超临界地热流体电导率的计算方法

1.本发明涉及新能源技术领域，特别是一种超临界地热流体电导率的计算方法。


背景技术：

2.地热能作为非碳基清洁能源，具有稳定性好、能源利用系数高、开发利用方便等特点，是非常有竞争优势的可再生能源。目前，依照地热资源禀赋条件，可以分为浅层地热、水热型地热以及干热岩地热资源，其中水热型地热资源是目前开发利用的主战场。获取高品位热能一直是地热学研究不懈追求的动力。近年来，拥有超高温度(》374℃)的超临界地热流体成为水热型地热勘探开发的热点。超临界地热流体是具有高温高压(临界点，纯水：t＝374℃，p＝22.1mpa；海水：t＝406℃，p＝29.8mpa)的多组分流体，多赋存于玄武岩中，其形成与浅成岩浆活动密切相关。超临界地热流体具有热焓值高(-3200kj/kg)、动力粘度低、地热产能大(单井装机可达50mw)等优势，其中，超临界地热井装机容量可以达到常规高温(约200-350℃)地热井的10倍。超临界地热流体开发在应对气候变化、实现能源结构调整具有显著科技和经济价值。
3.精准识别超临界地热流体的规模和空间展布特征，是推动其实现高效开发的前提。由于岩石和流体电导率的显著差异，大地电磁(mt)方法是探测地下流体的有效地球物理工具，目前电(磁)法在探测常规高温地热储层(深度《3km，电导率一般大于100s/m)和深部岩浆熔体(深度》5km，电导率一般小于5s/m)时具有广泛的应用场景并取得显著的成效。电法探测依靠室内电导率实验建立的熔融体以及富水岩体电导率模型，并通过采集野外电流和电压数据结合数学模型反演，可以建立地下介质的空间电导率特征，进而高效识别出岩浆房与常规高温地热流体。但是，目前电法在探测超临界地热流体(深度2-6km，电导率一般0.1-100s/m)时存在较大模糊性，尤其是对超临界地热流体的规模和空间展布特征识别十分困难，主要制约因素是对超临界地热系统具有的这种三元组构刻画不清楚，实质是对超临界地热流体电导率演化规律认识不清。
4.流体组分(含盐量)、流体温度和流体压力这些是控制其自身电导率的主要参数，换言之，超临界地热流体电导率是传热-流动-化学多物理场耦合作用的结果。目前，使用nacl-h2o体系在流体压力、流体温度、流体盐度等方面建立了不同的电导率模型。
5.超临界流体电导率目前主要是考虑某几个物理场简单作用的结果，建立了一系列(半)经验型模型。根据温度、压力、盐度影响下超临界流体的密度、粘度相关实验测试结果，通过数据统计和相关性拟合，建立了依赖流体密度、粘度、温度、压力的流体电导率(半)经验模型。这些模型主要用在特定温度、压力、盐度范围内的地质环境。然而，以上这些模型都难以用于盐度高于6wt％nacl，温度高于350℃，压力低于200mpa的地质环境中；最近watanabe et al.建立了最高盐度24.6wt％nacl，温度20-525℃，压力25-200mpa范围内的流体电导率半经验型模型；由于其依靠bannard et al.实验结果，但不同年代的电导率实验数据可能存在矛盾情况。


