深层地热能丛式多分支U型井采热技术及传热算法

深层地热能是一种分布广、资源量大具有发展前景的可再生新能源,当前的主要开采方法有增强型地热系统(EGS)、环绕式井筒换热系统(AGS)、断层带流体循环开采和同轴套管开采法,但存在采热功率不稳定、地震风险高和采热效率低等难题。针对当前深层地热开采技术面临的瓶颈问题,本文以开采过程只有能量交换而没有物质交换为原则,以深层干热岩地热规模化可持续稳定开发为目标,提出了深层地热能丛式多分支U型井采热方法(UMW-DGS)及关键技术,在此基础上建立了井筒轴对称热传导模型,以青海共和盆地恰卜恰深部干热岩储层为背景,提出了高温高压岩石热导率测试新方法,计算了在定井径条件下井周温度场和采热功率的时空演化规律,分析了温度差、热导率和井径等3个敏感因素对采热功率的影响。此外,针对UMW-DGS定解问题,研发了基于有限体积法(FVM)的三维热流固耦合数值算法,研究了UMW-DGS单水平井段换热效率和在不同泵注量条件下温度场时空演化。通过分析不同流量的有效换热量、换热时长和功率发现:泵注流量的增加会导致有效换热能量和有效换热时长的降低,并且使有效换热功率先增加后减少。研究结果表明,深层地热能开发需要在平衡换热温度和功率的条件下设计注入排量,从而得到最优的换热效果。

中深层水热型地热资源集群式开发井位部署参数研究与应用——以HTC地热田为例

在中国“双碳”战略背景下,清洁能源的高效开发利用逐渐成为各行业关注的焦点,而中深层水热型地热资源是一种储量丰富、运行稳定、绿色环保的清洁能源。近年来,随着地热资源开发利用程度逐渐增加,开发模式逐渐向集群式发展,相比以往的分布式开发模式,集群式开发具有经济、稳定、抗风险能力高、改扩建能力强等优点。但开发模式、采灌井网、采灌井距等关键参数仍在探索阶段,这些参数对集群式开发影响明显,亟须对此开展机理研究、优化关键参数。以HTC地热田作为研究对象,利用数值模拟技术,耦合地下温度场、压力场、水流场建立数学模型,分析不同开发模式、采灌井网、采灌井距条件下地下温度场、压力场、水流场变化规律,确定最优参数,指导矿场生产。实践证实,该方法可有效保障地热开发项目稳定运行,实现地热开发项目经济效益最优化。

岩土分层对中深层U型对接井换热性能的影响

中深层U型对接式换热井出水温度高、取热能力大、井内流动阻力小,是理想的中深层地热能换热形式。基于热阻串联理论,建立了中深层U型对接式换热井地下换热的分层解析计算模型,并采用实测结果进行了验证。在建立解析模型的基础上,选取关中盆地作为研究区域,分析了地下3000 m以浅深度范围内的岩土导热系数和体积比热分层变化对中深层U型对接式换热井整个采暖期内出水温度和取热量的影响。结果表明:岩土导热系数分层对地下换热特性有较大影响,根据平均导热系数计算会高估井口出水温度和取热量,偏差值介于6%~15%;岩土体积比热分层对地下换热特性影响较小。在中深层U型对接式换热井的设计和传热性能分析中,应考虑地下分层的影响,建议分层数量不低于8层。

