地热钻井井型选择及参数优化设计

朱挺 王聪

摘要：目前国内地热开采主要以浅层地源热泵系统和较深的水热型地热井系统为主，这两种方式都有各自的弊端。因此，人们开始把目光转向中深层地热能的开发上，与其它清洁能源相比，干热岩能够实现稳定、可靠且安全的能源供应。目前国内外干热岩开发的井型多为开环系统，即地面流体通过注入井要进入热储层，并不是上文中提到的无干扰供热技术，使用闭环地热井开发干热岩的试验较少，因此本文拟在系统的调研开环地热井型的基础上，对每种地热井型的特点分析研究，对三种具有代表性的闭环地热井型的换热能力进行模拟计算，并对影响其换热能力和出口水温的井眼尺寸、水平段井筒长度、注入流体的流速、地温梯度等相关参数进行优化设计，为无干扰地热供热技术井型选择提供井型参考，给实际工程应用中提供理论指导。

关键词：地热钻井;井型选择;参数优化;设计

1目前存在问题

通过对国内外干热岩开发现状相关文献分析，针对干热岩开发系统的研究存在以下问题。（1）针对近几年新兴起的无干扰地热供热技术在钻井领域并没有一个准确的定义，本文参考相关文献将这种技术称为“闭环地热系统”。（2）目前，干热岩开发井型多为开环系统，由于无干扰地热供热技术是近几年兴起的技术，所以针对闭环系统的研究较少。对于开环系统的研究，多为如何提高压裂技术使得注采井之间实现有效的连通和避免系统开发时发生的热突破效应。（3）针对地热开发的井型缺少系统的分类。

2地热井型的分类

在系统的调研了目前国内外地热开采井型的基础上，笔者根据采热井筒数量将地热井型分为单井系统和多井系统。根据井筒内换热流体是否进入地层分为开环系统和闭环系统。这里的闭环系统等同于上文中提到的无干扰清洁供热技术。其中开环单井系统分为直井井型和定向水平井井型。闭环单井系统根据循环流体注入方式的不同又可分为套管内注入环空返出和环空注入套管内返出两种方式。开环多井系统根据井的数量分为分支井型、一注一采井型、一注两采井型和一注多采井型。其中一注一采井型根据其注入井和采出井的井型分为直井井型和定向井井型。一注两采井型根据其注入井和采出井的位置关系分为直线型和非直线型。闭环多井系统主要包括U型对接井井型。

3地热井型综合对比优选

3.1井型优选的标准

在任意区块选择建成某种地热系统时，一方面要考虑该区块的热量需求即换热功率，另外一方面也应该在满足热量需求的条件下使得整个系统换热成本最低，因此本节拟结合三种典型地热井的换热量和其费用定额，得出一个新的概念，回收期，用它可以表示换热系统在运行多久以后可以实现收益。回收期越长表示该换热系统从运行到实现收益时间越长，回收期越短表示该换热系统从运行到实现收益时间越短。

3.2井型优选结果

通过上述计算，可知三种地热井的理论换热功率如下表1所示。

计算依据：①冬季供暖按4个月计算;②供暖系统每天满负荷运行时间按16小时计算;③用电电费按0.5元/度计;④市政供暖居民价每月5.8元/m2;⑤新建小区供暖管网配套费住宅98元/m2;⑥运行费用按照业内运行费用每个供暖季10元/m2估算。热泵机组1套，投资约330万元。由已经建成的地热井得到，循环单井的供热面积约为9500m2，

U型对接井供热面积约为19000m2，一注多采地热井供热面积约为68000m2。

（1）循环单井收益分析

①供暖费收入为5.8元/m2月×4×9500m2=220400元

②供暖管网配套费98元/m2×9500m2=931000元

③运行费用10元/m2×9500m2=95000元

项目总投资为247.98万元+330万元=577.98万元，配套费收入为93.1万元，运行费用为9.5万元。相当于总投资为493万元，年收入为22万元，回收期为22年。

