区域尺度地埋管地源热泵与能源地下结构开采浅层地热能评价综述

随着浅层地热能的大规模开发利用,针对地埋管地源热泵和能源地下结构的研究正由单个、单体尺度逐渐转向区域尺度。相较于地埋管地源热泵,能源地下结构占地面积小、成本低,在大规模城市建设及地下空间开发中具有良好的优势。从热物性参数和地下城市热岛效应两方面总结浅层地热能理论潜力现有研究成果,简述浅层地热能的开发形式,重点针对区域尺度地埋管地源热泵与能源地下结构的适应性评价进行系统综述,从适宜性分区、热交换潜力、满足建筑物能源需求效果三方面建立相应的区域尺度能源地下结构评价体系,以我国山东临朐县和德国巴登-符腾堡州地埋管地源热泵及我国南京大学仙林校区能量桩的区域性研究为案例进行深入分析,归纳当前研究中存在的问题,并对区域尺度能源地下结构的下一步研究进行展望。

基于格子Boltzmann方法的地埋管管群换热的模拟研究

土壤结构和地下水通常会影响地埋管换热器的传热,本文将利用随机四参数生成法建立双分布函数格子Boltzmann模型,对有渗流条件下地埋管管群换热器与饱和土壤多孔介质的换热情况进行了模拟,分析了影响埋管外土壤平均温度的主要因素。研究表明,土壤热传导特性主要受土壤孔隙度、地下水渗流速度和土壤骨架导热系数k s的影响。本文的研究结论对考虑土壤渗流的地下换热器的设计具有一定的指导意义。

基于TRNSYS的中深层土壤源供暖系统运行特性分析

本文针对长春地区某居住建筑,利用TRNSYS软件建立中深层地埋管土壤源热泵系统仿真模型,模拟分析了热泵机组性能系数(简称COP)随地埋管深度和运行年数的变化趋势及岩土导热系数对地埋管出水温度的影响。结果表明,地埋管深度越深,COP随运行年数变化越小,系统运行越趋于稳定。当地埋管深度达到1800 m时,系统运行趋于稳定。在运行初始阶段,地埋管出水温度变化幅度较大。当运行达到750 h时,地埋管出水温度趋于稳定;当热储层岩体导热系数增加2 W/(m·℃),载热流体出口温度由34.1℃增至36.9℃,增加了8.21%,由此可见岩体导热系数对地埋管出水温度的影响显著。

深部地热能系统主要挑战与耦合储能的增强型创新开发模式

中国在中低温地热能直接利用方面早已领先全球,但在深部地热能发电方面却发展缓慢。深部高温高压环境下岩石渗透性降低,深部地热能开采需要建立工程型地热系统(Engineered Geothermal System,EGS),通过水力压裂对储层进行改造,以获得具有较高渗透性的人工地热储层。由于目前常用的深部地热能储层改造技术主要借鉴油气增产领域的水力压裂工艺,在热储改造效果、地震风险控制、高效取热等方面受到限制。首先总结深部地热能水力压裂的特点为:裂缝破坏主要以剪切机理为主;冷水回灌引起的温差效应产生拉应力会促使裂缝向更远处扩展;持续的注水使注入井井筒压力高于地层压力,有助于保持裂缝处于张开状态。因此,EGS水力压裂不需要使用支撑剂,与依靠支撑剂的油气井增产压裂完全不同。同时,系统剖析EGS面临的发电产能低、注采连通差、诱发破坏性地震以及无补贴难盈利4大难题与挑战。从创新压裂和循环利用层面提出耦合储能的增强型创新开发模式(Regenerative Engineered Geothermal System,REGS),通过数值模拟研究REGS的优点。结果表明,采用水平井非等距、非等面积、非等注水量分段压裂,可以提高注水井与生产井的连通能力。通过优化压裂工艺,采用多段压裂模式,每次压裂初始期间快速提高注水速率,而后期缓慢降低注水速率,避免井筒压力的突然波动,可以达到控制诱发地震震级的目的,避免产生实质性伤害地震。结合可再生能源大规模地下存储,既能实现多能互补,又能提高REGS项目生产寿命和盈利能力。研究成果有助于为我国深部地热能热电联产和储能一体化技术的试点和标准化推广奠定基础。

