論文題目：開挖型增強地熱系統相關的高溫巖體損傷和傳熱研究
摘要：地熱能是賦存于地球內部的一種儲量極其豐富的可再生清潔能源。地熱能,尤其是深層干熱巖地熱能的開發和利用,有可能成為解決未來能源危機的重要途徑。通常情況下,干熱巖的滲透性極差,需要采用工程技術手段進行熱儲改造后才能進行熱能提取。傳統以水力化為主的增強型地熱系統（Enhanced Geothermal System,簡稱EGS）雖然已經歷了近50年的發展,但仍未實現干熱巖地熱能的商業化開采,因此探尋新的干熱巖地熱能開采方法勢在必行。采礦技術經歷了近百年的發展,形成了適宜于深部施工的技術體系和裝備設施,可以在不同地質條件下實現礦產資源的安全開采?；诖?唐春安教授等提出了基于開挖的增強型地熱系統（Enhanced Geothermal System based on Excavation,簡稱EGS-E）,為深層地熱能的商業化開采提供了新的解決方案。本文在其概念能模型的基礎上,完善了工程結構和工藝流程,凝練了該方法所面臨的科學問題和工程難題,并圍繞其中的高溫巖體損傷和傳熱等問題,開展了高溫巖體物理力學性能、高溫巷道圍巖損傷機理及裂隙發育特征、高溫巷道風流溫度演化規律及隔熱措施、熱儲巖體裂隙開度演化機制和熱能提取效率等方面的研究,主要工作和研究成果如下:（1）在基于開挖的增強型地熱系統的概念模型基礎上,完善了工程結構和工藝流程,闡述了該方法在熱儲改造和熱能提取等方面優勢,凝練了深部高溫高壓環境可能面臨的關鍵科學問題以及亟需解決的工程技術難題,為后續相關研究工作的開展奠定了基礎。（2）針對基于開挖的增強型地熱系統的工程選址和工質選擇問題,采用實驗方法,對比研究了不同礦物顆粒分布特征的花崗巖在不同冷卻方式處理后的物理力學性質變化特征和裂隙演化規律,探討了礦物顆粒分布特征與冷卻方式對高溫花崗巖物理力學行為的影響。結果表明:礦物顆粒分布的不均衡性（CoefficientofVariationofmineral grain distribution,簡稱CV）對高溫花崗巖試樣的物理力學性能存在顯著影響:CV值越高,花崗巖對高溫處理的敏感性越強,出現裂隙的時間越早,裂隙的密度越高,高溫處理后物理力學性能的變化越顯著。隨著實驗溫度的升高,花崗巖試樣在加熱過程中會產生不可逆的損傷,造成其物理力學性質的改變,而冷卻處理進一步增強了這些損傷和改變。冷卻方式對高溫花崗巖的影響在溫度較低時并不明顯,隨著溫度的升高逐漸增強。液氮具有比水更好的冷沖擊效果和更強的造縫能力,該結果驗證了采用超低溫無水液體作為工質進行地熱儲層改造的合理性。對于溫度低于200℃的熱儲,花崗巖CV值和改造工質對熱儲改造效果的影響較小;當熱儲溫度達到400℃后,選擇CV值高的巖體熱儲或選擇液氮作為改造工質,可以獲得更好的熱儲改造效果。（3）針對基于開挖的增強型地熱系統的高溫巷道開挖問題,采用RFPA-Therma12D和COMSOL Multiphysics軟件,分別構建了熱-固耦合和熱-流耦合模型,研究了高溫巷道圍巖和風流溫度場演化規律、高溫圍巖損傷機理及裂隙演化特征,探討了隔熱層降溫機理及其敏感因素的作用機制。結果表明:受風流冷鋒的影響,巷道圍巖的不均勻降溫會誘發溫度應力,當其超過巖體的抗拉強度時,會導致巖體發生損傷,形成破壞單元;隨著通風時間的增加,破壞單元不斷增加,并逐漸聚集、連通,最終在巷道巖體內形成環向的等間距裂隙,降低圍巖的穩定性。隔熱層可以削弱低溫風流的溫度效應,推遲巖體損傷和裂隙萌生的時間,減少裂隙的數量與長度,同時降低巷道風流溫度,延長有效通風距離。隔熱層的隔熱效果與隔熱層參數、風流參數和圍巖溫度等因素密切相關;合理優化隔熱層和風流參數可以保障開挖法EGS-E高溫巷道的安全施工。增加隔熱層厚度和降低隔熱層導熱系數可以有效提升隔熱層的隔熱效果,減少巷道巖體的損傷,同時降低巷道風流溫度,延長有效通風距離;降低初始風流溫度和提高對流換熱系數雖然也能顯著降低巷道風流溫度和延長有效通風距離,但對巷道巖體溫度和應力分布以及巖體破壞的影響較小。有效通風距離的擬合公式可以幫助地熱工程師方便準確地進行不同圍巖溫度和不同工況條件下的高溫巷道隔熱設計,該結果為合理優化隔熱層和風流參數,預防高溫巖體損傷,保障高溫巷道的安全施工提供了有益幫助。（4）針對基于開挖的增強型地熱系統的熱儲改造問題,采用COMSOL Multiphysics軟件,構建了固-熱耦合和流-固-熱耦合模型,研究了熱儲巖體裂隙開度的演化規律,以及巖體冷卻收縮與裂隙流體壓力對裂隙開度的競爭作用機制,并探討了不同熱儲改造方式對熱能提取效率的影響。