一種用於U型地熱井的井下強化換熱系統及優化方法

2023-05-22 19:06:28

一種用於u型地熱井的井下強化換熱系統及優化方法
技術領域
1.本發明涉及地熱供暖技術領域，具體涉及一種用於u型地熱井的井下強化換熱系統及優化方法。


背景技術：

2.我國具有豐富的地熱資源，高效、持續開發地熱能對於實現「雙碳」發展目標具有重要意義。傳統的地熱資源開採方式主要以抽水(無回灌)或抽灌井結合為主，導致水位下降、回灌難、環境汙染等潛在問題。
3.目前，「取熱不取水」開發地熱資源已成為一種新的趨勢，出現了u型地熱井換熱、單井同軸換熱、水平井地埋管換熱、熱管換熱等，這類技術通過密閉取熱管柱實現與地下熱儲流體換熱，無需採出儲層熱水，滿足地下水管理要求。其中，在煤田領域得到成功應用的u型井技術在地熱開發中得到廣泛關注，該技術利用直井和水平井在儲層對接，形成u型結構，利用井筒自身進行換熱。該類井通常由下降段、水平段和上升段三部分組成，其中水平段是主要的取熱貢獻段。因此，強化水平段取熱是u型井高效生產的關鍵之一。
4.迄今為止，實際應用的u型地熱井在水平段採用不固井套管完井、固井套管完井等方式，幾乎沒有在水平段的管柱內部結構上做任何改進來強化換熱。雖然在其他領域採用了諸如處理表面、粗糙表面、擴展表面、擾流裝置、旋渦流裝置、螺旋管等強化換熱方法，但在儲層環境下還需要考慮水平段取熱後的儲層溫度恢復問題。
5.公開號為cn216481662u的專利文件，公開了一種高效閉式地熱井裝置，通過第一井室將地下熱池中的水利用閉式循環方式注入第二井室和第三井室，利用安裝在各自井室中的u型換熱管實現閉式熱對流換熱。為了獲得更大的熱交換面積，u型換熱管選用雙壁波紋金屬管，即換熱管的外壁、內壁均為波紋狀，通過波紋狀的布置和管內擾流，以增加換熱面積和金屬管的換熱係數，最大化的對井室內的液體熱能進行熱交換，提升井筒內的液體熱能利用率。該裝置只是強化了井室中流動的地下熱池中的水的換熱，不會影響周圍儲層的傳熱以及儲層溫度恢復過程。此外，當擾流達到一定極限後，即使增加過多的繞流結構，並不能顯著提高傳熱效果。
6.在u型地熱井生產過程中，儲層溫度下降幅度顯著的區域主要集中在水平段入口端，而在水平段出口端影響較小，也即沿著水平段軸向方向的周圍儲層溫度下降幅度差異大，這種情況不利於停暖季期間通過地層自身的熱傳導過程進行儲層溫度恢復，也就是說在水平段入口端周圍儲層溫度恢復慢，而水平段出口端周圍儲層溫度恢復快，造成水平段周圍儲層的熱不平衡現象。儲層在長期熱不平衡情況下運行會導致井口溫度逐漸下降，影響地熱的可持續開採。


技術實現要素：

7.本發明針對上述問題，提供了一種用於u型地熱井的井下強化換熱系統及優化方法，本發明增強了採暖季期間井筒流體與周圍儲層之間的換熱過程，同時又能通過強化換
熱短節的合理布置來調節水平段周圍儲層的熱不平衡問題、最大可能實現停暖季期間水平段周圍儲層溫度的均勻恢復。
8.本發明解決技術問題的技術方案為：
9.一種用於u型地熱井的井下強化換熱系統，包括下降段、水平取熱段、上升段，所述的水平取熱段包括傳統水平段和強化換熱水平段，所述的傳統水平段的首端與下降段連接，所述的傳統水平段的尾端與強化換熱水平段的首端連接，所述的強化換熱水平段的尾端與上升段連接，所述的強化換熱水平段包括n根短節和m根強化換熱套管，其中n≥1，m≥1，且所述的短節與強化換熱套管交錯分布，所述的短節包括短節套管以及短節套管內壁上的強化換熱單元，所述的強化換熱單元為向內的凸起。
10.強化換熱單元的布置方式為所述的強化換熱單元在短節套管內按照同一平面周向方式分布，同一平面周向上的強化換熱單元構成一個強化換熱單元組，一個短節套管內設置有多個沿軸向分布的強化換熱單元組。