技术实现要素：

6.为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种超临界地热流体电导率的计算方法，本发明从高温高压地球化学作用过程中来定量分析流体电导率演化规律及控制机制。
7.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种超临界地热流体电导率的计算方法，包括：
8.通过传热、流动和化学的多物理过程耦合，对应的考虑依靠温度t、密度ρ、和流体盐度θ建立流体电导率σ
l
模型，控制方程如下：
9.log(σ
l
)＝-1.706-93.78/t+0.8075log(θ)+3.0781log(ρ)+log(λ(t,p))
10.其中，λ(t,p)是由温度、压力控制的摩尔电导率，与溶液粘度μ有关，公式为：
11.λ＝a+bμ-1
+cμ-2
12.其中，系数a、b、c分别是摩尔浓度m的函数，分别为：
[0013][0014][0015]
c＝c1+c2m
[0016]
其中，a1、a2、a3、a4，b1、b2、b3、b4，c1、c2均为系数；
[0017]
所述溶液粘度μ受盐度θ、温度t、压力p控制，其方程为：
[0018][0019]
其中，是给定温压状态下纯水粘度，是800℃时熔体粘度；
[0020]
溶液密度为：
[0021][0022]
其中1巴压力下参考密度：
[0023][0024]
溶液压缩性系数：
[0025]
λ
nacl,l
＝m4+m5t
[0026]
其中，m0、m1、m2、m3、m4、m5均为系数；
[0027]
通过阿尔奇公式估算全岩电导率：
[0028]
[0029]
其中σr是含流体岩石电导率，φ是岩石孔隙度，s
l
是盐水饱和度，m是岩石相关参数，n是饱和度指数，α是系数因子。
[0030]
作为本发明的进一步改进，通过传热、流动和化学的多物理过程耦合，对应的考虑依靠温度t、密度ρ、和流体盐度θ建立流体电导率模型包括：将电导率模型处理为nacl-h2o体系，考虑多孔介质中传热、流动、化学耦合作用下的电导率特征，实现多物理场耦合；具体如下：
[0031]
多相流体流动达西方程：
[0032][0033]
其中u是流体速度，κ是全岩渗透率，κ
r,i
是相对渗透率，μ是溶液粘度，ρ是密度，g是重力加速度，p是相分压，l为液相，v为气象，r是相对渗透率；
[0034]
液相、气相和固相相对渗透率关系为：
[0035]
κ
rv
+κ
rl
＝1-sh[0036]
其中，si是i相体积饱和度(i＝l,v,h)，固相沉淀以岩盐nacl为主，h为固象；
[0037]
流体质量守恒方程：
[0038][0039]
其中φ是岩石孔隙度，是流体质量源[kg/s]，t是时间[s]；
[0040]
岩盐nacl质量守恒方程：
[0041][0042]
其中q
nacl
是源项，xi是流体中nacl质量分数；
[0043]
能量守恒方程：
[0044][0045]
其中下标r代表岩石，hi是i相的焓值，qe是内能，k是饱和介质有效热导率，t是温度；
[0046]
电导率模型中多相流体中总的nacl质量分数为：
[0047][0048]
当岩盐发生沉淀时，将增加固相饱和度sh，减小全岩渗透率，相互关系为：
[0049][0050]
[0051][0052][0053]
其中，κ0和κ渗透率分别是sh＝0和sh》0的情况，φ
*
＝0.8是当所有孔隙空间被填满时的液相和气相比例，即渗透率为0；常数ψ＝0.8；另外，当sh《0.2时κ》0，当sh≥0.2时κ＝0；
[0054]
另外，流体盐度：
[0055][0056]
本发明的有益效果是：
[0057]
1、理论性：在地下超临界地热流体的形成是在高温传热、流体流动、水岩气化学反应等复杂物理化学过程长期作用形成的特殊流体，它的物理性质也受到多物理场作用控制，依靠传热-流动-化学多物理场耦合来计算超临界地热流体的电导率，能够从基本物理化学规律出发，探究超临界地热流体电导率的主要控制机制，从理论上分析超临界地热流体电导率特征。
[0058]
2、直观性：超临界地热流体一般存在地下3-6km，是很难直接观测到的。借助有限元方法求解流动过程、物质守恒、能量守恒偏微分方程，进而计算超临界流体电导率值。能够将电导率在地下的分布特征直观展示出来，同时能够展示超临界流体电导率随流动、传热、化学反应变化而出现的变化特征。
[0059]
3、可预测性：超临界地热流体是在地下经历复杂物理化学过程通过长时间作用形成，岩浆的侵入规模和时间，地下水循环深度和路径，水岩气作用过程和范围，这些都会影响到超临界地热流体的形成，也会影响其电导率特征。通过求解物理化学过程数学方程，能够探究超临界地热流体电导率在什么样的温度、压力、盐度、密度情形下形成，也能够依靠数学方程计算预测超临界地热流体电导率随地质过程演变将出现何种变化。
[0060]
