1.概述
向可再生能源过渡对于应对气候变化和减少二氧化碳排放至关重要。来自地壳的地热能是一种很有前途的替代能源。虽然浅层地热能开采稳步增长，但开发深层干热岩储层带来了挑战。深层地热能的可持续利用对于大规模发电至关重要。澳大利亚的Habanero 强化地热系统项目由于复杂的断裂网络而面临障碍。钻孔热交换器（BHE）提供了一种解决方案，使工作流体循环而不直接接触地质流体。本研究使用二维轴对称模型（2D-AM）评估同轴BHE 在Habanero 油藏中的可行性，并将其与更简单的一维深度积分模型（1D-DIAM）进行比较。这两种模式产生了类似的结果。此外，结果表明，同轴 BHE 的生产温度在 10小时内从 250℃呈指数下降到 100℃，使得在运行10小时后不适合用于发电的能量回收。该研究提出了一个能量回收周期为10小时，然后关闭 110小时。注射温度和流速显著影响生产效率，而钢套管的导热性对热交换器性能的影响最小。
2.讨论
在 21世纪初，澳大利亚政府和企业家探索了该国的地热潜力。图1描绘了澳大利亚5公里深处的温度分布。有趣的是，据预测，在澳大利亚人类发展报告中回收1% 的能源可以满足该国26000年的能源需求。因此，澳大利亚政府坚定地致力于推进可再生能源。Habanero EGS 项目由Geo dynamics Limited 于 2000 年启动，该公司位于南澳东北部（库珀盆地，见图 1）。在该项目期间，在 Innamincka 花岗岩，特别是岩基花岗岩中钻了六口井，深度从4200 米到4911 米不等。这些井底的温度从 230 摄氏度上升到 264 摄氏度。尽管目标结果是 100MW，但试点计划通过在 Habanero 1 和 Habanero 4 井之间循环流体产生的电力不到 1 MW。该项目因不符合经济措施而被放弃。此外， Habanero EGS 中的裂缝网络复杂且知之甚少。因此，利用当前的技术，通过工程裂缝系统将流体从一口井循环到另一口井并不容易。因此，寻找一种合适的方法来回收地热能与目前的技术从澳大利亚的HDR是至关重要的。
图1 澳大利亚5 公里深度的温度图和库珀盆地的位置
几种地热能勘探策略可用于从HDR 回收热量，包括具有单独注入和生产井的开环EGS，以及具有同轴井的闭环EGS 或BHE，如图2 所示。Chen等人使用统一管网方法研究了裂隙岩石网络中的热传递。裂缝在10m×10m×10m的范围内随机分布。他们发现，在没有裂缝的情况下，可以达到最高生产温度，在 120 天内持续接近 177℃。0.1mm孔径的断裂使温度略微降低至 162℃。在开环系统中，没有裂缝的循环流体对于流体循环是不可行的。值得注意的是，Xiong 等人对Habanero 储层40 年的流体流动和热输运进行了建模。在Habanero 1 和Habanero 4 井之间使用开环系统，他们发现，在注入压力为45 MPa 的情况下，可以连续生产高达 56MW 的电力，持续时间超过 10 年。这表明开环和依赖于电流的系统比同轴BHE 产生更多的功率。然而应该指出的是，Habanero 项目中复杂和未知的储层条件严重影响了发电量，导致发电量不到1MW。
在EGS 中，工质通过注入井泵入工程裂缝系统，在那里它吸收周围岩石的热量，然后通过生产井回收，这一过程称为开环系统。相比之下，BHE使工作流体在井筒内循环，而不与原位地质流体相互作用。尽管与传统的开环系统相比，BHE 每单位深度产生更少的功率，但 BHE 避免了与开环系统相关联的不确定性。例如，传统的开环地热系统面临着地理限制、回注困难和地热废水处理造成的热污染等挑战。另一方面，BHE 依赖于地热条件、流动参数、结构设计和操作因素。BHE 的主要优点之一是它们不需要在储层内进行水循环，从而消除了对水污染和储层渗透性的担忧。 BHE 还降低了地下水污染和水垢沉积的风险。此外，由于BHE 不需要储层刺激，因此诱发地震活动的风险和相关成本最小化。考虑到Habanero 储层的裂缝网络复杂且知之甚少，BHE 特别适用于此类环境。
图2 （a）具有通过裂缝网络连接的单独注入井和生产井的开环 EGS 和（b）具有同轴BHE 的闭环EGS的示意图。
