黃永輝 , 楊俊生 , 朱傳慶 , 孔彥龍

1)中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249;2)中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院, 北京 102249;3)中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京 100029

含水層儲熱系統(tǒng)是指將多余的能量(例如: 風(fēng)能/太陽能/工業(yè)余熱)轉(zhuǎn)化為熱水的形式存于地下含水層中的儲能技術(shù)(Tsang et al., 1981; 薛禹群等,1989)。含水層儲能具有儲量大、成本低、跨季節(jié)等優(yōu)勢, 可以彌補(bǔ)能源供需在時間/空間分布的不平衡, 能夠綜合利用多種可再生能源形式,減少對礦物燃料的依賴, 實現(xiàn)節(jié)能減排(汪集旸,2018)。

與傳統(tǒng)的水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)類似, 含水層儲熱系統(tǒng)通常以對井形式存在, 分為冷井和熱井。夏季通常作為儲熱季, 將溫度較低的地?zé)崴畯睦渚谐槌?通過剩余的太陽能、風(fēng)能或者工業(yè)余熱等外部熱源對地?zé)崴M(jìn)行加熱(Doughty et al., 1982), 加熱后的地?zé)崴僮⑷霟峋羞M(jìn)行存儲; 冬季為開采季, 再將溫度較高的地?zé)崴畯臒峋虚_采出來進(jìn)行供暖,換熱之后的尾水再回灌至冷井中, 至此完成一個儲熱-取熱循環(huán)周期(黃永輝等, 2020)。圖1是含水層儲熱的示意圖。

圖1 深部含水層高溫儲熱系統(tǒng)儲能/供能示意圖(修改自Kalles?e et al., 2019)Fig. 1 Basic principle of deep-ATES (modified from Kalles?e et al., 2019)

含水層儲熱系統(tǒng)按含水層深度分類: 可分為淺部含水層儲熱和深部含水層儲熱(Lee, 2010), 其中淺部含水層儲熱通常指將熱水存儲在500 m以淺的含水層中, 儲熱溫度一般＜50 ℃, 而深部含水層儲熱的含水層深度通常位于500～3000 m, 儲熱溫度通常 50～150 ℃(Drijver et al., 2012)。

淺部含水層儲熱研究較為廣泛, 我國最早于20世紀(jì)60年代即在上海等地區(qū)開展了“冬灌夏用”和“夏灌冬用”的淺層含水層蓄熱與制冷的相關(guān)實踐(馬捷等, 2004)。截至2017年, 世界范圍內(nèi)已建有2800余座淺部含水層儲熱系統(tǒng)(Fleuchaus et al.,2018)。近年來, 隨著能源需求日益增長, 深部地?zé)醿δ芗夹g(shù)受到了越來越多的關(guān)注, 關(guān)于深部地?zé)醿δ芗夹g(shù)的研究和工程實踐也越來越多。

目前世界范圍內(nèi)關(guān)于深部含水層儲能系統(tǒng)仍處于理論研究和示范工程階段(Wesselink et al., 2018)。德國寶馬公司和慕尼黑工業(yè)大學(xué)于2016年設(shè)計了一套深部含水層儲能系統(tǒng), 注水溫度可達(dá)130 ℃, 注入流量在280 m3/h, 含水層選在深度為500 m的石灰?guī)r層; 漢堡市政府已于2017年成功實驗利用垃圾焚燒場和污水處理廠的余熱, 將水加熱至80 ℃并存于地下 400～500 m 砂巖含水層中, 以實現(xiàn)為舊城區(qū)居民供暖。瑞士2017年計劃在首都伯爾尼地區(qū)將發(fā)電站的廢熱存儲在地下 500 m砂巖含水層, 以滿足冬季市區(qū)供暖。近年來, 國內(nèi)外不斷有政府間資助主導(dǎo)的大項目聚焦深部含水層儲熱技術(shù)。自2018年, 歐盟資助了地下儲熱項目 HEATSTORE(https://heatstore.eu/), 總投資達(dá)到 5000萬歐元, 共9個國家參與(包括德國、法國、荷蘭、瑞士、比利時、丹麥、冰島等), 項目為期5年(2018—2022年), 共資助6個地下儲熱示范項目, 其中包括3個深部含水層儲熱項目。另外美國國家科學(xué)基金會(NSF)資助的地下儲熱項目Geothermal Battery(Green et al., 2021),總投資 1000萬美元, 由猶他大學(xué)牽頭, 美國愛達(dá)荷國家實驗室聯(lián)合多家企業(yè)參與其中。美國地質(zhì)調(diào)查局于2018年資助的Reservoir Thermal Energy Storage項目聚焦于利用沉積盆地深部儲層開展儲熱蓄冷的示范工程建設(shè)我國在深部含水層儲能方向的研究開展較晚, 針對深部含水層儲能系統(tǒng)的實際工程或示范工程幾乎還是空白(張媛媛等, 2021)。

