基于T2WELL的单井闭循环地热系统供热性能评价.pdf
《基于T2WELL的单井闭循环地热系统供热性能评价.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于T2WELL的单井闭循环地热系统供热性能评价.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、收稿日期院 2022-05-01遥基金项目院 国家重点研发计划项目渊2018YFE0111300冤曰河北省省级科技计划资助渊20374201D冤曰中国地质科学院水文地质环境地质研究所基本科研业务费渊SK202104冤曰吉林省科技厅重点研发项目渊20200403147SF冤曰河北省煤田地质局第二地质队院士工作站和院士合作重点单位建设渊205A4101H冤曰干热岩热能单井取热技术及地面综合热利用技术研究与应用示范渊19274102D冤遥通讯作者院 刘彦广渊1980-冤袁男袁博士袁研究方向为地热能开发与利用遥 E-mail院基于 T2WELL 的单井闭循环地热系统供热性能评价任昊1袁 冯波1袁 刘彦
2、广2袁 上官拴通3袁 李翔3袁 刘鑫1袁 崔振鹏1渊1.吉林大学新能源与环境学院袁 吉林长春130021曰 2.自然资源部地热与干热岩勘查开发技术创新中心袁河北石家庄050061曰 3.河北省煤田地质局第二地质队袁 河北邢台054001冤摘要院 为提高单井闭循环系统采热效率袁合理评估地热井供暖能力袁文章以吉林省松原地区某厂区实际运行的地热井为研究对象袁基于T2WELL 模拟程序对该单井闭循环系统进行研究袁对比分析短期和长期不同供暖方案下袁地热能采热效率以及储层恢复情况袁优化开发利用方案遥 储层恢复过程对地热井使用寿命有着重要影响袁在对比40 a 运行方案中袁连续运行径向响应范围超过70 m袁地
3、温带变幅较大袁而间歇运行影响范围相对较小遥 热储恢复能力是评估地热井供暖性能一个很重要的指标遥关键词院 单井闭循环系统曰 T2WELL曰 采热效率曰 供暖性能评估曰 热储恢复能力中图分类号院 TK521文献标志码院 A文章编号院 1671-5292渊2023冤09-1188-080引言地热能是一种可供人类开发利用且广泛存在于地质体中的资源遥 根据国际能源机构渊UEA冤和中国科研机构估算袁 全球地热资源足够满足人类未来2 亿年的能源需求1遥 地热能不仅资源丰富袁而且清洁无污染袁 被认为是最有潜力的新替代能源之一24遥 我国北方冬季寒冷漫长袁对于供暖有着迫切的需求袁 而目前主要依靠的化石能源极易产
4、生雾霾等生态环境问题袁 连年增长的煤炭价格也使得供暖的经济成本大幅度提高遥 取暖方式需要向清洁低碳和经济性转变遥 地热能取暖适合城镇或农村集中连片式供暖袁 大力推进地热资源开发利用袁改善能源结构袁对于解决日趋严重的全球环境问题更是具有重要的意义5遥单井闭循环地热系统是一种以野取热不取水冶形式开发利用地热能的技术袁 即通过在封闭系统中对工作流体进行循环袁实现同轴孔的热交换6遥该系统采用全封闭的同轴套管结构袁 利用在同轴套管中的流体从地下提取热量7遥 由于在运行过程中袁换热水体不进入地质储层袁因此该技术可以在不破坏地下水环境的前提下袁 为热泵提供温度更高的热源遥 此外袁该系统不受气候条件的影响袁可
5、以保证热泵机组长期尧稳定的高效运行8遥 这种地热能供暖的方式为北方地区发展清洁供暖提供了思路和可能遥 近几年北方地区的地热供暖技术得到了大幅度的发展与进步袁 目前已有多处地热供暖场地成功运行遥 国内外许多学者对单井闭循环系统进行了研究袁Westaway9通过数值模拟手段建立深井换热模型袁 旨在对该技术进行更加合理评估遥 Falcone10通过对当前单井闭循环系统发展现状的研究袁分析了当前发展单井系统的优缺点遥蒋坤卿11通过建立具有开式结构的深井换热模型袁研究了其在建筑供暖利用方面的性能表现遥而对于北方地区而言袁延长地热井使用年限袁减少对化石燃料供暖的依赖是当前亟待解决的问题袁因此评估地热井供暖
