供暖地热开采井筒温度损失模型及应用
发布时间：2022-01-26 16:28
地下热水开采过程中,井筒周围持续散热导致地热水温度降低形成了井筒温度损失。目前关于井筒温度损失的研究很少,在地热利用方案的编写过程中难以确定设计排量下的井口热水温度,致使后续井网部署及单井配产困难,配产量与实际用热需求易产生供需矛盾。该文首次建立了地热井井筒温度损失模型。借助大型有限元软件COMSOL Multiphysics,以华北油田某潜山区块实际生产数据为例,进行热采井筒温度损失影响因素分析,并分别对实际生产中雾迷山组热水井和高于庄组热水井井筒温度损失进行了预测,为下一步地热开采方案的编制提供借鉴和理论指导。
【文章来源】：地质与勘探. 2019,55(05)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
高于庄组采热水几何模型Fig．1Geometricmodelforgeothermalwaterexploitation
第5期豆惠萍等:供暖地热开采井筒温度损失模型及应用1.1物理模型根据地质分层和井的完钻数据，分别建立了高于庄组采热水三维几何模型(图1)和雾迷山组采热水三维几何模型(图2)。井筒半径根据实际情况为215.9mm;综合考虑计算精度及计算量，将研究半径定为400m(孙彭光，2018)。雾迷山组模拟井深到1700m，高于庄组模拟井深到3000m。模型中坐标原点O为井口，x、y方向为井眼横截面上任意两个相互垂直的方向，z方向为井眼轴向方向。图1高于庄组采热水几何模型Fig．1GeometricmodelforgeothermalwaterexploitationintheGaoyuzhuangFormation图2雾迷山组采热水几何模型Fig．2GeometricmodelforgeothermalwaterexploitationintheWumishanFormation1.2数学模型本文研究对象为井筒内地热水的温度损失，不考虑地热水由地层渗流至井底的过程，故只进行井筒内流场和井筒及地层温度场的模拟计算。借助有限元软件COMSOLMultiphysics进行建模分析，为了使模拟结果更准确、更接近现实，将控制方程与热传导方程进行耦合求解(王贵玲等，2002;王杰祥等，2003;刘杰等，2010;方艺蛟等，2017)。1.2.1控制方程地热开采一般单井配产较高，井筒内流态为紊态，故用紊流控制方程进行模拟计算。选用ＲNGk－ε紊流模型，该模型对高雷诺数和低雷诺数紊流流动均适用，可精确推导模型常数，故可准确模拟地下热水在井筒内的流动(乔智国和叶翠莲，2008;李冬等，2012;杨谋等，2013)。ρ?k?t+ρ(u·")k="·μ+μTσk()["k]+Pk－ρε(1)ρ?ε?t+ρ(u·")ε="·μ+μTσ?
