地?zé)徙@井井型選擇及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱挺 王聰

摘要：目前國(guó)內(nèi)地?zé)衢_(kāi)采主要以淺層地源熱泵系統(tǒng)和較深的水熱型地?zé)峋到y(tǒng)為主，這兩種方式都有各自的弊端。因此，人們開(kāi)始把目光轉(zhuǎn)向中深層地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)上，與其它清潔能源相比，干熱巖能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定、可靠且安全的能源供應(yīng)。目前國(guó)內(nèi)外干熱巖開(kāi)發(fā)的井型多為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，即地面流體通過(guò)注入井要進(jìn)入熱儲(chǔ)層，并不是上文中提到的無(wú)干擾供熱技術(shù)，使用閉環(huán)地?zé)峋_(kāi)發(fā)干熱巖的試驗(yàn)較少，因此本文擬在系統(tǒng)的調(diào)研開(kāi)環(huán)地?zé)峋偷幕A(chǔ)上，對(duì)每種地?zé)峋偷奶攸c(diǎn)分析研究，對(duì)三種具有代表性的閉環(huán)地?zé)峋偷膿Q熱能力進(jìn)行模擬計(jì)算，并對(duì)影響其換熱能力和出口水溫的井眼尺寸、水平段井筒長(zhǎng)度、注入流體的流速、地溫梯度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為無(wú)干擾地?zé)峁峒夹g(shù)井型選擇提供井型參考，給實(shí)際工程應(yīng)用中提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：地?zé)徙@井;井型選擇;參數(shù)優(yōu)化;設(shè)計(jì)

1目前存在問(wèn)題

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外干熱巖開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀相關(guān)文獻(xiàn)分析，針對(duì)干熱巖開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的研究存在以下問(wèn)題。（1）針對(duì)近幾年新興起的無(wú)干擾地?zé)峁峒夹g(shù)在鉆井領(lǐng)域并沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的定義，本文參考相關(guān)文獻(xiàn)將這種技術(shù)稱為“閉環(huán)地?zé)嵯到y(tǒng)”。（2）目前，干熱巖開(kāi)發(fā)井型多為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，由于無(wú)干擾地?zé)峁峒夹g(shù)是近幾年興起的技術(shù)，所以針對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的研究較少。對(duì)于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的研究，多為如何提高壓裂技術(shù)使得注采井之間實(shí)現(xiàn)有效的連通和避免系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)發(fā)生的熱突破效應(yīng)。（3）針對(duì)地?zé)衢_(kāi)發(fā)的井型缺少系統(tǒng)的分類(lèi)。

2地?zé)峋偷姆诸?lèi)

在系統(tǒng)的調(diào)研了目前國(guó)內(nèi)外地?zé)衢_(kāi)采井型的基礎(chǔ)上，筆者根據(jù)采熱井筒數(shù)量將地?zé)峋头譃閱尉到y(tǒng)和多井系統(tǒng)。根據(jù)井筒內(nèi)換熱流體是否進(jìn)入地層分為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。這里的閉環(huán)系統(tǒng)等同于上文中提到的無(wú)干擾清潔供熱技術(shù)。其中開(kāi)環(huán)單井系統(tǒng)分為直井井型和定向水平井井型。閉環(huán)單井系統(tǒng)根據(jù)循環(huán)流體注入方式的不同又可分為套管內(nèi)注入環(huán)空返出和環(huán)空注入套管內(nèi)返出兩種方式。開(kāi)環(huán)多井系統(tǒng)根據(jù)井的數(shù)量分為分支井型、一注一采井型、一注兩采井型和一注多采井型。其中一注一采井型根據(jù)其注入井和采出井的井型分為直井井型和定向井井型。一注兩采井型根據(jù)其注入井和采出井的位置關(guān)系分為直線型和非直線型。閉環(huán)多井系統(tǒng)主要包括U型對(duì)接井井型。

3地?zé)峋途C合對(duì)比優(yōu)選

3.1井型優(yōu)選的標(biāo)準(zhǔn)