6、潜力袁 寻求更有利于可持续发展的供暖方式就显得更加具有现实意义遥针对上述问题袁 本文以吉林省松原市某钻井公司厂区内单井闭循环系统为研究对象袁 利用该系统运行3 a 的监测数据袁 基于T2WELL 模拟程序对该单井闭循环系统进行研究袁分别对短期渊供暖期165 d冤及长期渊40 a冤运行条件下系统的产热情况与储层温度变化趋势进行分析袁 并对其采热效率进行评价遥 确定了储层温度恢复在地热系统间歇运行过程中的重要作用袁 以实现提高地热系统产热效率尧延长地热井利用寿命袁为实现地热能可再生能源Renewable Energy Resources第 41 卷 第 9 期2023 年 9 月Vol.41 No
7、.9Sept.2023窑1188窑高效可持续开发提供理论依据遥1区域地质与地热地质条件研究区位于吉林省松原地区袁地处松辽盆地遥本区内新生代较薄袁 第四系和新近系总厚度仅为100 m袁 下部地层依次为上白垩统嫩江组尧 姚家组尧青山口组尧泉头组和登娄库组遥 由地表至深度2 100 m 左右袁岩层主体为泥岩袁含少量砂岩和泥岩互层遥 地层底部为花岗岩基底遥根据测井资料袁 地下深度在2 0003 000 m时袁地温梯度约为42 益/km袁研究区地层平均温度为103 益袁深度在2 700 m 时袁平均温度为106 益渊图1冤遥 且松原地热田属大型沉积盆地型地热田袁分布面积约为6伊104km2袁 盆地平均大
8、地热流为渊70.95依14.4冤 mW/m212袁13遥 由此可见袁松原地区地热能开发潜力巨大遥2数值模型2.1 单井闭循环地热开发系统概念模型单井闭式循环地热开发系统主要包括地下的内套管尧外井管和地上的换热热泵3 部分遥其模型如图2 所示遥该系统基本原理是将冷水注入导热性好的外井管袁 在井管底部通过与岩层充分换热后再从保温性好的内套管中抽出袁进入井口换热泵袁完成提热后的冷水再重新进入外井管袁 将水和热进行转换和循环遥外管筒壁防水且导热性好袁保证与储层接触区域充分换热袁且不会破坏地下水层遥内套筒则采用绝热材料袁 防止外套筒中的冷水与其热对流造成热量损失袁降低地热井效率遥根据实际调查资料袁 本次
9、研究中的地热井深度约为2 300 m袁井底深度处储层温度约为98 益曰外井管半径为88.9mm袁内套管半径为45 mm遥根据松原地区单井闭循环系统实际尺寸建立概念模型遥为便于进行热交换分析袁假设地层为各向同性袁将模型概化为轴对称二维模型遥井筒位于对称轴上袁为了消除底部边界对系统换热的影响袁将储层向下延伸至2 700 m曰为了消除径向边界的影响袁选定井筒外径向225 m 为模型边界遥储层中地表至地下约2 100 m 主体为泥岩袁 其中混有少量砂岩袁2 100 m 以下为花岗岩层遥 随着系统的运行径向热量分布不均匀袁而垂向是均匀变化的袁为了模拟岩层导热过程袁 将网格在径向上进行细化剖分袁从0.1
10、m 依次增大为0.2袁0.5袁1.0袁5.0袁10.0袁20.0袁50.0 m袁径向为19 层袁密度从里到外依次减小袁以确保边间不受热交换影响遥垂直方向均设为30 m袁剖分为90 层袁共1 710 个网格遥2.2 数学模型与模拟程序在地热井运行过程中袁热量传递过程院储层-井筒外包裹水泥层-注水井管-井内流体袁因此数学模型应主要考虑各传热介质间的换热方程遥 为便于换热情况分析袁 假定模型岩性相同且为均质地层袁并忽略传输能量损失袁使得岩石传给井壁的热量等于井壁传给流体的热量遥注入井中流体的流动换热方程如下院坠TR坠t+坠渊vTR冤坠z=SrR+SRS渊1冤其中袁SRS=hR2仔r3渊Ts袁wall
11、-TR冤籽ARCp渊2冤式中院TR为注入井中流体的温度袁K曰t 为时间袁s曰v为井中液体流速袁m/s曰z 为垂向深度袁m曰SrR为采出和注入井之间的热传递袁K/s曰SRS为流体与井壁之间的热传递袁K/s曰hR为内井壁对流换热系数袁W/渊m2窑图 2概念模型Fig.2 Conceptual model出水井注水井热储层注水口抽水口注水口225 m图 1地层岩性及温度随深度变化Fig.1 Variation of formation lithology and temperaturewith depth黏土泥岩油页岩砂岩粉质砂岩花岗岩新生界嫩江组姚家组青山口组泉头组登娄库组基底黏土泥岩尧油页岩泥岩
