论文部分内容阅读
近一个世纪以来，随着工业化进步和人口急剧膨胀的影响，人类对常规化石燃料的需求量大幅增加，油气资源储备已经明显不足，同时化石能源的大量利用破坏了生态环境，扰乱和破坏了生态系统的稳定性，人类不得不面对十分严峻的环境问题。为了保护生态环境，应对气候变化，世界各国纷纷大力发展清洁能源，干热岩地热由于储量巨大且分布广泛，越来越受到各国关注。干热岩地热开采过程中的重要环节就是储层裂隙与流体之间的热交换，因此研究裂隙渗流－换热机理具有重要意义。
本文采用自主研发的高温裂隙渗流－换热实验系统，首先开展了裂隙渗流方面的实验，研究了不同条件下砂岩平直裂隙和压裂裂隙的渗流性质，然后开展了裂隙渗流传热的实验，实验加热温度为50~190℃，围压为4~6MPa，流速范围5~30mL/min，以蒸馏水为换热介质，采用平直裂隙和压裂裂隙的砂岩岩样，在不同的温度和流速条件下，研究岩石单裂隙渗流换热特性，对平直裂隙和粗糙裂隙的实验结果进行比对，分析裂隙表面粗糙度对换热效率的影响。通过系统的实验与理论分析，得到主要结论如下：
（1）制备了平直裂隙和水力压裂裂隙砂岩岩样，在此基础上开展了渗流实验，实验结果显示，整体来看，提高渗透压力，流速从5mL/min增至30mL/min的过程中，裂隙开度均增大；随着围压水平升高，裂隙开度均减小；在50~190℃范围内，裂隙面受热膨胀，渗流通道减小，导致裂隙开度减小；在50~190℃，围压为4~6MPa，流速范围5~30mL/min条件下，压裂裂隙闭合程度更大，开度比平直裂隙约小5um，即压裂裂隙的透水性更低。
（2）在同一温度及围压下，流速为5~30mL/min时，提高渗透压力，各裂隙面渗透系数均有所增大；随着围压水平升高，渗透系数均减小；在200℃以内，由于围压作用裂缝已趋于闭合，开度的变化幅度较小，此时温度升高促进了流体分子间运动，流体动力粘度减少，各裂隙面渗透系数均略有升高。对比发现，各裂隙面在高流速区、高温区内的渗流能力优于低流速区、低温区的渗流能力。
（3）通过平直裂隙的渗流－换热实验，获得如下结果：随着流速的增大，热边界层变薄，裂隙的对流换热系数增大，且流速越大，换热系数的增幅越大，换走的热量越多；在温度方面，低温区内，对流换热系数与温度基本呈线性正相关关系，高温区内，对流换热系数不再随温度升高而变大，这说明岩石的换热系数是入口端温度和裂隙表面之间的温差与水的热物性参数共同作用的结果；在围压方面，换热系数随着围压升高而增大。通过对比平直裂隙流速与温度对渗流传热的影响可以看出，相同条件下，高流速比高温对换热系数的影响更大，即流体状态对换热效率的影响更显著。
（4）进一步开展了压裂裂隙的渗流换热实验，实验结果显示，在流速方面，对流换热系数与流速呈线性正相关关系，且流速越大，换热系数增幅越快；在温度方面，50~100℃时，压裂裂隙对流换热系数与温度呈正相关，且大致呈线性关系，当温度超过100℃时，换热系数不再随温度升高而增大，局部范围内对流换热强度减弱；在围压方面，随着围压增大，压裂裂隙的接触点增多，有效换热面积减小，导致对流换热的整体强度减小，所以换热系数随着围压升高而减小。
（5）通过对平直裂隙和压裂裂隙渗流传热实验结果进行比较发现，由于压裂裂隙粗糙度较大，粗糙裂隙的换热过程更加复杂。相同温度水平下，增加岩石裂隙面的粗糙度一定程度上会使得换热系数提高；相同流速水平下，在低温区内，与平直裂隙对流换热相比，压裂裂隙的对流换热强度有所提高，且随着流速升高，压裂裂隙的换热系数较平直裂隙的换热系数之差越大，而进入高温区后，压裂裂隙的对流换热强度略低于平直裂隙。根据实验结果，拟合了对流换热系数与流速的幂指关系式，其基本形式为h=Cqn，拟合结果显示，压裂裂隙与平直裂隙相比，C值基本相同，而n值偏高，这说明岩石裂隙粗糙度一定程度上增强了对流换热的强度。
