套管式地埋管换热器节能特性的研究与应用

大庆油田进入开发后期存在着一定数量的废弃井,采用套管式地埋管换热器可以获取到废弃井的中深层的地热能。首先对废弃井转换为地热井的可行性进行分析,通过确定中深层地埋管换热方式,建立外入内出型传热计算模型并对废弃井结构改造。再具体分析大庆油田的地层土壤温度分布和确定边界条件,得出符合现实的理论计算公式。进一步分析套管式地埋管换热器取热评价指标与传热影响因素研究,得到流体流量和进口温度对传热影响因素,及循环流体进口温度对运行特性的影响对取热效率的影响规律。最后,通过对两种工况的废弃井现场试验,得到套管式地埋管换热器平均换热量为478.5 kWh。为利用大庆油田1700口废弃井的节能改造找到了一条切实可行的出路。

中深层地热单井换热数值计算

中深层地热单井换热是一种"取热不取水"开发地热能的技术,该技术具有不破坏地下水环境、取热量大等优势,但目前就深度3000m以上的单井换热数值计算研究较少,本文针对西安地区地热地质条件,采用数值法计算了不同井型结构(L型定向井、丛式定向井)的中深层地热单井在连续运行一个采暖季情景下的换热量。计算结果表明:同一流速及地温梯度下,在系统连续运行120 d后,L型定向井的出口温度、单位时间取热量及延米取热量高于丛式定向井;同一流速下,地温梯度越大其出口温度越高,单位时间取热量及延米取热量也越大;同一地温梯度下,流速越大其出口温度越低,单位时间取热量及延米取热量越大。丛式定向井井斜30°的出口温度、单位时间取热量及延米取热量高于井斜45°,随着流速的增加,两种井斜下的出口温度、单位时间取热量及延米取热量的差异逐渐减小。从出口温度、单位时间取热量及延米取热量角度考虑,L型定向井的换热效率优于丛式定向井;从钻井施工的难易程度角度考虑,丛式定向井优于L型定向井;丛式定向井的两种井斜结构中,井斜30°的丛式定向井优于井斜45°。所得不同工况的计算结果,可为中深层地热的开发与利用提供参考依据。

深层垂直井同轴换热能力数值模拟分析

针对中深部(1500~4000 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(3500 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3500 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。