当代社会对能源的需求越来越大,然而,目前作为主要能源的化石燃料一方面面临着日益枯竭的问题,另一方面也带来了严重的环境问题。因此,有必要大力开发清洁的可再生能源。地热能是一种储量丰富、清洁的可再生能源,而增强型地热系统(enhanced geothermal system,EGS)可以持续提供机载电能,被认为具有巨大的应用前景而广受关注。为此,一些国家正积极尝试相关的开发工作,各国研究者也对EGS做了很多研究。目前,用于EGS热开采的工质主要是水和CO2,由于地层渗漏等原因,EGS系统在运行过程中,都不可避免地存在着流体损失。然而,在以水为工质的EGS(H2O-EGS)系统中,研究者很少考虑水损失的影响;在以CO2为工质的EGS(CO2-EGS)系统中,也仅有少数研究者对CO2损失(即CO2封存)进行了大致的估算,而没有进行系统的模拟和分析;此外,目前对H2O-EGS和CO2-EGS系统的热开采的影响因素的分析还不够完整,并且没有研究者对CO2-EGS系统中的CO2封存的影响因素进行分析。因此,本文围绕EGS热开采过程进行了数值模拟工作,主要对H2O-EGS和CO2-EGS系统的影响因素进行了系统、深入的研究。地层热物性是研究EGS系统的重要参数,针对地层热物性测量困难的问题,本文首先提出了一种分析EGS地层热物性分布的新方法。该方法采用向同心双井筒地热井外筒中注入冷水、从内筒中抽出水并测量外筒中水温变化的方式,基于外筒中的水温与地层热导率、体积比热容等参数的关系,利用蒙特卡洛方法分析EGS地层的热导率和体积比热容随井深的分布。采用该方法对一口虚拟地热井进行了分析,计算结果显示地层热导率的平均相对误差为1%,地层体积比热容的平均相对误差为5%,从而验证了该方法的可行性。该方法能够分析原始地层条件下的EGS地层热物性,方便、高效、经济。为了准确地分析存在流体损失的EGS热开采过程,建立了针对双井EGS的三维传热-流动(thermal-hydrologic,TH)耦合的单孔隙率数值模型,并进行了验证。该模型包括井筒传热传质模型和多孔介质传热传质模型两部分,和考虑流体损失的传统EGS模型相比,该模型还考虑了井筒与地层的传热、由储层向地层的三维流体损失、储层渗透率各向异性、热开采速率。将该三维TH数值模型应用到Fenton Hill EGS,并与实验数据进行了对比,模拟得到的注入和产出流量的平均相对误差分别为5%和9%,从而验证了该三维TH数值模型的可行性。基于井筒传热传质模型和一个二维井筒数值模型,分析了井筒与地层的传热的影响,结果发现:地层的有效传热半径大概为40m,由于一般EGS中井与井之间的间距大于80m,因此,在热开采分析过程中,可以忽略井与井之间的影响;但是,井筒与地层的传热对结果有一定的影响,因此,考虑井筒中的传热是很有必要的。基于建立的三维TH数值模型,对H20-EGS热开采的11个影响因素进行了全面的研究和分析。结果发现:随着地层渗透率的增大,水损失流量增大,产出流量减小,导致稳态热开采速率减小而热突破时间基本不变,因此,忽略由储层向地层的水损失将会过高估计整个运行时间内的热开采速率;水损失比例随着储层平均渗透率与地层渗透率的比值的增大而减小,当该比值大概小于2000时,有必要考虑水损失;现有大多数文献所采用的均匀储层渗透率假定,将会过高估计热开采;竖直方向的储层渗透率分量对热开采的影响很小,而水平方向的两个储层渗透率分量对热开采的影响较大,并且这两个水平方向的储层渗透率分量的比值大概等于1:1时的热开采性能最高;多孔介质的初始温度对热开采有重要影响,因此有必要考虑随着储层冷却引起的水的热物性的变化;注入井或产出井趋近于储层边缘时,产出流量会减小从而抑制热开采,并且热突破时间不随注入井与储层中心的距离而变化,因此建议两井应该布置在距离储层边缘20-25 m的位置;固定两井位置,增大储层体积对热开采的影响很小,因此为了提高EGS性能,增大储层体积应该配合优化布井方案同时进行;最佳的开孔长度等于储层竖直方向尺寸;随着产出压力的增大,水损失流量缓慢增大,而产出流量减小,从而抑制热开采;结果显示热突破时间主要与产出流量和水损失流量有关,因此水损失对热开采有重要影响。在上述模型的基础上,考虑随时间变化的流体压力和速度分布,将稳态流动发展到瞬态流动,并基于该发展的三维TH数值模型对CO2-EGS系统中的热开采和CO2封存进行了动态模拟,同时对CO2-EGS和H2O-EGS系统进行了对比研究。固定注入与产出压力之差不变,研究了不同注入压力条件下的两种EGS系统,结果发现CO2-EGS系统和较低注入压力条件下的H2O-EGS系统的储层平均渗透率相差较小,即储层流体平均压力相差较小,此外,CO2-EGS系统需要较高的注入压力而H2O-EGS系统不需要,因此,CO2-EGS系统和较低注入压力条件下的H2O-EGS系统两者具有较好的可比性。对比发现CO2-EGS比H2O-EGS具有较高的热开采性能,并且CO2-EGS的热开采的优势在较低的储层平均渗透率、较低的储层初始温度、较小的井筒深度和较高的地层渗透率的情况下更大。与H2O-EGS相比,CO2-EGS具有较高的流体损失流量(尤其是在较高的储层平均渗透率、较高的储层初始温度和较小的井筒深度的情况下),并且具有较低的流体损失比例(尤其是在较低的储层平均渗透率和较低的储层初始温度的情况下),这显示目前所通常采用的基于H2O-EGS的流动实验数据来计算CO2封存是不准确的。对于CO2-EGS,随着地层渗透率的增大,流体损失流量和流体损失比例都增大,而热开采速率缓慢减小,这显示地层渗透率对CO2封存和热开采都具有重要的影响,因此有必要考虑由储层向地层的CO2损失。上述研究结果显示,C02-EGS系统可以在热开采的同时实现CO2封存,因此,本文最后基于发展的三维TH数值模型,针对C02-EGS,分别分析了注入参数对热开采和CO2封存的影响。随着注入压力的增大,产出流量和稳态热开采速率增大,并且流体损失流量和流体损失比例也增大;因此,增大注入压力将促进CO2-EGS的热开采并增大C02封存量。随着产出压力的增大,产出流量和稳态热开采速率减小,而流体损失流量和流体损失比例增大;因此,增大产出压力将抑制CO2-EGS的热开采但是可以增大CO2封存量。随着注入温度的增大,产出流量和稳态热开采速率减小,并且流体损失流量和流体损失比例也减小;因此,减小注入温度将促进CO2-EGS的热开采并增大C02封存量。研究结果可以对考虑CO2-EGS综合性能的注入参数优化提供参考。