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地熱單井取熱原理與方法(精) 版權信息
- ISBN：9787030681683
- 條形碼：9787030681683 ; 978-7-03-068168-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
地熱單井取熱原理與方法(精) 內容簡介
地熱單井取熱主要聚焦于“取熱不取水”的地熱開采新方法。本書系統介紹了地熱單井取熱系列方法的取熱原理、參數影響規律、現場應用等方面的理論基礎與近期新研究成果。全書共7章，分別介紹地熱單井取熱方法、單井井下換熱器參數優化與結構設計、單井同軸套管閉式循環取熱機理與參數、單井同軸套管開式循環取熱機理與參數、多分支井自循環地熱系統取熱原理與參數、多分支井閉式循環地熱系統產能預測與參數、單井取熱方法室內實驗等內容。 本書可供從事地熱鉆采技術研究的科研人員、高等院校相關專業的師生，以及地礦、能源等產業的工程技術人員閱讀參考。
地熱單井取熱原理與方法(精) 目錄
目錄
前言
第1章 地熱單井取熱方法 1
1.1 概述 1
1.2 單井井下換熱器地熱系統 2
1.3 單井同軸套管閉式循環地熱系統 3
1.4 單井同軸套管開式循環地熱系統 4
1.5 多分支井自循環地熱系統 4
1.6 多分支井閉式循環地熱系統 6
1.7 中心保溫管技術 7
第2章 單井井下換熱器參數優化與結構設計 10
2.1 流動傳熱模型建立 10
2.1.1 換熱器流動傳熱模型 10
2.1.2 儲層流體流動模型 12
2.1.3 井筒和儲層傳熱模型 13
2.1.4 邊界條件設置 13
2.1.5 有限元網格劃分 14
2.2 取熱原理分析 15
2.2.1 溫度場分布特征 15
2.2.2 流場分布特征 17
2.2.3 出口溫度變化規律 18
2.3 取熱效果影響參數研究 19
2.3.1 儲層孔隙度影響規律 19
2.3.2 導熱系數影響規律 20
2.3.3 地層水流速影響規律 21
2.3.4 地層水流動方向影響規律 21
2.4 換熱器結構優化設計 22
2.4.1 換熱器結構 22
2.4.2 并聯換熱器取熱特征 24
2.4.3 串聯換熱器取熱特征 26
2.4.4 螺旋管換熱器取熱特征 29
2.4.5 不同結構換熱器取熱效果對比 31
2.5 取熱工質優選 32
2.5.1 取熱工質介紹 32
2.5.2 單 U形管取熱效果對比 33
2.5.3 雙 U形管取熱效果對比 34
2.5.4 螺旋管取熱效果對比 35
第3章 單井同軸套管閉式循環取熱機理與參數 38
3.1 井筒與儲層流動傳熱模型 38
3.1.1 井筒流動傳熱方程 38
3.1.2 儲層流動傳熱方程 39
3.2 流場與溫度場分布規律 39
3.3 運行參數對取熱效果影響研究 42
3.3.1 地層水流速 42
3.3.2 工質排量 43
3.3.3 入口溫度 44
3.3.4 固井水泥導熱系數 44
3.3.5 地層導熱系數 45
3.3.6 取熱工質種類 46
3.4 高導熱水泥技術 47
3.4.1 實驗材料與實驗方法 47
3.4.2 抗壓強度評價 50
3.4.3 導熱系數評價 51
3.5 單井同軸套管閉式循環取熱現場試驗研究 61
3.5.1 試驗井概況 61
3.5.2 試驗設備 62
3.5.3 現場試驗程序 63
3.5.4 試驗結果與分析 66
第4章 單井同軸套管開式循環取熱機理與參數 69
4.1 流動傳熱模型建立 69
4.1.1 模型假設 69
4.1.2 流動傳熱模型 69
4.1.3 初始和邊界條件 70
4.1.4 模型設置與網格劃分 70
4.2 儲層溫度場特征分析 72
4.3 工藝參數對取熱效果影響研究 73
4.3.1 排量影響規律 73
4.3.2 入口溫度影響規律 75
4.3.3 注采間距影響規律 76
4.4 儲層物性對取熱效果影響研究 77
4.4.1 孔隙度影響規律 77
