增强型地热系统水热岩与电磁参数耦合响应研究

在干热岩勘探、开发、监测过程中，地球物理勘探和水文地质参数从不同角度、不同尺度分析、评价热储的位置、规模，查明裂隙的方向和大小，监测地下流体的分布和运移。研究水热岩参数变化引起的地球物理响应以及不同属性场的响应规律及其内在联系等问题是干热岩资源勘探评价过程中重要的基础科学问题。本课题分析总结了水热参数与电阻率参数的耦合关系，在此基础上，采用有限元方法计算电磁参数和水热岩参数的耦合响应规律和内在联系。同时，采用热传导方程模拟典型干热岩储层温度场的变化规律。最后结合青海共和盆地干热岩靶区实测数据，研究地球物理电磁响应与大地热流环境的对应变化关系，初步建立了多尺度、多参数联合水文地质—地球物理EGS评价方法技术。 本课题取得了如下主要研究成果：1）系统总结了温度、压力参数在干热岩储层中对储层物性参数的影响规律，不同条件下水热参数与地球物理物性参数的对应关系；2）采用多参数耦合方程建立了由孔隙度推导得到储层电导率随机介质等效模型。3）基于有限元热传导方程和大地电磁正演计算方法开展了温度—电阻率耦合的电磁响应计算以及温度场分布随时空变化分布规律。4）结合青海共和盆地干热岩储层热参数与大地热流的分布规律获得地热参数概念模型。基于非结构性节点有限元方法对研究区地温场数值模拟，模拟地温场与钻孔实测温度场值具有良好的一致性。上述研究为开展干热岩储层的预测评价提供了很好的技术指导。在将来的应用研究中，我们直接可以通过电阻率反演结果来估计得到大地热流和温度场的温度模型。采用热传导方程开展时移模拟计算，预测干热岩储层热流的发展变化规律，为干热岩储层勘探开发中多参数耦合和水文地质与地球物理探测结果联合提供了重要的理论依据，为指导干热岩的开发评价具有重要的指导意义。 2100433B

在增强型地热系统（Enhanced Geothermal Systems）勘探、开发、监测过程中，地球物理电磁方法通过储层的电性参数（电阻率，介电常数，电位势）差异，从宏观大尺度分析、评价热储的位置、规模，查明裂隙的方向和大小，监测地下流体的分布和运移。而渗透率（水）、温度、压力（热）、孔隙度（岩）等水文地质参数可以从微观小尺度直接指示地热储层的发育和变化情况。本课题从EGS储层水热岩参数与地球物理电磁参数的耦合关系出发，研究多场耦合响应规律。首先，分析总结参数耦合关系，基于多变量随机条件模拟建模方法和TOUGH2软件建立多参数时移耦合热储模型。在此基础上，开展高精度数值模拟计算，分析研究电磁参数和水热岩参数的耦合响应规律和内在联系。最后结合典型的干热岩靶区实测数据，初步建立多尺度、多参数联合水文地质—地球物理EGS评价方法技术，为更准确高效的开发利用地热资源提供必要的科学依据。

流固耦合传热紧耦合

Stokos、Hooper、Kazemi-Kamyab等开发了将流体及固体内所有物理过程进行瞬态紧耦合算法，能使计算结果与实验结果高度吻合。但是，该瞬态紧耦合计算需要消耗大量的计算资源，难以用于解决实际复杂工程问题。

根据问题的特征，有些研究者近似认为在计算时间内，某些参数的状态是不变的，进而直接将瞬态问题转化为稳态问题。对于绝大多说不能通过准稳态处理直接转化为稳态问题的瞬态问题，有些研究者主张保留耦合的非稳态特性，提出各部分分别进行瞬态求解,并通过边界条件、参数值及活动网格等方式进行实时信息交互的瞬态松耦合传热问题的求解。如 Bauman 和Kazemi-Kamyab等针对高超声速流中固体表面带辐射及烧蚀相变过程的流固耦合强制对流传热问题，提出将流体 Navier-Stokes 方程与固体导热、辐射及烧蚀相变过程分别进行瞬态求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，直至迭代收敛。Lohner 等针对飞机气弹分析中带固体形变的流固耦合传热问题，将流体 Navier-Stokes 方程及固体导热和应变方程分别求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，同时利用固体应变方程的计算结果修正流体耦合边界位置和速度边界条件，直至迭代收敛。

流固耦合传热松耦合

有些研究者提出了基于准稳态流场的松耦合算法，即近似认为在整个流固耦合传热过程中，流场处于若干个准稳态，每一个准稳态的流场都使用稳态 Navier-Stokes 方程求解。如 Kontinos结合二维边界单元法和高超声速计算流体力学( CFD) 算法的松耦合算法，分析了高超声速流与机翼前缘的耦合传热问题。Chen 和Zhang等交替进行稳态流场计算与固体烧蚀和瞬态导热的松耦合算法计算了带烧蚀的流固耦合传热问题。2100433B

已有的所有采暖通风空调系统都需要消耗大量的能源，甚至超过了房屋平均能源总需求的一半。而安装了地热系统后，能大大减少能源消耗，因为温度的起点改变了——原先要从0度加温到28度，只用从10度加热至28度了 。

"高效经济"、"节能节电"、"降低矿物燃料使用"、"省钱"……这些都是家用地热系统的最吸引人的标签。《大众机械师》10月刊中就为我们详细介绍了家用地热系统的工作原理、安装方法等指南。

"你不是在制造热能，而是转移热能。"美国罗拉多州地热安装人员吉-林奇的总结非常精辟。林奇所从事的地热安装主要是深入地壳就结霜线以下的位置——通常在10摄氏度左右，充分利用这里的热能来帮助家庭取暖和降温。

与太阳能、风能不同，地热能源的来源相对要稳定的多。Water Furnace设备制造商工程副总裁鲍勃-布朗称："大地是不会消失的。无论是取暖还是降温，地热能源都能提供非常稳定的支持。我们要做的就是在地下埋塑料管，灌入液体，你瞧，整个系统就已经轻松搞定了。"