, σ'_s=σ_s

式中:u_n、u_s分别为法向和切向位移,m;σ_n、σ_s分别为法向和切向应力,MPa;C_n、C_s分别为法向和切向刚度,GPa/m。

1.1.2 质量守恒方程

假设地热储层岩体骨架中流体流动符合达西定律,其质量平衡方程为^[4]

(4)$S \frac{\partial p}{\partial t}-\nabla \cdot\left(\frac{k}{\mu} \rho_{\mathrm{w}} \nabla p\right)=S K_{\mathrm{s}} \alpha_{\mathrm{T}} \frac{\partial T}{\partial t}-S K_{\mathrm{s}} \frac{\partial \varepsilon_{\mathrm{v}}}{\partial t}+Q_{m}$

(5)

式中:t为时间,s;ρ_w为流体密度,kg/m³;ϕ为孔隙率;ϕ₀为初始孔隙率;k为岩体渗透率,m²;μ为流体动力黏度,Pa·s;K_s为岩体基质模量,GPa;ε_v为岩石体应变;Q_m为流体质量源,kg/(m³·s);p₀为流体初始压力。

假设裂缝中的流体流动符合立方定律,则裂缝中的质量平衡方程^[4]为

(6)$d_{\mathrm{f}} \frac{\partial}{\partial t}\left(\rho_{\mathrm{w}} \varepsilon_{\mathrm{f}}\right)+\nabla_{\tau} \cdot\left(d_{\mathrm{f}} \rho_{\mathrm{w}} \boldsymbol{v}_{\tau}\right)=-d_{\mathrm{f}} \frac{\partial \varepsilon_{\mathrm{f}}}{\partial t}+Q_{\mathrm{f}}$

式(6)中:d_f为裂缝开度,mm;ε_f为裂缝的体积应变;v_τ为沿裂缝切向的渗流速度,m/s; $\nabla_{\tau}$为沿裂缝方向的微分算子;Q_f为裂缝中的流体质量源,kg/(m³·s)。

裂缝的渗透率主要受到应力变化的影响,其控制方程^[14]为

(7)k_f=k₀exp(-ασ'_n)

式(7)中:k_f为裂缝渗透率;k₀为σ'_n= 0时裂缝的渗透率。

1.1.3 能量守恒方程

在地热储层传热问题中,一般采用局部热非平衡描述岩体骨架与流体间的热交换,其中岩体骨架中的能量守恒方程^[4]为

(8)$\frac{\partial}{\partial t}\left(\rho_{\mathrm{s}} c_{\mathrm{s}} \Delta T_{\mathrm{s}}\right)=T_{\mathrm{s}} \alpha_{T} K \frac{\partial \varepsilon_{\mathrm{v}}}{\partial t}+\nabla \cdot\left(\lambda_{\mathrm{s}} \nabla T_{\mathrm{s}}\right)+Q_{T}$

裂缝中流体的传热和能量守恒方程为

(9)$d_{\mathrm{f}} \rho_{\mathrm{f}} c_{\mathrm{f}} \frac{\partial T_{\mathrm{f}}}{\partial t}+d_{\mathrm{f}} \rho_{\mathrm{f}} c_{\mathrm{f}} v_{\mathrm{f}} \nabla_{\tau} T_{\mathrm{f}}=\nabla_{\tau} \cdot\left(d_{\mathrm{f}} \lambda_{\mathrm{f}} \nabla_{\tau} T_{\mathrm{f}}\right)$

式中:λ为有效导热系数,W/(m·K);c_f为流体比定压热容,J/(kg·K);Q_T为热源项,W/m³。

1.2 数学模型验证

采用简化的贯通单裂缝模型^[13-14]进行验证,通过“一采一注”的开采方式实现地热能提取过程的模拟。地热储层内岩石基质与裂缝的温度分布可分别由解析公式描述。

岩石基质温度分布^[13-14]表达式为

(10)$\begin{aligned}T_{\mathrm{s}}= & T_{0}+\left(T_{\mathrm{in}}-T_{0}\right) \times \\& \operatorname{erfc}\left[|y|+\frac{\lambda_{\mathrm{s}} x}{2 d_{\mathrm{f}} \rho_{\mathrm{w}} c_{\mathrm{w}} v} \sqrt{\frac{\rho \operatorname{scs} v}{4 \lambda_{\mathrm{s}}(v t-x)}}\right]\end{aligned}$

