德克萨斯州Carrizo-Wilcox含水层中基于数值模拟的含水层热能存储与生产评估

研究人员针对德克萨斯Carrizo-Wilcox含水层，通过SUTRA数值模拟评估了含水层热能存储(ATES)系统的性能，探究了井距、流量和运行周期对功率输出(0.1-30 MW)和热效率的影响。结果表明，增大注采速率(50-70°C)和井距可提升能量产出，间歇运行模式较连续运行更高效，为盐碱含水层地热开发(成本2-10 US￠/kWh)提供了优化方案。

　　

在全球能源转型背景下，如何高效利用中低温地热资源成为关键课题。传统含水层热能存储(ATES)系统常面临热突破时间短、黏土矿物膨胀等技术瓶颈，而深层盐碱含水层的开发潜力尚未充分挖掘。德克萨斯Carrizo-Wilcox含水层因其独特的双层结构——上部淡水层与下部咸水层的组合，以及50-70°C的年温度波动，成为理想的研究靶区。

为破解这一难题，研究人员采用美国地质调查局开发的SUTRA（饱和-非饱和输运）模拟软件，对该含水层进行了为期30年的八种情景模拟。通过三维有限元方法耦合流体流动与热量传输方程，重点考察了注采井距（300-600米）、流量（5-30 L/s）及运行周期（连续vs间歇）等参数的影响。模拟数据来源于USGS和德州水资源委员会的实测地质剖面，确保了模型的可靠性。

结果与讨论

1. 功率输出优化：高注采速率(30 L/s)使年产能提升47%，而600米井距方案较300米基准案例减少热损失达28%。

2. 热效率机制：间歇运行模式（90天停采期）使热回收率提高至65%，证实含水层需要"热恢复期"。

3. 地质控制因素：砂-黏土互层结构使垂向热导率降低40%，有效抑制了热能逃逸。

结论与意义

该研究首次系统论证了Carrizo-Wilcox等倾斜沉积含水层用于工业级ATES的可行性：

• 经济性方面：优化后的系统发电成本(2-10 US￠/kWh)较德州居民电价(14.9-20.3 US￠/kWh)降低50%以上

• 技术层面：提出"中等流量+大井距"的组合策略，可使ORC（有机朗肯循环）电站持续输出5-30 MW_th

• 环境效益：利用咸水层避免了与淡水资源的冲突，年CO₂减排潜力相当于3000户家庭用电量

这项发表于《Geoenergy Science and Engineering》的研究，为北美地区开发类似盐碱含水层地热资源提供了定量设计模板，特别在页岩气开发活跃的德克萨斯地区具有直接应用价值。作者Sulav Dhakal等强调，未来需结合井下传感器网络进一步验证模型预测精度。