文章題目：Research advances in multi-field coupling model for geothermal reservoir heat extraction

關(guān)鍵詞：Coupled THMC process, Heat extraction, Geothermal reservoir, Operating parameters, Numerical codes, Geothermal energy

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970222000098

????中國(guó)工程院院士李根生教授團(tuán)隊(duì)在Energy Reviews發(fā)表文章“Research advances in multi-field coupling model for geothermal reservoir heat extraction”, 該文章詳細(xì)分析了工質(zhì)循環(huán)取熱過(guò)程造成的儲(chǔ)油層內(nèi)部物理場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)的平衡狀態(tài)擾亂，以及該過(guò)程涉及到的傳熱、流動(dòng)、應(yīng)力和化學(xué)反應(yīng)的相互耦合情況，該成果揭示了地?zé)衢_發(fā)過(guò)程中水庫(kù)內(nèi)部流動(dòng)與傳熱的耦合機(jī)理，可以為地?zé)豳Y源的高效開發(fā)提供重要的理論支持。

01?內(nèi)容簡(jiǎn)介

????1.?Introduction (前言)

????2.?Coupling mechanisms for geothermal multi-field coupling models?(地?zé)岫鄨?chǎng)耦合模型的耦合機(jī)制)

????3.?Geothermal multi-field coupling theoretical model?（地?zé)岫鄨?chǎng)耦合理論模型）

????4. Geothermal multi-field coupling numerical simulation （地?zé)岫鄨?chǎng)耦合數(shù)值模型）????????

????????4.1.?Tools for multi-field coupling modeling （多場(chǎng)耦合建模工具）

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

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

????????4.4.?Thermo-Hydro-Chemical(THC) coupling model?(熱-水-化學(xué)耦合模型)

????????4.5.?Thermo-Hydro-Mechanical-Chemical(THMC) coupling model?(熱-水-力-化學(xué)耦合模型)? ? ?

????5.?Conclusion and outlook?（結(jié)論和展望）?

02?內(nèi)容亮點(diǎn)
????1、地?zé)豳Y源作為一種清潔的可再生能源，其生產(chǎn)和利用可以為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排做出巨大貢獻(xiàn)；

????2、工質(zhì)循環(huán)取熱過(guò)程會(huì)擾亂儲(chǔ)油層內(nèi)部物理場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)的平衡狀態(tài)，涉及到傳熱、流動(dòng)、應(yīng)力和化學(xué)反應(yīng)的相互耦合；

????3、地?zé)衢_發(fā)過(guò)程中水庫(kù)內(nèi)部流動(dòng)與傳熱的耦合機(jī)理，可以為地?zé)豳Y源的高效開發(fā)提供重要的理論支持；

????4、對(duì)多場(chǎng)耦合機(jī)理的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)、高效的跨尺度建模方法以及儲(chǔ)層裂縫形態(tài)的準(zhǔn)確描述是建立地?zé)衢_采多場(chǎng)耦合模型的關(guān)鍵。

03?內(nèi)容導(dǎo)讀

????通過(guò)注水井注入工作液會(huì)破壞油藏內(nèi)部的熱平衡、化學(xué)平衡和應(yīng)力平衡狀態(tài)。由于溫差的影響，工質(zhì)與儲(chǔ)集巖之間發(fā)生了熱交換，從而改變了工質(zhì)的密度、粘度等熱物性。反過(guò)來(lái)，工質(zhì)熱物性的變化會(huì)影響儲(chǔ)液器內(nèi)的流動(dòng)和換熱過(guò)程。

????當(dāng)注入的流體進(jìn)入儲(chǔ)集層時(shí)，它會(huì)改變儲(chǔ)集層內(nèi)部的孔壓；同時(shí)，冷卻流體的注入破壞了儲(chǔ)集層內(nèi)的熱平衡，由于流體與巖石之間的溫差，在儲(chǔ)集層巖石中產(chǎn)生了額外的熱應(yīng)力。孔隙壓力和附加溫度應(yīng)力的變化會(huì)改變巖石的有效應(yīng)力狀態(tài)，從而改變巖石的孔隙結(jié)構(gòu)和裂縫形態(tài)，進(jìn)而影響儲(chǔ)層的流動(dòng)和傳熱過(guò)程。總之油藏中的熱開采過(guò)程是一個(gè)涉及熱傳遞、流體流動(dòng)、巖石應(yīng)變和化學(xué)反應(yīng)的相互作用的耦合過(guò)程。

????熱-水-力耦合過(guò)程聯(lián)軸器的熱彈效應(yīng)和孔彈效應(yīng)可以提高油藏在開采初期的注水能力；但在開采后期，由于孔隙壓力的穩(wěn)定和巖石冷卻引起的熱應(yīng)力降低，熱彈性效應(yīng)和孔彈性效應(yīng)對(duì)儲(chǔ)集層孔隙度和滲透率的影響逐漸減弱。然而，對(duì)于熱-水-化學(xué)耦合過(guò)程，由于主要活性礦物方解石的溶解度隨溫度的降低而增加，礦物的溶解和沉淀對(duì)儲(chǔ)層孔隙度和滲透率特征的影響貫穿于整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。與熱-水-力耦合過(guò)程和熱-水-化學(xué)耦合過(guò)程相比，在完全耦合的熱-水-力-化學(xué)耦合過(guò)程中，流動(dòng)能力隨時(shí)間的增長(zhǎng)顯著增加。

