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关中地区中深层同轴套管换热器换热能力及提升措施研究

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热力发电 2023年第2期52卷 54-63页

作者：张杰王贵洋王鹏涛西南石油大学机电工程学院四川成都610500 西南石油大学地热能研究中心四川成都610500 中石化绿源地热能(陕西)开发有限公司陕西咸阳712000 陕西省“四主体一联合”地热能校企联合研究中心陕西咸阳712000

同轴套管换热器是实现中深层地热能井下高效取热技术之一,其换热能力对地热系统的可持续开发至关重要。以关中地区为例,考虑地层不均匀性建立中深层地热井同轴套管传热计算模型,研究注入温度、注入流量、埋管深度等因素对其取热性能的影... 详细信息

同轴套管换热器是实现中深层地热能井下高效取热技术之一,其换热能力对地热系统的可持续开发至关重要。以关中地区为例,考虑地层不均匀性建立中深层地热井同轴套管传热计算模型,研究注入温度、注入流量、埋管深度等因素对其取热性能的影响,探讨间歇开采工况下注入温度和注入流量对热储层温度恢复的影响。结果表明:随着注入流量增加,出口流体温度下降,但整个系统的取热功率提高;当注入温度较高时,可有效提高出口流体温度,但系统取热功率降幅较大;随着地层深度增加,出口流体温度和取热功率逐渐上升;减小内管管径,增加外管管径,可有效提高出口流体温度和取热功率;热储层温度恢复能力随注入流量和注入温度的升高而提高;通过降低内管导热系数或选用双内管结构可以降低内管流体沿程温度损失,提高系统的出口流体温度。

关键词：中深层地热井同轴套管换热器取热功率间歇开采热储层温度恢复

天津地区深层同轴套管换热器取热换热性能测试研究

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清洗世界 2020年第9期36卷 36-37页

作者：周竹军李心亮葛占雨魏艳辉刘铮中国能源建设集团有限公司华北电力试验研究院有限公司天津300012 中国能源建设集团有限公司科技发展有限公司天津300012

在天津地区开展了2000 m深度同轴套管换热器的取热性能实验,获得了钻孔地温分布情况,测试了不同工况下同轴套管换热器的实际换热能力。结果表明,钻孔平均地温梯度为3.05℃/100 m,钻孔底部温度为72.7℃,属于典型的中低温地热资源类型。... 详细信息

在天津地区开展了2000 m深度同轴套管换热器的取热性能实验,获得了钻孔地温分布情况,测试了不同工况下同轴套管换热器的实际换热能力。结果表明,钻孔平均地温梯度为3.05℃/100 m,钻孔底部温度为72.7℃,属于典型的中低温地热资源类型。钻孔的最大换热量为276.8 kW,最大延米换热量为138.4 W/m。随着管内流量的增加,同轴套管的进出口温差呈降低趋势,而单位延米换热量呈增加趋势,但趋势逐渐变得平缓。在实际工程应用中,建议尽量避免“大流量+小温差”运行模式。

关键词：同轴套管换热器取热性能地温梯度

中深层同轴套管换热器冬季取热性能数值模拟研究

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清洗世界 2020年第9期36卷 23-25页

作者：李心亮周竹军葛占雨魏艳辉刘铮中国能源建设集团有限公司华北电力试验研究院有限公司天津300012 中国能源建设集团有限公司科技发展有限公司天津300012

基于能量守恒和热传导理论,建立了2000 m深度同轴套管换热器的地下取热换热模型,开展了数值模拟,并与实测结果进行了对比分析。获得了不同流量条件下同轴套管换热器的进出口温差、换热性能以及沿深度方向上水温变化规律。结果表明,模拟... 详细信息

基于能量守恒和热传导理论,建立了2000 m深度同轴套管换热器的地下取热换热模型,开展了数值模拟,并与实测结果进行了对比分析。获得了不同流量条件下同轴套管换热器的进出口温差、换热性能以及沿深度方向上水温变化规律。结果表明,模拟与试验结果吻合较好。在当前模拟条件下,同轴管套的稳态换热量变化范围为110~210 kW(55~105 W/m)。增大流量可以获得120 W/m甚至更高的延米换热量,但需要考虑水泵功耗对系统能效的影响。由于深层地温较高,地温恢复快,同轴套管换热器更适合于间歇运行,以便发挥其高效换热能力的优势。同轴套管换热器实际工程设计时,管间距离应不低于10 m为宜。

