中高渗透率白垩纪砂岩孔隙尺度下超临界CO2 对流换热增强机制及其地热开发应用研究

为破解非均质岩层中scCO2 地热开发效率瓶颈，北京大学团队通过构建高温高压实验平台，结合CT孔隙尺度分析，首次揭示白垩纪砂岩胶结结构可使scCO2 对流换热效率提升20-35%，Nu数曲线拟合为地热储层模拟提供关键参数。

　　

在全球推进"双碳"目标的背景下，如何高效开发地热能等清洁能源成为关键课题。传统地热系统常采用水作为工质，但其存在传热效率低、易引发地质风险等局限。近年来，超临界二氧化碳(scCO₂
)因其独特的物化性质被视为理想替代工质——其粘度低于水却具有更高的热扩散率，且能实现碳封存与能源开发的协同效益。然而，现有研究多集中于均质岩层或低渗透率岩石，对真实储层中普遍存在的胶结微结构与scCO₂
的相互作用机制缺乏认知，这严重制约了地热系统的精准设计。

针对这一科学难题，北京大学联合中国石油集团的研究团队在《The Journal of Supercritical Fluids》发表创新成果。研究选取大齐地热田130mD渗透率的白垩纪砂岩(BE-3)为对象，搭建了包含围压泵和定制岩心夹持器的高温高压实验系统，通过CT孔隙尺度分析与多流速(10-35ml/min)对比实验，首次量化了胶结结构对scCO₂
传热的增强效应。

关键技术包括：(1)模拟储层条件的28MPa/170℃实验平台构建；(2)同步开展μCT扫描与流动传热测试；(3)基于Nu数曲线的传热系数拟合。岩样取自大齐地热田实际储层，在40℃注入口温度下测试不同流速的传热特性。

【Experimental Method and Facility】
团队设计的三轴压力系统可模拟储层围压，通过分布式温度传感器捕捉裂缝面局部传热动态。独特的岩心夹持器实现了scCO₂
在水平裂缝中的非平衡传热过程监测。

【Results and Discussion】
研究发现胶结结构形成的曲折流道使scCO₂
湍流强度增加，导致换热效率较均质岩体提升20-35%。当流速从10ml/min增至35ml/min时，单位质量流量的热回收率提高但产出温度下降更快。初始岩温170℃条件下，出口流体温度随流速增加呈非线性降低，证实了流速-传热的动态耦合效应。

【Conclusions】
研究突破性地揭示了方解石胶结微结构与scCO₂
湍流动力学的相互作用机制：(1)胶结结构通过延长接触时间与增强流体扰动提升传热；(2)高流速虽加速热提取但会缩短系统寿命；(3)建立的Nu数模型填补了储层模拟参数空白。该成果为优化EGS(增强型地热系统)设计提供了微观传热理论基础，对实现地热-碳封存联产具有重要指导价值。