廢棄礦井地熱資源再開發與循環利用技術

郭世博

(河北省煤田地質局第二地質隊(河北省干熱巖研究中心),河北 邢臺 054000)

煤炭的大量開采與使用是造成溫室效應等環境問題的主要原因之一[1]。在《巴黎氣候協定》中規定,各國政府務必采取相應措施減少化石能源的使用量,提升清潔能源使用份額[2]。我國政府也為此提出煤炭去產能政策,關閉部分產能不合格、不滿足安全綠色開采要求以及開采結束、資源枯竭的礦井。

廢棄礦井遺留下大量關于環境、資源以及社會的問題,包括但不限于地表大面積塌陷、地下水水質污染、閑置采礦設施設備及廠房等占用土地資源、原礦區工人失業等[3]。但是,在廢棄礦井中,仍然存在種類豐富的潛在資源。建立多樣化再開發策略能夠對其中資源充分利用,例如:廢棄礦井中蘊含的大量地熱資源即為可再生清潔能源,地熱資源的開采成本較低且符合可持續發展要求。若采用地熱資源替代傳統煤炭資源能夠大幅度降低碳排放量,可以在一定程度上緩解環境問題的進一步惡化[4]。

可持續發展理念使人們更加注重清潔能源的使用[5],地熱能是一種經濟的可再生清潔能源。廢棄礦井中存在大量待開發的地熱資源,通過采熱設備采集廢棄礦井中的地熱能并轉換為人們生活中可用資源能夠大幅度降低化石資源使用量,減少碳排放,達到節能減排的目的。同時,對廢棄礦井再開發能夠創造新的礦區經濟活動,促進礦區重建與恢復。

一般情況下,地熱資源的常規利用方式有如下3種:供熱水、工業利用以及醫療保健[6]。針對廢棄礦井地熱資源在供熱方面的利用,以循環換熱系統為對象,本研究提出了一種地熱資源再開發與循環利用技術。

1 地熱供熱過程影響循環換熱系統采熱的因素分析

循環換熱系統使用最為普遍的流體工質為水,水損失對采熱的影響十分重要[7-8]。因此,本文對以水為工質的循環換熱系統的影響因素加以分析,并將分析結果作為優化循環換熱系統的理論依據。

1.1 地層滲透率

地層滲透率變化下產出流量、水損失流量、產出溫度和采熱效率變化情況如圖1所示。

圖1 地層滲透率變化下產出流量、水損失流量、產出溫度和采熱效率變化情況Fig.1 Changes of production flow,water loss flow,production temperature and heat recovery efficiency under the change of formation permeability

由圖1(a)可知,當地層滲透率足夠低時,水損失流量基本為0,在該情況下,增大地層滲透率對水損失流量的影響很小,但在地層滲透率持續提升過程中,水損失流量隨之增加。這是由于當地層滲透率足夠低時,水難以滲透至地層之中,造成的損失極小[9-10];而逐漸增大地層滲透率后,水在地層中的流動阻力隨之降低,導致水損失流量的增加。在地層滲透率小于10-17m2前,水損失流量基本可以忽略不計;當地層滲透率高于10-15m2后,水損失流量很高且產出流量基本為0。由此可知,當地層滲透率達到一定值后不可忽略水損失流量對產出流量的影響。

由圖1(b)可知,不同地層滲透率下產出溫度和采熱效率均在短時間內迅速上升,而后保持平穩狀態,經過一段時間后開始下降。產出溫度開始降低的時間點被稱作熱突破時間,產出井井筒和儲層導熱是導致產出溫度下降的主要原因。在采熱初期,產出井具有相對穩定的井底溫度,產出井井筒向地層導熱逐漸減小并進入穩態,因此產出溫度迅速提高后趨于穩定;在時間不斷增加過程中,儲層被冷卻,產出井井底溫度降低,由此導致產出溫度降低。較高的地層滲透率對應較低的產出溫度和采熱效率,這是因為在地層滲透率較高的情況下產出流量較小,對應的穩態產出溫度較低,而穩態采熱效率隨著產出流量和穩態產出溫度的降低而減慢[11-12]。

同時,由圖1(b)中可見,熱突破時間受地層滲透率的影響不大。經分析,這可能與低產出流量和高水損失流量相關,兩者綜合后對儲層冷卻影響相互抵消。在考慮水損失因素后能夠發現,熱突破時間不僅受產出流量或注入流量的影響,同時也受到水損失流量影響。綜上所述,高地層滲透率會降低采熱,若不考慮水損失對采熱的影響,會導致采熱效率估計值偏高的問題。因此,在優化循環換熱系統時考慮儲層向地層的水損失情況能夠得到更準確的預測效果。

