工程科學學報

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深部礦產與地熱資源共采專刊序言

蔡美峰

2022, 44(10): 1621-1622. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.08.28.012

[摘要](307)

[HTML全文] (127)

[PDF 448KB](51)

摘要:

我國中深層地熱資源賦存特征、發展現狀及展望

曹銳, 多吉, 李玉彬, 蒙暉仁, 蔡永強

2022, 44(10): 1623-1631. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.07.003

[摘要](692)

[HTML全文] (627)

[PDF 767KB](174)

摘要:
地熱資源具有儲量大、能源利用效率高、運行成本低和節能減排等優點，是唯一不受天氣、季節變化影響的地球本土可再生清潔能源，對于實現雙碳目標有重要意義。為了解中深層地熱資源賦存特征和發展現狀，系統梳理了國外中深層高溫地熱資源的發展歷程和最新進展，并與我國中深層地熱資源開發情況進行對比分析，以期為我國中深層地熱資源開發利用提供借鑒和啟示。總體來講，我國傳統水熱型地熱資源潛力巨大且開發程度不高，具有很大的開發空間；針對我國地熱流體中伴生礦產資源的相關開發依然存在著稀有元素分布特征不清、潛力不明、整體開發利用程度不高等問題，應在評估地熱流體中伴生礦產資源潛力基礎上，進一步加強地熱流體中伴生礦產資源的綜合開發利用；隨著礦產資源開采深度的加大和高溫地熱帶周邊相關工程建設的開展，高溫熱害成為不可忽視的問題。但目前深部礦井和工程建設中“熱害資源化”的研究相對不足，造成了地熱資源的浪費，應在“熱害資源化”潛力評估的基礎上，進一步推動“礦?熱共采”及工程建設中的“熱害資源化”利用。

礦山地熱防控與利用研究進展

郭平業, 卜墨華, 張鵬, 何滿潮

2022, 44(10): 1632-1651. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.11.002

[摘要](696)

[HTML全文] (229)

[PDF 6310KB](60)

摘要:
從礦山地熱致災形式、熱害控制技術、熱能利用方法3個方面，對相關文獻進行歸納，總結已有研究成果。結果表明，礦山地熱的致災形式有加劇煤巖體性質劣化、誘發支護結構失效和導致高溫高濕環境三類，具體包括加劇圍巖變形破壞、誘發吸附瓦斯溢出、降低錨桿錨固強度、加劇錨護材料腐蝕、損害工人身心健康、降低工人工作效率和增加機械設備故障率七方面。熱害控制技術有非人工降溫技術和人工降溫技術兩種，其中非人工降溫技術分為熱源控制技術、熱濕環境調控技術和個體防護技術3類；根據制冷工質不同，可以將人工制冷降溫系統分成氣冷式、冰冷式和水冷式3大類，包括壓縮空氣制冷降溫、冰制冷降溫、地面集中制冷降溫、地面排熱井下集中降溫、回風排熱井下集中降溫、地面熱電聯產制冷降溫和熱害資源化利用等制冷系統。通過提取礦井水和礦井回風中的余熱用于礦區井口防凍、洗浴供暖和建筑物供暖，是目前礦山地熱利用的主要方法。而直接提取巷道圍巖熱能的同時實現礦井降溫是近年來的研究熱點，也是礦山地熱直接利用的關鍵；將地埋管換熱器布置在采空區充填材料或巷道圍巖內提取圍巖熱能、實現礦區多種清潔能源協同利用是未來礦山地熱利用的發展方向之一。

膠東地區礦產與地熱資源共采可行性淺析

劉敏, 毛景文, 蔣宗勝, 趙盼撈

2022, 44(10): 1652-1659. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.07.12.002

[摘要](314)

[HTML全文] (84)

[PDF 1718KB](39)

