中高溫地熱單井換熱量測定的試驗方法和試驗測試系統的製作方法
2023-10-08 01:34:14 2
中高溫地熱單井換熱量測定的試驗方法和試驗測試系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及中高溫地熱單井換熱量測定的試驗方法和試驗測試系統。主要有以下步驟和內容：第一步，根據地熱井特徵，以換熱系統與熱儲間可實現的換熱量作為測試目標設定試驗方案，包括設定換熱組件在井內的安裝方式和位置以及測試組次和按組次開展測試的方向順序；第二步，按試驗方案開展測試，記錄換熱系統進、出口和地熱井內兩個系列的測試數據，包括試驗開展全過程對應的井內、外的溫度、壓力數據；第三步，分析評價井內熱儲熱力均衡條件下的單井換熱系統的換熱量，包括對測試數據進行分析處理，繪製換熱量與熱儲段溫差的均衡關係曲線，評價可持續實現的換熱量邊界。該方法著眼於自然資源的有限供給，為開展地熱能工程提供科學的依據。
【專利說明】中高溫地熱單井換熱量測定的試驗方法和試驗測試系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於地熱井試驗【技術領域】，具體涉及中高溫地熱單井換熱量測定的試驗方法和試驗測試系統。
【背景技術】
[0002]地熱是地球自身所具備的能源資源。中高溫地熱資源可用於製備能源(如發電、供暖等)，對滿足人類能源需求而言具有巨大的潛力。在保護生態環境的前提下，中高溫地熱資源的勘查開發，對實現非化石能源目標、推進能源生產和消費革命、緩解我國能源資源供給壓力、促進生態文明建設等方面具有重要的現實意義和長遠的戰略意義。利用地熱資源製備能源，是地熱資源開發利用的終極目標。中高溫地熱資源具有如下三項重要的基本特徵:①中高溫地熱資源是地球本身固有的特徵物質屬性，具有限供給性；②各類地質體均有可能是賦存中高溫地熱資源的載體介質；③中高溫地熱資源存在的形式具有多樣性，以當前人類科技能力可以涉足開發利用的，既有地熱流體與熱能共同伴隨者，也有僅純粹熱表現而無地熱流體的形式(如乾熱巖)。
[0003]基於以上目標和特徵，本發明人提出如下地熱能工程(Engineering ofGeothermal Power,簡稱EGP)概念:地熱能工程,是指針對中高溫地熱資源，以最小的環境影響代價(此影響的量化評價在安全、可持續等方面能夠被接受)為先決條件，以實現有持續供給意義的熱能萃取為目標，人工開採或製備熱能的技術方法和工藝的集合。有持續供給意義是指以相對長的時間來考察，地熱能的供給相對穩定，即在滿足經濟評價的基礎上，對所開發的地熱地質單元而言，若持續提取一定規模的熱能，地質體的溫度在一定範圍內可以保持穩定。
[0004]本發明人認為，中高溫地熱井所揭露的熱儲賦存地熱流體時，以地熱井與熱儲為研究對象，地熱流體作為熱能載體介質從熱儲進入地熱井並被直接開採，熱力過程是通過地熱流體的質量傳遞發生能量的傳遞；地熱井所揭露的熱儲，無論賦存任何流體與否，構建由地熱井和井內換熱器(組件)組成的換熱系統，以換熱系統與熱儲為研究對象，熱力過程是通過換熱器內工質的運動來完成換熱系統與熱儲間的熱交換，能量傳遞是換熱過程。上述兩種情形，被萃取熱能的地質體發生溫度變化，是地熱資源的有限供給使然，故地熱單井的產量試驗或換熱量試驗均應著眼於熱力均衡問題。
[0005]由中高溫地熱井和井內換熱組件構成的地熱單井換熱系統，針對其換熱量的量化評價，目前尚未見有成熟的評價方法和試驗成果。
【發明內容】
[0006]本發明的一個目的是提供中高溫地熱單井換熱量測定的試驗方法，採用該方法可科學的量化評價由地熱井和井內換熱組件構成的中高溫地熱單井換熱系統可獲得的換熱量邊界，為利用中高溫地熱單井換熱系統建設地熱能工程提供重要技術依據。
[0007]本發明的另一個目的是提供用於開展中高溫地熱單井換熱量測定試驗的試驗測試系統，該系統結構設計科學合理，易於控制。
[0008]為達到以上目的，本發明採用的技術方案是:中高溫地熱單井換熱量測定的試驗方法，主要包括以下步驟:
[0009]第一步，根據地熱井特徵，構建包括地熱井和安裝在地熱井中的換熱組件在內的中高溫地熱單井換熱系統，以該換熱系統與熱儲間可實現的換熱量作為測試目標，設定開展換熱量測定的試驗方案；
