西北省会城市地热中深层地埋管供热系统发展潜力及环境效益分析

笔者回顾并对比分析了西北省会城市供热现状及环境空气质量,指出传统采暖方式是影响该区环境空气质量的主要因素之一,而地热清洁能源的使用将有助于改善环境空气质量。传统热水井取热方式受地质条件制约较大,近年来一种取热不取水的新型地热开发利用技术——中深层地埋管供热系统应运而生,发展迅速。但是,以往的研究多集中于地面供热系统及管井换热能力的研究,对于地热资源储量及承载力的研究较少。在分析该技术适用范围的基础上,总结西北五省省会城市的地热资源条件,采用适当的方法结合城市建设范围估算地热可采资源量,分析在城市中推广使用中深层地埋管供热系统的前景及环境效益,并提出后续研究方向。     

关中地区中深层地埋管换热器长期运行性能研究

我国关中地区地热资源丰富,中深层地热能供暖技术具有广阔的应用前景,而地质参数是影响中深层地埋管供暖系统性能的决定性因素。针对陕西关中地区中深层地埋管供暖性能展开研究,通过梳理关中地区咸阳市兴平市、咸阳市渭城区、西安市高陵区、西安市鄠邑区、西安市长安区5个典型区域的地质参数,结合典型地埋管结构参数,对长期运行下的换热器性能及热作用半径变化规律进行模拟计算。结果表明,不同地区换热器运行之初的性能变化较为显著,但均在经过5 a左右运行后趋于稳定。地埋管深度从2 000 m增至2 500 m时,出口水温有着明显的提升,同一时刻下出口水温的涨幅可达8%,各采暖季末的出口水温随深度增加的变化更为显著。由于长期运行,年平均取热功率呈现下降趋势,20 a内的总降幅为11%～12%;随着换热器埋深的增加,取热功率涨幅可达41.41%～53.23%。热作用半径受埋深的影响不显著,不同埋深管道运行20 a后的井底最大热作用半径均在50 m左右;土壤温度受与换热器距离及运行时长的影响更大,距离20 m以内的土壤温度呈现明显的波动下降趋势,而距离在60 m以外的土壤温度在20 a的运行期内降幅很小。此外,由于具...     

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。      

桩埋管参数对渗流下能量桩热-力耦合特性的影响

为获得地下水渗流作用下桩埋管参数对能量桩热-力耦合特性的影响,建立了不同埋管参数的能量桩数值模型,分析了桩埋管数量、埋管布置形式、埋管管径对单位桩深换热量、日换热量、桩截面平均温升、桩身位移增量及桩身附加温度荷载的影响。结果表明：增加埋管数量可以增大能量桩换热量,但也会加剧桩内不同埋管间的热干扰,导致换热性能下降及桩身...     

中深层套管式换热器可持续供热性能及优化设计研究

中深层套管式换热器的热提取具有“取热不取水”的特点,是我国北方地区稳妥推进中深层地热能供暖的重要技术之一。针对当前中深层套管式换热器在长期热提取期间供热性能不明的问题,本文基于可持续供热的运行特点,建立数值换热模型分析换热器水温、性能系数随运行年份的变化规律,并针对性地开展设计优化研究。结果表明:在可持续供热过程中,换热器水温在前5年的下降程度较为明显,运行至20年以后,基本不发生变化。换热器季节性能系数的下降程度受岩土体导热系数的影响较大,在1.5 W/(m·K)条件下的SPF₁、SPF₂分别下降11.50%和10.56%,在3.0 W/(m·K)条件下的SPF₁、SPF₂则分别下降4.73%和4.23%。岩土体导热系数越小,换热器供热性能的下降程度越明显。基于可持续供热性能的变化规律,提出以“准稳态特征年”的供热性能为基准进行设计,并综合考虑运行要求与节能性要求优化换热器的运行条件,明确了在不同地热特征参数、埋管深度下的最优运行流速与最佳供热负荷的分布情况,对中深层套管式换热器的高效可持续供热设...     

