地热能开发的多场耦合力学研究进展

 

随着矿产资源的枯竭，采矿活动正在向深层和寒冷地区推进，给当代地下尾矿处理带来了前所未有的挑战。因此，与正在出现的地理转变相关的一个关键问题是，温度配置范围的扩大将如何影响矿山回填作业的成本效益。为了解决知识差距，本研究进行了多物理场模拟，通过建立演化热多孔弹性框架来 复 制极端恶劣热环境中复杂的回填行为。我们的计算表明，在催化回填响应中的实质性非单调性的同时，复杂的THMC相互作用仍然可以为创新自适应操作解决方案提供独特的途径。因此，我们通过明智地利用跨多物理场耦合进行实际温度设置，探索了最佳的回填实践。我们的研究表明，由于热水收缩的普遍影响，无论放置温度如何，预先填充浅腔或冷腔通常都能长期提供优异的稳定性。此外，我们还证明，考虑到与高温相关的抑制热加压、增强的流体透射率和加速的强度增益，在炎热季节最大限度地提高回填能力也可能是大多数具有实际地热条件的地下矿山的理想方案。

 

 

 

 

本文旨在提出并分析一种新的耦合多物理场模型和解耦稳定有限元方法，用于闭环地热系统，该系统主要由地下换热管道网络组成，用于从地热储层中提取地热。新的数学模型考虑了两个不同流动区域之间的传热，即地热储层中的多孔介质流动和管道中的自由流动。达西定律和Navier-Stokes方程分别被认为控制着这两个区域的流动，而热方程与流动方程相结合，描述了这两个地区的传热。此外，在两个区域之间的界面上，考虑了四个物理有效的界面条件来描述闭环地热系统的温度和热通量的连续性以及无流体连通特征。在变分公式中，添加了一个带有惩罚参数的界面稳定项，以克服有限元离散化中界面条件可能引起的数值不稳定的困难。为了准确有效地求解所提出的模型，我们开发了一种稳定的解耦有限元方法，该方法不仅解耦了两个流动区域，还解耦了每个区域的热场和流场。证明了该方法的稳定性。提供了四个数值实验来证明所提出模型的适用性和数值方法的准确性。

 

 

 

本文构建了闭环地热系统的一阶和二阶隐式-显式方案，其中包括地热储层中达西方程多孔介质流与管道中Navier-Stokes方程自由流之间的传热。所构建的完全离散方案基于Li等人[“Navier-Stokes方程的新SAV压力校正方法：稳定性和误差分析”，Math.Comput.9141-167（2022）]提出的时间指数辅助变量法和空间有限元法。这些方案是线性的，并且是唯一可解的，不仅解耦了两个流动区域，还解耦了温度场，并且只需要在每个时间步长求解一系列常系数的线性微分方程。此外，我们严格证明了所构造的一阶和二阶方案是无条件稳定的，没有任何时间步长和稳定性参数限制。最后，通过一些数值模拟，包括收敛试验、方形腔内热对流的基准问题以及简化闭环地热系统中的传热，证明了所构建方案的可靠性和效率。

 

 

 

不断增加的矿井深度为获取高品位地热资源提供了前所未有的机会。通过在废弃尾矿放置前在采空区预先安装管道系统，采场耦合换热器（SCHE）因其优越的社会经济优势而受到越来越多的关注。然而，尽管人们广泛关注能源效率，但在热量产生过程中的系统稳定性通常被忽视。因此，本研究介绍了一种用于复 制实际SCHE操作的新型高保真模拟器。通过将非等温管流嵌入胶结尾矿的演化热孔隙力学框架中，仔细研究了不同生产环境下的出水温度和多物理场回填响应。我们的计算首次表明，在矿井回填中循环冷却液可以大大缓解压力的发展，这表明通过实施热交换器可以提高系统的稳定性。我们还证明，尽管针对更高品位的地热资源，优先考虑冷季运行，并在生产延迟的情况下对换热器进行预充，可以提高热生产率，但伴随的热压产生仍可能带来重大的过载风险。相反，虽然快速循环会降低最终利用温度，但快速散热确实可以提高地热系统的效率和稳定性。我们认为，这些新发现对于更好地将SCHE定位为实现深海资源混合利用的安全可持续途径具有关键意义。

 

 

 

 

 

在这项研究中，提出了新的分析解决方案，用于预测和优化通过多级水力压裂水平井双井（MHFWD）从理想化的单干热岩（HDR）或湿热岩（HWR）中提取能量（热和功率）。这些解决方案基于一个二维分析模型，该模型解释了通过在HDR/HWR系统的均匀几乎不透水的基质中完成的MHFWD的传热机制。采用拉普拉斯变换方法求解。对解进行数值和解析反演，以实时计算裂缝水出口温度和矩阵内的温度。研究中提出的分析解在其他地方没有提出。根据分析模型计算的流体出口和基质温度分布与商业模拟器的结果进行了验证。将导出的解析解进行整合，将热能转化为电能，并进行了敏感性研究，以调查某些参数的影响，如裂缝高度、数量、半间距、注入速率和注入温度。此外，该研究为预测、设计和优化由MHFWD刺激的EGS系统的热回收和电力生产提供了见解和指导。