[0010]第二步，按試驗方案開展多組次測試，採集換熱系統進、出口和地熱井內兩個系列的測試數據；所述測試數據包括在設定的各組次進口流量下試驗開展全過程對應的井內、外的溫度、壓力數據；
[0011]第三步，根據第二步得到的各組次測試數據，分析評價井內熱儲熱力均衡條件下的換熱量與熱儲段的平均溫差的關係，計算求得熱儲熱力均衡條件下的換熱量邊界值Qo。
[0012]進一步,第一步中設定試驗方案的具體內容包括:
[0013](a)根據地熱井特徵、熱儲溫度範圍和換熱組件型式特徵，確定試驗方案的實現形式為多組次定流量的換熱量測定試驗；
[0014](b)根據地熱井特徵、熱儲溫度範圍和換熱組件型式特徵，設定換熱組件和用於測溫、測壓的測試儀器在地熱井內的安裝方式和位置，並設定測試組次及按組次開展測試的方向順序。
[0015]再進一步，第二步的具體實現方法如下:
[0016](a)按照方案建立換熱系統，安裝用於測溫、測壓、測流量的測試儀器；
[0017](b)測定熱儲段的原始溫度T0 ；
[0018](c)對每一組次試驗測試，調節換熱系統進口流量，換熱量測定的試驗的穩定延續時間保持相對時長，記錄換熱系統進、出口和地熱井內兩個系列的測試數據。
[0019]進一步，所述試驗方法還包括:在進入第三步之前，結合第二步獲得的測試數據所反映各熱儲段的熱貢獻空間分布權重，分析熱儲的主要貢獻部位(井段)，校核第一步中井特徵內容和優化換熱組件、測試儀器的安裝方案，並根據校核後的試驗方案進行第二步和第三步。
[0020]再進一步，第三步中，先對換熱系統進、出口的測試數據和地熱井內的測試數據進行對比分析，分別繪製井內、外的溫度-時間關係曲線、壓力-時間關係曲線以及換熱量-時間關係曲線。
[0021]更進一步，第三步的具體實現方法包括:
[0022](a)對每組次試驗測試:
[0023](al)利用換熱系統的進、出口測試數據，採用式①、②計算該組試驗測試的換熱量Qi,
[0024]Qi = CllIiii (T、- Tin)-1- /'/?./, + (Tl-T^) + c2iii2 (T7-T )①；
[0025]M = MljTih2 ②；
[0026]式中:
[0027]i——測試組次；
[0028]Th——換熱系統進口水的流量；
[0029]M1-換熱系統出口水蒸汽的流量；
[0030]M2——換熱系統出口水的流量；
[0031 ] Ts——7jC的飽和溫度；
[0032]r——水的汽化潛熱；
[0033]Tin——換熱系統進口水的溫度；
[0034]T1——換熱系統出口蒸氣的溫度；
[0035]T2——換熱系統出口水的溫度
[0036]C11——Tin至Ts溫度段內水的比熱；
[0037]Cgl—Ts至T1溫度段內蒸汽的比熱；
[0038]C2——Tin至T2溫度段內水的比熱；
[0039](a2)根據該組次測試的溫度數據計算得到地熱井中熱儲段的平均溫差ATh ；
[0040](b)將各組次測試所獲得的換熱量Qi與熱儲段的平均溫差Λ Tri繪製Q- Δ T均衡曲線，Q-ΛΤ均衡曲線上存在Q對AT—階導數為零的拐點，該拐點處的切線平行於AT軸，此點對應的Qtl值，即為熱儲熱力均衡條件下換熱量的邊界值，如不考慮周邊開採情況的幹擾，則換熱系統的換熱量不能大於Qtl ;將Q- Δ T均衡曲線表達為式③所示的函數形式，求解係數Α、B,該函數形式表達了在Qtl約束之下的Q- Λ T關係，
【權利要求】
1.中高溫地熱單井換熱量測定的試驗方法，主要包括以下步驟: 第一步，根據地熱井特徵，構建包括地熱井和安裝在地熱井中的換熱組件在內的中高溫地熱單井換熱系統，以該換熱系統與熱儲間可實現的換熱量作為測試目標，設定開展換熱量測定的試驗方案； 第二步，按試驗方案開展多組次測試，採集換熱系統進、出口和地熱井內兩個系列的測試數據；所述測試數據包括在設定的各組次進口流量下試驗開展全過程對應的井內、外的溫度、壓力數據； 第三步，根據第二步得到的各組次測試數據，分析評價井內熱儲熱力均衡條件下的換熱量與熱儲段的平均溫差的關係，計算求得熱儲熱力均衡條件下的換熱量邊界值Qo。
2.根據權利要求1所述的試驗方法，其特徵在於，第一步中設定試驗方案的具體內容包括: (a)根據地熱井特徵和換熱組件型式特徵，確定試驗方案的實現形式為多組次定流量的換熱量測定試驗； (b)根據地熱井特徵和換熱組件型式特徵，設定換熱組件和用於測溫、測壓的測試儀器在地熱井內的安裝方式和位置，並設定測試組次及按組次開展測試的方向順序。