相比淺部含水層儲熱, 深部含水層儲熱具有如下優(yōu)勢: 1)儲熱溫度越高, 能量密度越大, 單位體積的經(jīng)濟(jì)回報率也更高; 2)深部含水層儲熱溫度通常大于 50 ℃, 用于供暖時可以避免使用熱泵進(jìn)行提溫, 極大節(jié)省了成本; 3)由于深部含水層儲熱的目標(biāo)儲層均在500 m以深, 可以避免污染淺部地下水(Burns et al., 2020)。

近年來, 國際上關(guān)于深部含水層儲能系統(tǒng)的研究集中在如何提升系統(tǒng)性能和儲能效率(Huang et al., 2021)。影響深部含水層儲熱系統(tǒng)的儲熱性能的關(guān)鍵因素之一是由于傳導(dǎo)和對流造成的熱損失。前人的研究確定了熱損失與含水層和注入流體特性的聯(lián)系(Kim et al., 2010; Schout et al., 2014), 同時在儲熱過程中, 由于密度差異流造成的自由對流是造成熱量損失的主要因素(Lee, 2010)。Schout et al.(2014)基于跨季節(jié)高溫含水層儲熱系統(tǒng)的浮力流與傳熱過程, 推導(dǎo)了儲熱效率與瑞利數(shù)(Rayleigh number)之間的解析解表達(dá)式, 闡釋了含水層滲透率、含水層厚度、儲熱流量、儲熱溫度和含水層初始溫度等參數(shù)為影響儲熱效率的重要因素。Collignon et al.(2020)和 Birdsell et al.(2021)進(jìn)一步研究了含水層滲透率影響儲熱效率和儲熱能力的機(jī)制, 并認(rèn)為較高的滲透率會降低儲熱效率, 而中低滲含水層在儲熱和取熱階段所允許的注入/開采的熱水量通常較小, 以避免造成巖石斷裂和破壞整個熱儲存的損失, 這樣大大影響了含水層的儲熱能力。因此, 在規(guī)劃深部含水層儲熱系統(tǒng)時, 需要對系統(tǒng)熱損失和儲熱能力之間的平衡進(jìn)行評估。

含水層儲熱項目的可行性由其投資成本、經(jīng)濟(jì)收益、系統(tǒng)性能及其對周邊環(huán)境影響所決定, 因此需要對深部含水層的水文地質(zhì)和物理特性以及地下水流動傳熱特性進(jìn)行精細(xì)化描述, 更重要的是正確評估真實儲熱能力和相關(guān)的熱損失或儲熱效率(Huang et al., 2021)。數(shù)值模擬方法, 作為一種高效而方便的定量化研究手段, 已經(jīng)成為國際范圍內(nèi)評估和優(yōu)化含水層儲熱項目的標(biāo)準(zhǔn)程序(O’Sullivan et al., 2000; Lee, 2010)。

本文結(jié)合我國北方典型地?zé)崽锾妓猁}巖熱儲的地?zé)岬刭|(zhì)概念模型, 利用數(shù)學(xué)模擬的方法, 評估了一組典型深部含水層儲熱系統(tǒng)的儲熱能力和儲熱效率。分析了關(guān)鍵儲層參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響, 本文的研究旨在為后續(xù)開展深部含水層儲熱系統(tǒng)工程的設(shè)計與優(yōu)化提供科學(xué)參考。