裂缝温度分布表达式为

(11)$\begin{aligned}T_{\mathrm{f}}= & T_{0}+\left(T_{\mathrm{in}}-T_{0}\right) \operatorname{erfc}\left[\frac{\frac{\lambda_{\mathrm{s}} x}{\rho_{\mathrm{w}} c_{\mathrm{w}} d_{\mathrm{f}}}}{2 \sqrt{\frac{\lambda_{\mathrm{w}}}{\rho_{\mathrm{s}} c_{\mathrm{s}}(v t-x)}}}\right] \times \\& U\left(t-\frac{x}{v}\right)\end{aligned}$

式中:T_s、T_f分别为岩石基质和裂缝中的温度,℃;T₀为初始温度,℃;T_in为注入温度,℃;x、y为空间位置坐标;erfc为互补误差函数;U为单位步长函数。

模型验证选取含单裂缝的岩体骨架作为研究对象,构建100 m×100 m的计算区域,其物理参数如表1所示。

如图1所示为100 d提取期内的数值模拟结果与解析解的对比。图1(a)展示了沿裂缝3个特征位置的温度动态演变规律,图1(b)则给出岩石基质中沿裂缝分布方向,距裂缝10 m处4个监测点的温度变化过程。对比结果显示,数值解与解析解的最大误差为1.23%,证明所建立的数学模型具有较高精度,可用于后续地热能提取过程的模拟分析。

2 数值模拟方案

2.1 地质背景概况

羊八井地热田位于青藏高原腹地当雄-羊八井断陷盆地,该区域构造演化受印度板块与欧亚板块碰撞挤压影响,地质构造活跃,为地热资源的形成与富集提供了关键构造背景。

以羊八井地热田具有代表性的ZK4001井与ZK4002井为数值依据,参考两井的实测勘探数据^[14-16],将其作为数值模拟参数的基础,确保模型参数与实际地质条件的一致性。

结合ZK4001、ZK4002井的实测资料,羊八井地热田地温梯度可达 45 ℃/km,显著高于区域正常地温梯度,反映出深部热源对地热储层的补给特征。

据地质勘探显示^[11,15],地热储层中的剪切断裂带与滑动破碎带形成了错综复杂的裂缝系统;裂缝型热储系统直接受下部岩浆囊热源补给,为地热资源的高效开采提供了有利的储集与渗流条件。羊八井地热田具体地质构造特征如图2所示。

2.2 物理模型建立

综上所述,为了充分发挥天然裂缝型热储的优势,高效利用羊八井地热田的地热资源,选取深度2 000 m的天然裂缝型热储为研究对象,选定空间范围1 400 m×1 400 m×500 m构建三维裂缝型模拟热储层,如图3(a)所示。采用多井协同开采模式对地热储层进行开发,井间距L均为1 000 m,井筒半径R=0.5 m;对于目标地层,注入井深D_inj=300 m,产热井深度D_pro=400 m,布井模式如图3(b)所示。每四口井为一个基本开采单元(模拟区为单个开采单元,位于虚线框内)。在实际应用中可通过多个单元协同运行实现规模化采热。

如图4所示,选取模拟热储层中深度250 m处截面作为研究对象,布置4个监测点,与注入井距离D分别为293、1 065、796、1 371 m,按与注入井距离由近至远排列,实现对地热系统开采中流体渗流和温度变化参数的动态监测与分析。

2.3 边界条件设定

为了确保数值模拟能够真实反映羊八井地热田深部储层特性,数值模型依据羊八井地热田的实测情况。边界条件如下。

(1)温度场边界条件:ZK4001、ZK4002井的实测资料显示,井深1 500~2 000 m,实测井底温度可达220~250 ℃^[14-17],最高温度可达300 ℃以上,地温梯度为45 ℃/km^[11],为避免因高估热源温度而导致的开采出力虚高,取深度1 500 m时温度为220 ℃,并依据地温梯度设置模拟热储层温度,模拟温度与实测数据对比如图5所示。设置注入井注水温度为20 ℃。模型采用四周绝热边界条件,底部边界受深部热补给。