矿井岩溶热储三维地质建模及地热资源潜力评价

传统热储体积法适用于大尺度区域的地热资源量评价,用于矿井地热资源量评价时误差较大。在分析平顶山矿区“源、通、储、盖、流体”地热系统特征的基础上,建立了矿区地热成因概念模型。以平煤十矿井田为主要研究区,基于区内地热地质条件和地面、井下钻孔资料,采用地下水模型系统(Groundwater Modeling System,GMS)软件建立了研究区内地层的三维地质模型,呈现了寒武系碳酸盐岩地层及覆岩的展布情况,并对寒武系碳酸盐岩地层空间进行了数字化。提出了用于矿井地热资源评价的积分式热储体积法,采用该方法对研究区内寒武系岩溶热储静态资源量进行了估算,并评价了热储的动态资源量,得出了热储层地热资源量与地热水位标高的关系曲线。对研究区内寒武系岩溶地热水进行了水质全分析,评价了地热水的腐蚀性和结垢性。结果显示,研究区内寒武系碳酸盐岩(灰岩)层为岩溶热储层,热量主要来自寒武系朱砂洞组以深的高温岩体;地表大气降水经寒武系灰岩露头和矿区周缘深大断裂进入深部岩体,沿途被加热后储存于寒武系灰岩地层中,并持续接受深部基岩热量传输,形成水热型岩溶热储;寒武系岩溶热水静态资源量为76.8亿m3,蕴含热量1.19×10^(18) J;岩石中蕴含热量为3.25×10^(18) J;地热资源总量为4.44×10^(18) J;地热可采资源量为6.66×10^(17) J,折合标煤22.7 Mt;寒武系岩溶热水具有轻微腐蚀性,结垢性为轻微—中等,流经金属管道和容器需要做防腐和防垢处理。

中深层地热地埋管管群换热性能模拟和布置优化

在中深层地热地埋管(DBHE)供热技术应用中,主要使用多个地埋管构成管群为建筑供暖。为了研究中深层同轴地埋管管群换热性能,本文基于西安市西咸新区典型地质分布,构建了中深层同轴地埋管管群数值模型,研究了不同间距、不同分布下各地埋管换热器间热交互作用以及长期取热期水温衰减规律。结果表明,多井集群供暖过程中周围岩土所形成的“冷堆积”现象是导致地埋管集群供暖能力逐年下降的主要原因;当地埋管间距从5m增至25m,平均出口水温和取热功率分别提升3.86%和11.5%;在西咸新区典型地质条件分布下,地埋管间间距应保持在15m以上;本文提出的四种管群分布中,地埋管呈直线分布时各地埋管出口水温和取热功率衰减最小,其中心地埋管出口水温仅衰减5.74%。在工程设计中,中深层地埋管管群应尽可能直线排布,避免重叠排布。

中深层地热井地温影响规律及预测方法

中深层地热井初始地层温度、原始地温梯度是影响中深层地热井换热量计算的重要参数,在完井后短时间内所测得的井温并不能真实反映初始地层温度,也不能反映原始地温梯度。为准确地获取初始地层温度、原始地温梯度,通过分析测井数据发现由于钻探过程中钻井液循环致使井筒内部上下温差变小,导致未静井时获取的地温梯度偏低,需要增加静置时间才能保证所测初始地温的准确性和可靠性,但在实际工程中长时间增加钻孔静置时间是难以实现的。结果表明:通过对钻井液循环过程中传热分析可以获得钻柱内钻井液温度与地温梯度的关系式;在建立钻井液与地层瞬态传热解析解模型的基础上,计算出静置较短时间后井内钻井液温度,获得其与完井后所测试的井内钻井液温度的相关系数,可以快速地计算出原始地温梯度、初始地层温度。通过与文献中数据以及测井结果对比,验证了所提出方法的准确性,可为中深层地热井与岩层换热的分析提供准确数据,对中深层地热井换热性能研究具有实际意义。

