串联式U型地热井取热效果分析

杨瑞涛，肖 东

(1.陕西延长石油国际能源化工有限公司，陕西 西安 710065；2. 西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 610500)

随着能源的不断开采和利用，各国面临的能源危机愈发严重。国家着手大力发展新能源，其中地热能作为一种清洁的可再生能源得到了大力推广。

世界上第一个地热井下换热器装置是Charles Live 在1931年建成的，其是由地热井内的管道组成，清洁的取热工质通过泵实现循环[1]。经过近100 a不断发展，浅层地热能利用技术已日益成熟，但中深层地热能的利用还略显不足。前人[2-3]利用经典的Ramey井筒温度传热模型的过程中，建立了考虑各种因素的井筒传热数学模型，对井下地热能利用的分析奠定了理论基础。与目前广泛使用的井下同轴换热器地热系统相比[4,5]，闭式循环U形地热井由于其特殊的井身结构，可以提供更大的流量和取热量，它被认为具有更大的潜力。但目前所采用的地下取热系统均为单井取热系统，存在出口温度低等技术缺陷[6]。若将两口以上的U型地热井进行串联，则可解决中深层地热井出口温度过低的问题。

因此，本文以串联U型地热井为研究对象，以管内流体温度分布数学模型为基础，建立了循环工质的温度分布模型，结合算例分析，验证了串联U型地热井的取热效果。本文的研究成果为中深层地热能的高效利用提供了一种新的技术思路。

1 串联U型地热井工质温度分布模型

串联式U型地热井由两个及以上的U型井通过地面管道串联而成，即第一口U型井的出口管道与为第二口U型井的入口管道相连，可解决取热介质温度过低、取热量不足的问题。其原理如图1所示。

图1 串联式U型的地热井原理图

根据串联管路的基本特点，其水力及热力特征可用式(1)及式(2)表示。

(1)

Qi-1=Qi

(2)

以井筒入口轴线处为坐标原点的取热流体温度分布数学模型(Fluid Temperature Distribution Model，简称FTD Model)为基础[7]，再耦合式(1)与式(2)，即可得到串联式取热流体温度分布模型。

2 计算实例分析

以西安某小区两口串联U型地热井为例，该U型井埋管深度为2 500 m；水平长度为490 m。换热管的内、外径分别为0.123 6 m和0.139 7 m；水泥环的外径为0.311 1 m；在U型井的上升段中，距离地面750 m范围内铺设保温层，保温层外径为0.159 7 m。两口U型地热井的几何参数一致。当第一口U型地热井的进口温度为5℃，循环排量设置为60 m3/h，利用本文所建立的计算模型获得的供暖期内(西安地区为每年的11月15日至次年的3月15日)的全井筒平均温度分布如图2所示。

图2 串联式U型地热井内循环工质平均温度分布

从图2可知，串联式U型地热井的出口温度从单井的17.96℃升至27.34℃，同时，取热量增加0.65 MW。串联后，在显著提高出口温度的同时，取得了良好的取热效果。因此，将两口U型地热井串联可以克服中深层地热井出口温度过低的缺点。

3 影响因素研究

3.1 循环流量的影响

假设入口温度设定为5℃，串联式U型地热井在10～80 m3流量下的出口温度和取热功率变化如图3所示。

图3 出口温度和取热功率随循环流量的变化

图3表明，随着循环流量的增加，出口温度降低，取热功率增加。虽然较大的流量可以提高地热井的取热能力，但并不意味着流量越高越好。这是因为较大的流量会消耗更多的泵功并导致较低的出口温度，从而降低热能的可用性。因此，必须根据各种因素选择合适的流量。从图3还可以看出，两口地热井串联可以显著增加工质的出口温度和取热量，并且随着流量的增加，出口温度和取热量增加的幅度越来越大。当流量为10 m3/h，出口温度从单井的44.51℃增至串联井的49.96℃，取热量从0.46 MW增至0.52 MW，增加幅度约为13%左右；当流量为80 m3/h，温度的增幅可达52%，取热量的增幅甚至超过了78%，因此流量越大，则越有必要将两U型地热井串联。

3.2 进口温度的影响

假设工质的循环排量为60 m3/h，串联式U型地热井进口温度为0℃～20℃下的出口温度和取热功率变化如图4所示。

图4 出口温度和取热功率随进口温度的变化

图4表明，当入口温度升高时，出口温度近似线性增加，而取热量近似线性下降。单井和串联井的变化趋势几乎一致。因U型取热井存在地面连接管线，地面环境温度也有轻微影响，地面管线做保温和地埋处理后，这种地面环境对循环工质温度的影响可忽略不计。对于深埋管换热型地热井，存在井筒内循环工质温度始终存在与井筒附近地层温度保持一致的趋势，停止运行后井筒附近地层温度始终存在与热影响范围外地层温度保持一致的趋势。因此，U型地热井在非供暖季停止运行期间可以快速使井筒周围地温场得到恢复。串联式U型井非供暖期的恢复特征与单U型井应不相同，其在恢复方面的优势需要后续深入研究。

4 结语

(1)结合串联管路的水力及热力特点，耦合经典的FTD Model，建立了地热开采中取热流体温度分布模型，实现了对串联式U型地热井取热过程中流体温度的预测。

(2)串联式U型地热井能显著提高工质的出口温度，克服了单井出口温度过低的缺点。

(3)随着循环流量的增加，出口温度降低，取热功率增加，流量越大，越有必要将两U型地热井串联；随着入口温度的升高，出口温度近似线性增加，而取热量近似线性下降，单井和串联井的温度分布随入口温度的变化趋势几乎一致。

(4)串联式U型井非供暖期的恢复特征与单U型井应不相同，其在恢复方面的优势需要后续深入研究。

(5)串联式U型地热井虽可取得较好的取热效果，但也意味着投资成本的增加。因此，建议将技术与经济分析耦合，从而全面评估串联式U型地热井项目的可行性。