(2)应力场边界条件:地热储层在天然条件下受上覆岩层的垂向载荷与四周围岩的水平挤压作用,应力状态结合羊八井地区深部地层赋存特征与已有研究成果合理设定^[15-18]。确定垂直方向(z方向,上覆岩层应力)P_z=50 MPa,考虑区域构造差异对水平应力的影响,选取x、y方向的侧压系数分别为1.2 和0.8,得到P_x=60 MPa,P_y=40 MPa,底部给定辊支撑边界条件。具体应力场边界条件如图6所示。

(3)渗流场边界条件:假设地热储层模型内裂缝已经充满流体,设定储层初始水压为5 MPa,注入井与产热井通过固定压力驱动系统内水循环,模型四周边界为无流动边界。

2.4 网格无关性验证

借助COMSOL Multiphysics有限元数值模拟软件,对裂缝型模拟热储层求解,空间离散化过程采用非结构化网格,设置平均单元尺寸为140 m,既能精确刻画裂缝形态,又能兼顾计算效率。选用瞬态求解器,模拟热储层中的渗流场、压力场和温度场随时间动态演化过程。设定最小时间步长为1 d,相对容差设置为0.01,以确保数值迭代的收敛性与稳定性。

为了确保数值模拟结果的精确性,开展网格无关性分析。对比结果表明,当模型的最大网格尺寸为210 m,最小网格尺寸为39.2 m,且网格数量达到55 127时,模拟结果趋于稳定,实现计算精度与效率的平衡优化,后续模拟均采用该网格配置。

3 模拟结果分析与地热资源应用

3.1 地热储层压力和渗流演化规律

如图7所示为不同开采时间下地热储层中压力分布与流体渗流特征,可知,在开采初期(t=1年),随着高压水注入地热储层,形成了以注入井为中心的局部高压,并由注入井沿裂缝向四周扩散。图7中箭头表示流体渗流的速度和方向,其中裂缝和岩体骨架中的箭头分别表示流体在二者中的渗流情况,从密集程度可以明显看出,只有少数流体由于高压作用渗入岩体骨架,绝大多数流体会集中在渗透率更高的裂缝区域,证明裂缝是地热流体的主要储集空间与渗流通道,在地热开发中发挥关键作用。

如图8所示为监测点渗透率与孔隙压力的动态变化情况。数据表明,在开采初期(t=1 年),各监测点的孔隙压力分别为24.8、9.6、7.9、4.9 MPa,变化幅度为19.9 MPa,渗透率依次为2.32×10^-10、1.19×10^-10、1.19×10^-10、0.71×10^-10 m²,变化幅度为1.61×10^-10m²;压力作用导致了岩石变形,增大了裂缝开度,提升了渗流能力。距注入井越远,渗透率与孔隙压力的数值越小,体现出明显的距离衰减效应。在开采中期(t=20 年),监测点的孔隙压力分别为27.1、11.9、9.9、8.6 MPa,变化幅度收缩至8.5 MPa,渗透率分别提升至2.68×10^-10、1.4×10^-10、1.39×10^-10、1.18×10^-10m²,变化幅度降至1.5×10^-10 m²。地热储层孔隙压力和渗透率的变化幅度相较于开采初期有所减缓甚至趋于稳定,且渗透率变化趋势与孔隙压力变化趋势基本吻合。

3.2 地热储层温度变化规律

如图9呈现了地热储层在开采周期内的温度场动态演化过程。在开采初期,岩体骨架温度迅速下降,形成了以注入井为中心,沿裂缝网络呈椭圆形向四周扩散的低温区域。从t=10 年至t=40 年,产热井周围的岩石温度无显著变化,表明地热系统可维持稳定产热。根据图7(d)中温度分布情况可以明显看出,裂缝附近的低温区域扩散速率明显高于岩体骨架,且低温扩散方向与裂缝延伸方向一致,印证了高渗裂缝网络通过强化热对流过程,对地热储层换热效率起到重要作用。