11.具體的，每個短節包含的強化換熱單元組的數量至少為3組，每個強化換熱單元組包含的強化換熱單元數量至少為4個。
12.強化換熱單元的布置方式為所述的強化換熱單元在短節套管內按照螺旋方式分布，一個螺圈內的強化換熱單元構成一個強化換熱單元組，每個短節包含的強化換熱單元的螺圈數不少於3圈。
13.所述的強化換熱水平段的短節與套管的分布方式為，每間隔x根短節設置y根強化換熱套管，所述的x、y均為正整數；
14.傳統水平段長度lt與強化換熱水平段長度lh的比值大於0小於等於1；
15.傳統水平段長度lt與強化換熱水平段長度lh的比值取1、0.5、0.3、0.1；
16.所述下降段採用注水泥固井套管完井，下降段套管為高導熱套管；
17.所述傳統水平段採用注水泥固井套管完井，或者不注水泥套管完井，傳統水平段套管為高導熱套管；
18.強化換熱水平段採用注水泥固井套管完井，或者不注水泥套管完井，強化換熱水平段所用的短節套管和強化換熱段套管為高導熱套管；
19.所述上升段採用注水泥套管完井，上升段套管為保溫套管；
20.用於u型地熱井的井下強化換熱系統的優化方法，包括以下步驟：
21.z1：收集研究地熱儲層的巖石物性參數、巖石熱學參數、地溫梯度、儲層溫度、儲層深度、井身軌跡設計參數、下降段套管尺寸、下降段套管熱學參數、傳統水平段套管尺寸、傳統水平段套管熱學參數、強化換熱段套管尺寸、強化換熱段套管熱學參數、上升段套管尺寸、上升段套管熱學參數、短節套管尺寸、短節套管熱學參數、水泥環尺寸、水泥環熱學參數、短節長度、短節強化換熱單元的形狀及幾何參數、取熱工作介質及取熱工作介質的熱學參數基礎數據；
22.z2：選定一種短節和強化換熱套管的分布方式，所述的短節和強化換熱套管的分布方式為每間隔x根短節設置y根強化換熱套管，所述的x、y均為正整數；
23.z3：選定一種短節的強化換熱單元的形狀、幾何參數，強化換熱單元的形狀為向內凸起的任何幾何形狀；
24.z4：選定一種短節的強化換熱單元的布置方式，所述的強化換熱單元的布置方式
包括：
25.第一種，強化換熱單元的布置方式為所述的強化換熱單元在短節套管內按照同一平面周向方式分布，同一平面周向上的強化換熱單元構成一個強化換熱單元組，一個短節套管內設置有多個沿軸向分布的強化換熱單元組；每個短節包含的強化換熱單元組的數量至少為3組，每個強化換熱單元組包含的強化換熱單元數量至少為4個；
26.第二種，強化換熱單元的布置方式為所述的強化換熱單元在短節套管內按照螺旋方式分布，一個螺圈內的強化換熱單元構成一個強化換熱單元組，每個短節的強化換熱單元的螺圈數不少於3圈；
27.z5：選定一個強化換熱水平段長度lh，根據水平段入口端和水平段出口端之間的距離確定剩餘的傳統水平段長度lt；
28.z6：利用comsol多場耦合數值模擬軟體，建立儲層和井筒耦合的物理模型以及數值計算模型，並給相關參數賦值；
29.z7：以設定的系統運行期限、每年供暖時間為4個月、每年停暖的儲層溫度恢復時間為8個月設置模型計算時間參數，給定一個固定的工作介質注入量，運行儲層和井筒耦合的數值計算模型，統計設定的系統運行期限末的累積產熱量、儲層平均溫度以及抑制熱不平衡程度；
30.所述的儲層平均溫度是指水平段周圍設定半徑範圍內的儲層溫度的算術平均值；
31.所述的抑制熱不平衡程度為水平段周圍設定半徑範圍內的儲層溫度的方差。
32.所述的水平段周圍設定半徑範圍可以是大於等於5米且小於等於30米的任意半徑範圍；
33.z8：依次重複步驟z5、步驟z4、步驟z3、步驟z2，得到一系列不同短節和強化換熱套管的分布方式、不同強化換熱單元形狀和幾何參數、不同強化換熱單元布置方式以及不同強化換熱水平段長度情況下的多個物理模型方案，將各個物理模型方案分別重複步驟z6和z7，得到對應的數值模擬方案結果；
