利用弃井开采中深层地热能名义取热量的模拟

2019-08-30满意姜国心杜甜甜方亮方肇洪

山东建筑大学学报 2019年4期

满意，姜国心，杜甜甜，方亮，方肇洪

(1.山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101；2.济南有方新能源科技有限公司，山东济南250101)

0 引言

随着全球能源短缺问题的加剧，对绿色能源的开发利用迫在眉睫。地热能作为可再生能源，得到了越来越多的利用。地埋管地源热泵系统具有节能减排的显著优点，但在实际应用中也遇到了一些技术上的限制，如(1)地埋管换热器需要占用一定的场地；(2)浅层地埋管换热器对于空调系统全年的冷热负荷平衡有较高的要求，因此限制了其在严寒地区的应用[1]。由于中深层地热资源丰富，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，开发潜力巨大，因此得到了广泛利用。中深层地热能主要指地下200～3 000 m的地层中蕴含的热能资源[2]，充分利用可以有效缓解目前的能源短缺和环境污染问题。深井钻孔埋管换热器的地源热泵系统作为近几年新兴的地热能利用形式，其钻孔深度一般为1 500～2 500 m，将同轴闭式换热器埋于孔中，通过管路与地面换热设备相连接，形成闭式循环系统。与常规地热能利用形式相比，其具有只取热不取水、无回灌问题、建设周期短、适用范围广、单孔换热能力强、打井占地面积小、运行成本低等优势，因此有广阔的发展前景[3-5]。但深井钻孔埋管换热器也存在打井难度大、造价高等问题。

随着连续生产，许多石油储层耗尽，油井废弃。目前，全球范围内已经有约20.3亿个废弃井，如果将废弃的油气井稍加改造，作为地热系统加以利用，不仅可以降低钻井成本，而且还可以产生大量的热能[6]。卜宪标等[7-9]对于应用废弃油气井改造成同轴换热器获得中深层地热能进行了研究，发现循环流体的流量和地温梯度是影响换热量的2个最主要因素。梁昌文等[10]研究以废弃油井作为注入井和采出井，以高温溶腔作为主要热储的换热系统，建立注入井和采出井的二维换热模型，研究结果表明:影响工质出口温度最重要的因素为入口温度、地温梯度和质量流量，在实际开采过程中应重点考虑。董秋生等[11]结合塘沽地区地热地质资料和油井井身结构，探索将废弃的石油井改造为地热井，并通过T38-1、T38-2井成功改造实例证明其可行性。Caulk等[12]研究了加利福尼亚州废弃井改造成热干岩型地热埋管换热器的适用性，研究表明:出口流体温度＞40℃可以在温度梯度＞7℃/100 m的地区的1 000 m深井中实现，尽管在低流量下生产温度高，但COP在中等流量(4.4 L/s)和深度(5 000 m)下较大。目前在深度BHE中使用0.8～6.0 L/s的流量，用于整个欧洲各个建筑物的区域供热。Kiaghadi等[13]将即将关闭的油气井作为地热井进行改造，通过热能输送的淡水闭环系统来克服钻井成本和结垢形成，传热建模与水处理热力学相结合的方式研究表明:4 000 m深的地热梯度为0.05℃/m的井可成功处理高达170 000 mg/L溶解固体总量的采出水，并且每天仍可提供近600 000 L清水；Røksland等[14]通过在废弃的石油井中改造双管换热器来研究从地表下提取热量的潜在量，工作流体通过环空向下循环，再向上通过内部绝缘的地质柱，使用数值模拟器，获得关于影响循环工作流体的出口温度和从地热井中提取的累积热量的参数。

为了探讨弃井开采中深层地热能时的取热效率，文章针对取热改造后的弃井的物理特点，建立了弃井换热器的数学物理模型，通过数值模拟计算，分析了弃井改造中的多个参数对弃井换热器名义取热量的影响。

1 利用弃井开采中深层地热能的换热模型建立及参数设置

1.1 弃井改造及模型建立

弃井是指经过若干年的采油生产后，已无开采价值的油井[15]。其井身结构完整，主要由导管、表层套管、技术套管、油层套管和各层套管外的水泥环等组成。取热模型改造简单，只需要将井底封死，下入中心套管即可，既不存在堵塞、腐蚀等问题，也不存在回灌难的问题。

弃井换热器热泵系统结构如图1所示，外管作为注入管，中心管作为采出管。水从注入管流入，到达井底后反向由采出管流出，流体通过注入管的外壁与岩石换热，热水作为热泵的低位热源和热泵换热，通过热泵提升的高位热量通过水泵供给用户侧使用。忽略地下水流动的影响，根据同轴埋管换热器的几何特征，依据有限差分法建立的弃井换热器的高效模拟模型的计算网格划分[16]如图2所示。

图1 弃井换热器热泵系统结构示意图

图2 有限差分法模拟模型的计算网格划分图

1.2 参数设置

1.2.1 名义取热量的定义

弃井换热器的取热性能同时受到换热器的物理特性和取热工况的影响，难以量化某一特定钻孔的取热量。为了便于对弃井换热器进行参数分析和工程设计，采用名义取热量衡量弃井换热器的取热性能。名义取热量定义为下述特定工况下，弃井换热器可以提供的最大取热量[1]:

(1)取热量在90 d内是恒定的；

(2)中深层地埋管换热器系统的进口水温在取热期间应≥5℃；

(3)岩土中的初始温度分布确定，且取热开始时岩土层未受来自弃井换热器的扰动。

1.2.2 土壤物性参数设置

由于弃井换热器的钻孔较深，一般会穿越若干个物性不同的土层。将换热器所埋土壤分成了4层导热系数不同且深度均为500 m的土层。各土层的物性参数及竖向分布见表1。

表1 各土层物性参数及竖向分布表

1.2.3 其他参数设置

弃井换热器中的循环介质为水，地表对流换热系数为15 W/(m2·K)，大地热流为0.035 W/m2，当地大气平均温度为12.5℃。

1.2.4 名义取热量的计算

根据弃井改造的数值模型，利用Fortran语言编译出相应的计算机程序，只需输入换热器的几何尺寸、计算区域和离散化设置、几何尺寸、循环水流量以及相应的地质参数，通过设计计算和模拟计算，即可获得该条件下的名义取热量。

2 中深层地热能名义取热量的模拟与分析

2.1 水流量与钻孔深度对名义取热量的影响

在外管外径为244.5 mm、内管外径为110 mm、外管的导热系数为60.5 W/(m·K)、内管的导热系数为0.41 W/(m·K)的条件下，计算合适的流量及名义取热量。

(1)取弃井换热器深度为2 000 m时，通过改变水流量得到的名义取热量的变化如图3所示。换热器的名义取热量随着流量的增大而增大，在水流量为5 kg/s处出现拐点，之后增长速率明显放缓，当水流量达到18 kg/s时，名义取热量基本不再增加。这是因为当流量不大时，换热器内的对流换热系数会随着流量的增大而增大，名义取热量会明显增加；但当流量达到一定程度时，换热器的进、出口的温差减小，与增大的对流换热系数带来的效果基本抵消，导致名义取热量增速变平缓。考虑到随着水流量的增加，泵的耗能随之增加，因此，流量不宜过大，取5 kg/s较为合适。

图3 名义取热量随循环水流量的变化图

(2)取水流量为5 kg/s时，通过改变钻孔深度得到的名义取热量的变化如图4所示。换热器的名义取热量随着钻孔深度的增加呈明显上升趋势，但并非线性变化，因为随着深度的增加，地温温度升高，水通过管壁与岩土层的换热量增加，所以名义取热量增大。

图4 名义取热量随钻孔深度的变化图

2.2 外管管径与导热系数对名义取热量的影响

在钻孔深度为 2 000 m，循环水流量为5 kg/s，内管外径为110 mm，内管的导热系数为0.41 W/(m·K)的条件下，计算名义取热量。

(1)取外管导热系数为60.5 W/(m·K)时，通过改变外管管径得到的名义取热量的变化如图5所示。换热器的名义取热量随着外管管径的增大而增大。由于外管管径增加，增大了管内流体与管壁的换热面积，提高了换热器的名义取热量。

图5 名义取热量随外管管径的变化图

(2)取外管外径为244.5 mm时，通过改变外管导热系数得到的名义取热量的变化如图6所示。换热器的名义取热量随着外管导热系数的增大而增大，但当导热系数增大到一定程度时，名义取热量趋于定值。导热系数增大，相当于导热热阻减小，加强了水与岩土层的换热，但大地的导热能力是一定的，所以名义取热量不会一直增大。

图6 名义取热量随外管导热系数的变化图

2.3 中心管的选择

2.3.1 中心管管径与导热系数对名义取热量的影响

在钻孔深度为2 000 m、循环水流量为5 kg/s、外管外径为 244.5 mm、外管的导热系数为60.5 W/(m·K)的条件下，分别改变中心管的导热系数与管径，得到名义取热量的变化如图7所示。换热器的名义取热量随着中心管导热系数和管径的增加而减小。中心管导热系数增加，减小了中心管的热阻，使中心管水和外管水之间出现了“热短路”现象，即由于从井底通过中心管返出水的温度较高，而管口外管进水温度较低，出现了中心管水向外管水传热的现象，导致了中心管向外管的热回流，造成换热器的名义取热量减小。因此，中心管材料的导热系数越小越好。

图7 名义取热量随中心管导热系数与管径的变化图

2.3.2 中心管材料的选择

聚乙烯管的导热系数约为0.41 W/(m·K)，聚丙烯管的导热系数约为0.24 W/(m·K)，聚氯乙烯管的导热系数约为0.14～0.28 W/(m·K)，在2.3.1的条件下，取中心管外径为110 mm，几种材料作为中心管分别对应的名义取热量见表2。

表2 不同中心管材料对应的名义取热量表

由表2可知，采用聚乙烯管作为中心材料，其对应的名义取热量最小，聚丙烯管居中，但三者的名义取热量相差不大。聚乙烯管和聚丙烯管比水轻，需要加重量来平衡，而聚氯乙烯管比水重，需要借助外力提起，防止其落底堵死水在管中的流动。所以在选取中心管材料时，除了要考虑换热器获得的名义取热量，还要考虑基于热性能、浮力、结构强度、经济以及运输和安装等方面的因素，综合选取。必要时可以在现有中心管材料的外层涂敷一层保温材料。