3.根據權利要求2所述的試驗方法，其特徵在於，第二步的具體實現方法如下: (a)按照方案建立換熱系統，安裝用於測溫、測壓、測流量的測試儀器； (b)測定熱儲段的原始溫度Ttl； (C)對每一組次試驗測試，調節換熱系統進口流量，換熱量測定的試驗的穩定延續時間保持相對時長，記錄換熱系統進、出口和地熱井內兩個系列的測試數據。
4.根據權利要求2或3所述的試驗方法，其特徵在於，所述試驗方法還包括:在進入第三步之前，結合第二步獲得的測試數據所反映各熱儲段的熱貢獻空間分布權重，分析熱儲的主要貢獻部位(井段)，校核第一步中井特徵內容和優化換熱組件、測試儀器的安裝方案，並根據校核後的試驗方案進行第二步和第三步。
5.根據權利要求4所述的試驗方法，其特徵在於，第三步中，先對換熱系統進、出口的測試數據和地熱井內的測試數據進行對比分析，分別繪製井內、外的溫度-時間關係曲線、壓力-時間關係曲線以及換熱量-時間關係曲線。
6.根據權利要求4所述的試驗方法，其特徵在於，第三步的具體實現方法包括: (a)對每組試驗測試: (al)利用換熱系統的進、出口測試數據，採用式①、②計算該組試驗測試的換熱量Qi, Qi = cn!ih (I — Τι?) + nh' + Γ廠—7O + C7ljh (T2 — Ti? )①; m =/" Vm1 ②； 式中: i—測試組次； …-換熱系統進口水的流量； ——換熱系統出口水蒸汽的流量； lh2——換熱系統出口水的流量； Ts——水的飽和溫度； r-水的汽化潛熱； Tin——換熱系統進口水的溫度； T1——換熱系統出口蒸氣的溫度； T2——換熱系統出口水的溫度 C11——Tin至Ts溫度段內水的比熱； Cgl—Ts至T1溫度段內蒸汽的比熱； C2——Tin ST2溫度段內水的比熱； (a2)根據該組次測試的溫度數據計算得到地熱井中熱儲段的平均溫差AIVi ； (b)將各組次測試所獲得的換熱量Qi與熱儲段的平均溫差AIVi繪製Q-ΛΤ均衡曲線，Q-ΛΤ均衡曲線上存在Q對AT—階導數為零的拐點，該拐點處的切線平行於AT軸，此點對應的Qtl值，即為熱儲熱力均衡條件下換熱量的邊界值，如不考慮周邊開採情況的幹擾，則換熱系統的換熱量不能大於Qtl ;將Q- Δ T均衡曲線表達為式③所示的函數形式，求解係數A、B,該函數形式表達了在Qtl約束之下的Q- Λ T關係， Q —込―lg(A7；.+5)③。
7.根據權利要求6所述的試驗方法，其特徵在於，(a2)步驟中，根據式④計算得到第i組次測試中熱儲段的平均溫差λτη，
Λ Tri = Tr1-T0 ④； 式④中: Tri—第i組次測試中熱儲段的平均溫度； T0——熱儲段的原始溫度。
8.根據權利要求6所述的試驗方法，其特徵在於，(a2)步驟中，第i組次測試中熱儲段的平均溫差ATh採用換熱系統進、出口的溫差表示。
9.用於開展中高溫地熱單井換熱量測定試驗的試驗測試系統，所述試驗測試系統與高溫地熱單井換熱系統相連，其特徵在於， 所述試驗測試系統包括與換熱系統進口相連的換熱負載、與換熱系統出口相連的水汽分離器，以及地表數據採集裝置、井內測壓裝置、井內測溫裝置； 地表數據採集裝置包括分別設在換熱系統進、出口的溫度傳感器和壓力傳感器，以及分別設在水汽分離器的汽、液兩相出口處的溫度傳感器和壓力傳感器；以及設在換熱系統進口的流量計，以及分別設在水汽分離器的汽、液兩相出口處的流量計； 井內測壓裝置包括壓力採集設備以及與壓力採集設備相連並深入到地熱井內的壓力傳感器； 井內測溫裝置包括溫度採集設備以及與溫度採集設備相連並深入到地熱井內的溫度傳感器。
10.根據權利要求9所述的試驗測試系統，其特徵在於，所述換熱負載為除地熱流體以外的自然流體或人工流體。
11.根據權利要求9所述的試驗測試系統，其特徵在於，所述試驗測試系統還包括換熱系統進口流量控制模塊，所述換熱系統進口流量控制模塊包括與換熱負載相連的水泵和用於連接水泵和換熱系統的連通管，以及與水泵相連的流量控制箱。
【文檔編號】G01N25/20GK104132962SQ201410328138
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月10日 優先權日:2014年6月26日
【發明者】姜再新, 畢文明 申請人:姜再新