利用棄井開采中深層地?zé)崮苊x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(xué) 熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.濟(jì)南有方新能源科技有限公司，山東濟(jì)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(fā)利用迫在眉睫。地?zé)崮茏鳛榭稍偕茉?，得到了越來越多的利用。地埋管地源熱泵系統(tǒng)具有節(jié)能減排的顯著優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中也遇到了一些技術(shù)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(diào)系統(tǒng)全年的冷熱負(fù)荷平衡有較高的要求，因此限制了其在嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用[1]。由于中深層地?zé)豳Y源豐富，具有儲量大、分布廣、清潔環(huán)保、穩(wěn)定可靠等特點，開發(fā)潛力巨大，因此得到了廣泛利用。中深層地?zé)崮苤饕傅叵?00～3 000 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(huán)境污染問題。深井鉆孔埋管換熱器的地源熱泵系統(tǒng)作為近幾年新興的地?zé)崮芾眯问?，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(shè)備相連接，形成閉式循環(huán)系統(tǒng)。與常規(guī)地?zé)崮芾眯问较啾?，其具有只取熱不取水、無回灌問題、建設(shè)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(yōu)勢，因此有廣闊的發(fā)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(xù)生產(chǎn)，許多石油儲層耗盡，油井廢棄。目前，全球范圍內(nèi)已經(jīng)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?zé)嵯到y(tǒng)加以利用，不僅可以降低鉆井成本，而且還可以產(chǎn)生大量的熱能[6]。卜憲標(biāo)等[7-9]對于應(yīng)用廢棄油氣井改造成同軸換熱器獲得中深層地?zé)崮苓M(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)循環(huán)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(tǒng)，建立注入井和采出井的二維換熱模型，研究結(jié)果表明:影響工質(zhì)出口溫度最重要的因素為入口溫度、地溫梯度和質(zhì)量流量，在實際開采過程中應(yīng)重點考慮。董秋生等[11]結(jié)合塘沽地區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)資料和油井井身結(jié)構(gòu)，探索將廢棄的石油井改造為地?zé)峋⑼ㄟ^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?zé)崧窆軗Q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(qū)的1 000 m深井中實現(xiàn)，盡管在低流量下生產(chǎn)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(qū)域供熱。Kiaghadi等[13]將即將關(guān)閉的油氣井作為地?zé)峋M(jìn)行改造，通過熱能輸送的淡水閉環(huán)系統(tǒng)來克服鉆井成本和結(jié)垢形成，傳熱建模與水處理熱力學(xué)相結(jié)合的方式研究表明:4 000 m深的地?zé)崽荻葹?.05℃/m的井可成功處理高達(dá)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(huán)空向下循環(huán)，再向上通過內(nèi)部絕緣的地質(zhì)柱，使用數(shù)值模擬器，獲得關(guān)于影響循環(huán)工作流體的出口溫度和從地?zé)峋刑崛〉睦鄯e熱量的參數(shù)。

為了探討棄井開采中深層地?zé)崮軙r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(shù)學(xué)物理模型，通過數(shù)值模擬計算，分析了棄井改造中的多個參數(shù)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?zé)崮艿膿Q熱模型建立及參數(shù)設(shè)置

1.1 棄井改造及模型建立

棄井是指經(jīng)過若干年的采油生產(chǎn)后，已無開采價值的油井[15]。其井身結(jié)構(gòu)完整，主要由導(dǎo)管、表層套管、技術(shù)套管、油層套管和各層套管外的水泥環(huán)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(dá)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(cè)使用。忽略地下水流動的影響，根據(jù)同軸埋管換熱器的幾何特征，依據(jù)有限差分法建立的棄井換熱器的高效模擬模型的計算網(wǎng)格劃分[16]如圖2所示。

圖1 棄井換熱器熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 有限差分法模擬模型的計算網(wǎng)格劃分圖

1.2 參數(shù)設(shè)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(jìn)行參數(shù)分析和工程設(shè)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(nèi)是恒定的；

(2)中深層地埋管換熱器系統(tǒng)的進(jìn)口水溫在取熱期間應(yīng)≥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(shù)設(shè)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(dǎo)熱系數(shù)不同且深度均為500 m的土層。各土層的物性參數(shù)及豎向分布見表1。

表1 各土層物性參數(shù)及豎向分布表

1.2.3 其他參數(shù)設(shè)置

棄井換熱器中的循環(huán)介質(zhì)為水，地表對流換熱系數(shù)為15 W/(m2·K)，大地?zé)崃鳛?.035 W/m2，當(dāng)?shù)卮髿馄骄鶞囟葹?2.5℃。

1.2.4 名義取熱量的計算

根據(jù)棄井改造的數(shù)值模型，利用Fortran語言編譯出相應(yīng)的計算機(jī)程序，只需輸入換熱器的幾何尺寸、計算區(qū)域和離散化設(shè)置、幾何尺寸、循環(huán)水流量以及相應(yīng)的地質(zhì)參數(shù)，通過設(shè)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?zé)崮苊x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(nèi)管外徑為110 mm、外管的導(dǎo)熱系數(shù)為60.5 W/(m·K)、內(nèi)管的導(dǎo)熱系數(shù)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(xiàn)拐點，之后增長速率明顯放緩，當(dāng)水流量達(dá)到18 kg/s時，名義取熱量基本不再增加。這是因為當(dāng)流量不大時，換熱器內(nèi)的對流換熱系數(shù)會隨著流量的增大而增大，名義取熱量會明顯增加；但當(dāng)流量達(dá)到一定程度時，換熱器的進(jìn)、出口的溫差減小，與增大的對流換熱系數(shù)帶來的效果基本抵消，導(dǎo)致名義取熱量增速變平緩?？紤]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(huán)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(dǎo)熱系數(shù)對名義取熱量的影響

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

(1)取外管導(dǎo)熱系數(shù)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(nèi)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(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)的增大而增大，但當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)增大到一定程度時，名義取熱量趨于定值。導(dǎo)熱系數(shù)增大，相當(dāng)于導(dǎo)熱熱阻減小，加強了水與巖土層的換熱，但大地的導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)的變化圖

2.3 中心管的選擇

2.3.1 中心管管徑與導(dǎo)熱系數(shù)對名義取熱量的影響

在鉆孔深度為2 000 m、循環(huán)水流量為5 kg/s、外管外徑為 244.5 mm、外管的導(dǎo)熱系數(shù)為60.5 W/(m·K)的條件下，分別改變中心管的導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)和管徑的增加而減小。中心管導(dǎo)熱系數(shù)增加，減小了中心管的熱阻，使中心管水和外管水之間出現(xiàn)了“熱短路”現(xiàn)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(jìn)水溫度較低，出現(xiàn)了中心管水向外管水傳熱的現(xiàn)象，導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)越小越好。

圖7 名義取熱量隨中心管導(dǎo)熱系數(shù)與管徑的變化圖

2.3.2 中心管材料的選擇

聚乙烯管的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.41 W/(m·K)，聚丙烯管的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.24 W/(m·K)，聚氯乙烯管的導(dǎo)熱系數(shù)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(yīng)的名義取熱量見表2。

表2 不同中心管材料對應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)強度、經(jīng)濟(jì)以及運輸和安裝等方面的因素，綜合選取。必要時可以在現(xiàn)有中心管材料的外層涂敷一層保溫材料。

3 結(jié)論

對棄井改造后的中深層同軸換熱器模型進(jìn)行了數(shù)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(jié)論:

(1)名義取熱量會隨著循環(huán)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(dāng)水流量達(dá)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(dǎo)熱系數(shù)的增大而增大，但當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)小的材料。