本技术属于地热能开采技术领域,具体公开一种深层地热井同轴套管式换热器取热能力的预估方法。用于解决现有方法计算量较大并且未考虑到深层复杂的地质条件及保温内管选材的经济性的问题。本发明构建同轴套管式换热器瞬态换热模型,综合考虑复杂深层地质条件下地层的非均质性,以及地下渗流层存在多种不同渗透率和孔隙度的分布下渗流作用对地热井取热能力和地层传热的影响,并且考虑到地温梯度的非均匀性以及不同深度下保温内管选材的经济性,基于有限元方法对内管流体、保温内管、外管流体、外部套管、固井水泥、岩层之间的换热过程进行了理论和建模分析。本发明在保证计算精度的前提下,提高了计算效率。
背景技术
利用同轴套管式换热器开采地热能,因其结构紧凑、占地面积小、换热效率高、“取热不取水”以及可以解决管道结垢、腐蚀、地下水回灌等问题的优点,满足了不具有水热抽采回灌条件或无法布置大面积浅层地埋管群的工程应用场景。但由于地热井钻井成本高昂,难以进行实验研究,开展数值模拟工作成为了主要研究手段。
然而,已有针对同轴套管式换热器的数模研究主要基于地层为单一结构这一假设,建立均质换热模型,整个地层假定具有相同的导热系数、密度和热容,地层内仅存在导热过程,忽略了地下多孔渗流传热过程。实际地热井深度高达几千米,地层为复合地层,地层涵盖粘土、砾石、粗砂岩、泥岩、粉砂岩和花岗岩等多种类型,不同类型地层具有不同的热物性参数和地温梯度,并且地热井周边地层存在地下水渗流的情况,同一渗流层的不同位置渗透率和孔隙度均不同。在地热井的初始段,所需内管的保温性能要求高;随着地热井深度的增加,地热井内外管内流体温差逐渐减小,所需内管的保温性能要求降低。而管材的造价和保温性能直接相关,高保温性能的管材造价更高。因此,对保温内管管材进行分段设置,可以提高地热开采的经济性。
此外,传统的三维地热井模型建模过程复杂,网格数量多,计算时间长,难以满足实际地热工程迫切的需要。
综上所述,在现有的同轴套管式换热器的数值模拟中,存在计算量较大的问题,以及未考虑到深层复杂的地质条件及保温内管选材的经济性的问题。
实现思路