12、尧油页岩互层泥岩为主尧夹油页岩泥岩与砂岩互层泥岩尧砂岩尧粉质砂岩花岗岩温度/益020 406080 100 1205001000150020002500窑1189窑任昊袁等基于 T2WELL 的单井闭循环地热系统供热性能评价K冤曰r3为内套管内半径袁m曰Ts袁wall为流体接触的井壁温度袁K曰籽 为水的密度袁kg/m3曰AR为注入井流通面积袁m2曰CP为水的比热容袁J/渊kg 窑 K冤遥采出井的流动换热方程为坠Tr坠t+坠渊vTr冤坠z=-SrR渊3冤其中袁SrR=kl渊Tr-TR冤籽ArCp渊4冤式中院Tr为采出井中流体的温度袁K曰kl为单位长度传热量袁W/渊m 窑 K冤曰Ar为采出井流通面
13、积袁m2遥对热换流系数为hr2=0.023姿Re0.8Pr0.4dehr1=0.023姿Re0.8Pr0.32r1渊5冤式中院hr2袁hr1分别为采出井外尧 内壁对流换热系数袁W/渊m2窑 K冤曰姿为对流液体的导热系数袁W/渊m 窑 K冤曰Re 为流体的雷诺数曰Pr 为流体的普朗特数曰de为水力直径袁m曰r1为外套管内半径袁m遥岩石传给井壁的热量等于井壁传给流体的热量袁三者的接触处采用第3 类边界条件给出袁即院hR渊Ts袁wall-TR冤 r=r3=姿w坠Tw坠rr=r4渊6冤TW袁0=Tsur+Tgz渊7冤式中院姿w为岩石的导热系数袁W/渊m 窑 K冤曰TW为岩石温度袁K曰r4为内套管外半径
14、袁m曰r4=r3垣bs袁bs为内套管厚度袁m曰TW袁0为岩石初始温度袁K曰Tsur为地表温度袁K曰Tg为地温梯度袁K/m曰z 为距地面的距离渊井深冤袁m遥2.3 边界条件与初始条件根据地热井的实际结构袁 地热井与岩层之间边界只有热传导袁无地下水流运动袁因此可以忽略横向边界和底部的影响袁 假定模型为恒温定压边界遥 将套管间设为隔水保温边界袁 提高热交换效率遥 模型顶部井口处温度设置为地表温度10 益袁由研究区平均地温梯度袁 经计算设定底部温度为106 益遥 由于井筒顶端与大气相通袁故设定模型顶部压力为1 个标准大气压渊0.101 3 MPa冤袁在井筒内部由于井筒隔水袁 故井筒内部压力完全由注入水
15、产生袁因此底部可按静水压力条件设置袁经计算为26.6 MPa遥2.4 参数的选取与模型的验证图3 为松原地区2018-2019 年和2020-2021年采暖期实测数据曲线遥 选择具有代表性的波动期连续观测数据渊2018-2019 年选取22 d 连续观测数据袁2020-2021 年选取59 d 连续观测数据冤进行模型曲线拟合遥初始参数设置如表1 所示遥两年供暖期连续观测阶段出水温度拟合情况如图4 所示遥 图4渊a冤显示2018-2019 年的模拟曲线和实测曲线拟合程度良好曰图4渊b冤显示地热井图 3供暖期实测温度变化曲线Fig.3 Measured temperature change cur
16、veduring heating period渊a冤2018-2019 年供暖期实测数据曲线注水温度出水温度706050403020100监测时间201812/120191/220192/320193/720194/8渊b冤2020-2021 年供暖期实测数据曲线注水温度出水温度706050403020100监测时间202011/2620211/320212/1020213/20可再生能源2023袁41渊9冤窑1190窑表 1模型数值模拟参数Table 1 Numerical simulation parameters取值0.252.49502 1000.052.89706001.02 300
17、1.5主要参数孔隙度平均热传导系数/W 窑 渊m 窑 K冤-1比热容/J 窑 渊kg 窑 K冤-1层厚/m孔隙度平均热传导系数/W 窑 渊m 窑 K冤-1比热容/J 窑 渊kg 窑 K冤-1层厚/m孔隙度井深/m热传导系数/W 窑 渊m 窑 K冤-1泥岩花岗岩地层参数渊孔隙介质冤井筒参数名称2020-2021 年运行初期模拟水温较实测水温度高袁其余时间段拟合情况良好袁主要是由于运行初期处于适应性运行阶段袁实际注入流量较大袁储层温度较高袁故造成模拟温度偏高遥 综上分析袁本次模拟选定参数合理袁 该模型可以用于采热情况分析及热储层恢复情况模拟遥3模拟方案设计与结果分析3.1 数值模拟方案为了提高地热