1 數(shù)值模擬方法

為了研究深部含水層儲熱系統(tǒng)中滲流傳熱的規(guī)律, 首先考慮描述多孔介質(zhì)中流體運移過程, 這里采用達(dá)西連續(xù)性方程作為控制方程:

其中Φ是孔隙度,ρl是流體密度,Q是源匯項,vl是流體流速, 可由達(dá)西定律予以描述:

其中K、μ分別對應(yīng)巖石的滲透率, 流體粘滯系數(shù),p是壓強(qiáng), g是重力加速度。

為了考慮高溫作用下傳熱過程, 考慮能量守恒方程作為控制方程以描述非等溫過程:

其中hl是液相的焓,λ是熱傳導(dǎo)系數(shù),Qheat是熱量的源匯項,Ht是系統(tǒng)中總的焓, 包括流體和巖石兩部分的貢獻(xiàn),

其中ρR是巖石的密度,CpR是巖石的比熱容。

本次數(shù)學(xué)模型的建立基于開源模擬軟件OpenGeoSys。實現(xiàn)傳熱-滲流多場耦合, 其中高溫流體的熱力性質(zhì)通過 IAPWS模型予以描述(http://www.iapws.org/)。耦合模型擬采用 Galerkin有限元法在空間上作離散, 用 Euler差分法在時間上離散, 基于全局隱式耦合算法, 用 Newton-Rapson方法處理耦合方程的非線性, 直接求解器SparseLU用于求解稀疏矩陣。

2 模型設(shè)定

本文針對我國北方典型地?zé)崽锾妓猁}巖熱儲建立了水-熱耦合3-D場地尺度地?zé)崮Ｐ汀５責(zé)岬刭|(zhì)概念模型的參數(shù)設(shè)定依據(jù)雄安新區(qū)牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锼E縣系霧迷山組的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行建立, 具體可參考Wang et al.(2021)中的描述。

模型長度設(shè)置為1000 m, 寬度為1000 m, 根據(jù)雄安新區(qū)牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽餆醿敯迓裆顬?00～1000 m(朱喜等, 2022), 假設(shè)模型頂部位于地下1000 m深處, 沿垂向厚度為 1000 m, 其中儲層厚度 600 m,深度設(shè)為1200～1800 m, 同時分別考慮200 m厚的上覆蓋層和200 m厚的基巖。為保證計算結(jié)果不受網(wǎng)格數(shù)量的影響, 對網(wǎng)格進(jìn)行加密, 直至獲得網(wǎng)格無關(guān)性計算結(jié)果。最終模型區(qū)域被剖分為約60 527個網(wǎng)格節(jié)點, 338 464個泰森多邊形網(wǎng)格, 同時網(wǎng)格在冷井和熱井處附近進(jìn)行局部加密, 如圖2所示。

圖2 3維模型示意圖與網(wǎng)格剖分Fig. 2 Schematic representation of the 3D model and the mesh discretization

模型的初始條件與邊界條件的設(shè)定: 假設(shè)地表溫度為0 ℃, 采用如下所示的溫度沿深度的分布函數(shù)來定義模型的初始溫度。

鑒于本研究對深度區(qū)間為-1000 m至-2000 m,初始溫度延深度的表達(dá)式可定義為:

(1) -1000 m至-1200 m的蓋層溫度可表示為:

(2) -1200 m至-1800 m的儲層溫度可表示為:

(3) -1800 m至-2000 m的基巖溫度可表示為:

Z是儲層深度(m),即儲層內(nèi)溫度梯度為5.0 ℃·km-1, 在上覆蓋層和基巖中, 地溫梯度較之更大, 為 50.0 ℃·km-1, 因此達(dá)到儲層頂部地層溫度為50 ℃。地溫梯度數(shù)據(jù)依據(jù)牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽飳嶋H地溫梯度數(shù)據(jù)設(shè)定, 具體參考文獻(xiàn)王朱亭等(2019)。

在模型的底部, 采用恒定的基礎(chǔ)熱流值63.8 mW/m-2(馬峰等, 2020; Wang et al., 2021)。儲層初始壓力在深度方向假設(shè)遵循靜水壓力分布。針對邊界條件, 垂直邊界距離注入井較遠(yuǎn), 因此在側(cè)邊界設(shè)定零熱通量和質(zhì)量通量的邊界條件。