4、经济性：以前超临界地热流体电导率主要依靠室内高温高压实验测试和监测。依靠传热-流动-化学耦合的超临界地热流体电导率演变规律，能够极大地减少高温高压超临界流体电导率实验带来的高额花销，能够避免因实验长时间运行造成的人员浪费。同时能够跟世界不同实验室测试结果进行比对，建立相应标准以及相应特征规律范本。
附图说明
[0061]
图1为本发明实施例中多物理场耦合的结构示意图。
具体实施方式
[0062]
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
[0063]
实施例
[0064]
超临界地热流体水岩相互作用在温度、压力发生变化时，矿物溶解沉淀会改变地下介质的物理性质，进而影响电法探测对地质结构电导率解释。因此，有必要从高温高压地球化学作用过程中来定量分析流体电导率演化规律及控制机制。
[0065]
一种超临界地热流体电导率的计算方法，依靠实验测试结果，将进一步建立水岩作用过程与流体电导率演化规律的数值模型，因此本实施例将模型处理为nacl-h2o体系，考虑多孔介质中传热、流动、化学耦合作用下的电导率特征，实现多物理场耦合，如图1所示。具体如下：
[0066]
多相流体流动达西方程：
[0067][0068]
其中u是流体速度[m/s]，κ是全岩渗透率[m2]，κ
r,
i是相对渗透率[-]，μ是动力粘度[pa
·
s]，ρ是密度[kg/m3]，g是重力[m/s2]，p是相分压[pa]。
[0069]
液相(l)、气相(v)和固相(h，岩盐nacl)相对渗透率关系：
[0070]
κ
rv
+κ
rl
＝1-sh[0071]
其中si是不同相态体积饱和度，固相沉淀以岩盐(nacl)为主。
[0072]
流体质量守恒方程：
[0073][0074]
其中φ是岩石孔隙度[-]，是流体质量源[kg/s]，t是时间[s]。
[0075]
岩盐(nacl)质量守恒方程：
[0076][0077]
其中q
nacl
是源项[kg/s]，xi是流体中nacl质量分数[-]。
[0078]
能量守恒方程：
[0079][0080]
其中下标r代表岩石，hi是i相的焓值[kj/kg]，qe是内能[kj]，k是饱和介质有效热导率[w/(m
·
k)]，t是温度[℃]。
[0081]
模型里多相流体中总的nacl质量分数为：
[0082][0083]
当岩盐发生沉淀时，将增加固相饱和度sh，减小全岩渗透率，相互关系为
[0084][0085][0086][0087]
sh≤1-φ
*
[0088]
其中，κ0和κ渗透率分别是sh＝0和sh》0的情况，φ
*
＝0.8是当所有孔隙空间被填满时的液相和气相比例，即渗透率为0。常数ψ＝0.8。另外，当sh《0.2时κ》0，当sh≥0.2时κ＝0。
[0089]
另外，流体体积盐度：
[0090][0091]
这里没有使用x
nacl
比例分数，有两个目的。首先，流体体积盐度是电导率的指示剂，当流体盐度高时全岩电导率也高。流体总盐度乘以孔隙率，可以估计全岩的电导性特征，因为流体只占据了单位体积介质的孔隙部分。其次，体积盐度是对单位体积岩石中流体里氯化钠累积量的估计。因此，体积盐度是一种有用的金属矿物分布特征示踪剂，因为金属矿物在流体中的分布受氯化物配体控制，而不是固体nacl。
[0092]
本实施例用饱和岩石单位体积的流体体积盐度来表示模拟结果，即nacl在液相和气相的综合质量分数(不包括岩盐)乘以孔隙率。这种方法进而能够计算模型几何域内的电导率分布，以便与地热区下方的大地电磁成像图像直接比较。这也是本项目能够实现定量评价水岩作用过程对电法探测超临界流体控制机制在技术方法上的一个创新点。
[0093]
为了与传热-流动-化学多物理过程耦合，考虑依靠温度(t[k])、密度(ρ[kg/m3])、流体盐度(θ[wt％])的流体电导率(σ
l
[s/m])模型，控制方程为
[0094]
log(σ
l
)＝-1.706-93.78/t+0.8075log(θ)+3.0781log(ρ)+log(λ(t,p))
[0095]
其中，λ(t,p)[s
·
m2/mol]是由温度、压力控制的摩尔电导率，与流体粘度有关，公式为：
[0096]
λ＝a+bμ-1
+cμ-2
[0097]
其中，系数a、b、c分别是摩尔浓度m[mol/kgh2o]的函数，分别为：
[0098][0099][0100]
c＝c1+c2m
[0101]
其中，系数a1＝4.16975e-3,a2＝-5.08206e-3,a3＝0.575588,a4＝1.00422,b1＝25.5008,b2＝6.04911e-2,b3＝2.51861e6，b4＝0.430952,c1＝-4.89245e-10,c2＝-1.75339e-11。
[0102]
模型中，溶液粘度μ受盐度θ'[wt％]、温度t[k]、压力p[mpa]控制，其方程为：
[0103][0104]
其中，μ
h2o
(t,p)是给定温压状态下纯水粘度，是800℃时熔体粘度。