雄安新区地层及主要热储空间结构特征与地热水资源潜力

雄安新区中深层白云岩热储地热资源丰富,为了提高对该区主要热储白云岩热储特征及地热水资源潜力的认识程度,指导新区中深层白云岩热储地热水资源的规模化开发,基于钻井、地震、地质等资料,研究了该区白云岩热储的地层空间分布、构造特征、储集空间特征和主建设区白云岩热储地热水资源潜力。研究表明：雄安新区主要热储雾迷山组、高于庄组除在断裂面部分地区外基本全区分布;雾迷山组埋深在容城凸起、牛驼镇凸起相对较浅,在高阳低凸起相对较深;高于庄组有类似的分布特征,总体埋深更深,温度更高;其它地层除第四系、新近系明化镇组外分布都比较局限;区内发育众多以NNE向为主的正断层,与少数其它方向断裂交会,将深部地热通过流体传输到浅部,并造就断裂两侧大量的裂缝和控制岩溶发育方向及规模,形成众多溶蚀孔洞;同时构造演化中雾迷山组古地貌中高地貌部分,在喜山期大多剥蚀与新生界形成不整合面,共同构成本区重要的输导通道和储集空间,岩溶孔洞和裂缝结合型复合空间是本区雾迷山组主要热储空间,单独的裂缝、孔洞是次要热储空间,大型溶洞一旦发育往往是主力产水层;新区主建设区顶面在5000 m（底部埋深可达6000 m）及以浅的白云岩岩溶裂缝热储地热水资源,按100年采用总热水储量的50%及500 m井距“三采两灌”原则单井产量110 m³/h计,最适宜生产井布井数目233口,主建设区现阶段可满足每年4787×10⁴ m²的供暖面积,占实际需求的30.1%。结论认为：雾迷山组埋深较浅,在当前经济技术条件下目前是主力热储,高于庄组埋深较深是最重要的备用热储,今后20年内会被大规模开发利用,但即便现在同时开发它们也不能满足雄安新区主建设区的清洁能源需求,需要发展“多能互补”系统,域外的过剩地热资源能否向域内目标区集输受经济成本和环境成本风险制约。

     

路面下水平地埋管热响应试验与数值模拟研究

近年来,水平式地埋管换热器尤其是路面下水平式地埋管换热器逐步受到国内外学者关注。路面下水平式地埋管换热器利用道路路基施工便利进行安装,可有效节约地埋管换热器前期安装中的钻孔或开挖沟槽费用,且公路作为城镇基础设施,仅中国每年新增公路里程就达100 000 km以上,因此该方案应用潜力较大。为了探究路面下水平地埋管换热器的热扩散半径以及气温对其换热能力的影响,本文采用GeoCube热响应试验测试仪,对路面下埋深0.5 m的水平串联式地埋管换热器进行了两次加热功率分别为4 kW和6 kW的现场常规热响应试验,并基于4 kW热响应试验参数利用COMSOL软件建立了路面下水平串联式地埋管换热器3D数值模型。研究结果表明:气温波动对路面下地埋管换热器换热能力有显著不利影响。在热响应试验中,该影响会随着加热功率的增大而减小。路面下水平串联式地埋管换热器热扩散半径确定为小于0.75 m,建议地埋管安装间距大于1.5 m以防止热干扰。所建数值模型模拟精度良好,可用于路面下水平串联式地埋管换热器换热过程模拟。     

基于模糊数学法的松辽盆地深层地热资源潜力评价

松辽盆地具有高大地热流、高地温梯度特点,是我国地热资源有利远景区.前人对松辽盆地干热岩研究取得了系列认识,但部分地热评价中缺乏重要参数(如大地热流、地温梯度),评价数据以收集资料为主,造成预测的地热有利区存在争议.本文通过处理分析大量实测地球物理数据,获得了壳内高导层埋深、居里等温面埋深、莫霍面埋深和中生界基底岩性等分布特征,结合大地热流、地温梯度等信息,利用模糊数学法开展松辽盆地深层地热资源评价,结果表明：松辽盆地深层地热资源具有“中部优、东南部良好、西部和北部差”的分布格局;大庆-松原和肇东-哈尔滨是两大深层地热资源有利区,其干热岩总资源量为6.236×10²² J,折合为2.128×10¹² tce(吨标准煤当量),指示了深层巨大的干热岩资源潜力.     

地埋管地源热泵技术在贵州岩溶地区的应用研究

地埋管热泵技术是采集地表以下200 m深度内的浅层地热能进行供热制冷的新型能源利用技术,而该技术在贵州碳酸盐岩分布区的应用和推广之所以受到制约,其主要原因是岩溶地层中建造垂直换热孔的难度大、成本较高。通过贵州省有色科技大楼附楼采用垂直地埋管式与基础桩螺旋盘管式有效组合的换热系统,在岩溶一般至中等发育的碳酸盐岩地层中开发利用浅层地热能的成功经验的介绍,为地埋管热泵技术在贵州岩溶地区的应用和推广提供参考。     