摘要:
地熱作為一種清潔環保的綠色能源，其有效利用是我國實現雙碳目標的重要方向之一。但在礦產資源開采，尤其是地下礦山向深部開發過程中，由于受地溫梯度影響，導致礦井溫度過高，成為制約礦山生產的重要因素，為維持正常生產，礦山多采取加強通風或人工降溫的方式進行處理。如何在礦山開發過程中將地熱資源變害為寶，實現資源開發利用的雙贏，是值得探討的難題。膠東是我國最大的黃金生產基地，也是我國東部地熱資源最為豐富的地區之一。該區地熱和礦產資源具有相似的動力來源和運輸通道，使二者在空間分布上具有高度重合性，諸多大型礦山不僅礦產資源儲量大，地熱資源也相當豐富，是最有望實現地熱與礦產資源共采的地區。在分析膠東地區地熱和礦產資源分布成因的基礎上，梳理了我國低溫地熱資源利用的現狀，認為膠東地區金礦資源埋藏和開采深度較大，建議對三山島、金青頂、新城、玲瓏金礦等利用相對成熟的低溫地熱供暖技術，治理礦山熱害的同時實現礦產與地熱資源的共采。

基于礦?熱共采的深部高溫巖層地下巷道硐室建造技術思考

陳湘生, 武賢龍, 包小華, 崔宏志, 宋朝陽, 劉志強

2022, 44(10): 1660-1668. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.12.006

[摘要](437)

[HTML全文] (210)

[PDF 3529KB](59)

摘要:
我國礦產開采逐漸向深部發展，深部礦產和地熱能共采是保障深部資源持續利用的重要手段。深部巷道硐室的建造面臨諸多新的挑戰與技術難題，高溫、高地應力是深部巖層的兩大特點。礦?熱共采模式的發展需首要尋找到應對這兩大難題的技術方案。在分析深部高溫巖層巷道硐室建造的戰略地位及意義的基礎之上，針對深部巷道硐室建造中面臨的熱害問題、圍巖穩定性控制問題總結介紹了現有的技術手段，說明了其在礦?熱共采模式下深部巷道硐室建造中面臨的不足之處，給出了未來的發展方向。礦?熱共采模式下深部巷道硐室的建造應著重解決高溫、高壓下巖石基本物理力學特性不清晰、圍巖穩定性控制技術落后的問題，形成地質精細勘察?優選圍巖降溫及穩定性控制技術?巷道硐室全壽命風險監控的技術體系。

礦產與地熱資源共采模式研究現狀及展望

蔡美峰, 馬明輝, 潘繼良, 席迅, 郭奇峰

2022, 44(10): 1669-1681. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.08.24.001

[摘要](580)

[HTML全文] (190)

[PDF 3192KB](103)

摘要:
地熱能作為一種綠色清潔且儲量巨大的可再生能源，在降低礦產資源深部開采成本方面具有顯著優勢和發展潛力。充分利用深部巖體中蘊藏的地熱能，不僅可以有效緩解礦產資源開采中的熱害難題，而且有利于促進我國能源產業的綠色低碳和可持續發展。在梳理當前可能伴生有地熱資源的礦產資源基礎上，對現有的礦?熱資源共采技術進行了回顧和總結，分析展望了未來礦?熱資源共采的新模式，介紹了基于鹵水循環系統的礦?熱資源共采、基于開挖技術的礦?熱資源共采、基于充填采礦法的礦?熱資源共采、基于溶浸采礦法的礦?熱資源共采和基于廢棄礦井再利用的礦?熱資源共采等技術方案，同時指出了礦?熱資源共采所面臨的主要挑戰，包括加強礦?熱共同賦存區勘探、發展深部高溫堅硬巖層破巖與掘進技術、加強深部多場耦合環境巖石力學理論與試驗研究、建立礦?熱資源共采熱能分級利用體系。相關研究成果旨在釋放礦產資源開采中的地熱能發展潛力并促進地熱資源的規模化利用，可為我國深部礦產資源開采和地熱資源開發提供有益的參考和借鑒。開展礦產與地熱資源共采戰略研究，有望為推進我國深部資源開發和實現“碳達峰、碳中和”的雙碳目標提供一條有效途徑。