1.2 儲層平均滲透率

儲層平均滲透率變化下產出流量、水損失流量、產出溫度和采熱效率變化情況如圖2所示。

圖2 儲層平均滲透率變化下產出流量、水損失流量、產出溫度和采熱效率變化情況Fig.2 Changes of output flow,water loss flow,production temperature and heat recovery efficiency under the change of average permeability of reservoir

由圖2(a)可以看出,隨著儲層平均滲透率的升高,產出流量迅速增加,而水損失流量變化不大,以緩慢的速度上升。這是因為較大的儲層平均滲透率對應較低流動阻力,產生較高的產出流量和儲層邊緣水壓[13-14]。由圖2(b)可以看出,產出溫度和采熱效率隨時間的變化趨勢與地層滲透率類似,均是短暫上升后達到穩定狀態,超過熱突破時間后持續下降。高產出流量和較為穩定的水損失流量促進了采熱,因而導致采熱效率的下降。

綜合考慮水損失受地層滲透率和儲層平均滲透率的影響,得到不同水損失比例下儲層平均滲透率與地層滲透率比值關系如圖3所示。

學習以學生為主體，自主建構知識意義，并不是說所有知識都能在某種仿真情境中建構，仍有知識需要教師的課堂傳授和講解。就是相對適合情境教學的語言學習，也需要教師傳授詞匯語法等知識，每個知識點都讓學生在情境中構建的想法既不實際，也不科學，例如第三單元是關于飛機遭遇雷擊的故事，讓學生親身經歷這種情境簡直是匪夷所思。多媒體可以是一個很好的教學工具，能夠幫助建立更多情境，但是教學設計對多媒體的依賴將大大增加。

圖3 水損失比例與儲層平均滲透率和地層 滲透率比值的關系Fig.3 Relationship between water loss ratio and average reservoir permeability and formation permeability ratio

由圖3可以看出,在儲層平均滲透率與地層滲透率比值低于100前,水損失比例近似線性降低;當比值超過100后,水損失比例降低速度逐漸減慢;在比值為100時,水損失比例在20%左右;在比值高于2 000后,水損失比例接近于0。由此可知,在儲層平均滲透率與地層滲透率比值低于2 000前,應對循環換熱系統在采熱過程中的水損失加以考慮。

1.3 地溫梯度

地溫梯度變化下產出流量、水損失流量、產出溫度和采熱效率變化情況如圖4所示。

圖4 地溫梯度變化下產出流量、水損失流量、產出溫度和 采熱效率變化情況Fig.4 Changes of output flow,water loss flow,output temperature and heat recovery efficiency under geothermal gradient

由圖4(a)可見,隨著地溫梯度的增加,產出流量和水損失流量隨之上升。因為當水的黏度較低時,多孔介質中流動阻力較小[15]。由圖4(b)可以看出,較大地溫梯度對應較高穩態產出溫度和穩態采熱速率,但較大地溫梯度對應較低熱突破時間。由于較大地溫梯度對應較高的儲層初始溫度和產出井井底溫度,以及較高的產出流量和水損失流量,由此可知循環換熱系統采熱與多孔介質初始溫度存在重要關聯[16]。因此,在優化循環換熱系統時需要加入對水損失的考慮。

2 優化循環換熱系統

本文結合上述地層滲透率、儲層平均滲透率和地溫梯度對水損失影響的分析結果,優化單井同軸套管閉式循環換熱系統。在該系統中,高壓泵將循環水由地面注入環空,水在環空中通過熱對流和熱傳導效應提取井壁熱量,經由中心管輸送至地面,為交換器所用,實現地熱資源的再開發與循環利用。

為了降低內管中的水損失、提升采熱效率,設計雙層保溫管,在內管與外管之間形成全結構空氣環空系統,有效避免水損失,實現高質量隔熱保溫效果。雙層保溫管結構如圖5所示。

圖5 雙層保溫管結構Fig.5 Structural diagram of double layer insulation pipe structure

為提升儲層與套管之間的換熱效率,在套管和儲層中注入固井水泥作為換熱媒介,固井水泥中起到換熱和抗壓作用的主要成分為石墨、銅和鐵,地熱儲層基于熱傳導效應通過固井水泥傳熱至套管,實現循環采熱。

此外,固井水泥的導熱系數對采熱效果起到決定性作用[17-18]。因此,本文對固井水泥相關指標加以研究,得到導熱系數的影響因素如下:①環境溫度。環境溫度直接影響固井水泥的導熱系數,環境溫度與導熱系數呈負相關。②固井水泥孔隙度。固井水泥孔隙度和石墨導熱性也是決定導熱系數的主要因素,石墨能夠提升固井水泥的導熱性,增大導熱系數,但與此同時會增加固井水泥孔隙度,減小導熱系數。建立固井水泥溫度分別為80、100、120 ℃時導熱系數隨石墨含量變化趨勢,如圖6所示。

