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深层地热,尤其是分布广泛、储量巨大的干热岩,是一种具有潜力的重要清洁能源。促进深层地热能的勘探、开发与规模化利用对优化我国能源消费结构具有重要意义。深层热储的赋存埋深及增渗措施等现实条件限制着深层地热的开发,致使近半个世纪以来尚未有增强型地热系统成功商业化的案例。本文系统总结国内外学者关于增强型地热系统的储层渗流传热、热储属性分析、运行系统优化等方面的研究成果,发现前人对热储层非均匀性如何影响热产能这一科学问题的研究不足,综合运用理论推导、数值模拟、统计反演、编程测试等手段,开展热储层非均匀性对裂隙渗流传热、热能开采评估和地热抽采优化影响的数值模拟研究,发现影响人工热储产能的风险因素,为深层地热能工程开发提供有效理论指导与决策支撑。论文主要研究内容和相关成果总结如下:（1）提出一种多尺度自仿射单裂隙的渗流传热多物理场耦合模拟算法,研究了Weierstrass-Mandelbrot（W-M）函数构造的多尺度自仿射裂隙粗糙度对热产能的影响。首先,提出基于标尺游走从多尺度裂隙中提取单一尺度的裂隙轮廓（趋势线）,从而克服了多物理场耦合模拟分析需建立单一尺度的几何模型在描述分形裂隙局部微结构无限延展性的困难;其次,计算标尺段轮廓与分形裂隙间的残差,并作为粗糙度构造局部粗糙因子,引入裂隙流控制方程,建立粗糙单裂隙渗流传热的热-流-固耦合模型。通过Laplace变换和Stehfest逆变换方法,求得单裂隙传热的解析解,验证了数值模拟模型的有效性。最后,数值模拟分析讨论了不同耦合因素对粗糙裂隙渗流传热的影响。上述用单一尺度趋势线处理多尺度裂隙渗流传热模拟的方法,成功解决了分形裂隙的多尺度特性导致的局部微结构无限延伸性与有限元网格剖分的单一尺度特性上的尺寸协调性矛盾。（2）进一步考虑基质的离散裂隙网络特征,建立热储的热-流-固耦合模拟模型,数值模拟研究了工质在离散裂隙网络中渗流传热特性。编制了MATLAB代码生成裂隙网络,以建立起有离散裂隙网络的基质热储几何模型;引入裂隙开度随有效应力变化的关系和裂隙粗糙度的影响,推导出了基质和裂隙的渗流传热控制方程和给定初边值条件,建立多物理场耦合模拟模型;通过解析解与文献数据分别验证了热-流耦合模拟模型和流-固耦合模拟模型。数值模拟研究了工质在裂隙网络中载热运移的温度压力分布规律,揭示了开度演化和裂隙粗糙度对工质渗流传热的影响特征。（3）数值模拟对比分析了不同预设压裂域下的热储产能,定性分析了压裂域增透非均匀性对热储产能的影响规律。前人大量的模拟研究热抽采,都简化压裂体积改造域为长方体,明显有悖于增透影响从压裂井向周围逐渐弱化的现场微震观测特征。本文构造了三个体积相同但均质性特征不同的压裂域:均质长方体、均质椭圆柱、异质椭圆柱;推导出分形渗透率,并赋值于异质椭圆柱域不同子域,再通过体积平均渗透率赋值另外两个预设压裂域。应用前面推导的统一热-流耦合模型,分别数值模拟了三个不同预设压裂域的热抽采产能;提出热产能的评价指标,并评价数值模拟结果。结果发现,压裂域非均匀性对热产能有重要影响,不恰当的长方体压裂域假设将高估热储系统的产能。（4）考虑人工增透的渗透率趋势分布的确定性与自然热储层基质渗透率的局部随机性,应用蒙特卡罗随机方法模拟分析了增强型地热系统产能的不确定性。水力压裂增透效应从压裂井向周围逐渐减弱,使得改造后的热储渗透率分布随离井距离确定性递减。另一方面,增透压裂的扩展在产生整体确定性递减趋势下,也包含局部渗透率的随机性。首先通过随机场模拟构造包含整体确定性和局部不确定性的渗透率分布;然后应用本文的热-流-固耦合模型,对可能的渗透率分布进行产能数值模拟;最后统计评价模拟结果,求得所得指标分布关系。研究结果发现,在增透技术一定条件下,在低渗透性干热岩储层中建立增强型地热系统面临着严重的产能风险。（5）提出了断层地热系统的多目标优化方法,并通过响应面法实现了系统参数的全域搜索优化,大大扩展了文献中方案的局部优选方法。基于天然高渗透性通道建立了断层地热系统的数值模型,并提出了系统产出的三个优化目标函数。为实现运行参数的全域搜索优化,由I优化设计给出试验点参数列表并通过数值模拟得出对应目标值,并通过最小二乘法拟合得出优化目标的响应面模型,最后,对响应面模型运用多目标遗传算法实现运行参数的全域搜索优化,得到三个目标函数的帕累托前沿,并给出了系统优化运行的具体参数方案。这种基于替代模型的优化思想对于实现复杂系统的参数优化具有重要借鉴意义。本论文共有图84幅,表26张,参考文献260篇。