关键词：地热能同轴套管换热器取热性能数值模拟间歇运行

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中深层同轴套管式地埋管换热器传热性能分析

地球物理学进展 2020年第4期35卷 1217-1222页

作者：鲍玲玲徐豹王子勇李本军罗景辉河北工程大学能源与环境工程学院邯郸056038 中国煤炭地质总局水文地质局邯郸056004

为了探讨不同因素对中深层同轴套管式地埋管换热器传热性能的影响,采用了一种中深层同轴套管式地埋管换热器数值模型,利用交替方向隐式法和追赶法,并结合邯郸地区现场测试数据,对该模型进行了求解.分析了环腔流体流速、管径比、内管导... 详细信息

为了探讨不同因素对中深层同轴套管式地埋管换热器传热性能的影响,采用了一种中深层同轴套管式地埋管换热器数值模型,利用交替方向隐式法和追赶法,并结合邯郸地区现场测试数据,对该模型进行了求解.分析了环腔流体流速、管径比、内管导热系数、回填材料导热系数、岩土导热系数及井孔深度对套管换热器换热量及出口水温的影响规律.结果表明,增加环腔流体流速、减小管径比、减小内管导热系数、增大回填材料及岩土导热系数、增加井孔深度,可提高换热量;减小管径比、减小内管导热系数、增大回填材料及岩土导热系数、增加井孔深度,可提高出口水温.因此,在实际工程中,应选择高热阻的管材作为内管、选择导热系数较大的回填材料、岩土导热系数较大的地区有利于地热能开发、选择管径之比较小的套管、环腔流体流速的大小在允许范围内宜取大、较深井孔宜作为地热开采井,同时要综合考虑换热量、循环水泵功耗、钻井成本和实际负荷需求及热泵机组性能匹配.

关键词：中深层地热井同轴套管换热器邯郸地区数值模拟

地下渗流场对中深层水平井同轴套管取热性能的影响

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断块油气田 2024年第3期31卷 526-532页

作者：张杰王贵洋尹文锋汪浩瀚西南石油大学机电工程学院四川成都610500 石油天然气装备技术四川省科技资源共享服务平台四川成都610500

为提高中深层地热井取热效率,设计了一种水平井同轴套管换热器,考虑地下渗流场作用,研究了渗流速度、渗流方向、水平段长度等因素对水平井同轴套管换热器取热性能的影响。结果表明:水平井同轴套管换热器的出口温度和取热功率比传统垂直... 详细信息

为提高中深层地热井取热效率,设计了一种水平井同轴套管换热器,考虑地下渗流场作用,研究了渗流速度、渗流方向、水平段长度等因素对水平井同轴套管换热器取热性能的影响。结果表明:水平井同轴套管换热器的出口温度和取热功率比传统垂直井同轴套管换热器提高了12.6%和42.9%;间歇开采工况下取热系统的出口温度降幅较小,且地层温度恢复更好;当含水层的渗流速度大于5×10^(-8)m/s时,系统出口温度高于无含水层,渗流速度过低不利于地热井取热;渗流方向垂直于水平段,对系统取热性能的提升效果强于与水平段同向工况;适量增加注入流量、降低注入温度、增加水平段长度,可有效提高地热井取热量。

关键词：水平地热井同轴套管换热器取热效率出口温度地下渗流

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中深层同轴套管式地埋管换热器传热特性研究

中深层同轴套管式地埋管换热器传热特性研究

作者：徐豹河北工程大学

学位级别：硕士

中深层地热源热泵系统是一种新型供热技术,和传统的浅层地埋管地源热泵系统对比而言,其通过地下换热不但可以节约占地面积,同时还能够降低系统耗能,有利于清洁供暖。井下换热装置作为中深层地热井下换热系统的核心,为保证井下换热的稳... 详细信息

