Energy Reviews | 地热储集层热采多场耦合研究

文章题目：Research advances in multi-field coupling model for geothermal reservoir heat extraction

关键词：Coupled THMC process, Heat extraction, Geothermal reservoir, Operating parameters, Numerical codes, Geothermal energy

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970222000098

    中国工程院院士李根生教授团队在Energy Reviews发表文章“Research advances in multi-field coupling model for geothermal reservoir heat extraction”, 该文章详细分析了工质循环取热过程造成的储油层内部物理场和化学场的平衡状态扰乱，以及该过程涉及到的传热、流动、应力和化学反应的相互耦合情况，该成果揭示了地热开发过程中水库内部流动与传热的耦合机理，可以为地热资源的高效开发提供重要的理论支持。

01 内容简介

    1. Introduction (前言)

    2. Coupling mechanisms for geothermal multi-field coupling models (地热多场耦合模型的耦合机制)

    3. Geothermal multi-field coupling theoretical model （地热多场耦合理论模型）

    4. Geothermal multi-field coupling numerical simulation （地热多场耦合数值模型）        

        4.1. Tools for multi-field coupling modeling （多场耦合建模工具）

        4.2. Thermo-Hydro(TH) coupling model （热-水耦合模型）

        4.3. Thermo-Hydro-Mechanical(THM) coupling model （热-水-力耦合模型）

        4.4. Thermo-Hydro-Chemical(THC) coupling model (热-水-化学耦合模型)

        4.5. Thermo-Hydro-Mechanical-Chemical(THMC) coupling model (热-水-力-化学耦合模型)     

    5. Conclusion and outlook （结论和展望） 

02 内容亮点
    1、地热资源作为一种清洁的可再生能源，其生产和利用可以为优化能源结构、节能减排做出巨大贡献；

    2、工质循环取热过程会扰乱储油层内部物理场和化学场的平衡状态，涉及到传热、流动、应力和化学反应的相互耦合；

    3、地热开发过程中水库内部流动与传热的耦合机理，可以为地热资源的高效开发提供重要的理论支持；

    4、对多场耦合机理的准确认识、高效的跨尺度建模方法以及储层裂缝形态的准确描述是建立地热开采多场耦合模型的关键。

03 内容导读

    通过注水井注入工作液会破坏油藏内部的热平衡、化学平衡和应力平衡状态。由于温差的影响，工质与储集岩之间发生了热交换，从而改变了工质的密度、粘度等热物性。反过来，工质热物性的变化会影响储液器内的流动和换热过程。

    当注入的流体进入储集层时，它会改变储集层内部的孔压；同时，冷却流体的注入破坏了储集层内的热平衡，由于流体与岩石之间的温差，在储集层岩石中产生了额外的热应力。孔隙压力和附加温度应力的变化会改变岩石的有效应力状态，从而改变岩石的孔隙结构和裂缝形态，进而影响储层的流动和传热过程。总之油藏中的热开采过程是一个涉及热传递、流体流动、岩石应变和化学反应的相互作用的耦合过程。

    热-水-力耦合过程联轴器的热弹效应和孔弹效应可以提高油藏在开采初期的注水能力；但在开采后期，由于孔隙压力的稳定和岩石冷却引起的热应力降低，热弹性效应和孔弹性效应对储集层孔隙度和渗透率的影响逐渐减弱。然而，对于热-水-化学耦合过程，由于主要活性矿物方解石的溶解度随温度的降低而增加，矿物的溶解和沉淀对储层孔隙度和渗透率特征的影响贯穿于整个生产过程。与热-水-力耦合过程和热-水-化学耦合过程相比，在完全耦合的热-水-力-化学耦合过程中，流动能力随时间的增长显著增加。

04  重要结论和展望

    在地热系统的长期开发过程中，由于流体流动、应力变化、水-岩相互作用等因素的影响，会导致水库渗流能力的不断变化，导致水库内部的流动和取热机理变得复杂。由于地热开采的长期性特点，为了准确计算系统的热力性能，最好考虑储集层中的化学反应。目前初步揭示了水库热采出过程中涉及的多场耦合机理，以及各耦合过程对系统热采出性能的影响。

    针对多场耦合作用下的对流换热系数、岩石损伤、多相多组分传质机理的精确计算存在的挑战：

        (1)明确非达西流动效应和局部非热平衡效应的判别标准；

        (2)新的实验或研究方法应建立综合考虑裂缝形态和流体热物性变化的对流换热系数表达式；

        (3)分析了不同注水参数、储层物性、储集环境等条件下的岩石损伤机理，并通过实验、数值模型等手段分析了岩石损伤过程；

        (4)进一步探讨各矿物组分的反应机理及其与温度、压力、溶液离子浓度的相互作用机理，阐明不同岩性油藏的主要水岩反应过程。

    针对储集层真实裂缝网络的准确刻画和多尺度裂缝网络模型的高效计算存在的挑战，需要进一步开展以下研究：

        (1)探索储集层真实裂缝形态的刻画方法，实现准确的储集层建模；

        (2)分析和阐明流体在裂缝交叉处的流动和传热机理；

        (3)需要探索高效、准确的跨尺度建模方法。

    深化和提高对水库中多场耦合过程的认识，不仅有助于我们实现地热资源的高效开采，而且可以推动地下储热和碳储能的研究进展。这对世界能源开发利用具有重要意义。

作者简介：

     李根生，中国工程院院士，973项目首席科学家，油气资源与探测国家重点实验室主任。曾任中国石油大学（北京）副校长，第八届教育部科技委地学与资源学部副主任委员，中国机械工程学会常务理事流体工程分会主任委员，中国石油学会石油工程专业委员会副主任，北京能源协会、北京碳中和学会副理事长，《流体机械》第七届编委会主任，ASME Journal of Energy Resources Technology副主编等。

    一直从事油气钻井和完井工程理论与技术研究，我国油气钻井与完井工程专家。先后获国家科技奖励5项（其中国家技术发明二等奖2项、三等奖1项，国家科技进步二等奖2项），省部级科技进步一等奖10余项，共同出版中英文专著3部、教材1部，第一和通讯作者发表学术论文200余篇，授权中外发明专利20余件。

引用信息：

Gensheng Li, Jiayan Ji, Xianzhi Song, Yu Shi, Shuang Li, Zihao Song, Guofeng Song, Fuqiang Xu, “Research advances in multi-field coupling model for geothermal reservoir heat extraction”, Energy Reviews , 2022, 1, 100009.

Energy Reviews简介：

《Energy Reviews》是由深圳大学主办，联合 Elsevier出版集团创办的一本国际性、跨学科、高质量开放获取 (Open Access) 学术期刊，由谢和平院士担任创刊主编，美国工程院Derek Elsworth院士、中国科学院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大学倪萌教授担任联合主编。发表能源领域前沿方向、最新进展、发展趋势、权威观点等高质量学术文章，构建全球能源一流成果和一流学者的合作交流平台，向公众传播有影响力的能源领域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理论、新方法和新技术; 能源研究的多学科（材料、物理、化学、生物等）交叉融合探索技术; 化石能源低碳利用与CCUS; 氢能、可再生能源与储能先进技术; 新型能源转换方式探索与应用;  能源领域现代信息技术（人工智能，大数据）等相关方向的优质稿件。

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