4.4.2 滲透率影響規律 78
第5章 多分支井自循環地熱系統取熱原理與參數 80
5.1 地熱儲層和井筒耦合流動傳熱模型 80
5.1.1 模型假設 80
5.1.2 二氧化碳物性模型 81
5.1.3 地熱儲層的熱流固耦合模型 82
5.1.4 儲層和井筒耦合流動傳熱模型 86
5.1.5 幾何模型與網格劃分 89
5.1.6 隨機離散裂縫網絡 92
5.1.7 邊界條件設置 93
5.2 取熱機理分析 93
5.2.1 取熱效果評價參數 93
5.2.2 儲層熱流固耦合特性 94
5.2.3 巖石變形對取熱的影響 101
5.3 二氧化碳井筒流動傳熱規律 103
5.3.1 二氧化碳井筒溫度和壓力分布規律 104
5.3.2 保溫段長度影響規律 108
5.3.3 井筒尺寸影響規律 110
5.3.4 井筒深度影響規律 115
5.4 二氧化碳與水取熱效果對比 116
5.4.1 二氧化碳與水物性對比 117
5.4.2 二氧化碳與水取熱效果對比 119
5.5 多分支井與垂直對井取熱對比 127
5.6 參數影響規律研究 130
5.6.1 儲層物性參數 130
5.6.2 分支井結構參數 134
5.6.3 注采參數 139
5.6.4 裂縫特征參數 142
第6章 多分支井閉式循環地熱系統產能預測與參數 158
6.1 地熱系統產能預測模型 158
6.1.1 模型假設 158
6.1.2 井筒流動傳熱數學模型 158
6.1.3 幾何模型 159
6.1.4 初始和邊界條件 160
6.2 分支井筒和地層溫度場分布特征 161
6.3 工藝參數對取熱效果的影響 162
6.3.1 注入排量影響規律 162
6.3.2 保溫管導熱系數影響規律 165
6.4 井筒結構參數對取熱效果的影響 166
6.4.1 分支井數量影響規律 166
6.4.2 分支井眼尺寸影響規律 167
第7章 單井取熱方法室內實驗 169
7.1 地熱多功能流動傳熱系統研制 169
7.1.1 實驗系統設計思路 169
7.1.2 實驗系統模塊與組成 169
7.2 多分支井自循環取熱特征實驗研究 173
7.2.1 實驗方案與實驗流程 174
7.2.2 生產參數影響規律實驗研究 176
7.2.3 分支井結構參數影響規律實驗研究 179
7.3 多分支井與單井同軸套管開式循環地熱系統取熱對比 181
參考文獻 184
前言
第1章 地熱單井取熱方法 1
1.1 概述 1
1.2 單井井下換熱器地熱系統 2
1.3 單井同軸套管閉式循環地熱系統 3
1.4 單井同軸套管開式循環地熱系統 4
1.5 多分支井自循環地熱系統 4
1.6 多分支井閉式循環地熱系統 6
1.7 中心保溫管技術 7
第2章 單井井下換熱器參數優化與結構設計 10
2.1 流動傳熱模型建立 10
2.1.1 換熱器流動傳熱模型 10
2.1.2 儲層流體流動模型 12
2.1.3 井筒和儲層傳熱模型 13
2.1.4 邊界條件設置 13
2.1.5 有限元網格劃分 14
2.2 取熱原理分析 15
2.2.1 溫度場分布特征 15
2.2.2 流場分布特征 17
2.2.3 出口溫度變化規律 18
2.3 取熱效果影響參數研究 19
2.3.1 儲層孔隙度影響規律 19
2.3.2 導熱系數影響規律 20
2.3.3 地層水流速影響規律 21
2.3.4 地層水流動方向影響規律 21
2.4 換熱器結構優化設計 22
2.4.1 換熱器結構 22
2.4.2 并聯換熱器取熱特征 24
2.4.3 串聯換熱器取熱特征 26
2.4.4 螺旋管換熱器取熱特征 29
2.4.5 不同結構換熱器取熱效果對比 31
2.5 取熱工質優選 32
2.5.1 取熱工質介紹 32
2.5.2 單 U形管取熱效果對比 33
2.5.3 雙 U形管取熱效果對比 34
2.5.4 螺旋管取熱效果對比 35
第3章 單井同軸套管閉式循環取熱機理與參數 38
3.1 井筒與儲層流動傳熱模型 38
3.1.1 井筒流動傳熱方程 38