生产温度和热提取率随时间逐渐降低，如图3（a）所示。在能量回收过程中，生产温度的降低表明收益随时间递减。2 小时后，油井顶部的生产温度从124℃开始，逐渐降低至111℃、105℃、101 ℃，并在4、6、8 和10 小时后分别降至99℃。在一项类似的研究中，Nian 等人在井深 3000m、井底温度 125℃的条件下观察到开采温度随时间下降。最初，在操作开始时，生产温度接近88℃，在10h 时降至约 77℃，并在 240h 后进一步降至 52℃。开采温度的这种下降可归因于岩石的温度高于注入流体的温度，从而导致热量从岩石传递到注入流体，并因此随着时间的推移降低岩石的温度。同轴底部热交换器的性能可通过能量产生率进行评估，如图3（b）所示。
在本研究中观察到能量产生率呈递减趋势，在 6 h 时从 1.78 MW 降至 0.71 MW，10 h 后逐渐降至 0.66 MW。本研究探讨了从Habanero 岩层中废弃地热井中提取能量的可行性。如图 3（a）所示，同轴BHE 运行 10 小时后，生产温度预计将降至 100℃以下，导致连续能量提取不适合发电。当生产温度超过100 ℃时，发电变得可行。因此，用于从Habanero 岩层中回收能量的同轴BHE 的连续长期操作被认为不足以用于发电。
图3 (a)同轴BHE的入口和出口处的温度随时间的变化，以及（b）在20 ℃注射温度和2 kg/s注射流速下随时间的能量产生率。
周围岩石和循环流体之间的相互作用促进岩石和流体中的温度调节。图 4（a-c）直观地显示了运行 2 h 和 10 h 后围岩的温度变化。在能量回收过程中，观察到同轴 BHE 附近的温度降低。随时间和岩层深度的现场温度变化如图 4（b-c）所示。操作 2 小时后，细微的温度变化是明显的，随着BHE 操作时间的增加逐渐变得更加明显。值得注意的是，在井操作 10 小时后观察到急剧的温度下降，突出了该过程的动态性质。这些结果强调了能量回收对岩层内温度分布的影响。同样， Hu 等人调查了同轴BHE 在阿尔伯塔欣顿废弃威尔斯中的适用性。他们的研究表明，由于能量回收，岩石温度下降。在井筒附近，浅层岩层的温度略有上升，而较深区域由于地热开采而温度急剧下降。因此，很明显，能量回收可以显着影响围岩温度。
图4 (a)深层岩层和井的温度分布，（b）2 小时后BHE 顶部的温度等值线，（c）10 小时后BHE 顶部的温度等值线，（d）2 小时后BHE底部的温度等值线，以及（e）10 小时后BHE底部的温度等值线（20 ℃注入温度和2 kg/s 注入流速）。
由于能量回收，围岩中同轴 BHE 附近的温度可随时间逐渐降低。持续的地热能回收过程的连续时间为 10 小时，需要考虑的影响区的模型。图4（b-c）和图 5 描绘了围岩随时间的等温热等值线。如图 5 所示，横向影响区随时间扩展。例如，在 2h 时，影响区测量值为 0.3 m，在 4h 时增加到 0.45m。地热能回收 10h 后，最大影响范围达到0.7m。
此前，Hu 等人研究了能量回收期间横向的温度下降。因此，本研究通过考虑能量恢复时间和影响区来确定模型的横向长度。由于在横向方向上观察到 0.7m 的最大影响区，因此横向边界不会影响同轴BHE 中的能量回收。此外，在现场，必须注意一口井的影响区不会影响另一口井的影响区。例如，Habanero 2 和Habanero 1 相距 500 米，Habanero 1 和Habanero 3 相距 560 米，Habanero 3和Habanero 4 相距145 米。因此，10 小时的能量回收期不会影响一口井与另一口井。
考虑到10 小时的能量恢复时间，选择10 米的横向畴长度有利于增强能量恢复模拟的二维- AM。此外，从岩石到流体的热传递只发生在热影响区内。在该区域之外，在同轴 BHE 系统中没有发生热传递。然而，增加钻孔直径有可能显著扩大热影响区。通过增加热影响区，热传递也将显著增加。此外，用人工裂缝网络创建的开环系统进一步促进热影响区的扩展。
图 5 在能量回收过程中，注入温度为 20℃，注入流速为 2 kg/s 时，Habanero 深层岩层内温度随弧度距离的变化。
本研究探讨了同轴 BHE 在澳大利亚 Habanero 油藏丰富井中的适用性。使用 COMSOL 将流体流动和传热相结合来模拟同轴 BHE（2D- DM）。分析了同轴 BHE 的性能，并将结果与 1D- DIAM 和 Ramey 方程进行了比较。最后进行敏感性分析以调查影响参数。