在水基和ScCO2基增强型地热系统中，考虑裂缝开口异质性时，流动通道形成与热量提取行为的比较分析

《Renewable Energy》：A Comparative Analysis of Flow Channeling and Heat Extraction behavior Between Water- and ScCO 2-based Enhanced Geothermal System Considering Fracture Aperture Heterogeneity

水与超临界二氧化碳（ScCO2）作为增强地热系统（EGS）工作流体，其热提取性能受裂缝孔径均匀性及注入条件影响显著。在恒定质量流量下，ScCO2因低黏度更易形成严重流动通道化，导致水热性能更优；在恒定压力条件下，ScCO2于均匀孔径时表现更好，但非均匀孔径下水更优。孔径非均匀性限制了多数注入参数与储层属性对两者热性能比较的影响。

　　在地热能的开发过程中，增强型地热系统（Enhanced Geothermal Systems, EGS）作为一种重要的技术手段，正在被广泛研究和应用。EGS通过人工压裂等手段提高地热储层的渗透性，使循环流体能够在裂缝中有效流动，从而实现高效的热能提取。然而，选择合适的循环流体对于EGS的热能提取效率具有关键影响。水和超临界二氧化碳（Supercritical Carbon Dioxide, ScCO?）作为两种代表性流体，其热物理性质存在显著差异，这不仅影响了它们的流动行为，也决定了热能提取的性能表现。此外，地热储层中的裂缝孔隙度异质性是影响流体流动和热能提取的重要因素。因此，研究水与ScCO?在不同孔隙度分布条件下的流动和热能提取性能，对于优化EGS的运行策略和提升热能提取效率具有重要意义。

水作为一种传统且广泛应用的循环流体，其高比热容和低粘度使其在早期的EGS研究中成为首选。水的高比热容意味着它能够携带更多的热量，而低粘度则有助于流体在裂缝中的顺畅流动。然而，水在使用过程中也带来了一些挑战，例如水与岩石之间的化学反应可能导致井筒和裂缝中的结垢现象，这不仅会降低热能提取效率，还可能影响设备的使用寿命和系统的长期稳定性。此外，水的使用可能伴随着水资源的浪费和潜在的环境影响，特别是在操作过程中出现泄漏的情况下，这些泄漏的水可能污染地下水系统或地表环境。因此，尽管水在热能提取方面表现良好，但其在实际应用中仍然存在诸多限制。

相比之下，ScCO?作为一种新型循环流体，其较低的密度和粘度使其在相同的压强梯度下具有更高的流动性。这一特性使得ScCO?能够更有效地在裂缝中流动，从而提高热能提取效率。此外，ScCO?在使用过程中不会像水那样引起结垢问题，反而可能在泄漏时起到碳封存的作用，有助于减少大气中的二氧化碳排放，这对应对气候变化具有积极意义。然而，ScCO?的热物理性质使其在某些情况下表现出不同的热能提取行为，尤其是在孔隙度异质性显著的情况下。由于ScCO?的粘度对温度的变化更为敏感，它在裂缝中的流动行为可能会受到温度变化的影响，从而导致热能提取效率的波动。此外，ScCO?的流动性虽然较高，但其比热容相对较低，这意味着在相同流量下，ScCO?携带的热量可能不如水多，这可能会影响其在某些条件下的热能提取表现。

在实际的EGS操作中，通常会采用两种主要的注入策略：恒定质量流率注入和恒定压强注入。这两种策略对水和ScCO?的流动和热能提取行为会产生不同的影响。在恒定质量流率注入条件下，ScCO?由于其较低的粘度和对温度变化的不敏感性，更容易发生流动集中现象，而水则因为较高的粘度和对温度变化的敏感性，其流动更加分散。这种流动集中现象可能导致热能提取效率的下降，因为大部分流体会集中在少数的高流量通道中，而其他区域则可能因为流体流动不足而无法有效提取热量。此外，水的流动集中现象可能进一步加剧裂缝的扩张，从而影响系统的长期稳定性。

而在恒定压强注入条件下，水和ScCO?的热能提取性能则表现出与孔隙度分布相关的差异。在均匀孔隙度分布的条件下，ScCO?由于其较低的密度和较高的流动性，通常表现出更高的热能提取效率。然而，在孔隙度异质性显著的条件下，水的热能提取效率反而更高。这是因为水在流动过程中能够更好地适应裂缝的异质性，从而形成更广泛的热交换区域。此外，孔隙度异质性还可能限制水和ScCO?在热能提取性能上的差异对注入参数和储层特性的敏感性。这意味着，在实际应用中，孔隙度异质性可能成为影响热能提取效率的重要因素，而不仅仅是流体的物理性质。

为了更全面地评估水和ScCO?在EGS中的热能提取性能，本研究构建了一个具有孔隙度异质性分布的EGS模型，并采用恒定质量流率和恒定压强两种注入策略进行模拟。通过对比水和ScCO?在不同孔隙度分布条件下的流动和热能提取行为，研究发现，孔隙度异质性对热能提取效率的影响不容忽视。在恒定质量流率注入条件下，ScCO?的流动集中现象更加显著，而水则表现出更广泛的热交换区域。在恒定压强注入条件下，ScCO?的热能提取效率在均匀孔隙度分布时较高，但在孔隙度异质性显著时，水的热能提取效率则更高。这些结果表明，流体的选择和裂缝孔隙度的分布是影响EGS热能提取效率的关键因素。