34.z9：採用最大最小歸一化方法對各個數值模擬方案得到的設定的系統運行期限末的累積產熱量、儲層平均溫度以及抑制熱不平衡程度分別進行歸一化處理，然後採用權重方法計算各個數值模擬方案的綜合得分，確定綜合得分最高的數值模擬方案即為最優的傳統水平段長度lt與強化換熱水平段長度lh以及短節和強化換熱套管的分布方式、短節的強化換熱單元的形狀和幾何參數、短節的強化換熱單元的布置方式。
35.所述的最大最小化歸一化方法進行處理的方法按照公式(e1)進行計算，
[0036][0037]
式(e1)中，xmax為某一類參數的最大值，xmin為某一類參數的最小值，x(i)為某一類參數中第i個待處理參數的數值，x(i)為某一類參數中第i個待處理參數的歸一化結果；所述的某一類參數為累積產熱量、儲層平均溫度、抑制熱不平衡程度中的一種。
[0038]
所述的權重方法是將每個數值模擬方案得到的設定的系統運行期限末的累積產熱量、儲層平均溫度以及抑制熱不平衡程度進行歸一化處理後得到的數值分別乘以權重值w1、w2和w3，然後相加得到綜合得分；所述的權重值w1、w2和w3分別在0到1之間，w1、w2和w3三者之和等於1。
[0039]
所述的設定的系統運行期限可以是10年、20年、50年，也可以是大於10年以上的任意多年；
[0040]
發明內容中提供的效果僅僅是實施例的效果，而不是發明所有的全部效果，上述技術方案中的一個技術方案具有如下優點或有益效果：
[0041]
1、本發明採用分布式的短節強化換熱技術，通過帶內凸結構的短節與套管交錯分布排列形成強化換熱水平段，取熱介質在水平取熱段的後半段受到強化換熱單元的流動阻擋後，形成強烈擾流，增強取熱介質在水平取熱段的後半段的換熱量，從而最大可能地實現水平段均勻取熱；
[0042]
2、本發明克服了u型地熱井在水平段入口端周圍儲層取熱多、在出口端周圍儲層取熱少的熱不平衡狀態，有利於停暖期儲層溫度的均勻恢復；
[0043]
3、本發明結合具體儲層情況，以儲層溫度恢復速率和抑制熱不平衡為目標，採用數值模擬技術優化強化換熱水平段長度，實現u型地熱井優化、長效開採；
[0044]
4、本發明設計科學合理，通過設置強化換熱水平段內短節實現套管內取熱介質與周圍儲層強化換熱，現場實施簡便。
附圖說明
[0045]
圖1為本發明實施例一的結構示意圖；
[0046]
圖2為強化換熱單元為半球形的強化換熱短節軸向剖面示意圖；
[0047]
圖3為強化換熱單元為半球形的強化換熱短節徑向剖面示意圖；
[0048]
圖中，101、下降段；102、傳統水平段；103、強化換熱水平段；104、上升段；201、水平段入口端；202、水平段出口端；s1、第一短節；s2、第二短節；s
n-1
、第n-1短節；sn、第n短節；c1、第一強化換熱套管；c2、第二強化換熱套管；c
m-1
、第m-1強化換熱套管；cm、第m強化換熱套管；601、強化換熱單元；602、短節套管。
具體實施方式
[0049]
為了能清楚說明本方案的技術特點，下面通過具體實施方式，並結合其附圖，對本發明進行詳細闡述。下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本發明的不同結構。為了簡化本發明的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。此外，本發明可以在不同例子中重複參考數字和/或字母。這種重複是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關係。應當注意，在附圖中所圖示的部件不一定按比例繪製。本發明省略了對公知組件和處理技術及工藝的描述以避免不必要地限制本發明。
