废弃矿井地热资源再开发与循环利用技术

郭世博

(河北省煤田地质局第二地质队(河北省干热岩研究中心),河北 邢台 054000)

煤炭的大量开采与使用是造成温室效应等环境问题的主要原因之一[1]。在《巴黎气候协定》中规定,各国政府务必采取相应措施减少化石能源的使用量,提升清洁能源使用份额[2]。我国政府也为此提出煤炭去产能政策,关闭部分产能不合格、不满足安全绿色开采要求以及开采结束、资源枯竭的矿井。

废弃矿井遗留下大量关于环境、资源以及社会的问题,包括但不限于地表大面积塌陷、地下水水质污染、闲置采矿设施设备及厂房等占用土地资源、原矿区工人失业等[3]。但是,在废弃矿井中,仍然存在种类丰富的潜在资源。建立多样化再开发策略能够对其中资源充分利用,例如:废弃矿井中蕴含的大量地热资源即为可再生清洁能源,地热资源的开采成本较低且符合可持续发展要求。若采用地热资源替代传统煤炭资源能够大幅度降低碳排放量,可以在一定程度上缓解环境问题的进一步恶化[4]。

可持续发展理念使人们更加注重清洁能源的使用[5],地热能是一种经济的可再生清洁能源。废弃矿井中存在大量待开发的地热资源,通过采热设备采集废弃矿井中的地热能并转换为人们生活中可用资源能够大幅度降低化石资源使用量,减少碳排放,达到节能减排的目的。同时,对废弃矿井再开发能够创造新的矿区经济活动,促进矿区重建与恢复。

一般情况下,地热资源的常规利用方式有如下3种:供热水、工业利用以及医疗保健[6]。针对废弃矿井地热资源在供热方面的利用,以循环换热系统为对象,本研究提出了一种地热资源再开发与循环利用技术。

1 地热供热过程影响循环换热系统采热的因素分析

循环换热系统使用最为普遍的流体工质为水,水损失对采热的影响十分重要[7-8]。因此,本文对以水为工质的循环换热系统的影响因素加以分析,并将分析结果作为优化循环换热系统的理论依据。

1.1 地层渗透率

地层渗透率变化下产出流量、水损失流量、产出温度和采热效率变化情况如图1所示。

图1 地层渗透率变化下产出流量、水损失流量、产出温度和采热效率变化情况Fig.1 Changes of production flow,water loss flow,production temperature and heat recovery efficiency under the change of formation permeability

由图1(a)可知,当地层渗透率足够低时,水损失流量基本为0,在该情况下,增大地层渗透率对水损失流量的影响很小,但在地层渗透率持续提升过程中,水损失流量随之增加。这是由于当地层渗透率足够低时,水难以渗透至地层之中,造成的损失极小[9-10];而逐渐增大地层渗透率后,水在地层中的流动阻力随之降低,导致水损失流量的增加。在地层渗透率小于10-17m2前,水损失流量基本可以忽略不计;当地层渗透率高于10-15m2后,水损失流量很高且产出流量基本为0。由此可知,当地层渗透率达到一定值后不可忽略水损失流量对产出流量的影响。

由图1(b)可知,不同地层渗透率下产出温度和采热效率均在短时间内迅速上升,而后保持平稳状态,经过一段时间后开始下降。产出温度开始降低的时间点被称作热突破时间,产出井井筒和储层导热是导致产出温度下降的主要原因。在采热初期,产出井具有相对稳定的井底温度,产出井井筒向地层导热逐渐减小并进入稳态,因此产出温度迅速提高后趋于稳定;在时间不断增加过程中,储层被冷却,产出井井底温度降低,由此导致产出温度降低。较高的地层渗透率对应较低的产出温度和采热效率,这是因为在地层渗透率较高的情况下产出流量较小,对应的稳态产出温度较低,而稳态采热效率随着产出流量和稳态产出温度的降低而减慢[11-12]。

同时,由图1(b)中可见,热突破时间受地层渗透率的影响不大。经分析,这可能与低产出流量和高水损失流量相关,两者综合后对储层冷却影响相互抵消。在考虑水损失因素后能够发现,热突破时间不仅受产出流量或注入流量的影响,同时也受到水损失流量影响。综上所述,高地层渗透率会降低采热,若不考虑水损失对采热的影响,会导致采热效率估计值偏高的问题。因此,在优化循环换热系统时考虑储层向地层的水损失情况能够得到更准确的预测效果。