3.1.2 儲層流動傳熱方程 39
3.2 流場與溫度場分布規律 39
3.3 運行參數對取熱效果影響研究 42
3.3.1 地層水流速 42
3.3.2 工質排量 43
3.3.3 入口溫度 44
3.3.4 固井水泥導熱系數 44
3.3.5 地層導熱系數 45
3.3.6 取熱工質種類 46
3.4 高導熱水泥技術 47
3.4.1 實驗材料與實驗方法 47
3.4.2 抗壓強度評價 50
3.4.3 導熱系數評價 51
3.5 單井同軸套管閉式循環取熱現場試驗研究 61
3.5.1 試驗井概況 61
3.5.2 試驗設備 62
3.5.3 現場試驗程序 63
3.5.4 試驗結果與分析 66
第4章 單井同軸套管開式循環取熱機理與參數 69
4.1 流動傳熱模型建立 69
4.1.1 模型假設 69
4.1.2 流動傳熱模型 69
4.1.3 初始和邊界條件 70
4.1.4 模型設置與網格劃分 70
4.2 儲層溫度場特征分析 72
4.3 工藝參數對取熱效果影響研究 73
4.3.1 排量影響規律 73
4.3.2 入口溫度影響規律 75
4.3.3 注采間距影響規律 76
4.4 儲層物性對取熱效果影響研究 77
4.4.1 孔隙度影響規律 77
4.4.2 滲透率影響規律 78
第5章 多分支井自循環地熱系統取熱原理與參數 80
5.1 地熱儲層和井筒耦合流動傳熱模型 80
5.1.1 模型假設 80
5.1.2 二氧化碳物性模型 81
5.1.3 地熱儲層的熱流固耦合模型 82
5.1.4 儲層和井筒耦合流動傳熱模型 86
5.1.5 幾何模型與網格劃分 89
5.1.6 隨機離散裂縫網絡 92
5.1.7 邊界條件設置 93
5.2 取熱機理分析 93
5.2.1 取熱效果評價參數 93
5.2.2 儲層熱流固耦合特性 94
5.2.3 巖石變形對取熱的影響 101
5.3 二氧化碳井筒流動傳熱規律 103
5.3.1 二氧化碳井筒溫度和壓力分布規律 104
5.3.2 保溫段長度影響規律 108
5.3.3 井筒尺寸影響規律 110
5.3.4 井筒深度影響規律 115
5.4 二氧化碳與水取熱效果對比 116
5.4.1 二氧化碳與水物性對比 117
5.4.2 二氧化碳與水取熱效果對比 119
5.5 多分支井與垂直對井取熱對比 127
5.6 參數影響規律研究 130
5.6.1 儲層物性參數 130
5.6.2 分支井結構參數 134
5.6.3 注采參數 139
5.6.4 裂縫特征參數 142
第6章 多分支井閉式循環地熱系統產能預測與參數 158
6.1 地熱系統產能預測模型 158
6.1.1 模型假設 158
6.1.2 井筒流動傳熱數學模型 158
6.1.3 幾何模型 159
6.1.4 初始和邊界條件 160
6.2 分支井筒和地層溫度場分布特征 161
6.3 工藝參數對取熱效果的影響 162
6.3.1 注入排量影響規律 162
6.3.2 保溫管導熱系數影響規律 165
6.4 井筒結構參數對取熱效果的影響 166
6.4.1 分支井數量影響規律 166
6.4.2 分支井眼尺寸影響規律 167
第7章 單井取熱方法室內實驗 169
7.1 地熱多功能流動傳熱系統研制 169
7.1.1 實驗系統設計思路 169
7.1.2 實驗系統模塊與組成 169
7.2 多分支井自循環取熱特征實驗研究 173
7.2.1 實驗方案與實驗流程 174
7.2.2 生產參數影響規律實驗研究 176
7.2.3 分支井結構參數影響規律實驗研究 179
7.3 多分支井與單井同軸套管開式循環地熱系統取熱對比 181
參考文獻 184
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地熱單井取熱原理與方法(精) 節選
