中深层地热井下同轴换热器长期换热性能研究

中深层地热井下同轴换热器具有取热量大、出口水温高的特点,近年来受到供热行业的高度关注。目前的研究主要是对单个供热周期内的中深层地热井下同轴换热器的换热性能进行分析,缺乏对其长期换热性能的相关研究。本文根据中深层地热井下同轴换热器供暖季供热、非供暖季停歇运行的特点,基于能量守恒方程建立换热器的数值换热模型,并采用有限体积法对模型进行离散,通过Matlab平台数值分析其在长期运行过程中换热性能的变化规律。结果表明:换热器的换热性能随着运行年份逐渐下降,且下降程度逐年减小,最终达到准稳态。其中,次年平均换热量的下降比例最大,且换热器埋深越大,换热量的下降比例越小。埋深为2 000、2 500、3 000 m换热器的次年平均换热量的下降比例依次为4.00%,3.78%和3.56%,第30年的平均换热量较第1年分别下降13.7%、13.1%、12.4%。岩体温度逐年下降,其受干扰半径逐年增加。在30 a运行期间,埋深2 000 m的换热器在每年供热季结束时的岩体温度受干扰半径从13 m增加至105 m。此外,换热器深度越大,其周围岩体温度受干扰半径越大。本研究结果阐明了中深层地热井下同轴换热器在长期取热过程中换热性能的变化规律,对换热器长期取热的设计具有指导意义。      

实验室尺度高地温梯度模拟地层的实现方法研究

地热井与周围热储层的传热过程对地热井产热性能研究有重要意义。由于实际工程中在地热井周边布置测点较难,无法获取地热井周围热储层的参数变化,进而为地热热储模拟结果提供验证,故以往大多地热热储模拟仅将地热井作为源项处理,未考虑地热流体和储层的耦合流动换热。实验室条件下的模拟试验方便布置测点,可为热储-井筒耦合流动传热模型提供试验验证,其中如何实现实验室尺度下有温度梯度的模拟地层是试验研究的关键,目前尚未有类似研究。基于传热学基本原理,研究了实验室条件下有较高温度梯度多孔地层的快速实现方法,通过确定模拟热储层和热储盖层几何尺寸、优选填充多孔介质和实现恒定温度的模拟热储层,设计了一套实验室尺度下有高温度梯度的模拟地层系统,通过分层加热与边界动态热补偿方法,较快实现了热储层温度分别为60,65,70°C下模拟地层的线性温度分布,采用有限体积法得到的数值模拟与试验结果的相对误差在±2.5%范围内,二者吻合较好。文章设计搭建的模拟地层系统可为开展地热井筒-热储耦合模拟试验提供条件,进而为开发的地热热储-井筒耦合传热数值软件提供试验验证。     

花岗岩单裂隙渗流传热特性试验

基于岩石裂隙渗流传热试验系统,以蒸馏水为换热工质,针对预制平滑裂隙与粗糙裂隙的花岗岩岩样,开展不同试验温度与水流条件下的单裂隙对流换热特性试验研究。试验结果表明：①同一温度水平下,对流换热系数的量值与流量呈正相关关系,但对流换热系数的增幅大于流量的增幅,随岩石基质温度的升高,相同流量水平下的对流换热系数呈增大趋势;②与平滑裂隙试验结果相比,粗糙裂隙面的对流换热强度有所提高,但增幅不大;③沿渗流路径,裂隙面局部对流换热强度的演化呈现多波峰的非线性特征,其中粗糙裂隙的非线性更加强烈。但二者均存在由进水口至出水口,换热强度逐渐减弱的特征。④努塞尔数与普朗特数1/3次方的商与雷诺数较好地满足幂指数关系,随着试验温度的升高,这种关系逐渐向线性转变。     

陕西省委八号院地热井工程施工技术措施

陕西省委八号院地热井是目前陕西省成井最深，温度最高，压力最大，自流量可观的地热井，也是第一口以深部白鹿塬组为主要取水段的探采结合井，施工难度大，介绍了该井的施工技术措施，所遇困难及采取的办法等。     