1.2 储层平均渗透率

储层平均渗透率变化下产出流量、水损失流量、产出温度和采热效率变化情况如图2所示。

图2 储层平均渗透率变化下产出流量、水损失流量、产出温度和采热效率变化情况Fig.2 Changes of output flow,water loss flow,production temperature and heat recovery efficiency under the change of average permeability of reservoir

由图2(a)可以看出,随着储层平均渗透率的升高,产出流量迅速增加,而水损失流量变化不大,以缓慢的速度上升。这是因为较大的储层平均渗透率对应较低流动阻力,产生较高的产出流量和储层边缘水压[13-14]。由图2(b)可以看出,产出温度和采热效率随时间的变化趋势与地层渗透率类似,均是短暂上升后达到稳定状态,超过热突破时间后持续下降。高产出流量和较为稳定的水损失流量促进了采热,因而导致采热效率的下降。

综合考虑水损失受地层渗透率和储层平均渗透率的影响,得到不同水损失比例下储层平均渗透率与地层渗透率比值关系如图3所示。

学习以学生为主体，自主建构知识意义，并不是说所有知识都能在某种仿真情境中建构，仍有知识需要教师的课堂传授和讲解。就是相对适合情境教学的语言学习，也需要教师传授词汇语法等知识，每个知识点都让学生在情境中构建的想法既不实际，也不科学，例如第三单元是关于飞机遭遇雷击的故事，让学生亲身经历这种情境简直是匪夷所思。多媒体可以是一个很好的教学工具，能够帮助建立更多情境，但是教学设计对多媒体的依赖将大大增加。

图3 水损失比例与储层平均渗透率和地层 渗透率比值的关系Fig.3 Relationship between water loss ratio and average reservoir permeability and formation permeability ratio

由图3可以看出,在储层平均渗透率与地层渗透率比值低于100前,水损失比例近似线性降低;当比值超过100后,水损失比例降低速度逐渐减慢;在比值为100时,水损失比例在20%左右;在比值高于2 000后,水损失比例接近于0。由此可知,在储层平均渗透率与地层渗透率比值低于2 000前,应对循环换热系统在采热过程中的水损失加以考虑。

1.3 地温梯度

地温梯度变化下产出流量、水损失流量、产出温度和采热效率变化情况如图4所示。

图4 地温梯度变化下产出流量、水损失流量、产出温度和 采热效率变化情况Fig.4 Changes of output flow,water loss flow,output temperature and heat recovery efficiency under geothermal gradient

由图4(a)可见,随着地温梯度的增加,产出流量和水损失流量随之上升。因为当水的黏度较低时,多孔介质中流动阻力较小[15]。由图4(b)可以看出,较大地温梯度对应较高稳态产出温度和稳态采热速率,但较大地温梯度对应较低热突破时间。由于较大地温梯度对应较高的储层初始温度和产出井井底温度,以及较高的产出流量和水损失流量,由此可知循环换热系统采热与多孔介质初始温度存在重要关联[16]。因此,在优化循环换热系统时需要加入对水损失的考虑。

2 优化循环换热系统

本文结合上述地层渗透率、储层平均渗透率和地温梯度对水损失影响的分析结果,优化单井同轴套管闭式循环换热系统。在该系统中,高压泵将循环水由地面注入环空,水在环空中通过热对流和热传导效应提取井壁热量,经由中心管输送至地面,为交换器所用,实现地热资源的再开发与循环利用。

为了降低内管中的水损失、提升采热效率,设计双层保温管,在内管与外管之间形成全结构空气环空系统,有效避免水损失,实现高质量隔热保温效果。双层保温管结构如图5所示。

图5 双层保温管结构Fig.5 Structural diagram of double layer insulation pipe structure

为提升储层与套管之间的换热效率,在套管和储层中注入固井水泥作为换热媒介,固井水泥中起到换热和抗压作用的主要成分为石墨、铜和铁,地热储层基于热传导效应通过固井水泥传热至套管,实现循环采热。

此外,固井水泥的导热系数对采热效果起到决定性作用[17-18]。因此,本文对固井水泥相关指标加以研究,得到导热系数的影响因素如下:①环境温度。环境温度直接影响固井水泥的导热系数,环境温度与导热系数呈负相关。②固井水泥孔隙度。固井水泥孔隙度和石墨导热性也是决定导热系数的主要因素,石墨能够提升固井水泥的导热性,增大导热系数,但与此同时会增加固井水泥孔隙度,减小导热系数。建立固井水泥温度分别为80、100、120 ℃时导热系数随石墨含量变化趋势,如图6所示。