18、能开采效率袁延长地热井寿命袁需要探求更加符合可持续发展的开采方案遥 本次研究分别选择了连续供暖和间歇性供暖两种供暖方式袁对两种供暖方式的出水温度尧热功率尧热储恢复情况3 种主要指标进行对比分析袁 综合评价供暖效果遥由于一些特殊情况下渊工厂等非连续性供热场所冤 地热井只需要在每天的固定时间运行袁因此袁 研究该工况下短时间内的采热情况是有必要的遥 地热井的使用年限主要在2030 a14遥 在模型运行过程中发现袁该地热井模拟结果良好袁潜力较大袁因此长期模拟时间应在30 a 基础上进行适当增加遥为了研究地热井开采效率袁 根据当地供暖标准制定模拟方案遥松原地区供暖周期为每年10 月25 日-次年4 月1
19、0 日袁 共165 d袁 供暖面积约为1.0伊104m2遥 根据2018-2019 年袁2020-2021 年两个供暖期运行期间实际注入流量及水温做参考袁选定模拟流量及水温遥本次模拟共设定了短期和长期两种运行条件遥 其中短期运行条件模拟时间选定一个供暖期共165 d袁 间歇运行方案为每天地热井运行12 h用以供暖袁剩余12 h 停运用以储层恢复曰连续运行方案为24 h 不间断运行遥 由于短期模拟时间较短袁因此方案中适当降低了注水温度遥长期运行条件模拟时间为40 a袁 间歇运行方案为每年运行165 d 渊前后统一冤袁 其余时间停运用以热储层恢复曰连续运行方案为不间断运行40 a遥长期模拟时间较长
20、袁 注水温度过低可能无法满足出水温度要求袁因此设置为30 益遥 具体模拟方案见表2遥3.2 模拟结果对比及分析3.2.1 短期运行条件下不同方案结果对比该地热系统短期运行条件下不同方案模拟结果对比情况如图5 所示遥在地热井运行初期袁由于热储层温度较高袁 注入水体与地热井可以进行充分热交换袁出水温度和热功率均较高袁但随着运行时间逐渐变长袁出水温度和热功率均呈下降趋势袁在运行期前40 d 内袁下降速度较快袁随着运行时间不断延长袁下降速率逐渐变缓袁温度和热功率大致处于稳定状态遥其中袁间歇运行方案中无论是出水温度还是热效率均明显高于连续运行方案袁出水温度大约高出连续方案2.1 益袁 热功率大约高出3.
21、21伊105W遥间歇运行方案中袁平均出水温度约渊a冤短期方案出水温度对比间歇运行连续运行60504030时间/d020406080100 120 140 160图 4模型拟合情况Fig.4 Model fitting渊b冤2020-2021 年供暖期拟合情况渊a冤2018-2019 年供暖期拟合情况实测模拟80706050403020100时间/d0510152025实测模拟80706050403020100时间/d0102030405060表 2数值模拟方案对比Table 2 Comparison of numerical simulation schemes注入流量kg/s12121212
22、注入水温益25253030间歇运行连续运行间歇运行连续运行165 d渊一个供暖期冤40 a短期运行长期运行模拟方案模拟时间运行条件任昊袁等基于 T2WELL 的单井闭循环地热系统供热性能评价窑1191窑为37.7 益袁平均热功率约为8.64伊105W遥 在运行期结束后袁 间歇方案运行阶段始末水温变化幅度约为5 益袁连续方案变幅波动约为7 益袁大于间歇方案遥 由此可见间歇运行具有更高的出水温度及热功率遥出现这种现象是由于在间歇条件下袁 地下热储层的温度在地热井停止运行期间可以进行热恢复遥 而连续运行状况使得供暖期内热储层始终处于与注入水进行热交换的过程袁 储层内的热量无法得到及时的恢复袁 自然也
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 T2WELL 单井闭 循环 地热 系统 供热 性能 评价
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。