ta地层密度(kg·m－3)热容(J·kg－1·K－1)导热系数(W·m－1·K－1)第四系18008001.2明化镇组19568571.7雾迷山组27008987杨庄组30008982.49高于庄组270089872模拟结果分析供暖时间一般为每年的11月15日至次年的3月15日，故本文以供暖井360天(生产120天，关井240天)为周期进行分析。2.1热采温度场分布规律分析以高于庄组3000m井深热采模型为例，对热采过程中地层以及井筒的温度场进行了模拟，温度场的三维显示见图3。图3地层温度场分布云图Fig．3Clouddiagramshowingtemperaturedistributionofstrata温度场分布以井筒为轴，成轴对称图形。热采过程由于热传导作用，井筒内热水温度降低，井筒周围地层被加热。图4为产水量4000m3·d－1生产120d后不同深度处的地层温度分布，由图可以看出:(1)井筒对地层温度的影响范围在15m左右;(2)井深越浅，井筒内外温度差越大，井筒温度对地层温度影响范围越大。图4不同井深下距离井筒不同距离地层温度分布Fig．4Temperaturedistributionatdifferentdepthsandvarieddistancestotheborehole图5为日采水量2000m3·d－1生产120d后井筒内热水温度随井深变化图，由图可以看出:(1)热水开采过程中越接近井口温度越低;(2)井筒内热水温度减小速度随井深变化，总体上热水温度随井深减小而加速减小。井筒温度在井深800m和井深1800m处出现拐点，主要是由于此处导热系数存在非均质性所致。总之，井筒热水温度的变化是由温差和导热系数共同决定的。图5日采水量2000m3·d－1井筒内热水温度随井深变
【参考文献】：
期刊论文
[1]贵州省复杂地层地热深井钻探工艺[J]. 宋继伟,蒋国盛,苏宁,余立新,李奇龙,王虎,赵华宣. 地质与勘探. 2018(05)
[2]大名地热田地质概念模型及井网模拟[J]. 孙彭光. 长江大学学报(自科版). 2018(13)
[3]云南腾冲地热景观空间分布研究[J]. 钟美玲,刘雨轩. 地质与勘探. 2018(02)
[4]贵州革东地区带状热储赋存规律研究[J]. 班文韬,段先前,杨倩,丁坚平. 地质与勘探. 2018(02)
[5]内蒙古宁城地热资源的构造制约与勘查标志[J]. 闫岩,赵国春,汪旭,邸英龙,赖亚,程永志,于婳,郭琪. 地质与勘探. 2018(01)
[6]综合电法在湖南祁阳太平圩地热资源勘查中的应用[J]. 康方平,柳建新,韩中骥,邓专. 地质与勘探. 2017(06)
[7]贵州毕节市CK1地热勘探井钻井技术分析[J]. 杨风良,高丽琰,赵岩,刘现川,高亮. 地质与勘探. 2017(05)
[8]废弃井改造为地热井工艺技术研究[J]. 王培义,马鹏鹏,刘金侠,尚磊,周总瑛,赵伟. 地质与勘探. 2017(04)
[9]中国典型干热岩潜力区的地热深井部署[J]. 杨立中,孙占学,刘金辉,王安东,万建军. 地质与勘探. 2017(02)
[10]地热开采的裂隙渗透T-H-M耦合模型及模拟研究[J]. 方艺蛟,刘卫群,王瞾龙. 可再生能源. 2017(01)
本文编号：3610810
【文章来源】：地质与勘探. 2019,55(05)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
高于庄组采热水几何模型Fig．1Geometricmodelforgeothermalwaterexploitation
第5期豆惠萍等:供暖地热开采井筒温度损失模型及应用1.1物理模型根据地质分层和井的完钻数据，分别建立了高于庄组采热水三维几何模型(图1)和雾迷山组采热水三维几何模型(图2)。井筒半径根据实际情况为215.9mm;综合考虑计算精度及计算量，将研究半径定为400m(孙彭光，2018)。雾迷山组模拟井深到1700m，高于庄组模拟井深到3000m。模型中坐标原点O为井口，x、y方向为井眼横截面上任意两个相互垂直的方向，z方向为井眼轴向方向。图1高于庄组采热水几何模型Fig．1GeometricmodelforgeothermalwaterexploitationintheGaoyuzhuangFormation图2雾迷山组采热水几何模型Fig．2GeometricmodelforgeothermalwaterexploitationintheWumishanFormation1.2数学模型本文研究对象为井筒内地热水的温度损失，不考虑地热水由地层渗流至井底的过程，故只进行井筒内流场和井筒及地层温度场的模拟计算。借助有限元软件COMSOLMultiphysics进行建模分析，为了使模拟结果更准确、更接近现实，将控制方程与热传导方程进行耦合求解(王贵玲等，2002;王杰祥等，2003;刘杰等，2010;方艺蛟等，2017)。1.2.1控制方程地热开采一般单井配产较高，井筒内流态为紊态，故用紊流控制方程进行模拟计算。选用ＲNGk－ε紊流模型，该模型对高雷诺数和低雷诺数紊流流动均适用，可精确推导模型常数，故可准确模拟地下热水在井筒内的流动(乔智国和叶翠莲，2008;李冬等，2012;杨谋等，2013)。ρ?k?t+ρ(u·")k="·μ+μTσk()["k]+Pk－ρε(1)ρ?ε?t+ρ(u·")ε="·μ+μTσ?