[0050]
實施例一
[0051]
如圖1-3所示，一種用於u型地熱井的井下強化換熱系統，包括下降段101、水平取熱段、上升段104，所述的水平取熱段包括傳統水平段102和強化換熱水平段103，具體的，傳統水平段102管柱和強化換熱水平段103管柱組成水平取熱段管柱，所述的傳統水平段102的首端與下降段101連接，所述的傳統水平段102的尾端與強化換熱水平段103的首端連接，所述的強化換熱水平段103的尾端與上升段104連接，所述的強化換熱水平段103包括n根短節和m根強化換熱套管，其中n≥1，m≥1，所述的短節包括短節套管以及短節套管內壁上的強化換熱單元601，所述的強化換熱單元601為向內的凸起。
[0052]
作為一種實施方式，強化換熱單元601的布置方式為所述的強化換熱單元601在短節套管內按照同一平面周向方式分布，同一平面周向上的強化換熱單元構成一個強化換熱單元組，一個短節套管內設置有多個沿軸向分布的強化換熱單元組。每個強化換熱單元組內相鄰的兩個強化換熱單元601之間緊靠或間隔一定距離，所述的間隔一定距離可以是1毫米、1釐米、1分米或其他任意間距。
[0053]
相鄰兩組強化換熱單元組之間間距1釐米、1分米、1米或其他任意間距。
[0054]
每個短節包含的強化換熱單元組的數量至少為3組，每個強化換熱單元組包含的強化換熱單元601數量至少為4個。
[0055]
作為另一種實施方式，強化換熱單元601的布置方式為所述的強化換熱單元601在短節套管內按照螺旋方式分布，一個螺圈內的強化換熱單元構成一個強化換熱單元組，每個短節的強化換熱單元601的螺圈數不少於3圈。相鄰兩個強化換熱單元601之間緊靠或間隔一定距離，所述的間隔一定距離可以是1毫米、1釐米、1分米，也可以是任意間距。
[0056]
所述的強化換熱單元601的形狀為半圓球形、四稜台形、三稜錐形等，也可以是其它立體幾何形狀。如圖2、圖3所示，強化換熱單元601的形狀為半圓球形。
[0057]
所述的強化換熱水平段103內強化換熱套管與短節的分布方式為：
[0058]
所述的強化換熱水平段103由n根短節與m根強化換熱套管交錯分布連接而成，n根短節與m根強化換熱套管的總長度等於強化換熱水平段103的長度。
[0059]
具體的，所述的強化換熱水平段103由第一短節s1、第二短節s2、第n-1短節s
n-1
、第n短節sn與第一強化換熱套管c1、第二強化換熱套管c2、第m-1強化換熱套管c
m-1
、第m強化換熱套管cm交錯分布連接而成；
[0060]
所述的強化換熱水平段103的短節與強化換熱套管的分布方式為，每間隔x根短節設置y根強化換熱套管，所述的x、y均為正整數；
[0061]
所述短節最大數量smax為強化換熱水平段103長度lh與單個短節長度ls的比值的整數部分；
[0062]
所述套管最大數量cmax為強化換熱水平段103長度lh與單根強化換熱套管長度lc的比值的整數部分；
[0063]
所述n在1到smax之間取值、m在1到cmax之間取值，n和m不能同時取1或者最大值，n根短節和m根強化換熱套管組合起來的總長度等於強化換熱水平段103長度lh；
[0064]
所述傳統水平段102長度lt最大不超過水平段入口端201和水平段出口端202之間的距離；
[0065]
所述的強化換熱水平段103長度lh最大不超過水平段入口端201和水平段出口端202之間的距離；
[0066]
傳統水平段102長度lt與強化換熱水平段103長度lh的比值大於0小於等於1；
[0067]
例如，傳統水平段102長度lt與強化換熱水平段103長度lh的比值取1、0.5、0.3或0.1；