如图10所示为各监测点的温度变化曲线。开采初期(t=1年),各监测点的温度分别为216.2、236.4、238.1、241.2 ℃,最大温差达25 ℃。其中距注入井最近的监测点1温度变化幅度显著高于监测点2、3、4,这是因为由注入井注入的低温流体在热对流的作用下,携带储层中的地热能,水温立即升高,导致周围岩体骨架的温度逐渐降低,而当流体向四周渗流时,其温度相较于刚进入地热储层时已大大提升,因此远离注入井的岩体骨架降温速率更低,与渗透率和孔隙压力相似,地热储层温度变化也呈现出明显的距离衰减效应,即注入井距离越近,温度下降速率越快,形成了以注入井为中心的局部低温区域。随着开采推进至中后期(t=40 年),距离效应进一步加剧,此时各监测点的温度分别降至72.8、146.4、163.7、197.5 ℃,最大温差达124.7 ℃。模拟得出的开采稳定期产出温度(>200 ℃)与羊八井地热井实际试采测试的高温特征相符。

3.3 裂缝型热储层开采寿命与出力分析

地热系统的寿命是指地热系统的服务年限,即提取资源量直至达到极限或枯竭的时间跨度;地热系统的出力是指地热开发系统在既定服务年限内,单位时间输出的热能功率,也称输出能力,这一指标决定了地面发电厂所允许的装机容量和供暖系统的供暖面积。

3.3.1 地热系统开采寿命分析

地热能虽为可再生能源,但过度开发会导致地热储层的热储量急剧下降,过度受损的热储量可能需要近百年时间才能从周围的高温岩层中得到补充^[19]。Rummel^[20]的研究明确了地热储层的保护性开发阈值:在稳定开采情况下,地热储层平均温度需维持在190 ℃以上;控制产出水温降幅不超过10%。当地热开发任一指标触及上述阈值时,应及时停止开采系统运行,避免资源枯竭。因此,科学规划开采周期是保障地热资源可持续利用的关键。通过“开采-恢复”结合的方法,可延长地热系统的开采寿命。

如图11所示为地热储层平均温度及产热井采出水温的变化曲线,整个生产周期可以划分为温度稳定阶段与温度下降阶段。从产出水温变化趋势来看,采出水温在0~30 年期间处于稳定阶段,产热井产出水温呈平缓下降趋势,t=30 年时降至225.8 ℃,此后进入快速下降阶段;地热储层温度的稳定阶段为0~10 年,该阶段储层中的平均温度保持在225 ℃以上;进入开采中期后,地热储层平均温度降幅明显,低温区域扩散速率加快。当t=50 年时采出水温已降至206.9 ℃,产热井产出温度降幅达到10%;储层平均温度降至192.3 ℃,仍然高于规定的190 ℃;根据Rummel等^[20]提出的地热系统开采标准,此时应停止地热开采,以保证地热资源的恢复效率,避免过度开发导致资源枯竭。

基于图10所示温度演化曲线及上述临界条件推算,裂缝型热储地热系统从启动至达到资源量提取极限的总时长约50年,该时长可定义为该系统在现有开采规模下的寿命,既保证了地热资源的高效开发,又为地热储层热量自然恢复预留了必要的空间。

3.3.2 地热系统开采出力分析

根据数值计算获得的产热井产出水温及采水量动态数据,可精确评估地热系统开采出力与提热量。计算公式为

(12)P_h=cq(T_out-T_inj)

(13)Q_e=${\int }_{0}^{\mathit{t}}$cq(T_out-T_inj)dt

式中:P_h为开采出力,kW;Q_e为提热量,MJ;c为流体比热容,J/(kg·K);q为流体质量流量,t/h;T_out和T_inj分别为产热井的产出温度和注入井的注入温度,℃。

如图12所示为地热资源开采效率变化曲线,地热系统的采热功率呈现出逐年递减的趋势。开采初期采热功率为24.2 MW,至开采第50年时已降至19.9 MW,降幅达17.8 %。当开采至第50年时,地热储层平均温度已降至190 ℃,此时地热储量大幅减少,后续开采效率将呈负指数下降。在50年开采周期内,该多井单元累计生产地热能达3.66×10¹⁰MJ,折合标准煤约125.4万吨。

3.4 裂缝型热储层地热资源应用

依据前文数值模拟结果显示,综合地热资源利用现状,裂缝型模拟热储层提取出的地热资源应坚持“梯级利用、场景适配”的核心原则,丰富研究中“资源提取”与“价值转化”的理论研究,发挥天然裂缝型热储层“高出力、长寿命”的开发优势。

在稳定开采期(0~30 年),采热井采出水温维持在225 ℃以上,采热功率稳定在22.1~24.2 MW,优先应用中高温地热发电技术,结合模拟开采规模,其可支撑5~8 MW装机容量小型电站,年发电量约4.38×10⁷ kWh,可满足羊八井镇30%用电需求。由于天然裂隙的渗透性更加稳定,可避免EGS储层发电系统的断热问题。