工质变物性对EGS热开采过程影响的数值模拟

增强型地热系统(EGS)热开采过程中循环工质的温度和压力会经历较大范围的变化,这会造成循环工质的热物性变化,从而影响流体工质的输运和岩石-流体热交换;数值模拟EGS热开采过程,预测EGS的寿命、出力等性能指标有必要考虑循环工质的热物性变化.笔者在EGS热开采过程三维数值模拟中考虑水和超临界二氧化碳的变物性,实现了热流双向耦合.针对水EGS分析了各物性变化对EGS采热性能的影响,并对变物性条件的水和超临界二氧化碳EGS的采热性能进行了对比研究.结果表明:工质在密度影响下开采寿命为9.0 a在密度和比定压热容共同影响下的开采寿命为7.5 a,说明密度和比定压热容越大则EGS开采寿命越短;在黏度系数影响下的开采寿命为18.0 a,说明黏度系数越大则EGS开采寿命越长;导热系数则对EGS采热性能无明显影响.注入压力一定的条件下以水为工质的EGS具有较长寿命,但相同时刻的质量流率和热开采率低于以临界二氧化碳为工质的EGS.     

WR2号地热井施工工艺技术

陕西渭南火车北站南部WR2号地热井的温度、压力和流量较以往陕西已成地热井相比,均创造了新高。该井采用三开结构,首次在地热井上采用双级注水泥法对水层套管上部进行了固井,其施工工艺、成井的关键环节都具有一定的典型性。     

基于开挖的增强型地热系统概述

地热能赋存于地球内部岩土体、流体和岩浆体中,是一种永久的、可再生的、储量丰富的清洁能源。地热能的开发,尤其是干热岩的开发利用,有可能成为解决人类未来能源危机的重要途径。目前采用的干热岩开采方法被称为增强型地热系统(EGS)。热储地质环境的复杂性和水力化措施对天然裂隙的依赖性,造成多数的EGS项目存在热储体积和换热面积不足、工质流量小、终端温度低,以及诱发地震风险等局限性,致使干热岩开发始终未能大规模商业化。基于开挖的增强型地热系统(EGS-E)的提出为突破传统EGS的技术弊端和规模局限提供了新思路。文章在其概念模型的基础上,从系统原理、工程构想、技术优势等方面对EGS-E进行了更详尽的阐述。EGS-E采用开挖、爆破、崩落等采矿技术,形成了独特的热储致裂系统和热能交换系统,能够大幅度降低地质环境对热储质量的限制,具备构建定制的热储空间、形成充足的换热面积,维持稳定的工质流量与温度及减少诱发地震风险等优势,为干热岩开发的商业化提供了新的解决方案。     

中深层地热井换热特性多因素影响规律研究

积极推进中深层地热能供暖技术,是践行国家碳达峰碳中和“双碳”目标的重要举措。中深层同轴套管式换热系统可避免对地下水资源和环境造成损害,且影响要素之间存在着复杂的非线性相互作用。基于中深层同轴套管式换热器的理论分析和数学描述,建立地热井分层换热模型,并验证其可靠性;以陕西关中盆地某中深层地热井为依托,采用数值模拟方法对各项因素影响下的地热井换热性能及连续运行过程的取热能力进行系统分析。结果表明：采用均质模型、分层模型计算地热井出水温度与实测值最大相对误差分别为14.08%、11.50%,平均误差分别为7.29%、6.93%,分层模型较均质模型具有较高的计算精度;影响因素中地热井深度、地温梯度及地层导热系数对取热功率影响最为显著,在一定程度上取热功率与地温梯度、进水温度、内管导热系数基本呈线性关系,且固井材料导热系数对传热过程具有热阻效应;中深层地热井取热量随运行年限的增加而降低,前5个供暖季取热量降幅较大,之后取热量降幅减缓,经过50个供暖季,年平均取热功率下降15.59%,将地温下降值超过1℃视为地温场受到影响,地温场平均受影响半径约为65 m,此外,由于地层的差异性,地热井周围地层温...     

基于T2WELL的U型地热井供暖潜力数值模拟

为了了解U型井式闭循环地热系统的可持续利用能力,探究场地内利用U型井式闭循环地热系统开发地热能用于供暖的可行性,以及地热井长期运行下的产能状态和不同影响因素的作用规律,设计合理的地热能开采方案。采用数值模拟方法,以邯郸东部平原地区试验井的短期实测数据为基础,以多相多组分井筒-储层耦合流动模拟程序T2WELL为工具,开展场地尺度U型井长期换热数值模拟。研究结果显示：U型井式闭循环地热系统水平井段长度为400～500 m,循环流速和注入温度分别设置为80 m3/h和20 ℃左右时,可以实现地热能的可持续开采,20 a平均提热功率能满足供暖需求,采用该种方式进行供暖具备较高的可行性。      