第1章地熱單井取熱方法 隨著經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，人們對能源的需求量日益增大，特別是以煤炭、石油和天然氣等化石能源為主的能源消費急劇上升。而化石能源不僅不可再生，其燃燒排放的二氧化碳等溫室氣體還會導致全球氣候變暖，造成嚴重的環境污染問題，威脅人類社會的可持續發展。因此，大力發展清潔可再生能源已成為世界各國的能源策略。地熱能作為一種清潔環保的可再生能源，具有優化能源結構、節能減排和改善環境的重要作用，并且與太陽能、風能、水能等可再生能源相比，地熱能基本不受地理位置、氣候和季節的影響，具有分布廣、儲量大、產量穩定和有效工作時間長等優勢。 世界地熱資源儲量豐富，根據世界能源委員會（World Energy Council， WEC）的數據，全球存儲在 5km地殼以內的地熱能大約有1.4×108EJ，約為4.9×1015tce①，遠遠超過全球每年約500EJ的能源消耗量。我國也擁有巨大的地熱資源量，其中水熱型地熱資源量折合1.25×1012tce，每年可采量折合1.865×109tce，相當于我國2015年煤炭消耗總量的50%[2]。我國主要沉積盆地的地熱資源可開采量折合1.8× 1011tce，每年開發利用可替代折合9.05×107tce，可減少二氧化碳排放3.60×108t，減少煤灰渣排放1.513×107t，減少懸浮粉塵1.21×106t[3]。因此，促進地熱資源開發利用對節能減排、緩解我國霧霾天氣具有重要作用，對改善我國能源戰略布局、培育新興產業和促進生態文明建設等具有重大政治、經濟意義[4-7]。 1.1概述 直接采水取熱是目前*高效的一種地熱開發方式，該方式至少包括一口開采井，以及一口用于回灌地熱尾水的注入井。目前，灰巖等巖溶性地熱儲層的回灌技術較為成熟。2017年我國發布的《地熱能開發利用“十三五”規劃》中強調，在“取熱不取水”的指導原則下積極推進水熱型地熱供暖。“取熱不取水”即地熱井筒與熱儲之間僅有熱量交換，沒有或者僅有少量取熱工質交換，這種無干擾的地熱開發方式，有望降低回灌成本，緩解傳統地熱開發造成的地面沉降、水質污染、采灌不均衡等問題，具有普適性、綠色環保、壽命長等優點。 另外，在地熱系統的建造中，鉆完井成本占比較大，有時占比甚至會超過總成本的50%[8]。因此，若采用傳統的注采地熱系統，其注采井眼數量較多，將導致投資成本大幅度攀升，顯著延長地熱開發的投資回收期，制約其商業應用。 針對上述地熱系統目前存在的地熱尾水回灌難、鉆完井成本高的難題，筆者基于“取熱不取水”的思路，提出了一系列地熱單井取熱方法，并對其取熱原理開展了深入研究。單井取熱方法主要包括單井同軸套管閉式循環地熱系統和單井同軸套管開式循環地熱系統。前者與儲層之間只有熱量交換，實現了真正意義上地熱開發的“取熱不取水”；而后者與儲層之間不僅有熱量交換，還存在取熱工質交換，可以實現注采均衡。 本書的單井取熱方法包括單井井下換熱器地熱系統、單井同軸套管閉式循環地熱系統、單井同軸套管開式循環地熱系統、多分支井自循環地熱系統和多分支井閉式循環地熱系統。詳細介紹了每一種地熱系統的結構與開采流程，采用理論分析、數值模擬和室內實驗的方法，針對每一種單井地熱系統的取熱原理、參數影響規律和結構優化等問題開展了深入研究。 1.2單井井下換熱器地熱系統 單井井下換熱器地熱系統是一種閉式循環系統，主要依靠井底地層水的自然對流進行換熱，無需將地層水抽出，不存在地熱尾水回灌困難的問題。因此不存在地層水過度開采而導致地層下陷等現象，是一種環保、高效的“取熱不取水”的新方法。 單井井下換熱器地熱系統取熱示意圖如圖 1.1所示。地熱井底采用開式完井方式，井筒內充滿了高溫地熱流體，將換熱器安裝在井底，即浸泡在井底的高溫地熱流體中。低溫取熱工質從地表注入換熱器中，通過換熱器壁面從井底的高溫地熱流體中取熱，被加熱后的高溫取熱工質再通過換熱器回到地面用于供暖等。如果井口采出的地熱流體的溫度已達到供暖需求，則可以直接注入各戶進行供暖；如果采出的地熱流體的溫度沒有達到直接供暖需求，則需要將采出的流體通過熱泵升溫，達到標準后再注入各戶進行供暖。 