地热深井生产过程的井筒传热数值模拟

从地热储层中提取热流体的过程中,在井筒流体与周围地层之间存在着热量交换,使得热流温度发生着变化,为探究流体在生产井中的热量损失过程,本文的目的 是开发一种可靠的数值模型用以说明地热井在生产过程中的流动与换热问题,在此选取COMSOL Multiphysics建立了仿真模型,并对模拟结果进行了解析验证.井筒热量损失的表征要素除了温度以外,热损失功率也起着至关重要的作用,为了全面评价地热生产井的热能损失,故对井口水温及热损失功率两项评价指标进行研究,分析得出水的操作参数及环空热导率变化对井筒热损失的影响.研究结果表明:(1)数值模拟中应用TD代数表达式的连续形式与解析模型中应用Ramey定义的f(t)不连续函数表达式进行热流温度的求解时,对于较长的生产时间,数值解与解析解吻合良好.(2)井底水温的线性变化也将带来井口水温和井筒热损失功率的线性变化,井口水温和井筒热损失功率随井底水温的变化直线斜率随时间的增加略有减小,纵截距也略有减小,说明时间越长,井口温度升高的越慢,井筒热损失功率增大的越小,系统越趋于稳定状态.(3)增量为10 kg/s的采出流量与增量为10℃的井底水温相比,对井口水温的升高及热损失功率的减小影响程度均相应减弱,最终也将趋于稳定状态.(4)环空热导率对井口水温和井筒热损失功率的影响呈现相反的效应,即环空热导率增大井口水温降低,井筒热损失功率增大.结论 认为,综合考虑热流温度及井筒热损失功率两项指标对于高效地热能开采,提高热能利用率等方面具有重要意义,并可全面评价井筒的热量损失大小,为地热能开发提供可靠理论依据.     

天然气水合物地热场分布特征

天然气水合物广泛分布于海底和永久冻土带。通过统计世界上已发现水合物或水合物标志的地区的热参数值,发现水合物分布区具有低热流的特征;由于水合物本身的低热导率特性,导致水合物分布区的热导率值较低;含水合物的沉积物由于水合物的分解,岩心温度也较低。通过研究南海的热场特征,发现南海的吕宋海槽、西沙海槽附近、湄公盆地和台西南盆地几个地区热流较低,可能是有利的水合物远景区。     

中国东南地区岩石热导率值的分析

测定我国东南地区７１２块岩石样品的热导率数据,计算了各类岩石的平均热导率值。该区中沉积岩的热导率值普遍高于华北地区同类岩石的热导率值。砂岩和泥岩的平均热导率值分别为３．４１±１．２２Ｗ／ｍ．Ｋ和３．５９±１．１９ｗ／ｍ．Ｋ,而且在区域上同类岩石的热导率值变化幅度很大。研究结果表明,这些岩石的热导率值主要受控于其矿物成分,特别是石英的含量。为了确保该地区实测热导率数据的可靠性,对部分样品进行了多种方法的检测,并在此基础上选送７块样品到美国地质调查所用稳态的分棒法进行检测,结果十分一致。在计算热流值时,根据该地区沉积岩的特点采用厚度加权平均热导率值,从而使我国东南地区的实测热流值具有较高的质量和可靠性。     

贵州主要岩石地层热物性参数特征及影响因素分析

岩石热物性是地表、地球内部温度分布及热传递研究不可缺少的参数,贵州乃至西南地区均尚未开展过系统性、区域性的岩石热物性参数研究工作。为给贵州及相邻区域开展地热、油气成藏以及岩土工程等研究工作提供依据和参考,本次采集了贵州主要地层的14种岩类,共计433件岩石样品,并进行热导率、比热容及热扩散率的测试,分析了不同岩石的热物性参数特征及影响因素。研究表明：贵州地区岩石热导率的实测平均值在1. 516±0. 264~5. 066±0. 521W/(m·K)之间,比热容的实测平均值在0. 272±0. 042~0. 603±0. 096kJ/(kg·℃)之间,热扩散系数的实测平均值在0. 752±0. 331~2. 854±0. 368mm2/s之间。区内岩石热物性与其矿物成分、结构、含水量等因素有关,其中,岩石年龄越老,热导率和热扩散系数越高;岩石的热导率和热扩散系数与高热导率矿物含量存在正相关关系,而比热容则相反;随着岩石中矿物颗粒粒度的增大,岩石热导率和热扩散系数也随之增加,而比热容与矿物颗粒粒度的关系则不明显;含水量对岩石的热物性影响较大,饱水条件下岩石的热导率比干燥条件下的热导率增加幅度在2%~17%,热扩散系数增加的幅度集中在1%~16%,而比热容则减少,减少幅度在3. 08%~21. 79%。     

