利用数值模拟对波动性断裂地热储层的性能进行评估——以普加（Puga）油田为例

《Geoenergy Science and Engineering》：Performance evaluation of the undulated fractured geothermal reservoir using numerical simulations – application to the Puga field

　　Md Irshad Ansari | Awez Hanegaonkar | Suresh Kumar Govindarajan 印度马德拉斯印度理工学院海洋工程系石油工程分部水库模拟实验室 **摘要** 裂缝对增强型地热系统（EGS）的影响仍是一个重要的研究领域，这有助于我们进一步理解地热能开采策略。注入质量流量和注入温度在地热储层开发中也起着关键作用。我们基于基质和裂缝网络建立了一个热流体模型，以评估裂缝地热储层的冷锋扩展和能量提取情况。我们使用Lauwerier的裂缝渗流模型验证了当前数值模型的准确性。为了进一步提高信心，还将该模型与现有的数值解进行了对比验证。观察到质量流量会影响地热储层的热功率输出。当注入质量流量设置为15 kg/s时，20年内的累积热量输出为0.65 × 10^16 J，这比注入质量流量为10 kg/s、5 kg/s和2 kg/s时的累积热量输出要大。裂缝的波动（振幅）影响了所产生的累积热量。具有较大裂缝波动的地热储层产生的累积热量最低，为0.56 × 10^16 J。另一方面，注入温度的降低由于增强了地热储层中基质与流体之间的温差，从而增加了生产井中的累积热量。在垂直方向上穿过裂缝的注入井附近，温度变化被评估出来；由于浮力效应，裂缝下方的温度低于上方，表明冷热锋在裂缝下方占主导地位。另一方面，沿着裂缝方向的温度向生产井方向递增。本研究提供了关于质量流量、裂缝波动和注入温度等参数对增强型地热系统生产性能影响的宝贵见解，并有助于有效高效地评估地热储层的生产性能。 **引言** 大规模工业的发展、世界人口增长、气候变化问题以及化石燃料储量的减少导致了能源危机（Zayed等人，2023年）。可以从地壳下提取地热能来应对这一能源危机。地热能可用于产生热量或发电（Salmachi和Haghighi，2012年；Nath等人，2024年）。地热能还可以作为一种实现净零碳排放的能源（McClean和Pedersen，2023年；Altin等人，2025年；Green等人，2025年）。根据国际能源署2020年的美国地热报告，美国地热能资源的潜力约为530吉瓦（IEA，2020年）。印度尼西亚的地热资源具有巨大潜力（Brilian等人，2025年）。从低焓到高焓，地热能的总潜力超过23.9吉瓦（Prasetyo等人，2021年）。令人惊讶的是，目前只有4%的地热资源被利用。中国拥有全球7.9%的地热资源（Wang等人，2020年）。北京、天津、河北和山东等负荷地区的地热资源丰富。根据印度地质调查局的数据，印度拥有地热资源，全国共发现了约340个温泉（Prajapati等人，2022年）。意大利、肯尼亚、墨西哥、冰岛、新西兰和菲律宾是参与地热能研究的关键国家（Yadav和Sircar，2021年）。 地热能是由地下存在的放射性元素衰变产生的（Wang等人，2020年）。它是地壳下一种可靠的能源，不受季节变化的影响（Kabeyi，2021年）。地热能是绿色、可再生且环保的能源，具有出色的热能潜力（Li等人，2020年；Guo等人，2022年；Hu和Wang，2024年；Ansari和Govindarajan，2024年；Wang等人，2024年；Aladwani等人，2025年；Liu等人，2026年）。由于其高运行稳定性和低碳排放，地热能是一种有前景的可再生能源（Cui等人，2021年）。此外，最上层10公里内的地热资源储量估计是全球已探明石油和天然气储量的50,000倍，这可能对能源需求大有裨益（Zaigham等人，2010年；Srinivas等人，2022年）。 地热资源分为两类：高焓地热储层和低焓地热储层（Harshini等人，2024年）。低焓地热储层位于大约1000米深度，温度低于150摄氏度，而高焓储层位于同一深度，温度高于200摄氏度（Yadav和Sircar，2021年）。火山型、热液型、沉积盆地中的热能以及增强型地热系统（EGS）是主要的可利用地热资源类型（Kozhagulova等人，2023年）。地热资源存在于3-10公里深度的干热岩中，这些资源成本较低、环保且可再生（Atrens等人，2009年；Gudala等人，2023年）。从这些资源中提取热能可以缩小能源缺口。然而，由于地层渗透率极低，提取这些资源非常复杂。增强型地热系统是一种通过引入水力裂缝来提高渗透率的技术，从而提高从这些复杂地层中提取热能的效率（Benson等人，2025年）。这也指通过刺激打开连通的裂缝系统来收集热能（Liu等人，2023年）。增强型地热储层能够在热岩中的注入井和生产井之间建立低阻抗、高热能传输面积的连接（Chandra等人，2012年）。与其他可再生能源相比，增强型地热系统非常适合无污染地生成基载电力，且利用效率较高（Zeng等人，2019年）。