利用棄井開采中深層地熱能名義取熱量的模擬

滿意，姜國心，杜甜甜，方亮，方肇洪

(1.山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南250101；2.濟南有方新能源科技有限公司，山東濟南250101)

0 引言

隨著全球能源短缺問題的加劇，對綠色能源的開發利用迫在眉睫。地熱能作為可再生能源，得到了越來越多的利用。地埋管地源熱泵系統具有節能減排的顯著優點，但在實際應用中也遇到了一些技術上的限制，如(1)地埋管換熱器需要占用一定的場地；(2)淺層地埋管換熱器對于空調系統全年的冷熱負荷平衡有較高的要求，因此限制了其在嚴寒地區的應用[1]。由于中深層地熱資源豐富，具有儲量大、分布廣、清潔環保、穩定可靠等特點，開發潛力巨大，因此得到了廣泛利用。中深層地熱能主要指地下200～3 000 m的地層中蘊含的熱能資源[2]，充分利用可以有效緩解目前的能源短缺和環境污染問題。深井鉆孔埋管換熱器的地源熱泵系統作為近幾年新興的地熱能利用形式，其鉆孔深度一般為1 500～2 500 m，將同軸閉式換熱器埋于孔中，通過管路與地面換熱設備相連接，形成閉式循環系統。與常規地熱能利用形式相比，其具有只取熱不取水、無回灌問題、建設周期短、適用范圍廣、單孔換熱能力強、打井占地面積小、運行成本低等優勢，因此有廣闊的發展前景[3-5]。但深井鉆孔埋管換熱器也存在打井難度大、造價高等問題。

隨著連續生產，許多石油儲層耗盡，油井廢棄。目前，全球范圍內已經有約20.3億個廢棄井，如果將廢棄的油氣井稍加改造，作為地熱系統加以利用，不僅可以降低鉆井成本，而且還可以產生大量的熱能[6]。卜憲標等[7-9]對于應用廢棄油氣井改造成同軸換熱器獲得中深層地熱能進行了研究，發現循環流體的流量和地溫梯度是影響換熱量的2個最主要因素。梁昌文等[10]研究以廢棄油井作為注入井和采出井，以高溫溶腔作為主要熱儲的換熱系統，建立注入井和采出井的二維換熱模型，研究結果表明:影響工質出口溫度最重要的因素為入口溫度、地溫梯度和質量流量，在實際開采過程中應重點考慮。董秋生等[11]結合塘沽地區地熱地質資料和油井井身結構，探索將廢棄的石油井改造為地熱井，并通過T38-1、T38-2井成功改造實例證明其可行性。Caulk等[12]研究了加利福尼亞州廢棄井改造成熱干巖型地熱埋管換熱器的適用性，研究表明:出口流體溫度＞40℃可以在溫度梯度＞7℃/100 m的地區的1 000 m深井中實現，盡管在低流量下生產溫度高，但COP在中等流量(4.4 L/s)和深度(5 000 m)下較大。目前在深度BHE中使用0.8～6.0 L/s的流量，用于整個歐洲各個建筑物的區域供熱。Kiaghadi等[13]將即將關閉的油氣井作為地熱井進行改造，通過熱能輸送的淡水閉環系統來克服鉆井成本和結垢形成，傳熱建模與水處理熱力學相結合的方式研究表明:4 000 m深的地熱梯度為0.05℃/m的井可成功處理高達170 000 mg/L溶解固體總量的采出水，并且每天仍可提供近600 000 L清水；R?ksland等[14]通過在廢棄的石油井中改造雙管換熱器來研究從地表下提取熱量的潛在量，工作流體通過環空向下循環，再向上通過內部絕緣的地質柱，使用數值模擬器，獲得關于影響循環工作流體的出口溫度和從地熱井中提取的累積熱量的參數。

為了探討棄井開采中深層地熱能時的取熱效率，文章針對取熱改造后的棄井的物理特點，建立了棄井換熱器的數學物理模型，通過數值模擬計算，分析了棄井改造中的多個參數對棄井換熱器名義取熱量的影響。