此外，本研究还引入了一个新的热能提取评估指标——有效累计热能提取。该指标定义为在生产温度下降到不足以进行经济发电的水平之前所提取的总热能。与传统的生产温度和热能提取率相比，有效累计热能提取更能反映EGS的实际热能提取效率。通过采用这一指标，研究发现，孔隙度异质性对水和ScCO?在不同注入策略下的热能提取性能影响较大。在恒定质量流率注入条件下，水的有效累计热能提取比ScCO?更高，而在恒定压强注入条件下，ScCO?的有效累计热能提取则更高。这表明，不同的注入策略可能对流体的选择产生不同的影响，从而影响EGS的热能提取效率。

综上所述，水和ScCO?作为EGS的循环流体，在热能提取性能方面表现出不同的特点。水的高比热容和低粘度使其在恒定质量流率注入条件下具有较高的热能提取效率，而ScCO?的较低密度和较高流动性则使其在恒定压强注入条件下表现出更好的热能提取性能。然而，孔隙度异质性对这两种流体的热能提取性能产生了重要影响。在孔隙度异质性显著的条件下，水的有效累计热能提取比ScCO?更高，而在均匀孔隙度分布的条件下，ScCO?的热能提取效率则更高。因此，在实际的EGS开发中，需要综合考虑流体的选择和裂缝孔隙度的分布，以优化热能提取效率和系统的长期稳定性。

为了进一步验证这些结论，本研究构建了一个场规模的EGS模型，并采用水平裂缝来模拟热能提取过程中的耦合热-水-力（THM）过程。模型的尺寸为3000 × 3000 × 3000立方米，其中水平裂缝位于模型的中心，连接一个注入井和一个生产井，两者的距离为500米。为了模拟裂缝孔隙度的异质性，研究采用条件高斯模拟方法生成了一个空间自相关性的孔隙度分布场，并将其应用于裂缝中。此外，为了进行对比，研究还进行了均匀孔隙度分布的模拟。通过对比水和ScCO?在不同孔隙度分布条件下的流动和热能提取行为，研究发现，孔隙度异质性对热能提取效率的影响显著，尤其是在恒定质量流率注入条件下，ScCO?的流动集中现象更加明显，而水则表现出更广泛的热交换区域。在恒定压强注入条件下，ScCO?的热能提取效率在均匀孔隙度分布时较高，但在孔隙度异质性显著时，水的热能提取效率则更高。这些结果表明，流体的选择和裂缝孔隙度的分布是影响EGS热能提取效率的关键因素。

此外，本研究还探讨了有效累计热能提取指标在热能提取性能评估中的应用。通过采用这一指标，研究能够更准确地评估EGS在不同注入策略和孔隙度分布条件下的热能提取效率。研究发现，有效累计热能提取比传统的生产温度和热能提取率更能反映EGS的实际热能提取性能，尤其是在长期运行过程中，生产温度的下降可能会影响系统的经济性。因此，有效累计热能提取指标为EGS的热能提取性能评估提供了一个更全面的视角。

本研究的结论表明，流体的选择和裂缝孔隙度的分布对EGS的热能提取效率具有重要影响。在恒定质量流率注入条件下，水的热能提取效率更高，而在恒定压强注入条件下，ScCO?的热能提取效率更高。孔隙度异质性对这两种流体的热能提取性能产生了显著影响，特别是在恒定质量流率注入条件下，孔隙度异质性可能进一步加剧ScCO?的流动集中现象，从而降低其热能提取效率。而在恒定压强注入条件下，孔隙度异质性可能限制水和ScCO?在热能提取性能上的差异对注入参数和储层特性的敏感性。因此，在实际的EGS开发中，需要综合考虑流体的选择和裂缝孔隙度的分布，以优化热能提取效率和系统的长期稳定性。

本研究的结果对未来的EGS开发具有重要的指导意义。首先，流体的选择需要根据具体的注入策略和储层特性进行优化。在恒定质量流率注入条件下，水可能更适合用于热能提取，而在恒定压强注入条件下，ScCO?可能表现出更好的热能提取性能。其次，裂缝孔隙度的分布对热能提取效率具有重要影响，特别是在孔隙度异质性显著的条件下，水的有效累计热能提取比ScCO?更高。因此，在实际的EGS开发中，需要对裂缝孔隙度的分布进行详细的分析和评估，以优化热能提取效率和系统的长期稳定性。

此外，本研究的结果还表明，ScCO?在某些情况下可能表现出更好的热能提取性能，尤其是在均匀孔隙度分布的条件下。然而，ScCO?的使用仍然面临一些挑战，例如其对温度变化的敏感性可能导致流动行为的波动，从而影响热能提取效率。因此，在实际的EGS开发中，需要进一步研究ScCO?的热物理性质和流动行为，以优化其在不同注入策略和储层条件下的热能提取性能。

综上所述，水和ScCO?作为EGS的循环流体，在热能提取性能方面表现出不同的特点。在恒定质量流率注入条件下，水的热能提取效率更高，而在恒定压强注入条件下，ScCO?的热能提取效率更高。孔隙度异质性对这两种流体的热能提取性能产生了显著影响，尤其是在恒定质量流率注入条件下，孔隙度异质性可能进一步加剧ScCO?的流动集中现象，从而降低其热能提取效率。而在恒定压强注入条件下，孔隙度异质性可能限制水和ScCO?在热能提取性能上的差异对注入参数和储层特性的敏感性。因此，在实际的EGS开发中，需要综合考虑流体的选择和裂缝孔隙度的分布，以优化热能提取效率和系统的长期稳定性。