深部礦山地熱與煤炭資源協同開發技術體系研究

張吉雄, 汪集暘, 周楠, 孔彥龍, 朱存利, 劉恒鳳

2022, 44(10): 1682-1693. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.05.07.005

[摘要](558)

[HTML全文] (297)

[PDF 9225KB](84)

摘要:
深部煤炭資源開采已勢在必行，但隨著開采深度的增加，伴生著熱能的釋放，該熱能作為地熱資源的重要組成部分，是一種不受環境因素影響的可再生清潔能源。深部礦井開采帶來的豐富地熱可作為共生資源進行開采利用。基于此，本文總結了深部礦井地熱資源的發展潛力以及地熱與煤炭資源開采的現狀，論述了深部礦井地熱開發的必要性和可行性，創新了地熱與煤炭資源協同開發的思路，闡述了礦山地熱與煤炭資源協同開發的內涵與科學問題，圍繞深部礦山巖熱和水熱資源開發這一主題，利用煤炭資源開采的采后空間及生產系統，提出了充填埋管采熱、采空區儲水采熱、采動區封閉采熱及深部原位鉆井采熱4種采熱方法，探討了深部礦山地熱探測評價、深部大空間煤基固廢吸熱功能材料、多場環境下采場巖層移動特征及其控制、低品位熱能的高效傳輸及階梯利用和協同開發系統智能監測等技術的研究重點與難點。研究成果將為中國深部礦山地熱與煤炭資源的協同開發提供技術支撐，為深部礦井資源系統開發提供理論與實踐參考，促進我國深部礦井綠色礦山建設與多元經濟型發展。

深地金屬礦流態化浸出過程強化與地熱協同共采的探索

王雷鳴, 羅衍闊, 尹升華, 周根茂, 廖文勝, 李召坤

2022, 44(10): 1694-1708. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.10.004

[摘要](534)

[HTML全文] (147)

[PDF 3669KB](67)

摘要:
立足深地金屬礦產資源開采，以當前鈾礦原位溶浸采礦工藝為基礎，結合“金屬礦流態化開采”和“深部地熱開發”的工藝技術特征，創新提出了深地金屬礦流態化浸出過程強化?地熱協同共采的工藝構想，探討了實現該工藝構想的思路架構、潛在方式并給出了初步設想，從礦物浸出、環境感知、過程控制、能量置換、協同關聯角度提出了關鍵系統，包括：致密固態礦產流態化系統、深地資源智慧感知系統、深地礦區溶浸液滲流控制系統、地熱?溶浸液能量置換系統、熱能置換?溶浸液循環耦聯系統共五個方面開展重點研討，系統分析了實現深地金屬礦流態化浸出?地熱協同共采過程中的基礎理論瓶頸、關鍵技術難題與未來發展趨向，相關研究旨在為深地金屬礦流態化浸出過程強化與地熱協同共采提供思路借鑒。

礦井通風熱濕提取與資源化利用方法

周福寶, 黃榮廷, 辛海會, 菅從光

2022, 44(10): 1709-1718. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.19.001

[摘要](414)

[HTML全文] (122)

[PDF 1189KB](63)

摘要:
礦井熱濕風流中儲存有大量低位熱能和水汽，導致井下工作環境惡劣，乏風直排造成了大量資源浪費。因此，礦井通風熱濕提取與資源化利用是解決深井熱害和礦井低碳轉型發展的重要途徑之一。受地面大氣狀態參數和井下熱濕源的影響，井巷熱濕風流參數隨時間變化，實時掌握井巷熱濕風流轉變特征是精準提取礦井風流中低位熱能的關鍵。本文基于熱濕風網實時解算，確定了礦井關鍵熱濕節點分布規律及變化特征；建立了冷凝熱濕提取計算模型，研發了熱濕風流低位冷凝余熱提用技術，形成了制冷–除濕聯合的低位熱能原位利用系統；提出了礦井乏風集中式和關鍵節點分布式熱濕提取與資源化利用方法，并對提熱收水效果進行了實例分析，為礦井低位熱能提取利用和熱害治理提供了理論基礎和建設思路。