图6 不同石墨含量下导热系数变化Fig.6 Changes in thermal conductivity with different graphite contents

(3)抗压强度。安全性和稳定性是循环换热系统的运行前提,在保证导热系数的同时抗压强度不容忽视。经分析发现,当石墨含量在0%～15%,铁含量在0%～20%,铜含量0%～20%时固井水泥的抗压强度较为合理,具体数值视采热环境决定。

3 地热资源再开发与循环利用技术验证与分析

选取河北省某废弃矿井开展实验,基于上述设计的单井同轴套管闭式循环换热系统,利用地热能实现冬季供热和夏季制冷。

供热泵与循环换热系统如图7所示。实验设置和相关参数见表1。

在循环水流量分别为0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 kg/s时,模拟并分析1年中循环采热系统地埋管进出口温度变化情况,如图8所示。

图7 供热泵与循环换热系统Fig.7 Heat supply pump and circulating heat exchange system

表1 实验设置和相关参数Tab.1 Experimental settings and related parameters

分析图8可知,在冬季供热阶段,循环换热系统由废弃矿井地下岩土体中持续摄取热量,造成岩土体温度整体下降的趋势。为了避免热量失衡,循环水需要不断降低地埋管进出口温度;在结束冬季供热后,循环换热系统运行暂时终止,地埋管进出口温度逐渐上升直到接近于地表温度;在夏季制冷过程中,热量经循环换热系统输送至岩土体中,岩土体温度随之升高,地埋管进出口温度进而上升。在夏季制冷结束后,循环换热系统再次终止运行,地埋管进出口温度下降至地表温度,进入下一次循环。

图8 不同循环水流量下进出口温度变化Fig.8 Temperature change at inlet and outlet under different circulating water flows

分别模拟不同循环水流量下冬季供热和夏季制冷时单井同轴套管闭式循环换热系统进出口温度变化情况,如图9和图10所示。

由图9和图10可知,在冬季供热中,循环换热系统运行初期进出口温度下降较快,随后达到平稳,不同循环水流量下的进出口温度略有差异,较大的流量对应较高的进口温度和较低的出口温度,这是因为在取热量相同的情况下,增大循环水流量,将会降低进出口温差,反之会增大温差。在夏季制冷中,循环换热系统运行初期进出口温度上升较快,中后期达到平稳,较大的循环水流量对应较低的进口温度和较高的出口温度。该分析结果与循环采热系统地埋管在1年中的进出口温度变化趋势基本一致。

以循环水外进内出的方式运行循环换热系统,验证所提方法地热资源再开发与循环利用技术性能。依据当地采热需求计算进出口温度预期值,将模拟运行数值、实际运行数值和预期值加以对比,结果如图11所示。

图9 冬季供热不同循环水流量下进出口温度变化Fig.9 Temperature changes at inlet and outlet under different circulating water flows for heating in winter

图10 夏季制冷不同循环水流量下进出口温度变化Fig.10 Temperature changes at inlet and outlet under different circulating water flows of refrigeration in summer

图11 模拟运行数值与实际运行数值对比Fig.11 Comparison between simulated operation values and actual operation values

由图11可以看出,实际换热中受到岩土体结构、地下水径流等外界环境的影响,换热波动较大,但模拟运行时将外界环境设置在一定范围内。因此,模拟运行数值较为平滑,虽然两者间存在一定差异,但总体趋势保持一致。此外,研究设计的单井同轴套管闭式循环换热系统模拟运行数值和实际运行数值均与预期值吻合度较高,即优化后系统能够达到预期效果。说明将本研究设计的循环换热系统用于地热资源的再开发与循环利用中具有一定可行性及优越性。

4 结语

矿井废弃说明已经完成该矿井的地下矿物开采,但废弃矿井并非一无是处,对废弃矿井地热资源再开发能够将其变废为宝,进而减少非再生能源的使用,降低碳排放,助力可持续发展。

以地层渗透率、储层平均渗透率和地温梯度在循环换热系统采热中对水损失的影响研究结果为基础,本研究优化了单井同轴套管闭式循环换热系统,并设计双层保温管结构缓解水损失,分析固井水泥成分对导热效果的影响,确定最优成分占比范围。

在河北省选取废弃矿井开展实验发现,采用该方法优化后循环换热系统能够达到预期效果,具有一定可行性和优越性,为废弃矿井地热资源开发与利用提供了思路。