地热水回灌耦合CO_(2)地质封存数值模拟

溶解封存可有效解决CO_(2)地质封存的泄漏问题,但地下溶解耗时长,地表溶解成本高。提出将地热水回灌和CO_(2)地质封存耦合,采用CO_(2)和水在回灌井一定深度混合的方法,促进CO_(2)溶解、降低溶解成本。建立了CO_(2)-地热水-盐在井筒和地层的多相流模型,对不同CO_(2)注入速率、混合深度、储层渗透率条件下的井口压力和储层运移情况进行模拟。结果表明:(1)注CO_(2)和水质量比例较小时,随CO_(2)注入速率增加,注水和CO_(2)压力分别维持在1.0 MPa和4.3 MPa左右;当CO_(2)和水质量比例大于储层条件下CO_(2)饱和浓度时,注入压力大幅度增加,游离态CO_(2)在储层上方积聚;(2)混合深度在390~650m之间时,注水压力保持稳定;随混合深度增加,注CO_(2)压力逐渐增加;(3)随着水平渗透率和垂直渗透率比值逐渐增大,注水和注CO_(2)压力以及储层压力均减小,碳酸水在储层顶部和底部运移距离的差值逐渐增大。该方法可充分利用地热回灌水实现CO_(2)地质封存同时降低溶解功耗。

美国FORGE计划犹他州干热岩开发示范项目进展综述

21世纪是全球能源获取方式发生重要变化的时代。现有以煤炭、石油、天然气等传统资源为基础的能源正在逐渐被风能、太阳能、生物质能、地热能等环境友好、低排放的绿色能源所取代。干热岩是一种不含原生水(或含少量水但不能流动)的高温地热资源,可通过水力刺激改造形成增强型地热系统储层,从而提取数量相当可观的地热能。本文以美国能源部正在组织实施的FORGE计划犹他州干热岩示范项目为研究对象,综述了项目在场地地质条件表征、基础设施建设等方面取得的主要进展与成果,总结了项目在高温硬岩钻井、储层建造、微震监测等方面取得的广泛且深入认识,从统筹部署、组织实施、场地表征和设施建设、关键技术装备突破、数据共享等方面提出了值得我国借鉴参考的具体实践。

基于热流固耦合的单井增强地热系统数值模拟

为提高深井换热器的取热效率,借鉴干热岩的开发思路,本文提出了一种单井增强地热系统。对单井套管底部岩体进行小范围压裂改造,将单井套管由封闭式系统改为开式系统来提高单井系统的取热性能。建立了热-流-固耦合的三维非稳态数值模型,研究了单井增强地热系统的系统性能表现和各关键参数的影响。结果表明:与传统深井换热器相比,单井增强地热系统的取热性能有较大提升,相同注入工况下,生产温度和取热功率分别提高了62.21℃和2 612.99 kW;从地热工程周期和优化角度出发,单井增强地热系统流量控制在10 kg/s较为适宜,过小的单井增强地热系统流量导致取热效率较低,过大使得系统运行寿命较短;增大井筒封隔间距、减小内管导热系数是提高系统取热性能的有效方法。本文研究可为单井增强地热系统的理论分析和实际应用提供参考。

填料水泥导热性能实验及对U型地热井取热影响的数值模拟研究

地层与井筒之间的导热性能是以热传导为主的U型地热井技术取得成功应用的关键因素之一。针对U型地热井如何提升固井水泥的导热性能问题,采用室内实验和数值模拟方法研究了导热填料对固井水泥导热性能和取热效果的影响。研究结果表明,石墨相比于实验所用其他填料而言具有更好的提升固井水泥导热性能的潜力;随着石墨掺入比例的增加,固井水泥的导热系数近似线性增加,而抗压强度近似线性下降;高掺入比例的石墨固井水泥能显著提高工作介质在U型井水平段入口处的温度,但由于U型井换热主要发生在较长的水平段上,从长期运行来看过高的掺入比例并不能显著提高取热效果,建议固井材料中石墨掺入比例控制在10%左右。研究结果对U型地热井固井水泥导热填料类型筛选和掺入参数确定具有重要意义。