深部礦井水平方螺旋形埋管充填體換熱器及其耦合熱泵系統性能研究

張波, 詹睿, 劉浪, 郇超, 趙玉嬌, 王美

2022, 44(10): 1719-1732. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.07.20.001

[摘要](466)

[HTML全文] (154)

[PDF 3079KB](52)

摘要:
深部礦井蘊藏著大量地熱資源，功能性充填體技術將深部采礦和深部地熱開采相結合，實現礦產和地熱資源開發共贏，是延長深部礦山壽命的重要舉措。本文在分析了國內外充填礦井通過埋管提取地熱資源現狀基礎上，提出了一種水平方螺旋形埋管充填體換熱器（Square-spiral-type backfill heat exchangers，S-S BHE）。考慮到地下水滲流對礦井埋管充填體換熱器（Backfill heat exchangers，BHE）取熱影響顯著但前期研究相對不足，利用COMSOL軟件建立了三維非穩態BHE熱滲耦合模型并驗證了其可靠性。在此基礎上，建立了埋管充填體換熱器耦合熱泵（Backfill heat exchangers coupled heat pump，BHECHP）數學模型及四個綜合評價指標。首先，在相同幾何條件和物理條件下，對比分析了S-S BHE與兩種典型蛇形BHE的性能，結果表明：S-S BHE的綜合評價指標均優于蛇形BHE，且在較高滲流條件下優勢更加顯著。其次，研究了管內流速、管間距、滲流速度和入口水溫對S-S BHE及其耦合熱泵特性的影響規律，研究發現：管內流速和滲流速度對綜合評價指標的影響最為顯著，管內流速越高，單位管長平均換熱功率越高，但制熱季節能效明顯降低。分析認為管內流速存在0.4～0.6 m·s^–1的最優區間，此時管內循環水流動處于從過渡區向旺盛湍流轉變。滲流速度在小于10^–6 m·s^–1時的影響可以忽略不計，在10^–6～10^–5 m·s^–1的常見滲流范圍內，綜合評價指標均呈線性遞增的趨勢。最后，對方螺旋形埋管充填體換熱器耦合熱泵（Square-spiral-type backfill heat exchangers coupled heat pump，S-S BHECHP）進行了生態評價。通過與傳統供暖方式對比發現：采用S-S BHECHP的供暖方式具有顯著的節能降碳效果，一次能源消費和碳排放量比蓄熱式電鍋爐、燃煤鍋爐和空氣源熱泵相應降低了83.39%、61.57%和56.84%。本研究結果展示了方螺旋形BHE和BHECHP的優良性能，為蓄熱儲能式功能性充填在深部礦井的應用與探索提供了理論指導。

我國深部高溫地層井巷建設發展路徑與關鍵技術分析

劉志強, 陳湘生, 宋朝陽, 程守業

2022, 44(10): 1733-1745. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.08.004

[摘要](418)

[HTML全文] (177)

[PDF 1036KB](51)

