二氧化碳羽流地?zé)嵯到y(tǒng)運(yùn)行機(jī)制及優(yōu)化研究

【摘要】：以二氧化碳為主的溫室氣體的大量排放引發(fā)了全球變暖現(xiàn)象，進(jìn)而造成了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。針對(duì)CO2減排目標(biāo)，國(guó)際上提出許多削減CO2排放量的新方法和新技術(shù)。二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存（Carbon dioxide geologic sequestration，簡(jiǎn)稱(chēng)CGS）是目前國(guó)際社會(huì)公認(rèn)的應(yīng)對(duì)全球氣候變化的重要對(duì)策及顯著減少溫室氣體排放的有效技術(shù)手段之一。但已有的研究表明，單一的CO2地質(zhì)儲(chǔ)存（CGS）在大規(guī)模工程應(yīng)用中費(fèi)用昂貴，如能在CO2地質(zhì)儲(chǔ)存的同時(shí)，利用其作為工作流體進(jìn)行深部地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用，實(shí)現(xiàn)其資源化，會(huì)提高CGS的經(jīng)濟(jì)可行性，極大推動(dòng)我國(guó)CO2地質(zhì)儲(chǔ)存事業(yè)的發(fā)展。因此，越來(lái)越多的研究聚焦于如何在進(jìn)行CO2地質(zhì)儲(chǔ)存的同時(shí)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)CO2的資源化利用。地?zé)崮苁且环N可再生的清潔能源，近年來(lái)國(guó)外學(xué)者的研究表明：利用CO2提取深部?jī)?chǔ)層孔隙介質(zhì)中的地?zé)崮苁窃鰪?qiáng)CO2地質(zhì)儲(chǔ)存經(jīng)濟(jì)性和可行性的良好途徑。 CO2羽流地?zé)嵯到y(tǒng)（CO2-plume geothermal system，簡(jiǎn)稱(chēng)CPGS)，是利用注入到沉積盆地天然孔隙儲(chǔ)層的CO2提取地?zé)崮艿囊环N工程技術(shù)手段。雖然CPGS系統(tǒng)有著巨大的應(yīng)用前景，但也面臨一系列重大科學(xué)問(wèn)題，如CPGS運(yùn)行中低溫超臨界CO2由井筒注入深部咸水層后，伴隨著對(duì)深部地?zé)岬奶崛⒃趦?chǔ)層和井筒中發(fā)生復(fù)雜流態(tài)下的多相流流動(dòng)、傳熱和地球化學(xué)作用，使系統(tǒng)的運(yùn)行和熱能提取過(guò)程產(chǎn)生不穩(wěn)定性，這是CPGS工程實(shí)施中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。 本文進(jìn)一步研究了CO2羽流地?zé)嵯到y(tǒng)，以我國(guó)典型沉積盆地——松遼盆地泉頭組的地質(zhì)構(gòu)造及熱儲(chǔ)條件為背景，考慮井筒流對(duì)CO2作為載熱工質(zhì)的地?zé)嵯到y(tǒng)的影響，建立井筒流和儲(chǔ)層流的耦合模型，采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，研究注-采溫壓條件下井筒和儲(chǔ)層中多相流動(dòng)力學(xué)-熱力學(xué)變化過(guò)程，以及流場(chǎng)-溫度場(chǎng)的時(shí)空演變規(guī)律，揭示CO2羽流地?zé)嵯到y(tǒng)的多相流流動(dòng)及傳熱機(jī)理；分析水-巖-氣相互作用對(duì)地層流場(chǎng)和傳熱過(guò)程的影響；確定系統(tǒng)穩(wěn)定條件，進(jìn)行CPGS的優(yōu)化開(kāi)采設(shè)計(jì)；系統(tǒng)全面進(jìn)行CO2與水工質(zhì)的對(duì)比研究，客觀評(píng)價(jià)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，確定適宜以CO2為載熱工質(zhì)的系統(tǒng)條件，為我國(guó)典型沉積盆地CO2地質(zhì)儲(chǔ)存中的地?zé)豳Y源開(kāi)采提供基礎(chǔ)理論依據(jù)和技術(shù)支撐。 【關(guān)鍵詞】：地?zé)衢_(kāi)發(fā) 二氧化碳羽流地?zé)嵯到y(tǒng) 二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存 井筒流 松遼盆地
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：P314
【目錄】：