在本研究中, 針對深部含水層儲熱模型, 假設(shè)一個儲熱-取熱周期為一年, 其中儲熱時間為4個月,緊接2個月的靜置時間, 之后是4個月的取熱時間,再緊接2個月的靜置時間。

依據(jù)雄安新區(qū)牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽锏責(zé)峋膶嶋H流量數(shù)據(jù), 假設(shè)熱井的注入流量和開采流量保持在一個恒定值, 為120 m3/h, 其中儲熱溫度維持在95 ℃以避免發(fā)生相變, 通過數(shù)值模型計算出熱井的開采溫度。冷井的開采和回灌流量也分別設(shè)定為120 m3/h, 回灌溫度假設(shè)為25 ℃。最后, 熱井和冷井的平面坐標(biāo)分別為(350, 500)、(650, 500)。

在模型中進(jìn)一步考慮到地?zé)崃黧w參數(shù)性質(zhì)隨溫壓的變化規(guī)律, 即地?zé)崃黧w的密度ρf和粘滯系數(shù)在模型中考慮為隨著溫度和壓力的變化而變化的函數(shù)。流體密度與溫度、壓力的關(guān)系如圖3所示。

圖3 流體密度和粘滯系數(shù)隨溫度、壓力變化的關(guān)系Fig. 3 Water density (top) and viscosity (bottom) as a fraction of pressure and temperature

模型的其他輸入?yún)?shù)已總結(jié)在表1中, 模型參數(shù)參考文獻(xiàn)Wang et al.(2021)。

作為參照對比, 同時考慮一個傳統(tǒng)的水熱型對井采灌模型, 假設(shè)一個采灌周期為一年, 開采期/回灌期為四個月, 剩余 9個月為靜置恢復(fù)期。其余水文地質(zhì)參數(shù)保持不變, 如表1所示。

表1 模型輸入?yún)?shù)Table 1 Model input parameters

3 模擬結(jié)果

3.1 溫度

由圖4可以看到, 在一個周期內(nèi), 熱井的溫度隨著開采過程逐漸降低, 但隨著循環(huán)周期的繼續(xù),開采井的最低溫度逐年在增加, 而在第 20年后逐漸穩(wěn)定。對于95 ℃的注水, 在第1個循環(huán)后, 生產(chǎn)井的溫度從95 ℃下降到了62 ℃, 大約20個循環(huán)后的生產(chǎn)井溫度從95 ℃下降到大約85 ℃。

圖4 深部含水層儲熱系統(tǒng)中熱井(開采井)溫度隨時間的演化過程Fig. 4 Temporal evolution of the temperature at the warm well in deep-ATES system

在最初的生產(chǎn)/注入周期中, 冷井生產(chǎn)階段結(jié)束時的溫度迅速下降, 而在暖井處迅速上升。在熱井周圍, 隨著每個循環(huán), 由于一部分注入的熱量沒有回收, 這使得熱井周圍的含水層逐漸變暖。由于溫度的升高, 在接下來的開采季, 恢復(fù)的溫度范圍縮小了。而在冷井中發(fā)生了類似的過程, 導(dǎo)致冷井周圍的儲層逐漸冷卻。正如之前的研究中觀察到的那樣, 這種局部變暖和冷卻會增加系統(tǒng)的熱回收效率。

圖5給出了傳統(tǒng)水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)中開采井溫度隨時間的變化過程, 由圖中可以看到, 在傳統(tǒng)的水熱型對井系統(tǒng)中, 開采井溫度隨著時間的推移在逐漸下降, 在50年的開采周期后, 開采井溫度下降了約 2.5 ℃, 這是由于回灌的冷水鋒面在運移過程中到達(dá)開采井附近, 發(fā)生了熱突破, 影響到了開采井的溫度。

圖5 水熱型對井地?zé)嵯到y(tǒng)中開采井溫度隨時間(50年)的演化過程Fig. 5 Temporal evolution of the temperature at the production wells in traditional hydro-thermal doublet system