1 利用棄井開采中深層地熱能的換熱模型建立及參數設置

1.1 棄井改造及模型建立

棄井是指經過若干年的采油生產后，已無開采價值的油井[15]。其井身結構完整，主要由導管、表層套管、技術套管、油層套管和各層套管外的水泥環等組成。取熱模型改造簡單，只需要將井底封死，下入中心套管即可，既不存在堵塞、腐蝕等問題，也不存在回灌難的問題。

棄井換熱器熱泵系統結構如圖1所示，外管作為注入管，中心管作為采出管。水從注入管流入，到達井底后反向由采出管流出，流體通過注入管的外壁與巖石換熱，熱水作為熱泵的低位熱源和熱泵換熱，通過熱泵提升的高位熱量通過水泵供給用戶側使用。忽略地下水流動的影響，根據同軸埋管換熱器的幾何特征，依據有限差分法建立的棄井換熱器的高效模擬模型的計算網格劃分[16]如圖2所示。

圖1 棄井換熱器熱泵系統結構示意圖

圖2 有限差分法模擬模型的計算網格劃分圖

1.2 參數設置

1.2.1 名義取熱量的定義

棄井換熱器的取熱性能同時受到換熱器的物理特性和取熱工況的影響，難以量化某一特定鉆孔的取熱量。為了便于對棄井換熱器進行參數分析和工程設計，采用名義取熱量衡量棄井換熱器的取熱性能。名義取熱量定義為下述特定工況下，棄井換熱器可以提供的最大取熱量[1]:

(1)取熱量在90 d內是恒定的；

(2)中深層地埋管換熱器系統的進口水溫在取熱期間應≥5℃；

(3)巖土中的初始溫度分布確定，且取熱開始時巖土層未受來自棄井換熱器的擾動。

1.2.2 土壤物性參數設置

由于棄井換熱器的鉆孔較深，一般會穿越若干個物性不同的土層。將換熱器所埋土壤分成了4層導熱系數不同且深度均為500 m的土層。各土層的物性參數及豎向分布見表1。

表1 各土層物性參數及豎向分布表

1.2.3 其他參數設置

棄井換熱器中的循環介質為水，地表對流換熱系數為15 W/(m2·K)，大地熱流為0.035 W/m2，當地大氣平均溫度為12.5℃。

1.2.4 名義取熱量的計算

根據棄井改造的數值模型，利用Fortran語言編譯出相應的計算機程序，只需輸入換熱器的幾何尺寸、計算區域和離散化設置、幾何尺寸、循環水流量以及相應的地質參數，通過設計計算和模擬計算，即可獲得該條件下的名義取熱量。

2 中深層地熱能名義取熱量的模擬與分析

2.1 水流量與鉆孔深度對名義取熱量的影響

在外管外徑為244.5 mm、內管外徑為110 mm、外管的導熱系數為60.5 W/(m·K)、內管的導熱系數為0.41 W/(m·K)的條件下，計算合適的流量及名義取熱量。

(1)取棄井換熱器深度為2 000 m時，通過改變水流量得到的名義取熱量的變化如圖3所示。換熱器的名義取熱量隨著流量的增大而增大，在水流量為5 kg/s處出現拐點，之后增長速率明顯放緩，當水流量達到18 kg/s時，名義取熱量基本不再增加。這是因為當流量不大時，換熱器內的對流換熱系數會隨著流量的增大而增大，名義取熱量會明顯增加；但當流量達到一定程度時，換熱器的進、出口的溫差減小，與增大的對流換熱系數帶來的效果基本抵消，導致名義取熱量增速變平緩。考慮到隨著水流量的增加，泵的耗能隨之增加，因此，流量不宜過大，取5 kg/s較為合適。

圖3 名義取熱量隨循環水流量的變化圖

(2)取水流量為5 kg/s時，通過改變鉆孔深度得到的名義取熱量的變化如圖4所示。換熱器的名義取熱量隨著鉆孔深度的增加呈明顯上升趨勢，但并非線性變化，因為隨著深度的增加，地溫溫度升高，水通過管壁與巖土層的換熱量增加，所以名義取熱量增大。