單井井下換熱器地熱系統的取熱過程使井筒內的地層水溫度降低，密度增大，從井筒套管的下開口處流出套管；套管和井壁之間的地層水溫度較高，密度減小，向上從套管上部流入套管內，形成連續不斷的地熱流體交換，補充套管內被換熱器采出的熱量，使井下換熱器能夠源源不斷地從井內流體中取熱，保持熱輸出的穩定性。井壁周圍的地熱儲層屬于多孔介質區域，如果地層中存在原始水頭梯度，地層中的熱水會沿著水頭梯度降低的方向以一定的速度強制流動，使地熱流體與儲層巖石產生強制對流換熱。此外，在換熱工質和地熱儲層的溫度差驅動下，熱儲與換熱器間會發生熱傳導作用。因此，單井井下換熱器地熱系統取熱原理復雜，包括自然對流、強制對流和熱傳導三種方式。 1.3單井同軸套管閉式循環地熱系統 單井同軸套管閉式循環地熱系統是一種典型的“取熱不取水”地熱開采系統，由鉆入地熱儲層中的直井及井筒中呈同軸位置關系的中心保溫管組成，系統的取熱過程如圖1.2所示。在此系統中，將取熱工質從地面通過高壓泵注入環空，由于溫度差異，環空中的取熱工質通過熱對流和熱傳導從井壁提取熱量，然后通過中心管返回地面，流經換熱器被利用。取熱工質在井筒內產生強制對流換熱；環空和地層之間由套管和水泥分隔，并在其內部發生熱傳導。除此之外，在取熱工質與周圍地層的溫差驅動下，井筒與儲層之間的熱對流和熱傳導可以彌補井筒周圍的熱損耗，而且地層水的流動可以加快傳熱過程。 1.4單井同軸套管開式循環地熱系統 單井同軸套管開式循環地熱系統主要利用一口直井完成流體采出和回灌，然后通過流體與巖石的直接接觸，增強系統換熱，適用于裂縫性水熱儲層開發。該系統取熱原理如圖1.3所示。首先鉆一口直井到目的層位，下套管固井，在井筒上部和下部分別射孔，形成注水段和采水段。然后安裝保溫管，下入封隔器將注水段和采水段進行封隔。之后循環流體由高壓泵進入井筒，從注入段進入儲層，在地熱儲層中進行充分換熱，再從采水段進入井內，由保溫管返回地面進行供暖或發電利用。地熱儲層是單井同軸套管開式循環地熱系統主要流動傳熱區域，涉及達西滲流、熱傳導、熱對流等復雜過程。 1.5多分支井自循環地熱系統 傳統對井增強型地熱系統（enhanced geothermal system， EGS）需要完鉆兩口井用于取熱工質的注入與開采，其垂直對井或定向對井與儲層的接觸面積小，溝通裂縫數量有限，因此注、采井間連通效果差。針對上述問題，提出了多分支井自循環地熱系統開發高溫地熱資源的新方法，其原理如圖1.4所示。該方法利用多分支徑向水平井技術在主井眼上沿一個或多個層位側鉆若干分支井眼，從而擴大井眼與儲層的接觸面積，增加井眼與裂縫連通的可能性，改善系統的注入能力與生產能力；相比于傳統對井增強型地熱系統，該方法可實現注采同井，減少鉆井數量，降低EGS建造成本，有望實現高溫地熱資源經濟高效開發。 多分支井自循環地熱系統的具體實施過程：鉆進主井眼至高溫地熱儲層段，在上部高溫巖體中由主井眼側鉆注入分支井眼，下部巖體中側鉆生產分支井眼，隨后利用水力壓裂、熱應力、化學或爆炸壓裂方法在高溫巖體中改造儲層；在主井眼內下入中心保溫管，利用耐高溫高壓封隔器封隔中心保溫管與井筒環空；由環空注入低溫換熱工質，工質從上層注入分支井眼進入高溫地熱儲層，與高溫巖體充分換熱后流入下層生產分支井眼，經中心保溫管采出至地面進行發電等使用。中心保溫管結構如圖1.4（b）所示，為三層結構，包括內管、保溫層和外管。 1.6多分支井閉式循環地熱系統 新型多分支井閉式循環地熱系統屬于閉式循環系統，與單井同軸套管閉式循環地熱系統相比，通過分支井筒顯著增加換熱長度和換熱時間，從而可以大幅度提高系統取熱能力。該系統取熱原理如圖1.5所示。鉆主井筒至目標儲層，然后從主井筒側鉆多個分支井筒，下套管固井。在主井筒和分支井筒中安裝中心保溫管。然后由環空注入工質，通過套管壁從高溫儲層中提取熱量，*后從中心保溫管返回地面進行地熱利用。多分支井閉式循環地熱系統井內傳熱過程主要涉及工質內的熱傳導和熱對流，工質與管壁之間的對流換熱，中心保溫管、套管、水泥環內的熱傳導。井外地層內的傳熱過程主要考慮熱傳導。
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