圖6分別給出了第10年和50年開采期結(jié)束之后, 深部含水層儲熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)水熱型對井系統(tǒng)儲層中溫度場的分布。由圖可見, 在深部含水層儲熱系統(tǒng)中, 在熱井周圍形成了溫度增加的區(qū)域, 而在冷井周圍, 形成了溫度降低的區(qū)域。隨著系統(tǒng)持續(xù)運行, 增溫區(qū)域和降溫區(qū)域的面積在不斷擴(kuò)大。這表明熱井周圍儲層由于儲熱的作用持續(xù)的被加熱,而冷水回灌導(dǎo)致冷井周圍儲層溫度持續(xù)降低, 但從20年后, 受影響的區(qū)域范圍幾乎不再擴(kuò)大, 趨于穩(wěn)定, 這是由于熱井與冷井周圍溫度趨于穩(wěn)定, 如圖4所示。

圖6 深部含水層儲熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)水熱型對井系統(tǒng)的溫度場分布Fig. 6 Temperature distribution at the end of 50 years operation in deep-ATES system and traditional hydro-thermal doublet system

同時, 從圖6中可以看到, 傳統(tǒng)水熱對井采灌系統(tǒng)中, 由于冷水回灌, 在回灌井周圍形成了溫度降低的區(qū)域, 且隨時間增加冷水影響范圍越來越大,在50年采熱結(jié)束后, 冷水鋒面達(dá)到了開采井處, 發(fā)生了熱突破。由此可見, 深部含水層儲熱系統(tǒng)回灌冷水的影響范圍面積遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)水熱型尾水回灌造成的溫度下降區(qū)域面積。熱突破對系統(tǒng)壽命的影響在深部含水層儲熱系統(tǒng)中被大大減弱。采用深部含水層儲熱技術(shù)有助于熱田的可持續(xù)開采。

3.2 壓力

除了溫度變化, 儲熱、取熱過程中井底壓力的變化也是研究需要重點關(guān)注的內(nèi)容。因此需要進(jìn)一步研究熱井井底壓力隨時間的演化過程。如圖7所示, 在儲熱剛開始, 井底壓力迅速升高, 之后在整個儲熱期間, 壓力幾乎維持不變, 而在開采初期,與之相反, 井底壓力迅速下降, 在之后開采階段井底壓力幾乎維持不變。

圖7 熱井井底壓力隨時間的變化Fig. 7 Temporal evolution of the bottom hole pressre at the warm well in the deep-ATES system

3.3 儲熱性能和儲熱效率

接下來重點評估深部含水層儲熱系統(tǒng)的熱性能和儲熱效率。根據(jù)定義, 儲熱效率η可以按如下公式進(jìn)行計算(Bloemendal and Hartog, 2018):

其中:Eprod和Einj分別是一個儲熱/取熱周期內(nèi)開采出來和儲進(jìn)去的熱量,tprod和tinj分別是開采時間和儲熱時間, 而Pprod和Pinj分別是一個儲熱/取熱周期內(nèi)開采和儲熱功率, 由下式定義:

其中Q是開采/注入流量,ρf是流體密度,Cf是流體的比熱容,是是含水層初始溫度。

從圖8中可以發(fā)現(xiàn), 系統(tǒng)的儲熱效率隨著時間/循環(huán)的累積而增加, 這是由于隨著儲熱的繼續(xù), 儲層在不斷的被加熱, 而注入流體溫度(即儲熱溫度)和儲層之間的溫差在不斷縮小。而且儲熱效率在第一個儲熱/取熱循環(huán)周期之后提升的最多, 而在第20年后, 儲熱效率趨于平衡。在本研究的模擬中,第一年的儲熱效率僅為 60%, 而在第二年提升到70%, 第 20年的時候, 儲熱效率可以達(dá)到 80%, 到第50年的時候, 儲熱效率接近85%。

圖8 深部含水層儲熱系統(tǒng)的儲熱效率隨時間變化Fig. 8 Temporal evolution of the energy recovery factor during the deep-ATES exploitation

深部含水層儲熱系統(tǒng), 在第一個開采季, 隨著開采溫度的降低(如圖9所示), 取熱量從 12.3 MW降低到11 MW, 但隨著時間繼續(xù), 儲層溫度在漸漸提升, 在第20年后, 年取熱量穩(wěn)定在12～12.3 MW。而隨著地層熱量的消耗, 以及回灌尾水熱突破造成開采井生產(chǎn)溫度的降低, 傳統(tǒng)水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)開采季的取熱量隨時間逐漸降低。

