雄安新区地热井同轴套管闭式循环取热技术研究

地热能是一种含量丰富、成本相对低廉且分布广泛的可再生能源.雄安新区地热储量丰富,亟需高效取热的技术.地热井同轴套管闭式循环取热技术是一种适用于中深层地热、兼具换热效率高和“取热不取水”等优点的新型地热开发模式.单井同轴套管闭式换热系统由钻入地热地层中的垂直井以及井筒中呈同轴位置关系的中心管组成.在此系统中,循环工质从地面通过高压泵被注入环空,通过热对流和热传导从井壁提取热量,然后通过中心管返回地面流经热交换器被利用.本文针对雄安新区地热储层,首先完成同轴套管保温结构、高导热水泥的设计与研发;然后根据设计结果,对地热储层最大产能、井下换热系统取热效率及关键参数的影响规律进行了数值模拟研究;最后在研究基础上,开展同轴套管闭式循环取热技术的现场试验,完成针对中低温地热资源的同轴套管闭式循环取热技术研究及分析,并基于现场情况对不同热储条件和保温结构进行了经济性分析.研究结果表明,地热井同轴套管闭式循环取热技术可以满足对中深层地热能的开发需求,设计的保温结构和高导热水泥对取热供热有积极作用,形成了包括井身结构设计、保温结构设计、井下高效取热装置开发等在内的地热井高效取热完整技术体系.

对流型地层内井下换热器实验模拟研究

采用 3～ 5mm的饱和微珠玻璃球堆来模拟同轴管式井下换热器 (DCHE)周围对流型地温地层 ,对其换热过程中温度分布及其变化、主要影响因素进行了实验研究 。

同轴套管式换热器周围介质层的传热特性

建立了一套利用同轴套管式换热器模拟周围饱和型多孔介质层传热特性的实验装置 ,得到了一些实验数据 ,建立了理论模型并采用实验与理论相结合的方法 ,为在更广的范围内预测或确定地下土壤层换热速率提供依据。

井下换热器周围对流型地热储传热特性

采用Darcy自然对流传换模型分析了同轴管式井下换热器 (DCHE)在对流型地热储中的换热特性 ,在假设井下换热器外壁温度变化与其高度成幂函数关系的基础上 ,建立了数学模型并得出了相似解 ,为其进一步工程应用奠定了较好的理论基础。

多孔介质层内同轴管式井下换热器的相似解

对多孔介质层内同轴管式井下换热器的自然对流传热过程进行了数值模拟。通过对井下换热器分段并依次在局部采用对流相似解法对其周围遵循 Darcy定律的多孔介质层内自然对流过程进行了近似求解。得到了有关多孔介质层物性参数对井下换热器热输出影响的规律。

单井井下换热器开采方式在中深层地热开发中的适应性分析

在中深层地热资源的开发中,存在成本高、技术难、井筒易结垢和腐蚀等问题。单井井下换热器开采具有“取热不取水”的特点,能有效解决回灌中腐蚀结垢问题,是一种低成本、低环保风险的新兴技术,对中深层地热资源开发具有重要意义。基于国内外单井井下换热器的理论研究和现场应用状况,解释不同类型的单井井下换热器的工作原理,对比分析3种类型的单井井下换热器开采的优缺点,提出未来的发展方向。研究结果表明:①在中深层单井井下换热技术中,同轴套管井下换热器换热效率高,技术成熟,现场完井深度可达2300 m,出口水温超过40℃,热能产出可达220 MWh/a;②超长重力热管换热器具有避免工质损失、减少压裂等优点。虽然目前现场应用较少,但其产出温度超过100℃,具有巨大的发展潜力;③U型管换热器虽然换热量低,但具有安装简便,不易渗漏的优点,目前现场应用很少。基于U型管换热器在浅层地热资源开发中的重要性,它也将成为未来中深层单井换热的主攻方向之一。

中深层套管换热器分段传热解析模型构建

基于时间和空间尺度的分段计算方法,建立了中深层套管换热器传热理论解析模型,并结合文献工程案例进行了验证,对雷诺数、地温梯度和供水温度三个关键参数进行分析,提出了吸热效率η作为新的传热性能评价指标。结果表明,η随雷诺数从0.90×10^(4)增至8.10×10^(4)提升了36.26%,但随地温梯度和供水温度的变化很小;降低供水温度、增加地温梯度与雷诺数都可以提升每米孔深换热量ql,但雷诺数增加引起的ql提升幅度逐渐减小;不同工况下ql的变化范围为54.83~117.17 W·m^(-1)。