摘要:
深部礦產與地熱資源共采戰略為實現“礦?熱”經濟有效開發和實現雙贏提供了有效途徑，深部高溫地層井巷建設技術是“礦?熱共采”戰略安全高效實施的重要支撐和保障。分析了深部“礦?熱共采”戰略對井巷建設技術需求的必要性和迫切性，梳理了礦山井巷建設技術現狀和存在的不足，闡述了礦山井巷智能化建設方面的研究進展與發展路徑；剖析了深部高溫地層井巷建設面臨的難題與挑戰，提出了深部高溫地層井巷工程建造技術發展的三大優先發展任務：1）深部高溫地層井巷建設地質保障系統；2）深部高溫地層井巷建設模式與規劃；3）深部高溫地層井巷建設成套技術與裝備。結合三大優先發展任務，凝練出8項基礎理論與關鍵技術的發展方向：地層原位探識與透明化重構、高溫地層井巷建設工藝適宜性、高溫地層非爆破破巖、深井連續提升、深部不良地層改性與圍巖長期穩定性控制、深井熱害治理、井巷裝備智能感知、井巷掘進裝備智能控制。基于以上內容，初步構建了深部高溫地層井巷建設基礎理論與技術研究體系，以期為深部資源開采清潔化和地熱清潔能源規模化發展提供參考。

高溫花崗巖熱沖擊后力學特性及損傷演化規律研究

郭奇峰, 錢志海, 潘繼良, 席迅, 蔡美峰

2022, 44(10): 1746-1754. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.12.005

[摘要](429)

[HTML全文] (115)

[PDF 1945KB](56)

摘要:
在干熱型地熱資源開發過程中，高溫巖石面臨遇水冷卻引起的熱沖擊損傷問題。為了研究高溫花崗巖在熱沖擊作用后的力學特性和損傷演化規律，開展了25～600 ℃范圍內不同溫度熱沖擊作用下花崗巖試件的單軸壓縮試驗，獲得了熱沖擊花崗巖試件的應力?應變關系；提出了一種考慮初始熱沖擊損傷與加載期間試件微元破裂損傷相結合的熱?力耦合損傷本構模型，并對統計損傷本構模型的相關參數進行了理論求解；考慮熱沖擊損傷引起的孔隙結構劣化效應，引入壓密系數對熱沖擊花崗巖的本構關系進行了修正；通過試驗應力?應變曲線對模型的有效性進行了對比和驗證，討論了溫度水平對熱沖擊花崗巖單軸壓縮損傷演化規律的影響。研究結果表明，隨著熱沖擊溫度的升高，花崗巖試件的初始熱損傷不斷增大，應力?應變曲線具有明顯的非線性壓密階段；引入壓密系數修正的統計損傷本構模型能夠更加準確地表征熱沖擊花崗巖在初始加載階段的非線性壓密特征；在熱沖擊溫度較低時，損傷變量演化曲線上升較為陡峭，隨著熱沖擊溫度的升高，曲線上升速率逐漸變緩并由非線性向線性轉變。

化學浸泡作用下熱沖擊花崗巖物理特性與導熱性能演化機制

潘繼良, 郭奇峰, 任奮華, 張英, 武旭

2022, 44(10): 1755-1766. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.24.001

[摘要](407)

[HTML全文] (123)

[PDF 4985KB](38)

摘要:
為了研究化學浸泡作用下熱沖擊花崗巖物理特性與導熱性能演化特征，對25～600 ℃范圍內不同溫度熱沖擊作用后的花崗巖試件開展了長期的酸性和中性溶液浸泡試驗，結合超聲檢測、核磁共振測試、熱常數分析和掃描電鏡試驗，定量表征了熱化改性花崗巖試件物理參數隨熱沖擊溫度的演化規律，建立了各物理參數之間的內在關聯性，揭示了物理性質變化的微觀機制。研究結果表明：隨著熱沖擊溫度的升高，熱化改性試件的體積逐漸增大，質量和密度逐漸降低，縱波波速呈線性下降，孔隙率呈冪函數遞增，導熱系數和熱擴散系數分別呈指數下降和線性下降；相同熱沖擊溫度下，熱化改性試件的體積增長率、縱波波速和導熱系數由大到小依次為未浸泡>水浸泡>酸浸泡，質量降低率和孔隙率從高到低依次為酸浸泡>水浸泡>未浸泡；孔隙率增大和導熱性能劣化均伴有縱波波速的下降，可通過測量縱波波速對孔隙率和導熱性能進行估測；熱化改性試件的孔隙結構對150～450 ℃范圍內的溫度更為敏感，固體顆粒骨架對450 ℃以上溫度更為敏感，顆粒骨架的劣化又將進一步引起孔隙結構的演化；熱化改性作用引起的微觀孔隙結構發育和物相轉變是導致物理性質變化的本質原因，其中以高溫熱沖擊起主導作用，研究發現300 ℃可作為產生強烈熱沖擊的溫度閾值。