圖9 采暖季熱能提取功率的對比Fig. 9 Comparison of the thermal recovery power between deep-ATES system and traditional system

模擬結(jié)果表明: 在當(dāng)前模型參數(shù)設(shè)定的情形下,傳統(tǒng)的水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)(對井模式), 在50年的開采周期內(nèi), 年均可開采熱能為 10 MW。而深部含水層儲熱系統(tǒng), 在50年的開采周期內(nèi), 年均可以開采約12.2 MW。相比傳統(tǒng)的水熱型地?zé)嵯到y(tǒng), 在開采流量相同的條件下深部含水層儲熱系統(tǒng)的單井取熱量可以提升約20%。

4 參數(shù)分析

4.1 儲層滲透率

儲層滲透率是影響深部含水層儲熱系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。為了進(jìn)一步分析其影響, 本研究對比了兩組不同儲層滲透率: 1×10-14和1×10-13m2, 同時在模型中忽略地層的非均質(zhì)性和各向異性的影響。每組儲層滲透率下的儲熱效率和熱井溫度隨時間的變化繪制于圖10和11中。

圖10 不同儲層滲透率(1×10-14和1×10-13 m2)系統(tǒng)的儲熱效率對比Fig. 10 Comparison of the recovery factor of the system under different permeabilities(1×10-14 and 1×10-13 m2)

圖11 不同儲層滲透率(1×10-14和1×10-13 m2)系統(tǒng)的熱井溫度對比Fig. 11 Comparison of the hot well temperature of the system under different aquifer permeabilities(1×10-14 and 1×10-13 m2)

從圖10中可以看出: 當(dāng)儲層滲透率越高的時候, 系統(tǒng)的儲熱效率越低, 當(dāng)儲層滲透率從 1×10-14加到10-13m2時, 50年的運行后系統(tǒng)儲熱效率降低了 7%。同時, 從圖11中也可以看出, 儲層滲透率越高, 開采季中熱井的開采溫度越低, 當(dāng)儲層滲透率從10-14增加到10-13m2, 50年后開采溫度差別大于5 ℃, 這是因為地下水流速會隨著儲層的滲透性增加而增加, 這樣會增強(qiáng)地?zé)崃黧w與周圍巖體的熱對流, 導(dǎo)致熱損失增強(qiáng)。

但另一方面, 隨著儲層滲透率的增加, 井底累積壓力會降低, 如圖12所示。這往往允許更大的注入流量, 系統(tǒng)儲熱能力會得到提升; 同時由于井底累積壓力的降低, 流體注入所需消耗水泵的注入功率會降低, 也會降低運營成本。

圖12 不同儲層滲透率(1×10-14和1×10-13 m2)系統(tǒng)熱井的井底壓力對比Fig. 12 Comparison of the bottom hole pressures of the system under different permeabilities(1×10-14 and 1×10-13 m2)

因此, 在深部含水層儲熱系統(tǒng)中, 儲層滲透率的選擇, 往往需綜合考慮儲熱效率、儲熱能力和運營成本之間的平衡。

4.2 儲熱溫度

為了進(jìn)一步研究熱井的不同儲熱溫度對儲熱效率的影響, 本研究對比了兩組不同儲熱期的注入流體溫度: 125 ℃和95 ℃情形, 并將每組情形下的儲熱效率隨時間的變化繪制于圖13。

圖13 不同儲熱溫度(95 ℃和125 ℃)系統(tǒng)的儲熱效率Fig. 13 Recovery efficiency of systems with different thermal storage temperatures (95 ℃ and 125 ℃)

從圖中可以看出, 儲熱期的不同注入流體溫度對系統(tǒng)的儲熱效率有較大影響。隨著注入流體溫度的升高, 系統(tǒng)的儲熱效率反而降低。

這是因為一方面注入溫度越高, 注入流體與儲層巖體初始溫差就越大, 這樣增強(qiáng)了熱散失。另一方面, 隨著注入流體溫度的升高, 注入流體與地層原層流體的密度差以及流體的粘度均增加, 這使得浮力流的影響變得更強(qiáng), 更多的能量轉(zhuǎn)移到含水層的上部并留在上部, 熱對流導(dǎo)致的熱散失更明顯。