04??重要結(jié)論和展望

????在地?zé)嵯到y(tǒng)的長(zhǎng)期開發(fā)過(guò)程中，由于流體流動(dòng)、應(yīng)力變化、水-巖相互作用等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致水庫(kù)滲流能力的不斷變化，導(dǎo)致水庫(kù)內(nèi)部的流動(dòng)和取熱機(jī)理變得復(fù)雜。由于地?zé)衢_采的長(zhǎng)期性特點(diǎn)，為了準(zhǔn)確計(jì)算系統(tǒng)的熱力性能，最好考慮儲(chǔ)集層中的化學(xué)反應(yīng)。目前初步揭示了水庫(kù)熱采出過(guò)程中涉及的多場(chǎng)耦合機(jī)理，以及各耦合過(guò)程對(duì)系統(tǒng)熱采出性能的影響。

????針對(duì)多場(chǎng)耦合作用下的對(duì)流換熱系數(shù)、巖石損傷、多相多組分傳質(zhì)機(jī)理的精確計(jì)算存在的挑戰(zhàn)：

????????(1)明確非達(dá)西流動(dòng)效應(yīng)和局部非熱平衡效應(yīng)的判別標(biāo)準(zhǔn)；

????????(2)新的實(shí)驗(yàn)或研究方法應(yīng)建立綜合考慮裂縫形態(tài)和流體熱物性變化的對(duì)流換熱系數(shù)表達(dá)式；

????????(3)分析了不同注水參數(shù)、儲(chǔ)層物性、儲(chǔ)集環(huán)境等條件下的巖石損傷機(jī)理，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模型等手段分析了巖石損傷過(guò)程；

????????(4)進(jìn)一步探討各礦物組分的反應(yīng)機(jī)理及其與溫度、壓力、溶液離子濃度的相互作用機(jī)理，闡明不同巖性油藏的主要水巖反應(yīng)過(guò)程。

????針對(duì)儲(chǔ)集層真實(shí)裂縫網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確刻畫和多尺度裂縫網(wǎng)絡(luò)模型的高效計(jì)算存在的挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步開展以下研究：

????????(1)探索儲(chǔ)集層真實(shí)裂縫形態(tài)的刻畫方法，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的儲(chǔ)集層建模；

????????(2)分析和闡明流體在裂縫交叉處的流動(dòng)和傳熱機(jī)理；

????????(3)需要探索高效、準(zhǔn)確的跨尺度建模方法。

????深化和提高對(duì)水庫(kù)中多場(chǎng)耦合過(guò)程的認(rèn)識(shí)，不僅有助于我們實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的高效開采，而且可以推動(dòng)地下儲(chǔ)熱和碳儲(chǔ)能的研究進(jìn)展。這對(duì)世界能源開發(fā)利用具有重要意義。

作者簡(jiǎn)介：

?????李根生，中國(guó)工程院院士，973項(xiàng)目首席科學(xué)家，油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。曾任中國(guó)石油大學(xué)（北京）副校長(zhǎng)，第八屆教育部科技委地學(xué)與資源學(xué)部副主任委員，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)常務(wù)理事流體工程分會(huì)主任委員，中國(guó)石油學(xué)會(huì)石油工程專業(yè)委員會(huì)副主任，北京能源協(xié)會(huì)、北京碳中和學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，《流體機(jī)械》第七屆編委會(huì)主任，ASME Journal of Energy Resources Technology副主編等。

????一直從事油氣鉆井和完井工程理論與技術(shù)研究，我國(guó)油氣鉆井與完井工程專家。先后獲國(guó)家科技獎(jiǎng)勵(lì)5項(xiàng)（其中國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)），省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)10余項(xiàng)，共同出版中英文專著3部、教材1部，第一和通訊作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇，授權(quán)中外發(fā)明專利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簡(jiǎn)介：

《Energy Reviews》是由深圳大學(xué)主辦，聯(lián)合 Elsevier出版集團(tuán)創(chuàng)辦的一本國(guó)際性、跨學(xué)科、高質(zhì)量開放獲取?(Open Access)?學(xué)術(shù)期刊，由謝和平院士擔(dān)任創(chuàng)刊主編，美國(guó)工程院Derek Elsworth院士、中國(guó)科學(xué)院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大學(xué)倪萌教授擔(dān)任聯(lián)合主編。發(fā)表能源領(lǐng)域前沿方向、最新進(jìn)展、發(fā)展趨勢(shì)、權(quán)威觀點(diǎn)等高質(zhì)量學(xué)術(shù)文章，構(gòu)建全球能源一流成果和一流學(xué)者的合作交流平臺(tái)，向公眾傳播有影響力的能源領(lǐng)域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理論、新方法和新技術(shù);?能源研究的多學(xué)科（材料、物理、化學(xué)、生物等）交叉融合探索技術(shù);?化石能源低碳利用與CCUS;?氫能、可再生能源與儲(chǔ)能先進(jìn)技術(shù);?新型能源轉(zhuǎn)換方式探索與應(yīng)用;??能源領(lǐng)域現(xiàn)代信息技術(shù)（人工智能，大數(shù)據(jù)）等相關(guān)方向的優(yōu)質(zhì)稿件。

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