• 內(nèi)容提要4-5
• 中文摘要5-8
• Abstract8-17
• 第1章 緒論17-35
• 1.1 研究背景及選題依據(jù)17-20
• 1.1.1 研究背景17-18
• 1.1.2 選題依據(jù)18-20
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展20-30
• 1.2.1 深部地?zé)衢_(kāi)采系統(tǒng)的現(xiàn)狀22-23
• 1.2.1.1 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)研究現(xiàn)狀22
• 1.2.1.2 二氧化碳羽流地?zé)嵯到y(tǒng)研究現(xiàn)狀22-23
• 1.2.2 水和 CO_2作為傳熱工質(zhì)的對(duì)比研究23-26
• 1.2.3 深部地?zé)衢_(kāi)發(fā)中井筒流的研究現(xiàn)狀26-27
• 1.2.4 深部地?zé)衢_(kāi)發(fā)中水-巖-氣作用對(duì)流場(chǎng)的影響27-29
• 1.2.5 我國(guó)沉積盆地地?zé)豳Y源的研究29-30
• 1.3 存在問(wèn)題30-31
• 1.4 研究思路31-32
• 1.4.1 研究目標(biāo)31
• 1.4.2 研究?jī)?nèi)容31-32
• 1.4.3 技術(shù)路線(xiàn)和研究方法32
• 1.5 創(chuàng)新點(diǎn)32-35
• 第2章 松遼盆地羽流地?zé)嵯到y(tǒng)研究區(qū)概況35-45
• 2.1 松遼盆地概況35-36
• 2.2 松遼盆地地質(zhì)概況36-37
• 2.2.1 區(qū)域地層36
• 2.2.2 區(qū)域構(gòu)造概況36-37
• 2.2.3 沉積特征37
• 2.3 松遼盆地地?zé)釄?chǎng)特征37-40
• 2.3.1 沉積盆地?zé)嵩捶治?/span>37-38
• 2.3.2 松遼盆地地?zé)釄?chǎng)特征38-40
• 2.4 目標(biāo)熱儲(chǔ)層的地質(zhì)概況40-45
• 2.4.1 巖性分布特征40-42
• 2.4.2 目標(biāo)熱儲(chǔ)層的水文地質(zhì)特征概化42-43
• 2.4.3 溫度分布特征43-45
• 第3章 羽流地?zé)嵯到y(tǒng)非等溫多相流數(shù)值模擬研究45-73
• 3.1 井筒非等溫多相流水-熱耦合數(shù)值模擬理論及方法45-50
• 3.1.1 質(zhì)量和能量守恒方程45-47
• 3.1.2 漂移流模型（DFM）的動(dòng)量守恒方程47-50
• 3.1.3 離散方程的求解方法50
• 3.2 儲(chǔ)層流動(dòng)-傳熱-化學(xué)耦合數(shù)值模擬理論及方法50-53
• 3.2.1 控制方程50-51
• 3.2.2 離散方程的求解方法51-53
• 3.3 井筒耦合儲(chǔ)層的非等溫多相流數(shù)值模擬程序53-54
• 3.3.1 井筒中流體流動(dòng)和傳熱數(shù)值模擬軟件53
• 3.3.2 儲(chǔ)層的非等溫多相流數(shù)值模擬軟件53-54
• 3.4 羽流地?zé)嵯到y(tǒng)井筒-儲(chǔ)層耦合數(shù)值模擬研究54-70
• 3.4.1 CO_2羽流地?zé)嵯到y(tǒng)運(yùn)行原理54-55
• 3.4.2 模型的建立55-57
• 3.4.3 初始條件與模型驗(yàn)證57-58
• 3.4.4 模擬結(jié)果分析58-67
• 3.4.4.1 注入井筒中 CO_2熱力學(xué)參數(shù)變化特征58-61
• 3.4.4.2 儲(chǔ)層中 CO_2的流動(dòng)及傳熱過(guò)程61-62
• 3.4.4.3 生產(chǎn)井筒內(nèi) CO_2熱力學(xué)參數(shù)變化特征62-63
• 3.4.4.5 系統(tǒng)熱能產(chǎn)出分析63-65
• 3.4.4.6 系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換計(jì)算65-67
• 3.4.5 討論67-70
• 3.4.5.1 開(kāi)采壓力的影響分析67-68