冀中坳陷束鹿凹陷地热系统成因模式

地热系统内部地质要素特征分析是建立其成因模式的基础,也是后期研究地热资源赋存特征和资源量评价的依据。结合前人研究成果和区内地热钻井资料,通过对冀中坳陷束鹿凹陷地热系统“源、储、通、盖”主要地质要素分析,建立了其概念模型,并开展了地热资源量评价。束鹿凹陷为一新生代发育在渤海湾盆地冀中坳陷内的典型的箕状凹陷,接受可能来自于其下深部地壳结构约20 km处低阻体的热源供给。新近系馆陶组砂岩热储和奥陶系碳酸盐岩热储分别构成了两套独立的地热系统。其中,馆陶组砂岩热储全区稳定分布,底板埋深介于1100~2000 m,储层厚度约为200~320 m,孔隙度约在15%~35%之间,渗透率最高可达1200 mD,热储底板温度在57~78℃;奥陶系碳酸盐岩热储受箕状凹陷边界断裂的控制呈单斜状倾伏,埋深1800~6000 m,储层厚度100~550 m,孔隙度2%~18%,渗透率0.5~50 mD,地热水井口温度在75~92℃。两套地热系统由西边太行山的大气降水沿着地层不整合面和断裂运移通道进行补给,通过深部热传导和局部热对流增温后,在储层中富集形成地热水。上覆松散的第四系沉积和明化镇组河流相碎屑岩沉积厚300~1400 m,热导率0.9~1.8 W/(m·K),构成了良好的区域盖层。束鹿凹陷地热资源量评价结果表明,馆陶组砂岩地热系统含244.430×10⁸ GJ,奥陶系岩溶地热系统 含203.752×10⁸ GJ,总量合计448.182×10⁸ GJ,折合标煤15.296×10⁸ t。年开采地热资源量满足的供暖面积可达1.106×10⁸ m2,开发潜力巨大。     

郑州航空港区地热资源及开发利用

郑州航空港区位于郑州市东南方向25km,目前航空港区连接市区的供热管道没有贯通,港区供热是个亟待解决的问题。根据计算与评价结果,航空港区内浅层地热能较不适宜采用地下水换热方式开发,较适宜地埋管换热方式开发;深层地热新近系温热水主要分布在孟庄镇—龙王乡一线以东区域,热储层温度43℃—48℃,宜井深度500～1200m,单井出水量15～20m~3/h;奥陶系—寒武系温热水主要分布在孟庄镇—龙王乡一线以西区域,热储层温度43℃—82℃,宜井深度1800～3000m,单井出水量大于20～25m~3/h。对郑州航空港区地热资源进行开发利用,可有效解决港区目前的供热问题。     

郑州市东区深层地热特征及合理开发利用

介绍了郑州市东区深层地热的特征,把深层地热资源划分为三层：埋藏深度320～850 m的第一地热储层,热储岩性为新近系中细砂层,热储平均厚度1553 m。热储温度33°C,地温梯度2.5～3.5°C/100 m。埋藏深度850～1 200m的第二热储层储岩性为新近系细砂、中细砂层,热储总厚度86～187m,热储温度45°...     

基于层次分析法的沈阳市地埋管地源热泵适宜性评价

利用层次分析（AHP）法,以MapGIS为平台,考虑了地质条件、地下水动力条件及地层热物性参数等因素,对沈阳市辖9区范围内地埋管地源热泵适宜性进行了评价.建立了评价指标体系,主要对第四系厚度、卵石层厚度、地下水埋深、地下水径流条件、地层热传导系数、比热容等6项指标进行权重计算及综合评分,根据评分将全区划分为适宜区、较适宜区和不适宜区.该评价结果为沈阳市浅层地温开发利用提供技术支持.     

螺旋叶片强化中深层地热同轴换热器换热性能数值模拟

为强化同轴换热器在中深层地热开发中的传热效果,提出一种螺旋叶片形式新型地热同轴换热器。通过建立内插不同间距(d=200、150、100 mm)螺旋叶片的换热器数值模型,模拟套管中换热流体特性。结果表明：在Re=4 500～11 500的湍流状态下,螺旋叶片作为扰流元件,通过改变流体的流动形态和热边界层厚度,可以有效强化换热器的单相对流换热效果,提高开采岩土体热量的能力。随着间距减小,强化换热效果进一步增强,努赛尔数(Nu)增大。当间距d=100 mm时,强化传热效果最好,综合换热能力最强,较光滑管的Nu提高了41.05%～44.18%,传热增强因子TEF为1.16,该工作为同轴套管换热器的优化设计提供了理论基础。     

菜芜市冷家庄地热田地质特征浅析

莱芜市冷家庄地热田地热资源类型属层状兼带状,热源为高庄一冷家庄断裂沟通导热,盖层是第四系、古近系、石炭-二叠系。热储层为奥陶纪灰岩,该热储层顶板埋深2100m左右,热储层厚度由南向北逐渐增大,地热流体中富含氟、锶、偏硅酸等微量元素,为结垢非常严重,锅垢很多的腐蚀性水。经计算,奥陶纪热储层单井可采资源量为7．83×10^5m^3／a。     

