地热开发数值模拟理论、技术与应用

在“碳达峰 碳中和”目标背景下，中国地热能开发利用进入了一个高质量、规模化快速发展的新时代。“新时代地热能高效开发与利用研究丛书”正是在这样的大背景下应时应需地出笼的。丛书由中国科学院地质与地球物理研究所庞忠和教授担任总主编，由中国科学院汪集暘院士、贾承造院士，中国工程院马永生院士、多吉院士、武强院士担任学术顾问。各分册的主编来自吉林大学、天津大学等高校和北京市工程地质研究所、北京市地质矿产勘查院、天津地热勘查开发设计院等相关院所，都是地热能开发利用领域的领军人才。丛书的编写以能源领域国家重大战略规划为指引，以地热能开发利用产业高质量发展为目标，服务从事地热能勘查、开发和利用实际工作的工程技术人员和项目管理人员。丛书基于三横四纵的知识矩阵进行布局：在横向上包括了浅层地热能、中深层地热能和深层地热能；在纵向上，从地热勘查技术，到开采技术，再到利用技术，以及项目管理。当前，国家对“十四五”期间地热能的发展纲领已经明确，2023年第七届世界地热大会即将在北京召开，中国地热能产业正在大步迈向新的发展阶段，其必将推动中国从地热大国走向地热强国。本丛书的出版将为我国新时代的地热能产业高质量发展以及国家能源转型、应对气候变化和建设生态文明战略目标的实现做出贡献，为中国地热献礼。1.本书是国家出版基金、“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划、上海市促进文化创意产业发展财政扶持资金项目——“新时代地热能高效开发与利用研究丛书”的分册之一。2.本书从地热能开发数值模拟相关的基本概念和理论入手，围绕地热开发过程中涉及的热传递(T)、流动(H)、岩石力学(M)、水岩化学作用(C)等多场耦合过程和控制方程展开论述和刻画，内容全面系统。3.本书基于国内外较为成熟的数值模拟方法和计算程序，选取国内外典型地热田开发场地作为实际应用案例，体现了良好的创新性、实践性和示范性，对从事地下多相流理论和地下新能源开发等方面的研究工作指导性、针对性强。4.图书装帧精美，全彩印刷，清晰展现地热资源开发数值模拟的理论、技术和现场应用等内容，颇具收藏价值。

全书共八章，系统论述了地热资源开发数值模拟的理论、技术和现场应用等内容。第1章首先回顾了地热开发数值模拟技术的研发历程及其应用现状。第2~3章对地热开采系统的传热-流动-力学-化学(T-H-M-C)多场耦合过程和控制方程进行论述和刻画。第4章对部分在地热开发领域应用较为广泛的数值模拟软件进行回顾。第5~7章基于国内外较为成熟的数值模拟方法和计算程序，选取国内外典型地热开发场地作为实际应用案例进行教学式介绍。第8章对未来地热能开发相关的数值模拟技术进行展望。书中内容囊括了作者及其科研团队近十年来的大量研究成果，也涵盖了国内外相关研究的近期新进展。本书可供从事地下多相流理论和地下新能源开发等方面研究的科学技术人员、本科生、硕士与博士研究生参考。

第1章 引言 001
1.1基本概念与意义 003
1.2数值模拟的优势 005
1.3国内外现状 006
1.3.1数值模拟软件研发历程 006
1.3.2地热开采数值模拟应用现状 011
参考文献 020
第2章 物理过程与数学模型 029
2.1多孔介质传热-流动过程与数学模型 031
2.1.1质量守恒方程 031
2.1.2流动控制方程 032
2.1.3能量守恒方程与热传递理论 036
2.1.4多相多组分系统渗流理论 040
2.2井筒中传热-流动过程与数学模型 047
2.2.1动量守恒方程 047
2.2.2漂移流模型 049
2.2.3井筒内的能量传递过程 051
2.3地球化学过程与数学模型 052
2.3.1溶质运移理论与模型 052
2.3.2水化学反应 055
2.4 岩石力学过程与数学模型064
2.4.1 岩石力学基本假设 064
2.4.2 应力分析及应力平衡方程 065
2.4.3 岩石破坏控制方程 072
参考文献 074
第3章 数值模型的建立与求解 077
3.1 传热 流动耦合数值模型 079
3.1.1 积分有限差基本原理 079
3.1.2 Newton Raphson 迭代求解 081
3.1.3 数值模型求解 083
3.2 地球化学数值模型 086
3.2.1 溶质运移过程数值模型 086
3.2.2 化学反应过程数值模型 088
3.3 力学数值模型 090
3.3.1 力学与传热 流动过程耦合方式 090
3.3.2 弹性力学问题的解法 091
3.3.3 三维力学模型有限元离散 092
3.3.4 力学方程组求解 097
参考文献 098
第4章 模拟程序简介 101
4.1 TOUGH 系列程序 103
4.1.1 TOUGH2 104
4.1.2 TOUGHREACT 107
4.1.3 TOUGH2 FLAC3D 109
4.1.4 iTOUGH2 111
4.1.5 T2Well 112
4.1.6TOUGH-MP 112
4.1.7GeoT 114
4.1.8TOUGH2Biot 116
4.2其他多场耦合程序 117
4.2.1OpenGeoSys 117
4.2.2FEFLOW 119
4.2.3PHREEQC 120
4.2.4FLAC3D 120
4.2.5ABAQUS 122
4.2.6COMSOL Multiphysics 124
4.3高性能并行计算 125
4.3.1并行计算介绍 126
4.3.2并行研究现状 127
4.3.3并行处理过程 128
4.4三维地质模型与可视化技术 129
4.4.1三角剖分 129
4.4.2三维地质建模 132
4.4.3可视化技术 134
参考文献 137
第5章 地热能开发传热-流动耦合模拟场地应用实例 141
5.1松辽盆地干热岩地热能优化开采数值模拟 143
5.1.1区域地质概况 143
5.1.2热储靶区选择 146
5.1.3 EGS优化开采模型建立 146
5.1.4数值剖分 149
5.1.5模拟结果与分析 150
5.1.6模型不确定性分析 159
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