岩溶管道构造影响下浅部地层温度数值模拟研究

当含水岩溶构造体存在时,浅部地层温度场会产生变化。浅层测温法可以简单快速地获得浅层地温数据,通过温度差异反演出岩溶构造的分布。为了研究以贵州省盘州市某场地及其周围场地为对象时,浅层测温技术探测岩溶管道构造体的可行性,笔者采用数值模拟方法。结果表明:构造体不同的埋深会显著改变浅部地层的温度,对于单个岩溶构造体(等效直径为0.5 m,水温12℃),可探测深度极限约为66 m;在管道内流体的温度为12℃时,岩溶管道构造体有效流动截面积的增大会降低浅部地层温度,等效直径在0.1~1.0 m区间内改变时,2.0 m处地层温度的变化在0.02℃以内,这使得利用浅层测温法识别岩溶构造体的有效流动截面积变得困难;流体温度在一定范围内(12~18℃)的变化会改变浅部地层温度,尤其是低温流体的影响更为明显。

间歇运行下地埋管周围土壤热湿特性实验研究

搭建地源热泵地埋管周围土壤热湿传递的试验台,对初始含水率、防水层、保温层以及相变回填材料等因素对土壤热量和水分传递的影响进行探究。沙箱实验结果表明:竖直埋管的热量会引起周围土壤的温度传递和水分迁移,土壤初始含水率的提高有利于温度恢复和地埋管换热,系统运行期间的温度峰值随初始含水率的增加而降低,防水层、保温层和相变回填材料也会对温度峰值和温度恢复产生影响。温度梯度和水力梯度是引起水分迁移的主要因素,在15%初始含水率时,温度梯度占据主导,驱动水分沿径向向远处扩散;在25%初始含水率时,水力梯度占据主导,水分沿深度向下渗透。

海上高温气藏CO_(2)羽流地热系统注采参数影响规律

CO_(2)羽流地热系统(CO_(2) plume geothermal system,CPGS)在减少碳排放、推动地热开发方面发挥重要作用。目前的研究主要集中在高温咸水层或废弃高温油藏,针对海上高温枯竭气藏储层的井筒-储层耦合研究较少。以莺歌海盆地黄流组高温气藏为研究对象,利用COMSOL软件构建了理想的井筒-储层耦合CPGS模型,分析了CPGS运行过程中热能传输规律,并对注采参数进行了敏感性研究。模拟结果表明:过大的注采流量会导致温度下降加快,建议在不同阶段调整注入流量。缩短注采井距会加快热突破,适当增加井间距可以延长系统寿命。注入温度对采热影响较小,提高注入温度可增加出口温度但减少取热功率,在开发中需要平衡这两个因素。

基于BP神经网络的增强型地热系统产热性能:以伊通盆地花岗岩体热储层为例

探究增强型地热系统(enhanced geothermal systems,EGS)工程采热性能,对提高系统产热效率、延长储层寿命是至关重要的。以伊通盆地北部昌27井实际地质构造、岩性、地热特征及热物性测试为基础,以地下4054~4168 m花岗岩为热储层建立三水平井水热耦合数值模型,并在此水平井模型基础上建立BP神经网络热储产热能力预测模型,研究了不同影响因素对系统换热过程的影响。结果表明:BP神经网络预测生产温度、焓值差和压力差与水平井数值模型的相对误差基本不超过±1.0%、±2.0%和±3.0%,预测准确性较高。水平井地热开采中,对系统生产温度造成影响较大的因素是井间距和注入速度,对系统发电效率造成影响较大的因素是注入速度和裂隙渗透率。综合考虑各影响因素交互作用,采用三水平井开采地热能可选择开采方案井间距600 m,注入温度60℃,注入速度23 kg/s,裂隙渗透率1×10^(-10 )m^(2)。在该工况下系统的经济寿命可达32年,累积发电量为605.9 GW·h,比基础模型提高7.4%。