模拟温泉形成的一种管道渗流实验

自然界中温泉形成的循环机制比较复杂,前人的实验模型研究很少有报导。根据断裂-深循环型温泉的特点可以设计一个简易实验装置,对温泉的形成进行模拟实验。实验采用充满砂的半圆弧形圆管实验装置,开展不同水温下热水循环的模拟实验,以便了解地下热水循环过程温泉流量的影响因素。利用室温实验计算出实验用砂的渗透系数K的范围在50.59～57.94 m/d。实验结果表明,温泉流量除与水头差、介质渗透系数和截面积呈正比例关系外,还随温度增大而增大。温泉形成过程是伴随能量转换的地下水循环过程,地下水从深部热源获得的热量使其温度升高,粘滞性降低,导致其流量增大。利用河北北部和广西东南部温泉的流量、温度数据进行验证,进一步分析了实验结果的合理性。     

水热型地热能同轴管换热技术研究——以河北省邯郸地区为例

目前,我国对于水热型地热资源的开发利用方式以直接抽取地下热水为主,采用同轴管换热技术的工程实例较少。通过在邯郸东部平原区开展的一项试验工程,讨论了同轴管换热技术在单井中的换热效率及其影响因素,并通过试验取得的实测数据,预测不同井深、回水温度等条件下的换热效率。结果表明:在循环水量保持基本不变的情况下,回水温度的升高,影响到换热功率的降低;当循环水量增大时,换热效率也随之增大,而当注水温度增高时,换热效率反而降低;地热井井径的变化,对换热效率影响并不明显。     

长白山玄武岩区盆地型地热水特征及成因模式

利用长白山玄武岩区地热井水化学、同位素数据以及地球物理勘探和地热井钻探资料,对研究区盆地型地热水资源特征及成因模式进行了研究。研究结果表明:研究区盆地型地热水属于低温地热水,漫江地热井和松江河地热井水温分别为31.2℃和29.5℃,化学组分阳离子以Na~+为主,依次为Ca~(2+),阴离子以HCO~3~-和Cl~-为主,水化学类型为HCO_3·Cl—Na·Ca;微量组分偏硅酸含量最大,其次为锶和硼酸盐。氚年龄均大于60a;漫江地热井热储层温度平均值为101.91℃,松江河地热井热储层温度平均值为99.71℃;漫江地热井热储循环深度为3.23 km,松江河地热井热储循环深度为3.16 km;地热成因模式为:热源为上地幔传导热;盖层为下更新统军舰山组(Qp~1j)、中生代侏罗系果松组(J_(2-3)g)、林子头组(J_3l)和三叠系长白组(T_3c),厚度约2300 m;热储层为古生界奥陶系马家沟组(O_1m)、冶里组(O_1y),亮甲山组(O_1l),张夏组(?_2z)和古元古界老岭群珍珠门组(Pt_1z),厚度在400 m以上;地热水接受大气降水和少量封存水补给,经深部循环(3.15～3.30 km),受大地热流传导热的加热,在浅部发生冷热水的混合,沿断裂通道向上运移。     

河南兰考地区地热回灌影响因素分析及对策

地热回灌是保障地热资源可持续开发利用的关键环节之一。本文结合河南兰考地区热储层地质条件、水质特点、地热井井管材质,开展了室内腐蚀观察实验和PHREEQC地球化学模拟软件分析,从化学沉淀趋势、地热水腐蚀性和钻井成井工艺方面分析了回灌效果的影响因素,并从地热水水质处理、地热井井管材料选择、钻井与成井工艺优化、回灌温度、项目选址等方面提出提高回灌效果的建议。     

地热井钻井液对井壁温度分布的影响研究

地热井钻井作业时,井深越大,井眼温度越高,给钻探施工造成的难度越大,因此有必要研究井内循环温度分布。通过分析钻井液循环时热量传导过程,利用井筒温度控制方程,结合雄安新区地热井工程实例中的各项参数,使用全隐式有限差分法求解方程,求解井内钻井液循环时各部分的温度分布。且通过方程模拟研究了钻井液的密度、粘度、排量等工程参数对井壁温度分布的影响,结果表明：钻井液密度、粘度、排量越大,井壁温度越低,井底附近的井壁温度降低幅度越大,其中钻井液的排量改变对井壁温度分布的影响最大。模拟研究结果对于现场施工设计有一定的参考价值。     