中深层地热源热泵系统是一种新型供热技术,和传统的浅层地埋管地源热泵系统对比而言,其通过地下换热不但可以节约占地面积,同时还能够降低系统耗能,有利于清洁供暖。井下换热装置作为中深层地热井下换热系统的核心,为保证井下换热的稳定性以及高效性,通常会选定同轴套管式换热器。本文采用了一种中深层地热用井下同轴套管换热器的数值传热模型,该数值模型中考虑了地下岩土的地温梯度,回填材料以及管壁和流体的热容。在固定进口温度的条件下结合实际工程数据对地热井下同轴套管换热器传热方程进行计算,该条件比较符合实际情况且可靠性更高,重点对井下同轴套管换热器的传热特性进行了研究。具体研究内容如下:首先,以项目中深层地热井作为基础,广泛搜集与整理勘探地质特征及地下岩土分布资料,获取数值模拟分析所应用到的物理参数值。阐释工程项目及地质概况、换热系统的整体结构、换热试验方案设计及换热试验结果。通过整理资料及相应的数学计算得到地下岩土温度分布随井孔深度增加的变化趋势、各地层结构特征、地温梯度值及单眼地热井地热资源储存量。对中深层地热源热泵系统实验设计方案,分别在3种工况条件下进行现场试验,通过换热试验得到对应各工况下井下换热器出口水温值及相应的换热功率。其次,针对中深层地热井下换热系统复杂的传热过程,基于有限差分法对数值模型求解并进行模拟研究。将3种工况下的模拟计算与现场换热试验在稳定状态下两者出口水温值进行了对比,结果显示两者较吻合。模拟分析了在3种工况下的井下换热系统连续运行1个采暖季（120天）之后周围温度场的分布状况。接着,采用控制变量法结合数值模型模拟分析了各种因素对中深层同轴套管换热器出口水温、换热量及热短路值的影响。其中因素包括循环流体流量、循环流体进口温度、换热器管径、内管导热系数、回填材料导热系数、岩土导热系数、地温梯度和井孔深度。最后,阐述了中深层地热源热泵系统节能分析原则和性能评价指标,对该系统能耗进行了分析并提出节能的主要环节,对该系统技术经济性进行了评价。通过研究得到的成果能为中深层地热井下同轴套管换热器传热性能分析提供理论依据,对于以供暖为主的北方地区采用中深层地热源热泵系统进行取暖提供研究基础,对推广中深层地热源热泵工程具有重要的指导意义和实用价值。

关键词：地源热泵中深层地热井同轴套管换热器传热特性评价

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不同油田废弃井型转地热开发规律与参数

华南师范大学学报（自然科学版） 2024年第4期56卷 27-38页

作者：石宇彭俊岚孙文超张宏源刘斌李冰西南交通大学地球科学与工程学院成都611756 中国石油集团工程技术研究院有限公司北京102206

为解决传统地下热水直接利用方式存在的潜在地质灾害和环境污染等问题,提出了一种“取热不取水”的、以同轴套管换热系统为关键系统的新型地热开发方式,建立了直井与多分支井同轴套管闭式换热系统数值模型,对比分析取热效果并开展了参... 详细信息

为解决传统地下热水直接利用方式存在的潜在地质灾害和环境污染等问题,提出了一种“取热不取水”的、以同轴套管换热系统为关键系统的新型地热开发方式,建立了直井与多分支井同轴套管闭式换热系统数值模型,对比分析取热效果并开展了参数敏感性分析。结果表明:相同条件下,多分支井系统较直井系统具有更高的出口温度和取热功率,但导致注入压力显著上升。两种井型对于各参数的响应基本一致,仅程度不同,其中注入温度、流量、保温管长度、地层和水泥导热系数会显著影响系统的取热效果。该结果对深层地热开采的井型选择具有指导意义。

关键词：地热能同轴套管换热器多分支井数值模拟

雄安新区地热井同轴套管闭式循环取热技术研究

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2021年第9期54卷 971-981页

作者：宋先知张逸群李根生李瑞霞于超李敬彬郭啸峰中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室北京102249 中国石化集团新星石油有限责任公司北京100083