[0105]
溶液密度为：
[0106][0107]
其中1巴压力下参考密度
[0108][0109]
溶液压缩性系数：
[0110]
λ
nacl,l
＝m4+m5t
[0111]
其中，系数m0＝58443；m1＝23.772；m2＝0.018639；m3＝-1.9687e-6；m4＝-1.5259e-5；m5＝5.5058e-8。
[0112]
通过阿尔奇公式估算全岩电导率：
[0113][0114]
其中σr是含流体岩石电导率，s
l
是盐水饱和度，m是岩石相关参数(＝1.9)，n是饱和度指数(≈2)，α是系数因子(＝0.6)。
[0115]
对本实施例的模型进行检验：
[0116]
模拟平台comsol multiphysics是一个商业化的多物理场耦合模拟平台，数值计算能量方程、质量方程、达西流动方程具有可靠性和稳定性。另外，nacl-h2o体系多相流动模拟在岩浆热液系统和成矿系统中也有广泛应用，得到了观测资料的验证。模型中多孔介质、流体性质参数调整主要依靠实验结果，以及野外电性结构剖面对比验证。
[0117]
为了评价电导率特征对电法探测超临界地热流体识别效果，项目通过网格化多物理场耦合计算的电导率特征剖面，并与地热区大地电磁观测电性结构剖面进行对比分析，建立观测值(o)和模拟值(m)之间的均方根偏差(rmse)作为评判拟合优度的标准，其计算公式：
[0118][0119]
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种超临界地热流体电导率的计算方法，其特征在于，包括：通过传热、流动和化学的多物理过程耦合，对应的考虑依靠温度t、密度ρ、和流体盐度θ建立流体电导率σ
l
模型，控制方程如下：log(σ
l
)＝-1.706-93.78/t+0.8075log(θ)+3.0781log(ρ)+log(λ(t,p))其中，λ(t,p)是由温度、压力控制的摩尔电导率，与溶液粘度μ有关，公式为：λ＝a+bμ-1
+cμ-2
其中，系数a、b、c分别是摩尔浓度m的函数，分别为：其中，系数a、b、c分别是摩尔浓度m的函数，分别为：c＝c1+c2m其中，a1、a2、a3、a4，b1、b2、b3、b4，c1、c2均为系数；所述溶液粘度μ受盐度θ、温度t、压力p控制，其方程为：其中，是给定温压状态下纯水粘度，是800℃时熔体粘度；溶液密度为：其中1巴压力下参考密度：溶液压缩性系数：λ
nacl,l
＝m4+m5t其中，m0、m1、m2、m3、m4、m5均为系数；通过阿尔奇公式估算全岩电导率：其中σ
r
是含流体岩石电导率，φ是岩石孔隙度，s
l
是盐水饱和度，m是岩石相关参数，n是饱和度指数，α是系数因子。2.根据权利要求1所述的超临界地热流体电导率的计算方法，其特征在于，通过传热、流动和化学的多物理过程耦合，对应的考虑依靠温度t、密度ρ、和流体盐度θ建立流体电导率模型包括：将电导率模型处理为nacl-h2o体系，考虑多孔介质中传热、流动、化学耦合作
用下的电导率特征，实现多物理场耦合；具体如下：多相流体流动达西方程：其中u是流体速度，κ是全岩渗透率，κ
r,i
是相对渗透率，μ是溶液粘度，ρ是密度，g是重力加速度，p是相分压，l为液相，v为气象，r是相对渗透率；液相、气相和固相相对渗透率关系为：κ
rv
+κ
rl
＝1-s
h
其中，s
i
是i相体积饱和度(i＝l,v,h)，固相沉淀以岩盐nacl为主，h为固象；流体质量守恒方程：其中φ是岩石孔隙度，是流体质量源[kg/s]，t是时间[s]；岩盐nacl质量守恒方程：其中q
nacl
是源项，xi是流体中nacl质量分数；能量守恒方程：其中下标r代表岩石，hi是i相的焓值，q
e
是内能，k是饱和介质有效热导率，t是温度；电导率模型中多相流体中总的nacl质量分数为：当岩盐发生沉淀时，将增加固相饱和度sh，减小全岩渗透率，相互关系为：当岩盐发生沉淀时，将增加固相饱和度sh，减小全岩渗透率，相互关系为：当岩盐发生沉淀时，将增加固相饱和度sh，减小全岩渗透率，相互关系为：s
h
≤1-φ
*
其中，κ0和κ渗透率分别是sh＝0和sh>0的情况，φ
*
＝0.8是当所有孔隙空间被填满时的液相和气相比例，即渗透率为0；常数ψ＝0.8；另外，当sh<0.2时κ>0，当sh≥0.2时κ＝0；另外，流体盐度：

技术总结
本发明公开了一种超临界地热流体电导率的计算方法，包括：通过传热、流动和化学的多物理过程耦合，对应的考虑依靠温度、密度、和流体盐度建立流体电导率模型；本发明从高温高压地球化学作用过程中来定量分析流体电导率演化规律及控制机制。规律及控制机制。规律及控制机制。


技术研发人员：王迎春 贾浩鑫 周金林 全三余 白泽凡 周熙焱 宋荣彩
受保护的技术使用者：成都理工大学
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/9/14