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。

中深层水平连通地热井取热特性研究

高效取热技术是实现地热效益化开发的关键,建立了水平连通地热井数值仿真模型,计算了连续开采和间歇开采工况下的出口流体温度和换热量,研究了注入温度、注入流量、水平段长度对系统换热性能和岩层温度恢复能力的影响。结果表明,随着注入流量增加,地热井出口水温下降,但整个系统换热量提高;当注入温度较高时,可有效提高出口水温,但系统换热量降低较大;随着水平段长度增加,出口水温和换热量逐渐上升,换热性能提高;岩层温度恢复能力随注入流量和注入温度的增加而提高。综合考虑钻井成本、水泵功耗等因素,适量增加注入流量、降低注入温度、增加水平段长度能有效提高水平连通换热井的换热性能;虽然高的注入温度可提升岩层温度恢复能力,但不利于提高系统换热性能。

通许县中深层地热资源特征及潜力分析

地热资源是一种清洁可再生的能源,对于调整能源结构应对气候变化有重要作用。根据通许县所处区域构造位置,分析了研究区地温梯度变化规律。通过对地热地质条件、热储结构和热储层特征的分析研究,得出热储层主要为新近系松散岩类孔隙热储层和寒武—奥陶系岩溶裂隙热储层。采用水头允许降深法计算了热储层储存热量,新近系热储层储存热能总量为2176.48×10^(16) J,折合标准煤74263×10^(4) t;寒武—奥陶系岩溶裂隙热储层储存热能总量为7347.28×10^(16) J,折合标准煤250696×10^(4) t。采用热突破公式计算回灌条件下地热流体可开采量,新近系热储层可采热量7.21×10^(13) kJ/a,折合标准煤246.01×10^(4) t/a;寒武—奥陶系岩溶裂隙热储层可采热量24.35×10^(13) kJ/a,折合标准煤830.84×10^(4) t/a。对地热井井间距进行了模拟论证,给出了合理的抽灌井井间距,为地热资源的科学开发利用提供了依据。

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%。

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。

中深层地热井钻具失效分析与应用研究

对中深层地热探采结合井钻具断裂失效事故进行详细的调查研究,采用定性分析方法,从钻井地层、参数、材料及钻具结构等多方面因素进行全面分析,对实际钻进的数据进行统计研究,得出地热井钻具断裂失效的原因,并提出合理的处理措施及预防应对措施。同时,总结经验教训,对现有的钻进工艺进行研究改良,提出针对性的改进方案和新工艺技术,为后续地热生产井的高效钻进提供有利钻井参数,为同类型中深层地热井钻井提供参考依据,避免同类钻具失效事故的再次发生,提高钻井质量。

利用弃井开采中深层地热能名义取热量的模拟

利用弃井开采地热能,可以充分发挥我国现有大量被弃油井的价值,有助于解决能源短缺问题,为我国绿色能源的发展提供参考依据。文章建立了弃井内换热的物理模型,将其应用于利用弃井开采中深层地热能名义取热量的模拟,研究了循环水流量、弃井深度、外管管径、外管导热系数、中心管管径及中心管导热系数对换热器名义取热量的影响。结果表明:改造后的弃井换热器对中深层地热能的名义取热量会随着循环水流量和钻孔深度的增大而增加;名义取热量随着外管管径以及外管导热系数的增大而增加,最后趋于定值;并随着中心管管径和导热系数的增加而减小。

中深层地热能开发利用技术进展及展望

我国中深层地热能开发利用强度和广度正在持续加大,技术水平不断提高,正在向着更科学、更高效、资源节约化、技术集成化的方向发展。在总结中深层地热能开发利用技术方法的基础上,进行了技术分类,划分为二类六型,分析了各类型技术方法的优缺点,提出了目前中深层地热能开发利用比较粗放、勘查精度不高、深井换热效率低等问题。从勘查、评价、利用、回灌四个方面进行了展望。

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。

中深层地热井下同轴换热器长期换热性能研究

中深层地热井下同轴换热器具有取热量大、出口水温高的特点,近年来受到供热行业的高度关注。目前的研究主要是对单个供热周期内的中深层地热井下同轴换热器的换热性能进行分析,缺乏对其长期换热性能的相关研究。本文根据中深层地热井下同轴换热器供暖季供热、非供暖季停歇运行的特点,基于能量守恒方程建立换热器的数值换热模型,并采用有限体积法对模型进行离散,通过Matlab平台数值分析其在长期运行过程中换热性能的变化规律。结果表明:换热器的换热性能随着运行年份逐渐下降,且下降程度逐年减小,最终达到准稳态。其中,次年平均换热量的下降比例最大,且换热器埋深越大,换热量的下降比例越小。埋深为2000、2500、3000 m换热器的次年平均换热量的下降比例依次为4.00%,3.78%和3.56%,第30年的平均换热量较第1年分别下降13.7%、13.1%、12.4%。岩体温度逐年下降,其受干扰半径逐年增加。在30 a运行期间,埋深2000 m的换热器在每年供热季结束时的岩体温度受干扰半径从13 m增加至105 m。此外,换热器深度越大,其周围岩体温度受干扰半径越大。本研究结果阐明了中深层地热井下同轴换热器在长期取热过程中换热性能的变化规律,对换热器长期取热的设计具有指导意义。