• 3.4.5.2 開(kāi)采流量的影響分析68-70
• 本章小結(jié)70-73
• 第4章 二氧化碳羽流地?zé)嵯到y(tǒng)水-巖-氣作用對(duì)流場(chǎng)的影響73-91
• 4.1 水-巖-氣相互作用原理73-74
• 4.2 水-巖-氣相互作用實(shí)驗(yàn)74-76
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>74
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容74-75
• 4.2.3 實(shí)驗(yàn)儀器75
• 4.2.4 實(shí)驗(yàn)樣品75-76
• 4.3 數(shù)值模擬研究76-77
• 4.3.1 模擬工具76
• 4.3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/span>76-77
• 4.4 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果分析77-84
• 4.4.1 咸水中各組分濃度分析77-80
• 4.4.2 巖石礦物組分含量變化分析80-83
• 4.4.3 巖石反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的校正83-84
• 4.5 水-巖-氣相互作用對(duì)流場(chǎng)及熱提取的影響分析84-89
• 4.5.1 模型的建立84
• 4.5.2 模擬初始參數(shù)84-85
• 4.5.3 模擬結(jié)果分析85-89
• 本章小結(jié)89-91
• 第5章 羽流地?zé)嵯到y(tǒng)地?zé)崮荛_(kāi)采優(yōu)化研究91-117
• 5.1 CPGS 地?zé)崮荛_(kāi)采優(yōu)化設(shè)計(jì)目的91
• 5.2 CPGS 地?zé)崮荛_(kāi)采優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)91
• 5.3 優(yōu)化開(kāi)采模型的建立91
• 5.4 優(yōu)化結(jié)果分析91-101
• 5.4.1 開(kāi)采流量的優(yōu)化設(shè)計(jì)91-94
• 5.4.2 開(kāi)采壓力的優(yōu)化設(shè)計(jì)94-99
• 5.4.2.1 生產(chǎn)壓力的優(yōu)化94-97
• 5.4.2.2 注入壓力的優(yōu)化設(shè)計(jì)97-99
• 5.4.3 注入溫度的優(yōu)化分析99-101
• 5.5 模型不確定性分析101-113
• 5.5.1 井孔參數(shù)影響分析101-105
• 5.5.1.1 井孔直徑的影響分析101-103
• 5.5.1.2 井孔絕對(duì)當(dāng)量粗糙度的影響分析103-105
• 5.5.2 儲(chǔ)層物性的影響分析105-109
• 5.5.2.1 儲(chǔ)層滲透率的影響105-107
• 5.5.2.2 儲(chǔ)層溫度的影響107-109
• 5.5.3 布井方式的影響分析109-113
• 本章小結(jié)113-117
• 第6章 羽流地?zé)嵯到y(tǒng)中二氧化碳和水作為傳熱工質(zhì)的對(duì)比研究117-129
• 6.1 CO_2和水的熱力學(xué)性質(zhì)對(duì)比117-119
• 6.2 兩種載熱工質(zhì)循環(huán)過(guò)程溫壓變化及熱提取分析119-123
• 6.3 對(duì)比分析123-126
• 6.3.1 注入流體溫壓條件的對(duì)比分析123-124
• 6.3.2 儲(chǔ)層物性參數(shù)的對(duì)比分析124-125
• 6.3.3 井筒參數(shù)的對(duì)比分析125-126
• 本章小結(jié)126-129
• 第7章 結(jié)論與建議129-133
• 7.1 結(jié)論129-132
• 7.2 建議132-133
• 參考文獻(xiàn)133-145
• 作者簡(jiǎn)介及攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文145-149
• 致謝149

