地热井筒-热储耦合传热研究

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地热能是一种清洁低碳、储量丰富、且稳定可靠的可再生能源,也是可再生能源中唯一以热能形式存在的能源。充分发挥地热能的优势,保证地热资源的高效利用和可持续开发,对于我国普及地热能开发利用、降低化石燃料占比、缓解北方地区的空气污染有重要意义。地热热储模拟对于地热资源的可持续开发有重要作用。一方面,热储模拟可以预测地热资源现有开发状态下的未来变化,如未来几十年甚至上百年热储层的热力学参数变化;另一方面,对于待开发利用的地热资源,地热热储模拟可以优化开发方案,包括规划合理的井位布局、开采量、回灌模式、井间距等,有利于地热资源的可持续利用。以往地热热储模拟大多将地热井作为源项,忽略了地热流体自井底至井口流动过程中与周围地层的换热过程。但实际上,由于井筒中地热流体与周围地层之间存在温差,流体与地层间会发生热交换,且地热流体一般从几千米深的热储层抽取至地面或回灌至地下,沿程与井筒的换热面积大,必定会有热损失,导致井筒周围热储层的热力学状态与远端热储存在差别,以往研究大多未考虑这部分换热,在一定程度上影响了模拟结果的准确性。因此,本文针对雄安新区岩溶型地热热储,建立了地热井筒—热储耦合传热过程的数值模型,在模型验证正确性的基础上,对地热流体自井底—井口—利用—回灌的整个流动过程进行了数值模拟,主要结论如下:(1)地热储层内换热强度随达西数Da、瑞利数Ra和孔隙率ε的增大而增大,且Ra数影响最大,Da数次之,孔隙率ε影响最小。当Da数小于0.002时,Da数对储层内换热影响较大,而当Da数大于0.01时影响不明显;(2)分析了不同参数:流量、地温梯度、抽水温度对地层温度分布的影响。分析了不同回灌温度对地层的影响,结果表明:回灌温度对地层温度的影响在一定影响半径内,回灌水温越低,流体沿程温度变化率越大,但最后趋于稳定;(3)结合动态采暖负荷的某建筑实例,分析了变温回灌对热储层温度场的影响,并与恒温回灌结果进行了对比,得到了不同回灌水温度下,热影响半径随井深的变化规律。
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