中深层U型地热井取热性能数值模拟研究

为了解中深层U型地热井的取热性能,本文以河北工程大学新校区建立的2500m深U型地热井为研究对象,建立了中深层U型地热井传热的数学物理模型。模型考虑了当地岩土体地温梯度和岩性变化对传热性能的影响,模拟所得数据利用实际工程测量数据进行验证。仿真结果可以看出合理降低入口温度可以增加取热量,入口温度每降低1℃,地热井取热量增加约40kW。合理增加循环工质流速可以增加取热量,但取热量增量逐渐降低。本研究中,当采出井段保温长度保持定值时,采用导热系数为0.02W/(m·K)的保温材料地热井取热量和出口温度最大。同样,当选取保温材料一致时,地热井取热量和出口温度随保温长度的增加而增加。与实际工程相比,井底取热管长度为1000m时,地热井取热量和出口温度分别增长122.32kW和1.56℃;当钻井深度为5000m时,地热井出口温度增长6.35℃。仿真结果表明合理降低入口温度,提升流速,增加井底取热管长度,增加钻井深度,增加采出井段保温长度和采用低导热系数保温材料,可以有效提升深U型地热井取热量和出口温度。研究结果可为中深层U型地热井井下换热系统的优化提供参考。

中深层U型埋管换热器数值传热模型精准度影响因素研究

为研究中深层U型对接井地埋管换热器与其周围岩土体传热过程的数值计算模型准确性,文章以实验项目地层与地温特征作为背景,建立了数值传热模型,基于有限差分法将控制方程进行离散求解,并用商用软件对模型进行了验证。定量分析了控制方程的坐标变化系数、数值计算的空间步长、时间步长、径向边界位置以及模拟运行时长等模拟条件变化对模拟结果的影响,为模型研究和工程计算提供了基础数据参考;定量地计算了U型对接井中拐点位置热干扰对换热器出口循环水温度的影响;对用于数值计算的几何模型进行了研究,建立了5种不同的几何模型,其数值计算结果中换热器取热量最大相差54 kW,最小相差0.75 kW,最大偏差超过5%。

中深层U型对接井取热能力影响因素显著性分析

文章根据中深层U型对接井换热原理,建立了数值换热模型。基于正交分析方法,对U型对接井取热能力影响因素开展显著性分析。研究结果表明:在众多因素中,影响程度由大到小依次为地温梯度、埋管深度、入口温度、岩土导热系数、水平长度、岩土密度、循环流量、岩土比热容,且地温梯度、埋管深度的影响程度远高于其他参数。前4个因素具有高度显著的影响,在U型对接井供暖项目中,对地热地质条件尤其是地温梯度和岩土导热系数进行准确地测定与计算是十分必要的。U型对接井换热长度一定的条件下,增加埋管深度更有利于热提取。在满足热泵机组的运行要求下,应尽可能降低U型对接井入口水温,从而提高其取热能力,循环流量调节可作为控制U型对接井出口水温的辅助方法。

中深层U型对接井“取热不取水”技术研究

以河北工程大学U型对接井闭式换热试验为例,介绍了中深层“取热不取水”技术特点和研究成果。研究表明,大口径长水平距离的U型闭式对接井,换热量大、运行稳定,成功解决了中深层水热型砂岩回灌量小、破坏地下水资源的难题,也解决了单井同轴管模式换热量小、热量衰减快的难题。这种改进的中深层地热采热技术,实现了“取热不取水”,成为地热资源可持续发展探索的新方向,可以在全国范围内推广应用。实际应用时,应做好地热井勘查工作,可通过增加井深、水平段距离及循环水流量、降低注水温度等技术手段提高换热量。

集中式砂岩型热储地热资源开采井网优化与实践

近年来人们对中深层砂岩型地热资源开发越来越重视,集中开采逐步成为常态。在集中式砂岩型地热井井群部署过程中,井距、井网不仅决定地热井多年后温度和水位变化,也影响着地热项目的寿命及经济性。文章以冀东曹妃甸新城2.3×10^(6)m^(2)地热供暖项目为例,研究了集中式砂岩型地热开采井网优化。在研究区地热勘查的基础上,利用采灌试验确定地热井开采量为100 m^(2)/h、回灌量为80 m^(2)/h。采用数值建模优化地热采灌井井距为450 m,地热采灌井井网按交错式排状部署。采用多井先导试验验证地热井开采量、回灌量的合理性,并制定地热井采灌运维制度,实现100%自然回灌。利用井群多年采灌生产数据建模,预测热储渗流场水位与温度变化。为规模化地热资源开发提供技术支持。