基于能源桩的桥面融雪系统经济效益评估

基于能源桩的桥面融雪系统,利用清洁绿色的地热能为道路融雪除冰,从而降低碳排放,与我国“双碳”战略发展趋势相契合。在技术落地过程中,实现优化设计从而降低成本至关重要。通过数值模拟方法,研究了该系统在中国不同气候区的产热量,并计算了三级融雪目标下桥面融雪所需热量。同时,建立了成本测算模型,分析了各气候区代表城市最具经济效益的能源桩融雪方案,并基于该模型开发了计算软件,以简化应用流程。研究结果表明:在短期运行中,桥面建安费和热泵费用是对成本影响最大的因素。然而,在长期运行中电价成为最关键因素;当热通量需求变化时,电力融雪系统的总成本增量约为能源桩融雪系统的2倍;在恶劣气候环境和更严苛的融雪目标下,能源桩融雪系统的相对节省曲线更陡峭,优势显著;此外,国家政策的积极支持能弥补该系统初始投资成本高的短板,增强其市场竞争力。

冀南农村住宅太阳能辅助浅层地热能系统运行特性分析

浅层地热具有分布广泛、储量巨大的特点,但对于北方农村建筑冬季供暖热负荷远大于夏季冷负荷,容易出现土壤的热失衡问题。本文以冀南地区农村住宅为例,设计了一套太阳能辅助浅层地热能系统。与原有浅层地源热泵系统相比,首先分析了目标建筑的室内外温差变化。其次监测土壤温度场和供回水温差的变化。最后对辅助系统的初投资和运行成本进行分析。结果表明:冬季地温场平均温度明显上升,通过太阳能和地源热泵交替运行,减少了从地下提取的热量,缩短了冬季取热量和夏季排热量不平衡周期,缓解了全年土壤冷热负荷不平衡的问题。地埋管进出水温度和换热效率有较大的提高,应用了辅助系统的系统能效比从2020年的3.40提高到了4.17,提高了0.77。太阳能辅助浅层地热能系统最佳配比为12.80m^(2)太阳能集热面积和1个地埋孔。太阳能辅助浅层地热能系统冬季供暖运行成本为18.86元/m^(2)。与单一地源热泵系统相比可节约37%的采暖、制冷及热水全年运行费用,与传统供暖制冷模式相比可以节约40%-45%的全年运行费用。

圆形隧道衬砌内毛细管换热器间歇运行的传热性能

隧道地源热泵是解决地铁隧道热污染的有效技术之一,毛细管换热器(CHE)因具有抗腐蚀、易弯曲、换热性能好、节省空间等优点被广泛应用于隧道地源热泵系统的前端换热器。基于示范工程建立了CHE流-热耦合传热模型,并在TRNSYS平台搭建CHE仿真系统,对隧道衬砌内CHE在连续、间歇运行下的传热性能进行分析。结果显示,当运行时间比由1/3逐渐增至1时,制冷季和采暖季第7日的CHE日均热流密度分别由100.59、87.42 W/m^(2)降至78.14、68.62 W/m^(2),相应的围岩内表面温度分别随之增大和减小,表明间歇运行能显著提高换热器的传热性能,并有助于缓解隧道围岩冷热堆积问题。

桥面除冰地热能源桩的能量传递机理研究

利用桥面除冰地热能源桩(以下简称“桥梁能源桩”)在冬季可提取清洁地热能并传输到桥面进行除冰融雪。建立了桥梁能源桩热-力耦合三维数值模型,探究了桥墩对流换热对下部能源桩能量传递机理的影响。研究表明,除冰过程中能源桩的地热提取效率是传统地热钻孔的2~3倍;桥墩与空气的对流换热会导致热量散失,造成能源桩的热功率降低;当桥墩桩基长度比由0增大到50%时,桥梁能源桩的热交换率降低约8.7%,因此桥墩较长时应考虑桥墩对流换热对能源桩热性能的影响。

基于正交试验的石墨-铁尾砂复合回填材料性能研究

通过三因素三水平正交试验,探讨了灰砂质量比、石墨质量分数以及铁尾砂质量分数对石墨-铁尾砂复合回填材料性能的影响。基于SPSS多元线性回归分析,研究回填材料流动度、导热系数及28 d抗压强度的影响因素,确定最优配比。结果表明:铁尾砂部分代替天然河砂对各项指标影响不明显;灰砂质量比是影响回填材料流动度和28 d抗压强度的主要因素;石墨质量分数是影响回填材料导热系数的主要因素;当灰砂质量比为1:2、石墨质量分数为6%、铁尾砂质量分数为40%时,回填材料的综合性能最好。