基于有限体积法的废弃井地热开采数值模拟研究

2024-05-18刘夕源

科学技术创新 2024年9期

刘夕源

（成都理工大学，四川成都）

前言

油田地热资源是一种与油气伴生的热能资源,主要用途包括供热和发电[1]。相较于传统地热，油田地热开发相对于传统的地热开发具有巨大的优势。它直接利用或改装现有的井筒和设备，大幅度地降低了地热开发的成本和风险。同时，我国的许多油田均具有良好的地热资源，如四川盆地拥有很多高温高压油气田，安岳气田的井底温度约140-144.9 ℃[2],元坝气田井底温度约149.5-157.4 ℃[3]。国内外学者对于废弃油气井的开采进行了很多研究，Kujawa[4]首先提出采用同轴套管换热器对废弃井地热进行开采，Caulk[5]采用有限元仿真软件分析了废弃井井筒中流体的流动和传热问题，但当前缺乏通过全尺寸模型进行废弃井地热开采数值模拟分析的研究。本文通过建立全尺寸废弃井筒传热模型，研究了不同工程参数对废弃井地热开采的影响，并对实际开发过程给出建议。

1 模型建立

1.1 模型设置

建立了全尺寸三维地层-井筒数值模拟传热模型，模型的相关参数如表1 所示。由于该问题是一个轴对称问题，为节约计算机算力，对原模型进行轴对称处理。模型网格划分结果如图1 所示。

图1 几何模型

表1 模型几何参数

模型网格划分结果如图2 所示。

图2 模型网格划分结果

1.2 模型边界条件设置及控制方程

模型地层温度采用UDF 设置，流体入口设置为质量入口，出口设置为压力出口；不同固定域之间设定为耦合壁面，使得热量可以在不同区域传递，流体域内的湍流模型选择k-e 模型[6]。模型的相关参数如表2 所示。

表2 模型材料参数

模型中的循环流体与地热井内管及外管的对流换热的控制方程如下所示。

2 结果分析

完成相关设置后，运行模型进行计算。根据模型运行的残差曲线结果来看，模型运行的各项残差均小于10-3，其中energy 项的残差小于10-5，符合模型收敛标准，此次模型的计算收敛。

2.1 入口流速对换热的影响

改变模型入口处的质量流速，得到在不同入口质量流速下的出口温度以及采热功率情况。由图3 可知，当流体的质量流速从75 lpm 增长到150 lpm 时，流体的出口温度随流速增长而下降；由图4 可知，当流体的质量流速从75 lpm 增长至150 lpm 时，流体的采热功率随流速的上升而上升。根据传热学理论，当流体的流速增大后，流体与外管管壁之间的对流换热的速度增强，有利于提高采热功率，然而流速增加后，流体与外管管壁以及井底的换热进行的不充分，同时由于质量流速的增加，流体的总量增加，流体与井壁以及井底的换热无法充分进行。因此在质量流速增加的情况下，出口温度逐渐降低，而采热功率反而上升。

图3 不同流速下的出口温度

图4 流速- 采热功率柱状

2.2 入口温度对换热性能的影响

改变模型入口处的入口温度，得到在不同的入口温度下，地热井的出口温度及采热功率（流体流速恒定）。由于流体的入口温度不同，在此情况下比较出口温度没有意义，因此在其情况下比较的是地热井进出口温差。进出口温度差如图5 所示，采热功率如图6所示。由图可知，当流体的入口温度从80 ℃下降至40 ℃时，流体的进出口温度差与采热功率均呈现上升趋势，根据传热学理论，温差越大，物体之间热传递的速度越快，即相同时间内物体温度上升的速度越快。

图5 入口温度- 温差柱状

图6 入口温度- 采热功率柱状

2.3 内管距井底距离对出口温度的影响

其他条件不变，仅改变内管距井底的距离，得到在不同的内管距井底的距离下，地热井出口温度的变化情况。在不同的内管距离井底的距离下，出口温度的变化情况如图7 所示。

图7 出口温度与内管距井底距离的变化曲线

从图中可知，伴随着内管距井底距离的增加，地热井的出口温度在逐渐下降，出口温度由94.75 ℃下降至94.0 ℃，下降了0.75 ℃。造成这一情况的原因，主要在于伴随着内管距井底距离的上升，井底的缓流区域不断减小，而流体在缓流区域由于流速缓慢，循环流体在井底处与井底进行充分换热。而在井底的缓流区域减小之后，流动至井底的流体的换热时间缩短，流动至井底的流体无法与井底进行充分换热，导致地热井的出口温度降低。