ta地层密度(kg·m－3)热容(J·kg－1·K－1)导热系数(W·m－1·K－1)第四系18008001.2明化镇组19568571.7雾迷山组27008987杨庄组30008982.49高于庄组270089872模拟结果分析供暖时间一般为每年的11月15日至次年的3月15日，故本文以供暖井360天(生产120天，关井240天)为周期进行分析。2.1热采温度场分布规律分析以高于庄组3000m井深热采模型为例，对热采过程中地层以及井筒的温度场进行了模拟，温度场的三维显示见图3。图3地层温度场分布云图Fig．3Clouddiagramshowingtemperaturedistributionofstrata温度场分布以井筒为轴，成轴对称图形。热采过程由于热传导作用，井筒内热水温度降低，井筒周围地层被加热。图4为产水量4000m3·d－1生产120d后不同深度处的地层温度分布，由图可以看出:(1)井筒对地层温度的影响范围在15m左右;(2)井深越浅，井筒内外温度差越大，井筒温度对地层温度影响范围越大。图4不同井深下距离井筒不同距离地层温度分布Fig．4Temperaturedistributionatdifferentdepthsandvarieddistancestotheborehole图5为日采水量2000m3·d－1生产120d后井筒内热水温度随井深变化图，由图可以看出:(1)热水开采过程中越接近井口温度越低;(2)井筒内热水温度减小速度随井深变化，总体上热水温度随井深减小而加速减小。井筒温度在井深800m和井深1800m处出现拐点，主要是由于此处导热系数存在非均质性所致。总之，井筒热水温度的变化是由温差和导热系数共同决定的。图5日采水量2000m3·d－1井筒内热水温度随井深变
【参考文献】：
期刊论文
[1]贵州省复杂地层地热深井钻探工艺[J]. 宋继伟,蒋国盛,苏宁,余立新,李奇龙,王虎,赵华宣. 地质与勘探. 2018(05)
[2]大名地热田地质概念模型及井网模拟[J]. 孙彭光. 长江大学学报(自科版). 2018(13)
[3]云南腾冲地热景观空间分布研究[J]. 钟美玲,刘雨轩. 地质与勘探. 2018(02)
[4]贵州革东地区带状热储赋存规律研究[J]. 班文韬,段先前,杨倩,丁坚平. 地质与勘探. 2018(02)
[5]内蒙古宁城地热资源的构造制约与勘查标志[J]. 闫岩,赵国春,汪旭,邸英龙,赖亚,程永志,于婳,郭琪. 地质与勘探. 2018(01)
[6]综合电法在湖南祁阳太平圩地热资源勘查中的应用[J]. 康方平,柳建新,韩中骥,邓专. 地质与勘探. 2017(06)
[7]贵州毕节市CK1地热勘探井钻井技术分析[J]. 杨风良,高丽琰,赵岩,刘现川,高亮. 地质与勘探. 2017(05)
[8]废弃井改造为地热井工艺技术研究[J]. 王培义,马鹏鹏,刘金侠,尚磊,周总瑛,赵伟. 地质与勘探. 2017(04)
[9]中国典型干热岩潜力区的地热深井部署[J]. 杨立中,孙占学,刘金辉,王安东,万建军. 地质与勘探. 2017(02)
[10]地热开采的裂隙渗透T-H-M耦合模型及模拟研究[J]. 方艺蛟,刘卫群,王瞾龙. 可再生能源. 2017(01)
本文编号：3610810
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