废弃油气井改造的地热井换热性能影响因素模拟研究

采用中深层地埋管换热技术改造废弃或关停油气井是油田地热开发的一种方式,有助于油田低碳供热并降低地热开发成本。为了提高单井取热量及更好地指导改造工作,需对改造井换热性能的影响因素进行分析。通过数值模拟方法分析改造井换热性能的影响因素,分别对地质、井和工况等参数进行了分析。主要结论为:①地质参数中的地温梯度和岩层导热系数对单井取热量有较大影响,地质参数应作为改造选井首要考虑因素;②井参数中的井深、套管外径、中心换热管外径和导热系数对单井取热量有一定影响,在改造选井及方案制定时需要考虑;③工况参数中的入井水温和入井流速对单井取热量有影响,地面换热系统设计时应考虑工况参数的影响。此研究对于采用同类换热技术的改造目标井优选、改造方案制定、运行工况参数优化都具有参考意义。

黄陵地区中深层地热能赋存与U形井岩-水换热潜力分析

中深层U形地热井供暖工艺模式逐渐成为地热界供暖新的方向。以鄂尔多斯盆地南缘黄陵地区为研究对象,系统分析了研究区中深层地质条件与热储层特征,分析得出研究区地温梯度为3.05℃/100m,属于地温异常地区;其中埋深3155m的马家沟组具有低渗透率、低孔隙度、无流体或含极少量流体等地质特征,其热储资源总量为3.72×10^(20) J,为良好的热传导型热储层和理想的干热岩类型地热资源层;通过注水换热循环试验、理论分析与同类型已建供暖项目对比研究,得出影响中深层U形地热井出口水温的因素有:入口温度、注水流量(流速)、水平段长度、井深、井眼直径(换热接触面积)、出水井的保温措施等;为有效提高换热效率,以中深层U形地热井裸眼换热工艺为依据,采用注水换热循环方法预测得出运行时水量采取100m^(3)/h,换热量可达3128.47kW,单位每延米换热量为427.21W/m。研究成果对鄂尔多斯盆地南缘黄陵地区中深层地热能开发具有重要的借鉴意义。

地质参数对中深层地热井长期取热特性影响分析

基于中深层地热井换热原理,数值分析不同地质参数下中深层地热井在长期运行过程中单井取热量、能效系数、热泵机组COP以及岩土温度的变化情况。研究结果表明:岩土导热系数对长期运行期间的单井取热量、能效系数的下降比例影响较大,且岩土导热系数越小其下降比例越大。岩土导热系数为2.0 W/(m·K)时,第30年的单井取热量、能效系数与第1年相比均下降13.7%。地温梯度对长期运行期间的热泵机组COP的下降程度有较大影响,其下降比例随地温梯度的增大而增大。此外,不同地质参数下岩土温度影响半径随运行年份增加的比例一致。

高陵城区中深层地热资源条件分析

根据高陵百岁宫地热井的成果资料,结合区域地热地质背景,分析评价高陵城区中深层地热资源条件。高陵城区地热资源类型为层状孔隙型中低温地热资源,地热资源丰富,热源主要来自上地幔热传导,热储层和盖层为新生代松散和半胶结沉积地层,其中高陵群热储和白鹿塬组热储砂岩含水层发育较好,砂厚比分别为36.79%和27.95%,热储条件较好,可优先开发。高陵城区地热异常主要受莫霍面埋深影响,平均地温梯度为4.0℃/100 m,地热水化学类型为氯化钠型水(Cl-Na),总矿化度大于10 g/L,属盐水,地热水中氟、溴、碘、锂、锶、偏硼酸、偏硅酸达到命名矿水浓度,具有较高的理疗价值。计算高陵城区地热井单井稳定产量为87 m^3/h,按《地热资源地质勘查规范》中地热资源开发可行性评价属于适宜开采区。单井开采权益保护半径为1 385 m。

裂隙分布及井间距对增强型地热系统采热性能的影响

中高温岩热型储层开采属于增强型地热系统,开采方式主要通过回注井、生产井、裂隙储层来实现,井间距的布设和裂隙参数将直接影响到流体的流动路径,进而影响着回灌量和换热效率,由此我们考虑通过对裂隙参数与井间距的组合变化对采热性能影响的研究,优选出对生产最有利的裂隙分布与井间距组合参数,为人工造储提供裂隙网络目标,为布井设计提供井间距参考.本次研究采用TOUGH2软件在建立水热力多场耦合模型的基础上,在储层设置了16组不同的裂隙参数组合,进行了48组试验模拟,分析了200 m、300 m、500 m井间距条件下运行30年不同裂隙参数组合对采热性能的影响,结果显示储层和采热温度受井间距影响较大,储层压力受裂隙参数影响较大.不同裂隙参数组合条件下,200 m井间距开采30年生产井温度由初始的81℃下降到47℃左右,300 m井间距开采30年生产井温度下降到55℃左右,500 m井间距开采30年生产井温度下降到67℃左右.不同裂隙参数条件下储层压力相差较大,最大由初始的24 MPa上升到98 MPa,最小上升到28 MPa.根据模拟结果我们得到80 m厚储层最佳压裂开采参数组合为井间距500 m、裂隙开度0.8e^(-4)~0.9e^(-4)m、裂隙条数在10~15条之间、裂隙间距10 m时为最佳开采方案.该研究结果可应用于增强型地热系统(EGS-Enhanced Geothermal Systems)开发中,为高效压裂开采中高温低渗储层提供指导,提高采热效率的同时延长系统使用寿命.

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。