水热型地热水平井取热对流传热耦合机制

【目的】闭式取热技术只利用地层热量,不抽采地热水,近年来成为地热开发研究的重点领域之一,但关注储层对流对传热影响的研究相对缺乏。【方法】为了提高单井取热量,提出水热型储层水平井闭式取热工艺,增大井筒与储层的接触面积,且充分利用储层对流。建立水平井、循环水、储层互相耦合的流动传热模型,分储层自然对流、强制对流条件开展取热性能预测,揭示储层对流场、温度场演变特征。【结果和结论】结果表明:(1)储层发育与水平段垂直的强制对流可有效缓解热突破,对取热提升较为明显;与水平段平行的强制对流与自然对流取热量无明显差异。(2)与上覆地层相比,储层段对循环水温的提升占主导地位,平均每米温度提升是上覆地层的2.4倍。(3)储层对流场和温度场演变具有高度耦合特性。当储层只存在自然对流时,温度场变化范围与达西流动活跃区局限于井筒邻近区域,沿径向方向扩展;当储层发育强制对流时,温度场和对流场在水平井筒两侧呈非对称分布,低温区和低达西流速区位于对流下游方向。(4)储层温度动态恢复特征受对流条件控制。强制对流可加速对井筒周围区域热量补给,促进温度恢复,具备长年运行的条件。研究成果为水平井取热系统研究与设计提供借鉴。

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。

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。