地热能是一种含量丰富、成本相对低廉且分布广泛的可再生能源.雄安新区地热储量丰富,亟需高效取热的技术.地热井同轴套管闭式循环取热技术是一种适用于中深层地热、兼具换热效率高和“取热不取水”等优点的新型地热开发模式.单井同轴套... 详细信息

地热能是一种含量丰富、成本相对低廉且分布广泛的可再生能源.雄安新区地热储量丰富,亟需高效取热的技术.地热井同轴套管闭式循环取热技术是一种适用于中深层地热、兼具换热效率高和“取热不取水”等优点的新型地热开发模式.单井同轴套管闭式换热系统由钻入地热地层中的垂直井以及井筒中呈同轴位置关系的中心管组成.在此系统中,循环工质从地面通过高压泵被注入环空,通过热对流和热传导从井壁提取热量,然后通过中心管返回地面流经热交换器被利用.本文针对雄安新区地热储层,首先完成同轴套管保温结构、高导热水泥的设计与研发;然后根据设计结果,对地热储层最大产能、井下换热系统取热效率及关键参数的影响规律进行了数值模拟研究;最后在研究基础上,开展同轴套管闭式循环取热技术的现场试验,完成针对中低温地热资源的同轴套管闭式循环取热技术研究及分析,并基于现场情况对不同热储条件和保温结构进行了经济性分析.研究结果表明,地热井同轴套管闭式循环取热技术可以满足对中深层地热能的开发需求,设计的保温结构和高导热水泥对取热供热有积极作用,形成了包括井身结构设计、保温结构设计、井下高效取热装置开发等在内的地热井高效取热完整技术体系.

关键词：地热能同轴套管换热器保温结构数值模拟现场试验可行性分析

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中深层地热用井下同轴换热器取热特性研究

中深层地热用井下同轴换热器取热特性研究

作者：王子勇河北工程大学

学位级别：硕士

中深层地热用井下换热系统是一种新型的热泵供暖技术,与传统浅层地埋管换热系统相比,其具有占地面积小并且高效节能的特点,对实现清洁供暖具有重要的意义。中深层地热用井下换热系统的核心是热源侧的井下换热装置,为了保证井下换热系统... 详细信息

中深层地热用井下换热系统是一种新型的热泵供暖技术,与传统浅层地埋管换热系统相比,其具有占地面积小并且高效节能的特点,对实现清洁供暖具有重要的意义。中深层地热用井下换热系统的核心是热源侧的井下换热装置,为了保证井下换热系统的高效稳定,一般选择使用同轴套管式井下换热器。本文建立了单个中深层地热用井下同轴换热器系统的数值模型,对单个中深层地热用井下同轴换热器与地下岩土之间的传热特性进行了研究。首先本文通过整理依托项目的中深层地热井勘探所得到的地质特性和地下岩土分布资料,得到了模拟研究所需的物理参数值。介绍了地热井的整体结构以及其几何尺寸。通过进行中深层地热用井下同轴换热器的换热实验得到地下岩土的温度场以及温度梯度。其次利用传统的浅层地下竖直埋管的传热分析方法,将井下换热区域分为井孔外和井孔内两个区域进行分析研究,得到了在外进内出和内进外出两种不同的流动方式下环腔流体和内管流体的沿程温度分布,但这种传统的传热分析方法假定井孔壁的温度在井深方向保持一致,忽略了中深层井在轴向的温度梯度,其计算结果会产生一定误差。最后针对中深层地热用井下同轴换热器复杂的传热过程,本文采用一种基于有限差分所建立的数值模型对其进行模拟研究,数值模型中采用ADI法对方程进行离散,并用追赶法对其进行求解,大大缩短了计算时间。在数值模型中考虑了地下岩土的地温梯度,回填材料以及管壁和流体的热容。模拟计算结果与现场换热实验结果进行了对比,显示计算精度较高。本文通过所采用的数值模型对单个中深层地热用井下同轴换热器的传热机理进行了研究,分析了影响其换热性能的因素,得到了关于优化换热器换热性能的一些结论。研究结果对深入分析中深层地热用井下同轴换热器的取热性能提供了理论依据。

关键词：中深层地热井同轴套管换热器传热特性数值模拟