[0068]
具體的，所述下降段101在水平段入口端201處與傳統水平段102起始端相連，強化換熱水平段103末尾端在水平段出口端202處與上升段104相連，工作介質從地面注入下降段101，然後依次流過傳統水平段102和強化換熱水平段103，提取地層熱量，然後從上升段104流出地面。
[0069]
所述下降段101採用注水泥固井套管完井，下降段套管為高導熱套管；
[0070]
所述傳統水平段102採用注水泥固井套管完井，或者不注水泥套管完井，傳統水平段套管為高導熱套管；
[0071]
強化換熱水平段103用注水泥固井套管完井，或者不注水泥套管完井，強化換熱水平段所用的短節套管和強化換熱段套管為高導熱套管；
[0072]
所述上升段104採用注水泥固井套管完井，上升段套管為保溫套管；
[0073]
施工案例：
[0074]
水平段不固井u型地熱井井下強化換熱系統，採用上述一種用於u型地熱井的井下強化換熱系統，以圖1所示的本發明所設計u型地熱井井下強化換熱系統為例，對本發明所涉及的u型地熱井井下強化換熱系統及其實施步驟進行詳細說明，實施步驟如下：
[0075]
步驟1：根據儲層巖性資料、熱學參數和供暖負荷等參數，設計u型地熱井井身結構；
[0076]
步驟2：按照1：2的比例確定傳統水平段102的長度和強化換熱水平段103的長度；
[0077]
步驟3：強化換熱單元601形狀為圓弧的球形凸起，相鄰兩個強化換熱單元在短節套管內沿著短節套管周向按照環形方式緊靠布置，構成一個強化換熱單元組，軸向相鄰兩個強化換熱單元組之間的間距為10釐米，按照1段短節間隔1根強化換熱套管的組合方式，設計強化換熱水平段103管柱；
[0078]
步驟4：鑽上升段104，下入上升段套管、注水泥固井；
[0079]
步驟5：在上升段104的底部利用擴眼器擴眼；
[0080]
步驟6：鑽下降段101，下入下降段套管、注水泥固井；
[0081]
步驟7：鑽水平段，與上升段104底部的擴眼連通；
[0082]
步驟8：按照設計的傳統水平段102長度和強化換熱水平段103長度以及設計的短節和強化換熱套管組合方式，連接成水平取熱段管柱，下入水平取熱段，在上升段104底部的擴眼中與上升段104的套管對接，完成u型地熱井建井工作；
[0083]
步驟9：採暖季，注入工作介質，系統運行。
[0084]
實施例二
[0085]
用於u型地熱井的井下強化換熱系統的優化方法，步驟如下：
[0086]
步驟1：收集研究地熱儲層的巖石物性參數、巖石熱學參數、地溫梯度、儲層溫度、儲層深度、井身軌跡設計參數、下降段套管尺寸、下降段套管熱學參數、傳統水平段套管尺寸、傳統水平段套管熱學參數、強化換熱段套管尺寸、強化換熱段套管熱學參數、上升段套管尺寸、上升段套管熱學參數、短節套管尺寸、短節套管熱學參數、水泥環尺寸、水泥環熱學參數、短節長度、短節強化換熱單元形狀及幾何參數、、取熱工作介質及取熱工作介質的熱學參數基礎數據；
[0087]
步驟2：選定一種短節和強化換熱套管的分布方式；所述的短節和強化換熱套管的分布方式為每間隔x根短節設置y根強化換熱套管，所述的x、y均為正整數；
[0088]
步驟3：選定一種短節的強化換熱單元601的形狀、幾何參數；所述的強化換熱單元601的形狀為半圓球形、四稜台形、三稜錐形等，也可以是其它向內凸起的任意立體幾何形狀。
[0089]
步驟4：選定一種短節的強化換熱單元601的布置方式；
[0090]
所述的強化換熱單元601的布置方式包括：
[0091]