在任意區(qū)塊選擇建成某種地?zé)嵯到y(tǒng)時(shí)，一方面要考慮該區(qū)塊的熱量需求即換熱功率，另外一方面也應(yīng)該在滿足熱量需求的條件下使得整個(gè)系統(tǒng)換熱成本最低，因此本節(jié)擬結(jié)合三種典型地?zé)峋膿Q熱量和其費(fèi)用定額，得出一個(gè)新的概念，回收期，用它可以表示換熱系統(tǒng)在運(yùn)行多久以后可以實(shí)現(xiàn)收益?；厥掌谠介L(zhǎng)表示該換熱系統(tǒng)從運(yùn)行到實(shí)現(xiàn)收益時(shí)間越長(zhǎng)，回收期越短表示該換熱系統(tǒng)從運(yùn)行到實(shí)現(xiàn)收益時(shí)間越短。

3.2井型優(yōu)選結(jié)果

通過(guò)上述計(jì)算，可知三種地?zé)峋睦碚摀Q熱功率如下表1所示。

計(jì)算依據(jù)：①冬季供暖按4個(gè)月計(jì)算;②供暖系統(tǒng)每天滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間按16小時(shí)計(jì)算;③用電電費(fèi)按0.5元/度計(jì);④市政供暖居民價(jià)每月5.8元/m2;⑤新建小區(qū)供暖管網(wǎng)配套費(fèi)住宅98元/m2;⑥運(yùn)行費(fèi)用按照業(yè)內(nèi)運(yùn)行費(fèi)用每個(gè)供暖季10元/m2估算。熱泵機(jī)組1套，投資約330萬(wàn)元。由已經(jīng)建成的地?zé)峋玫?，循環(huán)單井的供熱面積約為9500m2，

U型對(duì)接井供熱面積約為19000m2，一注多采地?zé)峋崦娣e約為68000m2。

（1）循環(huán)單井收益分析

①供暖費(fèi)收入為5.8元/m2月×4×9500m2=220400元

②供暖管網(wǎng)配套費(fèi)98元/m2×9500m2=931000元

③運(yùn)行費(fèi)用10元/m2×9500m2=95000元

項(xiàng)目總投資為247.98萬(wàn)元+330萬(wàn)元=577.98萬(wàn)元，配套費(fèi)收入為93.1萬(wàn)元，運(yùn)行費(fèi)用為9.5萬(wàn)元。相當(dāng)于總投資為493萬(wàn)元，年收入為22萬(wàn)元，回收期為22年。

（2）U型對(duì)接井收益分析

①供暖費(fèi)收入為5.8元/m2月×4×19000m2=440800元

②供暖管網(wǎng)配套費(fèi)98元/m2×19000m2=1862000元

③運(yùn)行費(fèi)用10元/m2×19000m2=190000元

項(xiàng)目總投資為634.77萬(wàn)元+330萬(wàn)元=967.77萬(wàn)元，配套費(fèi)收入為186.2萬(wàn)元，運(yùn)行費(fèi)用19萬(wàn)元。相當(dāng)于總投資為800萬(wàn)元，年收入為44萬(wàn)元，回收期為18年。

（3）一注多采地?zé)峋找娣治?/p>

①供暖費(fèi)收入為5.8元/m2月×4×68000m2=1577600元

②供暖管網(wǎng)配套費(fèi)98元/m2×68000m2=6664000元

③運(yùn)行費(fèi)用10元/m2×68000m2=680000元

項(xiàng)目總投資為1800萬(wàn)元+330×2萬(wàn)元=2460萬(wàn)元，配套費(fèi)收入為666.4萬(wàn)元，運(yùn)行費(fèi)用為68萬(wàn)元。相當(dāng)于總投資為1862萬(wàn)元，年收入為157萬(wàn)元，回收期為11年。

由表1可知循環(huán)單井、U型水平對(duì)接井、一注多采井的理論換熱量隨著井筒數(shù)量的增加依次增加。根據(jù)上面計(jì)算的三種地?zé)峋幕厥掌?，可知一注多采井型盡管前期投入巨大，但其回收期也是最短的，其次為U型對(duì)接井。在具體工程應(yīng)用中應(yīng)該結(jié)合具體換熱量需求以及成本預(yù)算，選擇對(duì)應(yīng)的地?zé)峋?。必要的時(shí)候可以使用單井系統(tǒng)和U型對(duì)接井型相結(jié)合的方式，例如唐延九珺本次地?zé)峋捎玫木褪且粋€(gè)單井系統(tǒng)和U型井相結(jié)合的方式以滿足所需要的換熱量。