圖6 不同石墨含量下導熱系數變化Fig.6 Changes in thermal conductivity with different graphite contents

(3)抗壓強度。安全性和穩定性是循環換熱系統的運行前提,在保證導熱系數的同時抗壓強度不容忽視。經分析發現,當石墨含量在0%～15%,鐵含量在0%～20%,銅含量0%～20%時固井水泥的抗壓強度較為合理,具體數值視采熱環境決定。

3 地熱資源再開發與循環利用技術驗證與分析

選取河北省某廢棄礦井開展實驗,基于上述設計的單井同軸套管閉式循環換熱系統,利用地熱能實現冬季供熱和夏季制冷。

供熱泵與循環換熱系統如圖7所示。實驗設置和相關參數見表1。

在循環水流量分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 kg/s時,模擬并分析1年中循環采熱系統地埋管進出口溫度變化情況,如圖8所示。

圖7 供熱泵與循環換熱系統Fig.7 Heat supply pump and circulating heat exchange system

表1 實驗設置和相關參數Tab.1 Experimental settings and related parameters

分析圖8可知,在冬季供熱階段,循環換熱系統由廢棄礦井地下巖土體中持續攝取熱量,造成巖土體溫度整體下降的趨勢。為了避免熱量失衡,循環水需要不斷降低地埋管進出口溫度;在結束冬季供熱后,循環換熱系統運行暫時終止,地埋管進出口溫度逐漸上升直到接近于地表溫度;在夏季制冷過程中,熱量經循環換熱系統輸送至巖土體中,巖土體溫度隨之升高,地埋管進出口溫度進而上升。在夏季制冷結束后,循環換熱系統再次終止運行,地埋管進出口溫度下降至地表溫度,進入下一次循環。

圖8 不同循環水流量下進出口溫度變化Fig.8 Temperature change at inlet and outlet under different circulating water flows

分別模擬不同循環水流量下冬季供熱和夏季制冷時單井同軸套管閉式循環換熱系統進出口溫度變化情況,如圖9和圖10所示。

由圖9和圖10可知,在冬季供熱中,循環換熱系統運行初期進出口溫度下降較快,隨后達到平穩,不同循環水流量下的進出口溫度略有差異,較大的流量對應較高的進口溫度和較低的出口溫度,這是因為在取熱量相同的情況下,增大循環水流量,將會降低進出口溫差,反之會增大溫差。在夏季制冷中,循環換熱系統運行初期進出口溫度上升較快,中后期達到平穩,較大的循環水流量對應較低的進口溫度和較高的出口溫度。該分析結果與循環采熱系統地埋管在1年中的進出口溫度變化趨勢基本一致。

以循環水外進內出的方式運行循環換熱系統,驗證所提方法地熱資源再開發與循環利用技術性能。依據當地采熱需求計算進出口溫度預期值,將模擬運行數值、實際運行數值和預期值加以對比,結果如圖11所示。

圖9 冬季供熱不同循環水流量下進出口溫度變化Fig.9 Temperature changes at inlet and outlet under different circulating water flows for heating in winter

圖10 夏季制冷不同循環水流量下進出口溫度變化Fig.10 Temperature changes at inlet and outlet under different circulating water flows of refrigeration in summer

圖11 模擬運行數值與實際運行數值對比Fig.11 Comparison between simulated operation values and actual operation values

由圖11可以看出,實際換熱中受到巖土體結構、地下水徑流等外界環境的影響,換熱波動較大,但模擬運行時將外界環境設置在一定范圍內。因此,模擬運行數值較為平滑,雖然兩者間存在一定差異,但總體趨勢保持一致。此外,研究設計的單井同軸套管閉式循環換熱系統模擬運行數值和實際運行數值均與預期值吻合度較高,即優化后系統能夠達到預期效果。說明將本研究設計的循環換熱系統用于地熱資源的再開發與循環利用中具有一定可行性及優越性。

4 結語

礦井廢棄說明已經完成該礦井的地下礦物開采,但廢棄礦井并非一無是處,對廢棄礦井地熱資源再開發能夠將其變廢為寶,進而減少非再生能源的使用,降低碳排放,助力可持續發展。

以地層滲透率、儲層平均滲透率和地溫梯度在循環換熱系統采熱中對水損失的影響研究結果為基礎,本研究優化了單井同軸套管閉式循環換熱系統,并設計雙層保溫管結構緩解水損失,分析固井水泥成分對導熱效果的影響,確定最優成分占比范圍。

在河北省選取廢棄礦井開展實驗發現,采用該方法優化后循環換熱系統能夠達到預期效果,具有一定可行性和優越性,為廢棄礦井地熱資源開發與利用提供了思路。