（2）U型对接井收益分析

①供暖费收入为5.8元/m2月×4×19000m2=440800元

②供暖管网配套费98元/m2×19000m2=1862000元

③运行费用10元/m2×19000m2=190000元

项目总投资为634.77万元+330万元=967.77万元，配套费收入为186.2万元，运行费用19万元。相当于总投资为800万元，年收入为44万元，回收期为18年。

（3）一注多采地熱井收益分析

①供暖费收入为5.8元/m2月×4×68000m2=1577600元

②供暖管网配套费98元/m2×68000m2=6664000元

③运行费用10元/m2×68000m2=680000元

项目总投资为1800万元+330×2万元=2460万元，配套费收入为666.4万元，运行费用为68万元。相当于总投资为1862万元，年收入为157万元，回收期为11年。

由表1可知循环单井、U型水平对接井、一注多采井的理论换热量随着井筒数量的增加依次增加。根据上面计算的三种地热井的回收期，可知一注多采井型尽管前期投入巨大，但其回收期也是最短的，其次为U型对接井。在具体工程应用中应该结合具体换热量需求以及成本预算，选择对应的地热井型。必要的时候可以使用单井系统和U型对接井型相结合的方式，例如唐延九珺本次地热井采用的就是一个单井系统和U型井相结合的方式以满足所需要的换热量。

4U型对接井换热过程模拟和参数优化

4.1几何模型的建立

本文拟建立地热井筒与周围地层之间的等效二维换热模型。本文采用ANSYS自带的建模软件进行几何建模。该模型将包括的几何体模型有地热井井筒里的水、U型地热井井筒、井筒外围水泥环以及井筒周围地层。该模型将地热井井筒和周围地层形状设置为两个长度相等的长方形都是2500m，把井筒直径的长方形模型宽度设置为0.244m，地层长方形模型宽度设置为20m。在模拟时可以将U型地热井分为三段模拟，分别是注入井直井段，注入井水平段和采出井，只需改变模型换热的边界条件就可分别模拟出地热井的换热过程，这样做可以减少计算过程，提高了模拟的效率。在所建立的几何模型中，与实际换热模型参数一致，其中井眼深度为2500米，井筒周围导热地层半径为20m，U型井筒的外径为268mm，内径为244mm，两地热井筒之间的间距为400m，井眼半径为180mm，水泥环的厚度为35.635mm。

4.2U 型对接井参数优化

利用有限元软件对U型水平对接井的具体换热过程进行了模拟，为了简化计算建立了二维几何模型，得到了井筒内流体和周围地层温度分布图，并对影响地热井出口水温和换热量的四个参数进行优化，得到以下结论。（1）经过将数值计算的出口温度值与软件模拟的温度值对比发现，温度基本相同，证明了上一章中建立的数学计算模型基本合理可行。（2）注入流体流速与出口水温之间是正相关的，与换热量是负相关的，当注入流速应该介于0.5-1m/s之间，可以保证出口水温高的同时换热量最大。（3）地热井出水温度与井筒直径为负相关，换热量与井筒直径为正相关，在实际工程应用中既要保证出口水温高而且能获得最大的换热量，还要考虑工程造价，井筒直径在200mm左右最佳。（4）在实际工程应用中要在能保证换热量的条件下，要使水平段井筒长度尽可能长，既可以保证高出水温度，又可以使其产生最大的换热量。

5结束语

本文建立的地热井筒内温度的数学模型以及数值计算模型给计算地热井筒内温度流体温度和换热量提供了一个必要的参考，为后续的研究提供了一个理论依据。但是，在研究过程中由于笔者能力有限，对地热井模型建立以及井型选择方面仍然需要更进一步的研究。

参考文献：

[1] 汪集旸.中国大陆干热岩地热资源潜力评估[A].中国科学院地质与地球物理研究所.中国科学院地质与地球物理研究所2012年度（第12届）学术论文汇编—工程地质与水资源研究室[C].中国科学院地质与地球物理研究所：中国科学院地质与地球物理研究所科技与成果转化处，2013：7.

（作者单位：天津地热勘查开发设计院）