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地热对井裂隙岩体中渗流传热过程数值模拟方法研究

陈必光  
【摘要】:地热能是一种极具潜力的清洁可持续能源,对井系统是深层地热能利用的基本形式,但同时深部地下岩体的各种物理过程具有高度的不均匀性和复杂性。裂隙岩体中渗流和传热过程的数值模拟是热储工程的重要手段,同时也可应用于核废料填埋等其它领域,其研究具有重要的现实意义和理论价值。本文就对井系统中裂隙岩体渗流和传热过程的数值模拟方法进行了系统的研究,包括裂隙水与岩石基质的热交换计算、裂隙岩体渗流和传热过程的特征及简化计算方法、无限域瞬态渗流问题数值模拟时的人工边界等,并应用本文所提出的数值模拟方法对假想地热对井系统进行了计算分析。论文具体的研究工作如下:1、比较分析了两种用于计算裂隙内流体和裂隙周围岩石基质之间热交换的计算假设,得到在对流换热系数较高时二者相同的结论。基于裂隙水与裂隙表面岩石基质温度相同的假设,在有限元软件COMSOL中实现了一种能计算裂隙渗流传热的裂隙单元并进行了验证。2、根据裂隙系统的几何参数与分布特点,编制了生成平面裂隙系统的Matlab软件代码,并导入到COMSOL中实现了对裂隙岩体采用离散裂隙模型的计算分析。采用该方法对裂隙岩体中渗流场与温度场的耦合作用进行了研究,揭示了裂隙岩体渗流传热的主要特征。3、提出了一种模拟裂隙岩体中渗流传热过程的裂隙连续模型,并且以单条裂隙和裂隙网络为研究对象对其应用于渗流问题和渗流传热耦合问题进行了研究。与离散裂隙模型的计算结果对比表明裂隙连续模型计算可靠并且效率较高,在模拟对井尺度问题和较复杂裂隙网络时具有优越性。4、基于一维问题和单井抽水问题的解析解提出了可用于一维和轴对称瞬态渗流问题数值模拟的人工边界。与无限元方法相比所提方法应用简便,可以直接以流量边界条件的形式施加,通过与解析解及复杂情况下较大尺寸有限元网格的计算结果比较,证明其效果良好。5、在对三维对井问题的二维简化进行比较讨论的基础上,应用本文提出的裂隙连续模型和渗流人工边界,对一含有对井系统的、随机生成的平面裂隙网络进行分析,实现了对井尺度上考虑裂隙分布的渗流传热过程分析,通过计算说明在了解储层结构的情况下,通过数值模拟可根据需求合理确定地热井的位置及开采策略。


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