4.3 儲層初始溫度

為了進(jìn)一步研究儲層不同的初始溫度對儲熱效率的影響, 本研究對比了3組不同儲層初始溫度:40 ℃, 50 ℃和60 ℃情形, 并將每組情形下的儲熱效率隨時間的變化繪制于圖14。

圖14 儲層不同初始溫度(40 ℃、50 ℃和60 ℃)系統(tǒng)的儲熱效率Fig. 14 Recovery efficiency of systems with different initial temperature of the aquifer (40 ℃, 50 ℃ and 60 ℃)

從圖14可以看出, 儲層不同的初始溫度對系統(tǒng)的儲熱效率有影響, 但影響較為有限。隨著儲層初始溫度的提升, 系統(tǒng)的儲熱效率有略微上升的趨勢, 但不明顯。

5 討論

傳統(tǒng)的水熱型地?zé)嵯到y(tǒng), 對儲層地質(zhì)條件要求至少滿足三種條件: 1)儲層有足夠量的水; 2)儲層具有一定的孔滲性, 允許流體的開采和回灌; 3)儲層溫度要足夠高(Randolph and Saar, 2011; Tang et al.,2022)深部含水層儲熱系統(tǒng), 較水熱型地?zé)嵯到y(tǒng), 對地質(zhì)條件的要求較為寬松, 不需要要求儲層的溫度足夠高。采用深部含水層儲熱系統(tǒng), 可以對一些溫度不高的儲層進(jìn)行增強(qiáng), 使其滿足開采需求。但不可忽視的是, 深部含水層儲熱系統(tǒng)的運行需要建立在有足夠廉價的外部能源的基礎(chǔ)上, 例如棄風(fēng)、棄光或者工業(yè)余熱等(Fleuchaus et al., 2020)。

需要指出的是, 該研究目前尚存在較多局限性。首先本研究所建立的數(shù)值模型為理想模型, 未必能體現(xiàn)實際情況。其次由于獲取地?zé)嵯到y(tǒng)溫度場和流場的野外監(jiān)測資料難度大而缺乏詳實的觀測數(shù)據(jù), 同時還受到計算資源的限制, 計算模型及定解條件做了一定簡化。目前國內(nèi)外在深部含水層儲熱系統(tǒng)數(shù)值模擬研究領(lǐng)域中尚存在局限性, 通過數(shù)值模擬手段評估并預(yù)測地?zé)嵯到y(tǒng)的運行效率及可持續(xù)利用性時, 必須結(jié)合實際工程情況和地質(zhì)條件, 評估模型假設(shè)條件和簡化的合理性, 同時需驗證模擬結(jié)果的有效性。

6 結(jié)論

本文介紹了一種新的水熱型地?zé)豳Y源利用的方式: 深部含水層儲熱技術(shù)。本文通過數(shù)值模擬的方法, 初步估計了深部含水層儲熱系統(tǒng)的熱性能,并與傳統(tǒng)水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)的取熱性能進(jìn)行了對比。

通過數(shù)值模擬的結(jié)果表明, 深部含水層儲熱系統(tǒng)采熱量明顯高于傳統(tǒng)的水熱型對井取熱系統(tǒng)。通過提高溫度的方式, 可以提升單井供熱能力 20%。在50年的運行后系統(tǒng)儲熱效率可以達(dá)到85%, 能夠保證更高的地?zé)崮芴崛⌒? 同時, 深部含水層儲熱系統(tǒng)可以延長地?zé)峋畨勖? 避免回灌冷水造成熱突破, 實現(xiàn)可持續(xù)開采。

通過參數(shù)敏感性分析的方法發(fā)現(xiàn), 儲層滲透率和儲熱溫度等是影響儲熱能力和效率的關(guān)鍵參數(shù)。本研究為后續(xù)開展深部含水層儲熱系統(tǒng)工程的設(shè)計與優(yōu)化提供科學(xué)參考。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No. 41902311).