回归分析法在地热单井评价中的应用

本文通过实例介绍了使用回归分析法求取地热井流量一降深曲线方程的方法,并运用到地热井的单井评价中,提高了计算精度。     

地下群井改变径流条件下的三维实验模拟研究

为研究改变地下径流条件时对U型地埋管换热器周围温度场恢复的影响,对北京某区实验基地U型地埋管进行夏季换热实验。通过抽水实验改变地下径流条件,取得了地源热泵系统的运行参数以及周边温度场变化趋势,通过COMSOL软件模拟三维U型地埋管在多场耦合作用下的换热过程,改变径流条件得到了换热孔周围0.5 m、1 m地温场恢复曲线,得到U形管口出口温度等。地下水径流能引起地埋管周围温度场的变形,地埋管周围温度场的迁移变化方向同地下径流速度场方向一致。对比实验值得出:运行稳定后地埋管的出口温度模拟值与实际值工况接近,地埋管在10 m、120 m处的温度模拟值与实验值吻合好,地埋管深5 m、48 m、89 m处周围0.5 m、1m的温度恢复比原始地温高1℃左右,与实际监测结果相同,证明了数值模拟的正确性。在此基础上预测了加大径流条件下的地温场恢复情况,并分析了原因。此三维模型可研究不同土壤分层构造、地下水不同流速、人为改变地下流场条等复杂三维多场耦合问题,可初步预测实际工程中,换热群井运行过程中地下温度场的变化。为进一步研究土壤分层和地下水分层流动下,地埋管群井周围温度场变化奠定了基础。     

深层垂直井同轴换热能力数值模拟分析

针对中深部（1 500~4 000 m）地热资源深井同轴“保水取热”科学评价问题,以COMSOL Multiphysics多物理场耦合数值计算软件为模拟平台,构建垂直单井岩-水耦合传热模型,以西安地区地层与地温特征为模拟背景,计算分析2种地温梯度（0.027、0.030℃/m）与4种注水口流速（0.25、0.50、0.75、1.00 m/s）工况下深层（3 500 m）地热单井套管换热能力。同时,建立5种井间距下的群井数值模型,分析不同井间距下群井中心井的出口温度变化规律。模拟结果显示:地温梯度越大,进出口温差越大,单位时间换热量与单位延米换热量越大;入口注水流速越大,进出口温差越小,但单位时间换热量与单位延米换热量越大,即地温梯度、流速越大,深层垂直钻孔套管换热的效率越高;西安地区3 500 m井深工况下,相邻地热井的间距为30 m时能够保证其地层温度不会相互干扰。研究结论可为深层地热开发利用提供科学参考。移动阅读      

北京地区地热井钻探工艺发展

20世纪70年代初期以来，北京地区地热资源勘探开发日益发展，应用了泥浆正循环、气举反循环、高压喷射、泡沫增压等钻探工艺，地热井钻探工艺不断完善和多样化。论述了北京地区地热井钻探工艺的发展情况，并提出了北京地区地热井钻探工艺方法选择的建议。     

辽宁大隆矿区矿井巷道空气温度的数值模拟与分析

为解决深部开采带来的巷道内温度过高而没有对热量加以利用的问题,采用传热学、计算流体力学理论,对巷道围岩—空气换热系统进行了三维数值计算,研究了在渗流和无渗流条件下巷道内部温度场随巷道空气入口雷诺数的变化规律。计算结果表明:在巷道长度方向0～50m范围内温升不明显,超过50m后温度增加明显,并且随着长度增加温度相应增加;渗流情况下,巷道空气出口平均温度高于无渗流情况下巷道空气出口平均温度;渗流情况下,雷诺数在1.3×105～3.5×105、11.33×105～3.5×105间平均总传热系数大于无渗流情况下平均总传热系数。控制巷道空气入口雷诺数是解决巷道内温度过高和对热量加以利用的关键。以上结论为矿井热害的综合治理、基于巷道风热量利用的空气源热泵系统的优化设计提供了重要依据。     

超深井高温钻井液技术概况及研究方向的探讨

[摘 要] 我国未来深部大陆科学钻探深度为12000m ～ 13000m,井底温度将达到350℃以上,钻井液将面临超高温高压环境,钻井液技术将面临严峻考验。本文重点介绍了国内外典型深井及超深井钻探和高温地热井钻探钻井液使用情况,提出了抗高温钻井液的主要技术难点是高温高压及污染条件下钻井液流变性、滤失量、润滑性控制。耐温250℃以上钻井液处理剂及体系、耐高温钻井液试验仪器和地面循环降温系统是超高温钻井液技术研究方向。