采用不同方式的地埋管换热器热响应测试 ——-以中新天津生态城公屋展示中心项目为例

利用两种热响应测试方式( 恒热流法和恒温法) 进行地埋管地源热泵换热试验,测试该地的土壤热物性参数。在概述了两种浅层岩土体热物性原位测试仪的原理、特点、测试方法及数据处理方法的基础上,分析比较了两种方法测量的参数,准确地计算出施工现场土壤的热物性参数。两种测试仪测量的热物性参数基本一致,同时热工况或冷工况试验所取得的参数差别不大。在20℃ ～ 30℃排热工况条件下,换热器为120 m 双U 类型时,排热量在25 ～ 60 W/m,在8 ℃取热工况条件下,取热量约30 W/m。热导率约1. 5 W/m·℃,热扩散率约为0. 46 × 10 － 6 m3 /s。     

井筒自循环技术开采干热岩地热的试验研究

井筒自循环技术是开发干热岩地热的一种新技术,它采用油管和套管组成的U形通道作为换热器,目前对该项技术的现场和室内试验研究尚不够。文章建立了一个实验室规模的模拟装置来模拟干热岩局部井筒自循环的热交换过程,以水作为换热介质,进行一系列室内试验,对换热的影响因素及换热参数进行研究。试验结果表明:具有较大采热能力和热容量的花岗岩在高温下具有较高的采热速率;较高的注水速率会产生较高的采热速率,但出口温度会降低,因此,应慎重选择较高出口温度和较高采热量之间的平衡。相似性分析表明,876 m长的垂直井在602.8 m3/d的注入速率下,可从150 ℃的干热岩中获取的采热量高达565 kW,该结果与现场实测数据很接近,可以证明相似性分析结果的合理性。建立的模拟装置及试验原理也同样适用于“取热不取水”的中深层同轴套管式地埋管换热技术,可以为中深层地热开发研究和实际应用提供一定的参考。     

广域电磁法在苏北盆地厚覆盖区地热勘查中的应用

为了解决强干扰地区电磁数据采集质量差和厚覆盖区目标热储层埋深大的难题, 丰富沉积盆地型地热资源勘探的技术手段, 在江苏苏北盆地厚覆盖区开展了广域电磁法地热勘查工作. 经过野外资料采集和数据处理, 获得了地下3.5 km以浅的电性结构, 划分出7套电性层, 结合地层物性特征识别出7套地层, 查明了主要热储层的埋深及厚度, 部署了DR1地热井, 完井井深2 535 m, 并于1 634~2 535 m钻遇三垛组一段和戴南组二段热储层, 涌水量432 m3/d, 出水水温63.0℃. 钻探结果表明广域电磁法在地热勘探中取得了良好的应用效果, 可为类似地区开展地热勘查工作提供参考.     

川中地区栖霞–茅口组地热资源评价探讨

含油气盆地在勘探和开发中,拥有大量的地质、地球物理和地球化学数据,对地质构造和地热储层有着全面的认识,在地热能开发利用中具有得天独厚的优势。四川盆地作为中国重要的含油气盆地,同样富含水热型地热资,该文在收集相关资料、总结以往油气勘探成果的基础上,确定了川中地区地温梯度大部均在24℃/km以上,大地热流大部均在60 mW/m²以上,为四川盆地相对高值异常区。考虑到热储温度及埋深是地热开发是否具有经济效益的重要因素,重点选择埋深相对较浅（3000～6000 m）、热储温度相对较高（65～155℃）和热储相对较厚（280～380 m）的川中地区栖霞-茅口组热储进行地热资源潜力评价。研究中,基于盆地地层参数建立三维地质模型,结合现今地温场、岩石热物性参数,利用一维稳态热传导方程计算得到栖霞-茅口组内部温度分布,最后利用体积法计算得到栖霞-茅口组的地热资源强度和资源量。研究表明,川中地区栖霞-茅口组热储温度为65～155℃,地热资源总量为3.01×10²¹J,折合标准煤1030.25亿吨;可开采地热资源量2.03×10²⁰J,折合标准煤206.5亿吨。且根据川中地区地热资源特征,提出了优先以研究区中东部为中心开展中低温地热发电、地热干燥、地热农业等综合开发利用和地热梯级利用示范工程的建议,为未来的油气废弃井的二次利用及油田地热开发打下基础。

     

地质条件及埋管形式对地埋管换热器换热性能影响研究

利用北京市35个现场换热孔岩土热响应试验数据,分析了地质条件和埋管形式对地埋管换热器换热性能的影响。研究结果表明地质条件对地埋管换热性能具有显著影响:地层初始平均温度每变化1℃,换热能力相差8%左右;基岩地层的地埋管换热能力平均比松散层高35%;换热孔处地下水流速从0.14 m/d增至0.91 m/d, Pe值从18增加至113,由于热对流换热作用加强,延米换热量提升13%。在相同地质条件下,套管式换热器冬季延米取热量比双U型换热器高约40%;换热深度从150 m增加至300 m时,双U型和套管式换热器延米取热量均略有升高。