結果表明:熱儲裂隙開度演化受到基巖冷卻收縮和裂隙流體壓力的競爭影響作用。裂隙流體壓力在注入前期主導裂隙開度演化,隨著注入時間的增加,基巖冷卻收縮不斷增強,并在注入后期逐漸成為裂隙開度演化的主控因素;改變工程參數會影響這種競爭關系。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,系統的注入能力提升;而當裂隙流體壓力起主導作用時,系統的注入能力降低。通過增強技術在熱儲中生成隨機裂隙是提升熱能提取效率的最有效的方法;EGS-E可以選擇等間距爆破的方式,形成定制化的隨機裂隙網絡,從而獲得最優的熱能提取效率。研究結果進一步增強了對地熱系統運行過程中裂隙開度演化和熱能提取效率的認識,可以為地熱工程師在工程選址、熱儲改造和運行參數優化等方面提供一定的幫助。
關鍵詞：地熱開發;EGS;EGS-E;高溫巖體;高溫巷道;隔熱層;裂隙開度
學科專業：巖土工程
摘要
ABSTRACT
主要符號表
1 緒論
1.1 研究背景與意義
1.1.1 地熱能
1.1.2 增強型地熱系統
1.2 國內外相關工作研究進展
1.2.1 增強型地熱系統研究
1.2.2 高溫花崗巖物理力學性能研究
1.2.3 巷道溫度場和應力場演化規律及隔熱/保溫措施研究
1.2.4 熱儲巖體裂隙開度演化機理研究
1.3 本文主要研究思路
2 基于開挖的增強型地熱系統
2.1 工藝流程
2.2 工程結構
2.2.1 工程結構
2.2.2 運行原理
2.3 技術優勢
2.4 討論
2.4.1 經濟技術可行性
2.4.2 面臨的科學問題和工程難題
2.5 本章小結
3 高溫花崗巖物理力學性能和損傷機理研究
3.1 概述
3.2 實驗方法
3.2.1 試樣制備方法和流程
3.2.2 礦物成分和顆粒分布測試方法
3.2.3 單軸壓縮和聲發射實驗方法
3.2.4 巴西劈裂實驗方法
3.2.5 孔隙度測試方法
3.2.6 滲透系數測試方法
3.2.7 縱波波速測試方法
3.2.8 微觀裂隙觀測方法
3.2.9 CT掃描方法
3.2.10 其他物理特性測試方法
3.3 礦物顆粒對高溫花崗巖的影響
3.3.1 礦物顆粒分布特征對宏觀和微觀特征的影響
3.3.2 礦物顆粒分布特征對物理特性的影響
3.3.3 礦物顆粒分布特征對力學性能的影響
3.3.4 礦物顆粒分布特征對裂隙演化和試樣破壞模式的影響
3.3.5 礦物顆粒分布特征對聲發射特征的影響
3.3.6 巖石力學強度從增強轉為弱化的臨界溫度研究
3.3.7 礦物顆粒分布特征、巖石強度和實驗溫度的回歸分析
3.4 冷卻方式對高溫花崗巖的影響
3.4.1 冷卻方式對宏觀特征的影響
3.4.2 冷卻方式對物理特性的影響
3.4.3 冷卻方式對力學性能的影響
3.4.4 冷卻方式對微觀特征的影響
3.4.5 加熱和冷卻過程對花崗巖物理力學性質變化的貢獻分析
3.5 討論
3.5.1 礦物顆粒分布特征對花崗巖物理力學性質的影響
3.5.2 冷卻方式對花崗巖物理力學性質的影響
3.6 本章小結
4 高溫巷道圍巖損傷機理和隔熱降溫研究
4.1 概述
4.2 高溫巷道圍巖損傷機理研究
4.2.1 數值模型
4.2.2 高溫巷道圍巖溫度場及應力場分布規律
4.2.3 工程參數對圍巖溫度及應力分布的影響
4.2.4 高溫巷道圍巖損傷演化規律
4.2.5 工程參數對高溫巷道圍巖損傷的影響
4.3 高溫巷道風流溫度演化規律及隔熱降溫研究
4.3.1 數值模型
4.3.2 巷道溫度分布規律研究
4.3.3 風流溫度分布的影響因素
4.3.4 有效通風距離及其影響因素
4.3.5 有效通風距離回歸分析
4.4 討論
4.4.1 高溫巷道圍巖損傷演化
4.4.2 高溫巷道風流溫度場演化
4.5 本章小結
5 熱儲巖體裂隙開度演化機理與熱能提取效率研究
5.1 概述
5.2 基本假設和控制方程
5.2.1 基本假設
5.2.2 控制方程
5.3 熱儲巖體裂隙開度演化機理
5.3.1 模型描述
5.3.2 冷卻收縮和流體壓力對裂隙開度演化的競爭作用
5.3.3 裂隙幾何形態的影響
5.3.4 熱儲特性的影響
5.3.5 注入流體參數的影響
5.3.6 參數敏感性分析
5.4 熱儲改造方式對熱能提取效率的影響研究
5.4.1 數值模型
5.4.2 熱儲改造方式對熱儲溫度場演化規律的影響
5.4.3 熱儲改造方式對熱能提取效率的影響
5.4.4 注入流體溫度對熱能提取效率的影響
5.5 討論
5.6 本章小結
6 結論與展望
6.1 結論
6.2 創新點
6.3 展望
參考文獻
附錄A 二維隨機裂隙網絡代碼
致謝