增強地熱系統研究現狀：挑戰與機遇

亢方超, 唐春安, 李迎春, 李天嬌, 門金龍

2022, 44(10): 1767-1777. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.07.004

[摘要](827)

[HTML全文] (519)

[PDF 1094KB](155)

摘要:
開發地熱資源，尤其是深部干熱巖地熱資源，是加快能源結構轉型，順利實現“雙碳”目標的重要途徑。增強地熱系統經歷了50余年的發展，在深部地熱資源開采方面取得了豐富的研究成果和施工經驗。回顧增強地熱系統的發展歷程，總結熱儲特征、儲層改造以及示范項目的終止原因，分析商業化面臨的挑戰，探討未來的探索方向和發展機遇，能夠有效服務我國深部地熱資源開發和示范項目的建設。在經歷研究和開發階段后，增強地熱系統進入示范和商業化的飛速發展階段，截至2021年末，世界累計的增強地熱系統數量已達41個，累計發電裝機量為37.41 MW；儲層地質條件的復雜性和差異性以及現有改造技術對儲層原位地質環境的依賴性，難以形成“可復制”的熱儲改造模式，由此導致的熱儲質量差等問題是制約增強地熱系統發展的主要原因；建立典型的干熱巖增強地熱系統示范項目或探索基于采礦技術的增強地熱系統，突破熱儲改造對原位地質條件的依賴性，形成“可復制”的深部地熱資源開采體系，是增強地熱系統未來的發展方向，也是實現深部地熱資源大規模商業化的關鍵出路。

多形態裂隙砂巖水力耦合破壞過程與增透機理試驗研究

張英, 郭奇峰, 席迅, 蔡美峰, 倫嘉云, 潘繼良

2022, 44(10): 1778-1788. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.07.04.004

[摘要](401)

[HTML全文] (102)

[PDF 2840KB](34)

摘要:
水力耦合激活巖石天然裂隙，誘導裂隙擴展形成復雜裂隙網絡，增加巖石滲透性是礦產地熱共采體系中的關鍵技術。本文通過預制含單裂隙、T型裂隙和Y型裂隙的砂巖試樣，進行三軸水力耦合試驗，研究多形態裂隙砂巖的關鍵閾值（閉合應力、起裂應力、損傷應力、峰值強度）、彈性模量、泊松比以及破壞模式等力學特性，同時開展裂隙漸進演化過程中聲發射和滲透率的演化規律研究，進一步分析水力耦合作用下裂隙巖石增透機理。結果表明：多形態預制裂隙砂巖試樣在水力耦合作用下，既有裂隙均通過拉伸、剪切或混合模式擴展形成次生裂紋，構成裂隙網絡，試樣滲透率顯著增加。單裂隙試樣的次生裂隙以剪切破壞為主，T型和Y型裂隙試樣的次生裂隙為剪切破壞和張拉-剪切破壞兩類。此外，多形態裂隙對試樣強度的影響大于水的弱化作用。隨著軸壓增大，巖石滲透率峰前階段先減小后增大，達到強度破壞時突跳增大。當試樣達到峰值后應力突然下降時，滲透率達到最大值，滲透率增透效果最好。預制裂隙角度和形態的變化對突跳系數的影響幅度較小，單裂隙的平均突跳系數值大于Y型裂隙大于T型裂隙。研究結果有助于理解裂隙破壞和流體流動行為，進而指導礦產地熱共采的工程。