4U型對(duì)接井換熱過(guò)程模擬和參數(shù)優(yōu)化

4.1幾何模型的建立

本文擬建立地?zé)峋才c周?chē)貙又g的等效二維換熱模型。本文采用ANSYS自帶的建模軟件進(jìn)行幾何建模。該模型將包括的幾何體模型有地?zé)峋怖锏乃型地?zé)峋?、井筒外圍水泥環(huán)以及井筒周?chē)貙?。該模型將地?zé)峋埠椭車(chē)貙有螤钤O(shè)置為兩個(gè)長(zhǎng)度相等的長(zhǎng)方形都是2500m，把井筒直徑的長(zhǎng)方形模型寬度設(shè)置為0.244m，地層長(zhǎng)方形模型寬度設(shè)置為20m。在模擬時(shí)可以將U型地?zé)峋譃槿文M，分別是注入井直井段，注入井水平段和采出井，只需改變模型換熱的邊界條件就可分別模擬出地?zé)峋膿Q熱過(guò)程，這樣做可以減少計(jì)算過(guò)程，提高了模擬的效率。在所建立的幾何模型中，與實(shí)際換熱模型參數(shù)一致，其中井眼深度為2500米，井筒周?chē)鷮?dǎo)熱地層半徑為20m，U型井筒的外徑為268mm，內(nèi)徑為244mm，兩地?zé)峋仓g的間距為400m，井眼半徑為180mm，水泥環(huán)的厚度為35.635mm。

4.2U 型對(duì)接井參數(shù)優(yōu)化

利用有限元軟件對(duì)U型水平對(duì)接井的具體換熱過(guò)程進(jìn)行了模擬，為了簡(jiǎn)化計(jì)算建立了二維幾何模型，得到了井筒內(nèi)流體和周?chē)貙訙囟确植紙D，并對(duì)影響地?zé)峋隹谒疁睾蛽Q熱量的四個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到以下結(jié)論。（1）經(jīng)過(guò)將數(shù)值計(jì)算的出口溫度值與軟件模擬的溫度值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，溫度基本相同，證明了上一章中建立的數(shù)學(xué)計(jì)算模型基本合理可行。（2）注入流體流速與出口水溫之間是正相關(guān)的，與換熱量是負(fù)相關(guān)的，當(dāng)注入流速應(yīng)該介于0.5-1m/s之間，可以保證出口水溫高的同時(shí)換熱量最大。（3）地?zé)峋鏊疁囟扰c井筒直徑為負(fù)相關(guān)，換熱量與井筒直徑為正相關(guān)，在實(shí)際工程應(yīng)用中既要保證出口水溫高而且能獲得最大的換熱量，還要考慮工程造價(jià)，井筒直徑在200mm左右最佳。（4）在實(shí)際工程應(yīng)用中要在能保證換熱量的條件下，要使水平段井筒長(zhǎng)度盡可能長(zhǎng)，既可以保證高出水溫度，又可以使其產(chǎn)生最大的換熱量。

5結(jié)束語(yǔ)

本文建立的地?zé)峋矁?nèi)溫度的數(shù)學(xué)模型以及數(shù)值計(jì)算模型給計(jì)算地?zé)峋矁?nèi)溫度流體溫度和換熱量提供了一個(gè)必要的參考，為后續(xù)的研究提供了一個(gè)理論依據(jù)。但是，在研究過(guò)程中由于筆者能力有限，對(duì)地?zé)峋Ｐ徒⒁约熬瓦x擇方面仍然需要更進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 汪集旸.中國(guó)大陸干熱巖地?zé)豳Y源潛力評(píng)估[A].中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所2012年度（第12屆）學(xué)術(shù)論文匯編—工程地質(zhì)與水資源研究室[C].中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所：中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所科技與成果轉(zhuǎn)化處，2013：7.

（作者單位：天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院）