【摘 要】
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开发绿色清洁能源、助力“双碳目标”是目前调整能源结构的重要举措和目标,地热能作为一种储量丰富、稳定、分布广泛的清洁能源,逐渐引起人们的重视。科学准确的评估换热效率是高效开发地热能的前提,部分学者对地热地埋管换热性能进行了研究,但是在中深层地热地埋管换热分析过程中,针对地层热物性的分层研究较少。因此,本文依托天地科技重点项目“基于定向井的中深层地热开发利用关键技术研究与试验工程”（2018TDZD0
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开发绿色清洁能源、助力“双碳目标”是目前调整能源结构的重要举措和目标,地热能作为一种储量丰富、稳定、分布广泛的清洁能源,逐渐引起人们的重视。科学准确的评估换热效率是高效开发地热能的前提,部分学者对地热地埋管换热性能进行了研究,但是在中深层地热地埋管换热分析过程中,针对地层热物性的分层研究较少。因此,本文依托天地科技重点项目“基于定向井的中深层地热开发利用关键技术研究与试验工程”（2018TDZD017）和陕西省重点研发计划项目“关中盆地中深层地埋管换热可持续开发关键技术研究与示范”（2021ZDLSF05-12）,针对中深层地热地埋管分层换热特性的问题,采用室内试验、数值模拟相结合的方法,取得以下成果:（1）利用X射线衍射、导热系数测试等手段对砂岩、泥岩两种岩样进行测试,获取岩石矿物组分、孔隙度与导热系数。采用并联模型结合矿物组分与孔隙度分别对砂岩和泥岩的导热系数进行拟合计算。通过地球物理测井将关中地区地层按砂岩、泥岩两种岩性进行分层,并对其导热系数进行分层计算;利用分布式光纤测温设备获取地层温度随深度的变化,获得地层分层热物性参数。（2）分析换热器换热过程,将流体换热简化为一维问题,固体热传导简化为二维问题,依据所依托项目的地热井参数以及地层分层热物性参数,建立了二维轴对称分层换热模型,采用COMSOL数值软件进行求解。以最大取热量间歇运行5 d工况进行现场试验,通过实测出水温度数据对模型进行验证。对比分析了分层与均质两种模型在间歇运行5 d时内外管水温及连续运行一个采暖季（120 d）时地温场分布两方面存在较为明显的差异。（3）基于建立的分层换热模型,对内管导热系数、循环水流量、固井材料导热系数等因素对换热器换热性能的影响进行了单因素分析;通过正交实验的方法进行多因素的综合分析,其中换热器结构方面选择井深、外管直径两个因素,运行工况方面选取入水温度、循环水流量两个因素,形成4因素3水平的正交试验表进行模拟,比较了各因素的重要程度,并优选因素组合。本文基于关中地区的地层特点提出了地层参数的分层方法,建立了中深层地热地埋管分层换热模型,分析了均质与分层两种模型的差异性,并对其换热影响因素进行了分析,可为中深层地热能开发实际工程提供一定的参考借鉴。
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