圖4 名義取熱量隨鉆孔深度的變化圖

2.2 外管管徑與導熱系數對名義取熱量的影響

在鉆孔深度為 2 000 m，循環水流量為5 kg/s，內管外徑為110 mm，內管的導熱系數為0.41 W/(m·K)的條件下，計算名義取熱量。

(1)取外管導熱系數為60.5 W/(m·K)時，通過改變外管管徑得到的名義取熱量的變化如圖5所示。換熱器的名義取熱量隨著外管管徑的增大而增大。由于外管管徑增加，增大了管內流體與管壁的換熱面積，提高了換熱器的名義取熱量。

圖5 名義取熱量隨外管管徑的變化圖

(2)取外管外徑為244.5 mm時，通過改變外管導熱系數得到的名義取熱量的變化如圖6所示。換熱器的名義取熱量隨著外管導熱系數的增大而增大，但當導熱系數增大到一定程度時，名義取熱量趨于定值。導熱系數增大，相當于導熱熱阻減小，加強了水與巖土層的換熱，但大地的導熱能力是一定的，所以名義取熱量不會一直增大。

圖6 名義取熱量隨外管導熱系數的變化圖

2.3 中心管的選擇

2.3.1 中心管管徑與導熱系數對名義取熱量的影響

在鉆孔深度為2 000 m、循環水流量為5 kg/s、外管外徑為 244.5 mm、外管的導熱系數為60.5 W/(m·K)的條件下，分別改變中心管的導熱系數與管徑，得到名義取熱量的變化如圖7所示。換熱器的名義取熱量隨著中心管導熱系數和管徑的增加而減小。中心管導熱系數增加，減小了中心管的熱阻，使中心管水和外管水之間出現了“熱短路”現象，即由于從井底通過中心管返出水的溫度較高，而管口外管進水溫度較低，出現了中心管水向外管水傳熱的現象，導致了中心管向外管的熱回流，造成換熱器的名義取熱量減小。因此，中心管材料的導熱系數越小越好。

圖7 名義取熱量隨中心管導熱系數與管徑的變化圖

2.3.2 中心管材料的選擇

聚乙烯管的導熱系數約為0.41 W/(m·K)，聚丙烯管的導熱系數約為0.24 W/(m·K)，聚氯乙烯管的導熱系數約為0.14～0.28 W/(m·K)，在2.3.1的條件下，取中心管外徑為110 mm，幾種材料作為中心管分別對應的名義取熱量見表2。

表2 不同中心管材料對應的名義取熱量表

由表2可知，采用聚乙烯管作為中心材料，其對應的名義取熱量最小，聚丙烯管居中，但三者的名義取熱量相差不大。聚乙烯管和聚丙烯管比水輕，需要加重量來平衡，而聚氯乙烯管比水重，需要借助外力提起，防止其落底堵死水在管中的流動。所以在選取中心管材料時，除了要考慮換熱器獲得的名義取熱量，還要考慮基于熱性能、浮力、結構強度、經濟以及運輸和安裝等方面的因素，綜合選取。必要時可以在現有中心管材料的外層涂敷一層保溫材料。

3 結論

對棄井改造后的中深層同軸換熱器模型進行了數值模擬，分析了多種因素對換熱器模型名義取熱量的影響，得到以下結論:

(1)名義取熱量會隨著循環水流量和鉆孔深度的增大而增大；在水流量為5 kg/s時增長速率明顯放緩，當水流量達到18 kg/s時，名義取熱量基本不再增加。綜合考慮泵的消耗等因素，水流量不宜過大，存在著最佳水流量5 kg/s。

(2)名義取熱量會隨著外管管徑和外管導熱系數的增大而增大，但當導熱系數增大到一定程度時，名義取熱量趨于定值。

(3)名義取熱量會隨著中心管導熱系數和管徑的增加而減小，所以選取中心管材料時，要盡量選取導熱系數小的材料。