井-岩结合的EGS热流耦合数值模拟

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2026.20240133

摘要/Abstract

摘要：

现有研究忽视了井-岩耦合过程及深井筒传热效应，难以准确评估增强型地热系统（EGS）在干热岩中的采热性能.为此，本文基于COMSOL（多物理场仿真软件）构建了井-岩结合的三维热流耦合模型，分析了各因素对EGS采热性能的影响.模拟结果表明，EGS的采热过程主要依赖裂隙和井筒换热，其中裂隙贡献73%，井筒的换热占27%；在一注一采模式下，注采井间距为500 m时采热效果最佳，出口温度可达145.5 ℃；增加注水流量可提升出口温度，但会缩短热储寿命.通过调整井布局、优化流动传热路径发现：一注一采布局寿命长且出口温度高，而一注四采模式能获得最高采热量，是一注一采的3.1倍.

关键词: 干热岩, 增强型地热系统, 热流耦合, 采热性能, 出口温度

Abstract:

Existing studies overlook the well-rock coupling process and deep wellbore heat transfer effects， making it difficult to accurately evaluate the heat extraction performance of enhanced geothermal system （EGS） in hot dry rock. To address this issue， a three-dimensional thermal flow coupling model for well-rock combination based on COMSOL was developed， and the impact of various factors on the heat extraction performance of the EGS was analyzed. The simulation results show that the heat extraction process of EGS primarily relies on heat transfer through fractures and wellbores， with heat exchange through fractures contributing 73% and that through wellbore accounting for 27%. In a single injection and production mode， the best heat extraction occurs at a 500 m spacing between wells， with an outlet temperature reaching 145.5 ℃. Increasing the injection flow rate raises the outlet temperature， but shortens the heat reservoir’s lifespan. Optimizing well layout and flow heat transfer paths reveals that the single injection and production layout has a longer lifespan and higher outlet temperature， while the single injection and four production mode achieves the highest heat extraction， 3.1 times that of the single injection and production.

Key words: hot dry rock, enhanced geothermal system, thermal flow coupling, heat extraction performance, outlet temperature

中图分类号:

TK 529

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图/表 13

图1 EGS几何模型（a）—EGS系统概念图；（b）—注采井示意图；（c）—EGS系统几何模型图.

Fig.1 Geometric model of EGS

表1 符号一览表

Table 1 List of symbols

符号	含义	单位	符号	含义	单位
$u s$	基质内达西速度	m/s	$ε s$	基质孔隙率
$u f$	裂隙内达西速度	m/s	$ε f$	裂隙孔隙率
$u h$	井内流动速度	m/s	$K s$	基质渗透率	m²
$ρ w$	采热工质密度	kg/m³	$K f$	裂隙渗透率	m²
$ρ s$	岩石基质密度	kg/m³	$d f$	裂隙开度	m
$μ w$	采热工质黏度	Pa·s	$A c$	井眼截面积	m²
$c w$	采热工质比热容	J/(kg·K)	$d h$	井直径	m
$c s$	岩石基质比热容	J/(kg·K)	$α$	地热扩散系数	m²/s
$ρ c p e f f$	有效体积热容	J/(kg·K)	$θ i n j$	注入温度	℃
$λ w$	采热工质导热系数	W/(m·K)	$θ h$	井筒温度	℃
$λ s$	岩石基质导热系数	W/(m·K)	$θ s$	基质温度	℃
$λ e f f$	有效体积导热系数	W/(m·K)	$θ f$	裂隙面温度	℃

表1 符号一览表

Table 1 List of symbols

符号	含义	单位	符号	含义	单位
$u s$	基质内达西速度	m/s	$ε s$	基质孔隙率
$u f$	裂隙内达西速度	m/s	$ε f$	裂隙孔隙率
$u h$	井内流动速度	m/s	$K s$	基质渗透率	m²
$ρ w$	采热工质密度	kg/m³	$K f$	裂隙渗透率	m²
$ρ s$	岩石基质密度	kg/m³	$d f$	裂隙开度	m
$μ w$	采热工质黏度	Pa·s	$A c$	井眼截面积	m²
$c w$	采热工质比热容	J/(kg·K)	$d h$	井直径	m
$c s$	岩石基质比热容	J/(kg·K)	$α$	地热扩散系数	m²/s
$ρ c p e f f$	有效体积热容	J/(kg·K)	$θ i n j$	注入温度	℃
$λ w$	采热工质导热系数	W/(m·K)	$θ h$	井筒温度	℃
$λ s$	岩石基质导热系数	W/(m·K)	$θ s$	基质温度	℃
$λ e f f$	有效体积导热系数	W/(m·K)	$θ f$	裂隙面温度	℃

图2 井-岩热流耦合关系

Fig.2 Relationship of well-rock thermal flow coupling

表2 参数设置

Table 2 Parameter setting

部件	参数	数值	单位	部件	参数	数值	单位
岩层	密度	2 700	kg/m³	地热井	注水流量	20	kg/s
	比热容	1 000	J/(kg·K)		井直径	0.3	m
	导热系数	3	W/(m·K)		注入温度	20	℃
	地表温度	20	℃		传热工质水
	孔隙度	0.05			井内壁面厚度	10	mm
	渗透率	2.9×10^-15	m²		注水井导热系数	40	W/(m·K)
裂隙	孔隙度	0.2			采出井导热系数	5	W/(m·K)
	渗透率^[17]	1×10^-10	m²
	裂隙开度	3	mm

图3 网格无关性验证

Fig.3 Grid independence verification

图4 模型验证（a）—不同时刻裂隙温度随位置变化；（b）—沿裂隙不同位置的温度随时间变化.

Fig.4 Model verification

图5 井所在截面与裂隙面温度云图（a），（e）—1 a；（b），（f）—10 a；（c），（g）—20 a；（d），（h）—40 a.

Fig.5 Temperature cloud map of well cross-section and fracture interface

图6 主要换热通道温度随时间变化

Fig.6 Variation of temperature of main heat exchange channels with time

图7 出口温度及采热率随井间距变化（a）—出口温度；（b）—采热率.

Fig.7 Variation of outlet temperature and heat extraction rate with well spacing

图8 出口温度及采热率随注水流量变化（a）—出口温度；（b）—采热率.

Fig.8 Variation of outlet temperature and heat extraction rate with injection flow rate

图9 井布置方案（a）— 一注两采；（b）— 一注三采；（c）— 一注四采.

Fig.9 Well layout options

图10 井所在截面与裂隙面40 a时温度云图（a）— 一注两采；（b）— 一注三采；（c）— 一注四采.

Fig.10 Temperature cloud map at 40 years for well cross-section and fracture interface

图11 出口温度及采热量随井布置方案变化（a）—出口温度；（b）—采热量

Fig.11 Variation of outlet temperature and heat extraction with well layout options

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