雄安新區深部碳酸鹽巖熱儲強化增產試驗研究

馬峰, 王貴玲, 朱喜, 張薇, 黎楚童, 唐顯春, 余鳴瀟, 趙志宏, 楊睿月

2022, 44(10): 1789-1798. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.08.008

[摘要](502)

[HTML全文] (185)

[PDF 1732KB](58)

摘要:
碳酸鹽巖熱儲是我國水熱型地熱資源開發的主戰場，具有分布廣、厚度大、易回灌等特點。目前的利用僅局限于碳酸鹽巖熱儲頂部約200 m的強巖溶發育帶，由于深部碳酸鹽巖熱儲滲透性低、非均質性強，無法進行規模化開發利用。針對深部巨厚碳酸鹽巖熱儲高效開發技術難題，采用綜合測井與裂隙成像測井技術優選了目標增產層段，創新使用了水力噴射酸化壓裂熱儲改造技術，該技術具有定點起裂、有效封隔、熱儲深穿透、改造體積大等特點。以雄安新區揭露碳酸鹽巖熱儲層厚度最大的地熱井D22為代表開展了現場熱儲改造試驗，結果顯示，目標層段3024~3174 m涌水量由改造前的4.72 m³·h^?1增加到改造后的44.10 m³·h^?1，提高了8.3倍；單位涌水量由改造前的0.024 m3·(h·m)^?1增加到改造后的0.745 m3·(h·m)^?1，提高了30倍；儲層滲透系數由4.4×10^?3 m·d^?1提高到了146.3×10^?3 m·d^?1；井口水溫由改造前的60.0 ℃增加到66.5 ℃。試驗研究表明，可通過熱儲改造提高深部巨厚碳酸鹽巖熱儲的開發潛能。

深地熱開采熱能提取效率研究及對EGS-E的啟示

李迎春, 孫文明, 亢方超, 唐春安

2022, 44(10): 1799-1808. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2022.04.08.003

[摘要](453)

[HTML全文] (190)

[PDF 2932KB](79)

摘要:
深地熱資源因其儲量大、清潔、可持續等優點在近年受到廣泛關注。不同的深地熱開發系統具有不同的熱儲改造方式，而這些熱儲改造方式決定了其與流體工質的換熱效率及采熱量。通過COMSOL Multiphysics多場耦合軟件系統對比了高滲透率、貫穿裂隙（管道）、隨機裂隙和隨機裂隙+貫穿裂隙熱儲模型的熱能提取效率，研究了水力作用、熱力作用和熱儲裂縫間距對裂隙開度的影響。研究結果表明高滲透熱儲的熱能提取效率最高，其次是隨機裂隙熱儲，隨后是隨機裂隙+貫通裂隙熱儲，最小的是貫通裂隙（管道）熱儲。熱儲裂隙開度演化受基巖冷卻收縮和裂隙流體壓力的競爭影響。增加基巖的冷卻收縮和裂隙流體壓力均能提升總裂隙開度；但是當基巖冷卻收縮起主導作用時（熱力作用），系統的注入能力提升；而當裂隙流體壓力起主導作用時（水力作用），系統的注入能力降低。減小裂隙間距可以顯著增加裂隙的熱力作用開度和總開度。當裂隙間距減小到50 m時，熱力作用開度增加為水力作用開度的4.8倍。因此對EGS-E（基于開挖的增強型地熱系統）的主要啟示為：（1）通過優化爆破或水力壓裂等工藝參數，使崩落的干熱巖盡量破碎，形成高滲透率熱儲，可大幅增加熱交換面積，提高熱能提取效率和采熱量；（2）在EGS-E熱儲分層致裂中，應盡量減小層間距，進而增加熱儲的整體裂隙開度，達到提高換熱效率的目的。

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2022年第44卷第10期

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