江苏东海超高压榴辉岩的热导率及对大陆科学钻探研究的意义

对采自江苏东海毛北地区(中国大陆科学钻探先导孔附近) 的新鲜榴辉岩样品进行了岩石热导率的测定, 初步查明了该区榴辉岩热导率随矿物组成的变化关系, 探讨了岩石结构特征和温度变化对热导率的影响.本次所测东海超高压榴辉岩的热导率介于3.2 2 2~ 3.716Wm-1·K-1之间并随岩石中2种主要矿物的相对含量比而变化, 随着榴辉岩中石榴石对绿辉石体积比(V_Grt/V_Omp) 的增加而降低, 近似的函数关系满足K =3.76 7- 0.18× (V_Grt/V_Omp).岩石中矿物分布的不均匀性和面状构造的发育对榴辉岩热导率的影响较大, 由此产生的热导率各向异性可达近10 %.温度是影响热导率的另外一个重要因素.结合本次的实测资料和相应的热导率-温度关系, 建立了东海地区榴辉岩热导率随温度的变化关系方程K (T) =1/ (7.85×10-2 +6.95×10-4 ×T), 根据这一方程并结合东海地区的地热梯度资料推算了榴辉岩热导率随5 0 0 0m钻孔深度的变化关系, 推测东海地区科学钻探施工至5 0 0 0m深度时, 榴辉岩的热导率将比地表平均降低2 4%.该成果为钻探测井资料的解释以及该区地热结构模型的建立提供了重要依据和约束资料.      

土壤热导率的研究现状及其进展

土壤热导率是重要的土壤热参数之一, 在下垫面土壤热量的传输中起到重要作用; 同时也是区域气候模式、 陆面过程模式中重要的输入参数, 在预估未来气候变化等方面也具有重要作用. 根据国内外的研究现状, 评述了土壤热导率的影响因素和模拟方案. 其中, 土壤质地、 温度、 含水(冰)量和孔隙度等是影响土壤热导率的主要因素, 特别在研究冻土时需重点分析含冰量的变化. 结合影响因素, 比较分析了典型的国内外计算土壤热导率的模型, 得出这些模型多适用于模拟常温下的热导率, 低温条件如青藏高原冻土区模拟结果并不理想. 因此, 多年冻土区土壤热导率的研究多基于观测资料计算或使用陆面模式中的参数化方案估算, 但因多年冻土内部水热传输过程的复杂性, 青藏高原多年冻土区热导率的模型模拟仍需进一步研究.     

西南太平洋天然气水合物形成与分布的地热背景

天然气水合物广泛分布于海底和永久冻土带。自20世纪末以来,新西兰北岛东坡希古朗基陆架和澳大利亚新喀里多尼亚盆地相继被科学家发现了天然气水合物标志BSR(BottomSimulatingReflector),这引起世界广泛关注,文章结合以前的研究工作,从地热角度剖析天然气水合物赋藏状况。依据国际热流委员会(IHFC)提供的西南太平洋地热数据,经过统计确定出该区域的热流分布;计算得出该区域热流平均值为80.1mW/m2,低于全球大洋边缘盆地地区平均热流值101±2.2mW/m2;结合天然气水合物温压方程,计算结果表明西南太平洋天然气水合物稳定带厚度平均值为274±20m,薄于其他已经发现的海洋天然气水合物稳定带平均厚度(约400m)。文章还定量分析了温度参数对天然气水合物稳定带的影响。     

两淮煤田煤系岩石热导率特征及其对地温场的影响

随着煤炭开采深度的增大,矿井高温问题日益突出,因此必须对矿区的地温场特征进行研究。基于安徽淮北和淮南煤田煤系所测定的127块岩石样品的热导率数据,结合区内前人的研究成果,全面报道两淮煤田岩石热导率参数及其特征,并分析热导率对现今地温场的影响。结果表明：两淮煤田煤系岩石热导率变化范围为0.37~4.36 W/(m·K),平均值为2.54 W/(m·K);热导率与岩性、埋藏深度、地层时代和密度等密切相关,砂岩的热导率普遍大于泥岩和煤,热导率和深度、密度均表现为正相关关系;岩石导热性的差异对区内地温场的影响较大,导热性差的松散层和煤层往往会造成地温异常,且上覆松散层愈厚其地温愈高。     

废弃油井直接换热技术及应用效果评价

基于呼伦贝尔地区的地下地质特征,在工作区内选取深度、井身结构和套管程序都适宜的废弃油井,依据《浅层地热能勘查评价规范》将底部射孔层位进行封堵改造,实现了超导液闭式循环,达到了深井直接换热的目的.通过对区内ZK1油井的直接换热试验,经稳定测试取得了单井换热功率约162 kWh,每延米换热量为90 W的良好应用效果.ZK1油井直接换热改造的成功,标志着废弃油井直接换热改造是可行的,并总结了一套改造技术流程及取热利用方案,同时为类似改造工程积累了值得进一步推广的经验,为清洁能源地热的利用开辟了一条新的途径.