本文采用自主研发的高温裂隙渗流－换热实验系统，首先开展了裂隙渗流方面的实验，研究了不同条件下砂岩平直裂隙和压裂裂隙的渗流性质，然后开展了裂隙渗流传热的实验，实验加热温度为50~190℃，围压为4~6MPa，流速范围5~30mL/min，以蒸馏水为换热介质，采用平直裂隙和压裂裂隙的砂岩岩样，在不同的温度和流速条件下，研究岩石单裂隙渗流换热特性，对平直裂隙和粗糙裂隙的实验结果进行比对，分析裂隙表面粗糙度对换热效率的影响。通过系统的实验与理论分析，得到主要结论如下：
（1）制备了平直裂隙和水力压裂裂隙砂岩岩样，在此基础上开展了渗流实验，实验结果显示，整体来看，提高渗透压力，流速从5mL/min增至30mL/min的过程中，裂隙开度均增大；随着围压水平升高，裂隙开度均减小；在50~190℃范围内，裂隙面受热膨胀，渗流通道减小，导致裂隙开度减小；在50~190℃，围压为4~6MPa，流速范围5~30mL/min条件下，压裂裂隙闭合程度更大，开度比平直裂隙约小5um，即压裂裂隙的透水性更低。
（2）在同一温度及围压下，流速为5~30mL/min时，提高渗透压力，各裂隙面渗透系数均有所增大；随着围压水平升高，渗透系数均减小；在200℃以内，由于围压作用裂缝已趋于闭合，开度的变化幅度较小，此时温度升高促进了流体分子间运动，流体动力粘度减少，各裂隙面渗透系数均略有升高。对比发现，各裂隙面在高流速区、高温区内的渗流能力优于低流速区、低温区的渗流能力。
（3）通过平直裂隙的渗流－换热实验，获得如下结果：随着流速的增大，热边界层变薄，裂隙的对流换热系数增大，且流速越大，换热系数的增幅越大，换走的热量越多；在温度方面，低温区内，对流换热系数与温度基本呈线性正相关关系，高温区内，对流换热系数不再随温度升高而变大，这说明岩石的换热系数是入口端温度和裂隙表面之间的温差与水的热物性参数共同作用的结果；在围压方面，换热系数随着围压升高而增大。通过对比平直裂隙流速与温度对渗流传热的影响可以看出，相同条件下，高流速比高温对换热系数的影响更大，即流体状态对换热效率的影响更显著。
（4）进一步开展了压裂裂隙的渗流换热实验，实验结果显示，在流速方面，对流换热系数与流速呈线性正相关关系，且流速越大，换热系数增幅越快；在温度方面，50~100℃时，压裂裂隙对流换热系数与温度呈正相关，且大致呈线性关系，当温度超过100℃时，换热系数不再随温度升高而增大，局部范围内对流换热强度减弱；在围压方面，随着围压增大，压裂裂隙的接触点增多，有效换热面积减小，导致对流换热的整体强度减小，所以换热系数随着围压升高而减小。
（5）通过对平直裂隙和压裂裂隙渗流传热实验结果进行比较发现，由于压裂裂隙粗糙度较大，粗糙裂隙的换热过程更加复杂。相同温度水平下，增加岩石裂隙面的粗糙度一定程度上会使得换热系数提高；相同流速水平下，在低温区内，与平直裂隙对流换热相比，压裂裂隙的对流换热强度有所提高，且随着流速升高，压裂裂隙的换热系数较平直裂隙的换热系数之差越大，而进入高温区后，压裂裂隙的对流换热强度略低于平直裂隙。根据实验结果，拟合了对流换热系数与流速的幂指关系式，其基本形式为h=Cqn，拟合结果显示，压裂裂隙与平直裂隙相比，C值基本相同，而n值偏高，这说明岩石裂隙粗糙度一定程度上增强了对流换热的强度。