刘东义等^[21]通过研究的“群井联动”的地热供暖模式,大幅提高了地热资源的最大利用效率,提出了解决地热井密集、开发不均衡的问题的创新方式。在此研究基础上,为了进一步提高地热能利用效率,当进入开采温度下降期(30~50 年),采出温度降至206.9~226.8 ℃,不再适配高效发电需求时,仍能满足供暖需求,可通过“发电+供暖”梯级利用延长资源价值。

4 讨论

在数值模拟研究中发现,不同的工况(井间距、注入流量和开采压力)对裂缝型热储开采出力具有显著影响,需要对多井开采模式不同工况下的出力开展进一步分析。模拟工况主要涉及3个方面:设置井间距L分别为700、800、900、1 000、1 100、1 200 m;注入流量Q_w分别为80、100、120、140、160、180 m³/h;开采压力P_w分别为6.3、9.8、12.3、15.6、19.8 MPa,分析以上因素变化对地热系统出力的影响及其协同关系。

鉴于地热系统出力与产出温度直接相关,因此将基于产热井产出水温展开采热性能分析。对比不同工况下产热井产出水温变化特征,分析各影响因素对采热性能的影响机制。

由图13可知,不同井间距、注入流量与开采压力对产热井产出温度影响存在显著差异。三者中井间距对产出水温影响幅度最大,不同参数造成最大温差可达82.3 ℃,且呈现出“井间距越大,产出温度降幅越小”的规律;开采压力对产出水温的影响次之,不同参数下的最大温差为73.1 ℃;注入流量的影响最小,最大温差仅56.4 ℃,与开采压力相似,二者共同遵循“参数值越小,产出水温变化幅度越小”的规律。

从三者的影响幅度来看,井间距最大温差比开采压力高约 12.6%,较注入流量高近 46%,井间距波动对采热性能的影响最为显著,是优化多井开采系统的核心参数;从采热性能的长效作用看,井间距参数是可长期提升产出水温的核心条件,而开采压力与注入流量更多地影响短期温度稳定性,三者中井间距的数值波动对系统采热效率的调控效果也最显著,是多井开采优化中的关键参数。具体影响因素与数据变化情况如表2所示。

5 结论

以西藏羊八井地热田深部天然裂缝型热储为研究对象,基于ZK4001、ZK4002勘探井的实测地质与产能数据,构建了热-流-固多场耦合数值模型。在验证模型参数与工程实测数据具有良好一致性的基础上,系统揭示了该区域深部热储在50年全生命周期内的渗流传热演化机制与开采性能,主要结论如下。

(1)天然裂缝型热储层中,裂缝是地热流体的主要储集空间与渗流通道,在地热开采的物质运移与能量传递中发挥主导作用。开采初期,以注入井为中心的高压区域压力值迅速攀升至给定注入压力附近,高压区主要沿裂缝网络扩张;岩体骨架压力与渗透率随开采时间的变化呈正相关。

(2)低温流体与岩体骨架换热使地热储层温度显著下降,低温区域以注入井为起点,沿裂缝向产热井逐步扩散,裂缝走向是决定低温区域扩散的主导方向;产热井周围岩石温度相对稳定,保证了地热系统持续产热能力。

(3)裂缝型模拟热储层多井开采系统的寿命约为50年,共提取地热能3.66×10¹⁰ MJ。热提取量随开采时间呈负指数衰减规律,利用“间歇式开采”新模式,延长地热储层服务年限。

(4)井间距、注入流量与开采压力对地热系统产热性能的影响显著。多参数工况模拟表明,不同参数配置下地热储层的出力存在差异,其中三者参数变化引发的产出温度最大温差分别达82.3、56.4、73.1 ℃,最低温度较初始值降幅为38.6 %、29.4 %和35.2 %。井间距作为主要影响参数,其变化对产出温度的影响程度显著高于注入流量与开采压力,因此需结合具体应用场景要求合理选择参数。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

国家自然科学基金联合重点项目(U24A2089)

山西省自然科学基金(202303021211042)

山西省自然科学基金(202303011222006)

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2025-10-09	2026-07-08	2025-12-18
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2026-08-06

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