第一種實施方式，強化換熱單元601的布置方式為所述的強化換熱單元601在短節套管內按照同一平面周向方式分布，同一平面周向上的強化換熱單元構成一個強化換熱單元組，一個短節套管內設置有多個沿軸向分布的強化換熱單元組。每個強化換熱單元組內相鄰的兩個強化換熱單元601之間緊靠或間隔一定距離，所述的間隔一定距離可以是1毫米、1釐米、1分米或其他任意間距。
[0092]
相鄰兩組強化換熱單元組之間間距1釐米、1分米、1米或其他任意間距。
[0093]
每個短節包含的強化換熱單元組的數量至少為3組，每個強化換熱單元組包含的強化換熱單元601數量至少為4個。
[0094]
第二種實施方式，強化換熱單元601的布置方式為所述的強化換熱單元601在短節套管內按照螺旋方式分布，一個螺圈內的強化換熱單元構成一個強化換熱單元組，每個短節的強化換熱單元601的螺圈數不少於3圈。相鄰兩個強化換熱單元601之間緊靠或間隔一定距離，所述的間隔一定距離可以是1毫米、1釐米、1分米，也可以是任意間距。
[0095]
步驟5：選定一個強化換熱水平段103長度lh，根據水平段入口端201和水平段出口端202之間的距離確定剩餘的傳統水平段102長度lt；
[0096]
步驟6：利用comsol多場耦合數值模擬軟體，建立儲層和井筒耦合的物理模型以及數值計算模型，並給相關參數賦值；
[0097]
步驟7：以系統運行期限為10年、每年供暖時間為4個月、每年停暖的儲層溫度恢復時間為8個月設置模型計算時間參數，給定一個固定的工作介質注入量，運行儲層和井筒耦合的數值計算模型，統計10年末的累積產熱量、儲層平均溫度以及抑制熱不平衡程度；
[0098]
步驟8：依次重複步驟5、步驟4、步驟3、步驟2，得到一系列不同短節和強化換熱套管的分布方式、不同強化換熱單元形狀和幾何參數、不同強化換熱單元布置方式以及不同強化換熱水平段長度情況下的多個物理模型方案，將各個物理模型方案分別重複步驟6和步驟7，得到對應的數值模擬方案結果；
[0099]
步驟9：採用最大最小歸一化方法對各個數值模擬方案得到的10年末的累積產熱量、儲層平均溫度以及抑制熱不平衡程度分別進行歸一化處理，然後按照0.4、0.3和0.3的權重值計算各個數值模擬方案的綜合得分，根據得分高低確定最優的傳統水平段102長度lt與強化換熱水平段103長度lh以及短節和強化換熱套管的分布方式、短節的強化換熱單元的形狀和幾何參數、短節的強化換熱單元的布置方式。
[0100]
所述的最大最小化歸一化方法進行處理的方法按照公式e1進行計算，
[0101][0102]
式中，xmax為某一類參數的最大值，xmin為某一類參數的最小值，x(i)為某一類參數中第i個待處理參數的數值，x(i)為某一類參數中第i個待處理參數的歸一化結果，其值在0到1範圍內，所述的某一類參數為累積產熱量、儲層平均溫度、抑制熱不平衡程度中的一種。
[0103]
所述的權重方法是將每個數值模擬方案得到的設定的系統運行期限末的累積產熱量、儲層平均溫度以及抑制熱不平衡程度進行歸一化處理後得到的數值分別乘以權重值w1、w2和w3，然後相加得到綜合得分；所述的權重值w1、w2和w3根據對累積產熱量、儲層平均
溫度以及抑制熱不平衡程度的要求採用專家打分方法分別在0到1之間給出，w1、w2和w3三者之和等於1；
[0104]
所述的設定的系統運行期限可以是10年、20年、50年，也可以是大於10年以上的任意多年；
[0105]
所述的儲層平均溫度是指水平段周圍設定半徑範圍內的儲層溫度的算術平均值；
[0106]
所述的水平段周圍設定半徑範圍可以是大於等於5米且小於等於30米的任意半徑範圍；
[0107]
所述的抑制熱不平衡程度為水平段周圍設定半徑範圍內的儲層溫度的方差。
[0108]
上述雖然結合附圖對發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。