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增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)孔隙/裂隙介質(zhì)中多場(chǎng)耦合模擬方法    張可霓;許雅琴;

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漳州地?zé)嵯到y(tǒng)基巖裂隙熱水溫度場(chǎng)數(shù)值模擬    曾玉超;蘇正;吳能友;王曉星;

新疆塔縣盆地地?zé)嵯到y(tǒng)基本特征與成因分析    龐忠和;楊峰田;袁利娟;李義曼;

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)的裂隙模擬方法    王洋;張可霓;

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)開(kāi)采數(shù)值模擬研究    陳琦;龔宇烈;徐瓊輝;馬偉斌;

中國(guó)地?zé)嵯到y(tǒng)的類(lèi)型    陳墨香;汪集旸;鄧孝;

歐洲地?zé)崮芪瘑T會(huì)2008～2030年地?zé)崮軕?zhàn)略研究議程    孫燕冬;

地?zé)嵯到y(tǒng)水—巖平衡的水化學(xué)計(jì)算    姚足金;

生活污水上演“鳳凰涅槃”    記者 秦媛媛

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)發(fā)展前景廣闊    清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、熱能工程系 姜培學(xué)　胥蕊娜 地力夏提·吾布力 張富珍

地?zé)岬匕灞ｐB(yǎng)的特殊之道    魏曉瑜

地?zé)岬匕寮訙睾捅竦淖⒁馐马?xiàng)    

微軟、谷歌一個(gè)忙搜索 一個(gè)開(kāi)發(fā)新能源    于露

地?zé)岵膳詈眠x用復(fù)合木地板    中國(guó)消費(fèi)者報(bào) 賈君 高巍

地?zé)帷翱简?yàn)”樓盤(pán)品質(zhì)    

能源綠化 美國(guó)城市新的風(fēng)景線(xiàn)    郎楷淳

地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用“熱”起來(lái)    本報(bào)記者　 孫潛彤

地?zé)崮芾镉猩饨?jīng)    詹姆士·奧斯邦　編譯 白晶

二氧化碳羽流地?zé)嵯到y(tǒng)運(yùn)行機(jī)制及優(yōu)化研究    石巖

廣東沿海地?zé)嵯到y(tǒng)水文地球化學(xué)研究    袁建飛

增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)人工壓裂機(jī)理研究及應(yīng)用    張慶

西藏尼木—那曲地?zé)釒У湫透邷氐責(zé)嵯到y(tǒng)形成機(jī)理研究    劉昭

京北地?zé)崽锾卣骷捌溟_(kāi)發(fā)對(duì)地震地下流體動(dòng)態(tài)的影響    呂金波

分布式地?zé)嵯到y(tǒng)雙循環(huán)發(fā)電效率分析與梯級(jí)供熱試驗(yàn)研究    崔俊奎

多相多組分THCM耦合過(guò)程機(jī)理研究及其應(yīng)用    于子望

基于GIS的青藏高原地?zé)嵝畔⑾到y(tǒng)研究    管彥武

天津地區(qū)霧迷山組熱儲(chǔ)地下熱水資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用研究    林黎

內(nèi)蒙古赤峰市熱水鎮(zhèn)地?zé)崽餆豳Y源評(píng)價(jià)    石卓

四川稻城溫泉同位素、元素水文地球化學(xué)特征研究    王茜

云南東部地?zé)豳x存規(guī)律及成因模式    程先鋒

平莊盆地地?zé)岬刭|(zhì)特征及地?zé)峥辈檫h(yuǎn)景區(qū)研究    于常武

四川宜賓金沙江河谷區(qū)地?zé)釡厝刭|(zhì)地球化學(xué)特征    陳菁

佳木斯盆地地質(zhì)特征及地?zé)峥辈檫h(yuǎn)景分析    董曉偉

山東省地?zé)豳Y源特征及其分區(qū)研究    吳立進(jìn)

攀枝花紅格溫泉氡及其環(huán)境地球化學(xué)研究    陳召文

碳晶電熱板加溫在日光溫室黃瓜育苗與番茄栽培中的應(yīng)用研究    趙云龍

北京市小湯山地區(qū)地溫場(chǎng)特征及地下熱水成因模式分析    王澤龍

中國(guó)東北部和也門(mén)西部的地?zé)嵯到y(tǒng)及地?zé)釡囟忍匦匝芯?nbsp;   哈扎（Mohammed Hazaea Qahtan）