中深层地热U型井地埋管换热器的试验研究

为了了解中深层地热U型井地埋管换热性能及井下换热参数变化,完成了新型的U型井地埋管换热器工程,并在此基础上进行了实验研究。首先,确定了研究区的地层温度,根据热储的物性条件选取了水平井段及对接位置;其次,分析空载循环试验工况下循环水的流量及井下温度的变化情况,研究了负载工况下供回水温度、流量、换热量、不同井段对换热的贡献率、井下温度的动态变化、U型井的恢复能力等因素。实验结果表明:中深层U型井地埋管换热器井底温度会随运行时间增长而降低,流量大且回水温度较低的情况下,换热器的换热量比较高,最高为1 336.8 kW;回水井对换热量的增加有限,每百米增加0.12℃,实际工程中可以考虑减小口径,降低建设费用;U型井地埋管换热器的地温恢复能力较强,停止运行24 h左右井底温度与初始温度差为-13.00℃。研究结果有助于研究人员对中深层U型井地埋管换热器有更进一步的认识,从而推动中深层地热能的健康可持续发展。

关中盆地中深层地热资源开发方式探讨

为探索适合关中盆地中深层地热资源的开发技术,实现地热资源可持续开发利用,在分析现有4种地热开发方式技术特点、存在问题和适用条件的基础上,提出了关中盆地中深层地热的最佳开发方式:西安、咸阳等地以换热开发为主,对单井直采开发方式予以限制;对渭北溶岩地热区,以采灌结合为主;对秦岭山前裂隙地热区,以单井直采为主,适当补充回灌井。

韩城地区中深层钻井取热供暖关键技术

地热井钻取优质的地热水是采灌型地热能供暖系统的前提条件,是影响整个水热型地热能项目经济效益的最敏感因素,而钻井关键技术对地热井的成井质量具有重要意义,对地区地热产业的发展有着举足轻重的作用。根据韩城地区地热资源赋存的地质特征及开发过程中遇到的难点,在理论分析和试验研究的基础上,研究了韩城地区地热钻井施工的关键技术问题,提出韩城地区地热钻井取热供暖五大关键技术问题:防塌高效钻井技术,地热井止水工艺,酸化增产增灌处理措施,原位采灌工程优化布置,梯级换热与回灌技术。通过对生产过程中遇到的技术难题进行理论分析,提出解决问题的关键技术,对五大关键技术进行了逐一阐述。这些关键技术对于韩城地区开发利用中深层地热资源具有重要的科学与工程意义,也可为其它地区提供借鉴。

地热对接井与地热深度利用技术的耦合探讨

目前在经济成本的影响下,不仅地热井深度受限,单口井的流量和取热量也不宜太大。而新型U型对接井可以显著缓解地热井的取热量偏小问题,同时地热井的深度利用技术又可使热源侧流量减少到30%以下,两者耦合可明显降低中深层热泵的普及壁垒。对此,文章首先详细介绍了U型地热对接井技术和中深层地热深度利用技术的基本概念,然后系统分析了U型地热对接井技术和地热深度利用技术耦合的实用性和流程,可为相关研究人员提供有价值的参考。

中深层地热U型闭式对接井关键技术研究与示范

在"双碳"目标背景下,地热作为一种非碳基能源,在替代化石能源方面可以发挥更大的作用.本文通过在河北工程大学建立的中深层地热U型井换热系统示范工程展开了关键技术系统化的研究,经过不同的换热工况获得地热井换热量为1250~1472,kW/h,经过数值模拟,该U型地热井在循环水量为90,m^(3)/h时,稳定产热功率可达1368,kW.开展中深层"取热不取水"关键技术的研究与示范,可以有效避免水热型供暖面临的回灌、地热井水量小、矿化度高、结垢腐蚀、干孔等难题,也将是地热能开发利用可持续发展的重要途径.