论文部分内容阅读
随时石油的持续开采，在世界范围产生了大量废弃油井，这些废弃油井蕴含了丰富的地热能。目前，针对废弃油井地热能利用的研究主要集中于间接利用，即地热发电。研究表明，当井深小于3000m时，相比于地热发电，直接供暖具有更高的地热利用率和经济效益。井下换热器和岩土的热物性是地热系统设计的关键参数，但目前对诸如废弃油井这类深层地热系统的热物性分析方法存在明显的不足，传统的浅层地热系统的分析方法不能直接适用深层地热系统。基于此，针对上述问题，本文从废弃油井地热系统的热物性分析方法、供暖特性及供暖强化方法等方面对废弃油井供暖系统进行了系统研究。在深层地热能开发与利用日益加剧的今天，希望通过本文的研究可以为废弃油井地热系统的应用提供分析方法和设计参考。
首先，为了解决传统地热系统中热物性测试方法进行多热物性参数测试时精度较低的问题，本文基于经典线热源模型及参数相关性分析，提出了地热系统多热物性参数的高精度热响应测试方法。在实施过程中针对浅层地热系统中最重要的热物性参数:钻孔热阻、岩土热导率和体积热容，该方法通过Spearman相关系数分析，得出了钻孔热阻对流体温度影响最强，然后是岩土热导率，热容的影响最弱;并由此确定多参数的分析步骤，依次为:岩土钻孔热阻、岩土热导率和体积热容，最后，在确定的分析步骤的基础上，基于热响应测试数据采用随机近似方法对三热物性参数进行测试分析。通过和实验结果比较，岩土钻孔热阻、岩土热导率和体积热容的测试精度分别为:4.5％，0.4％，1％，实现了多热物性参数的同时测试，并使得测量精度（特别是体积热容的精度）得到较大提升。此外，本文还对参数的取值范围和初始值的选取对测试精度的影响进行了分析。分析结果表明，利用本文提出的方法可以有效的避免参数取值范围对测试精度的影响。
其次，针对传统岩土热物性（热导率和体积热容）测试法的测试精度随井深增加而剧烈降低的问题，本文在地热系统多热物性测试方法研究的基础上，提出了一种基于分布式热响应测试的深层岩土热物性测试方法。对于套管式井下换热器，该方法先通过建立换热器的综合传热分析模型研究换热器中流体温度分布规律及其瞬态热响应特性。然后利用相关系数法确定热物性参数的测试步骤。最后，基于确定的测试步骤和建立的换热器的传热分析模型，采用Monte Carlo法并利用分布式热响应测试中的温度分布数据预测岩土的热物性。岩土热导率和体积热容的测试精度分别可以达到0.6％和4％。此外，本文还对埋管深度对测试精度的影响进行了研究。研究发现，利用本文提出的岩土热物性测试方法可以基本避免埋管深度对测试精度的影响，故可以有效地适用于深层地热系统的岩土热物性测试中。
在岩土热物性测试研究的基础上，本文利用套管换热器原理建立了基于废弃油井的深层地热直接供暖系统，并通过建立理论模型对系统的供暖特性和经济性进行了研究。本文建立了废弃油井供暖系统的综合传热模型，传热模型藕合了井筒传热、地层传热、建筑传热以及房间换热器传热。利用模型重点分析了地热提取量、房间温度以及供暖温度在供暖期间的变化规律。同时，为了获得系统的周期运行特性用以评估系统的可持续性，本文还通过建立地层复温模型对地层温度在供暖结束后的复温特性进行了研究。此外，本文还通过建立经济性和能量分析模型对系统的热经济性进行了评估。研究表明，利用一口井深为3000m的废弃油井可以实现供暖面积约为10000m2，并保持室内温度在26℃左右。同时，在供暖期间地热提取量达到5.5×1012J，每年可以减少C02排放量457吨。另外，地层复温分析表明，在系统运行两年后井底温度即可复温到稳定状态。经济性分析表明，利用废弃油井地热进行供暖的价格仅为传统集中供暖价格的一半，约为11.9￥/m2。
再者，为了进一步提升供暖负荷和供暖温度及其稳定性，本文在废弃油井地热直接供暖的基础上，分别提出了基于废弃油井的深层地源热泵供暖系统和季节性深层地下储能系统。通过建立基于深层井下换热器的地源热泵分析模型和季节性地下储能分析模型，分别对基于废弃油井的地源热泵系统和地下储能系统的年度运行特性进行了研究。然后基于参数敏感性分析结果，本文对基于废弃油井的地源热泵系统和地下储能系统的优化进行了研究。研究结果表明，在全年运行期间，基于废弃油井平均井下换热量到达294kW，通过热泵系统提升后系统的平均供热量为384kW，比废弃井直接供暖系统的供暖量提升约31％;单位深度供热量达到192W/m，相比于传统浅层地源热泵系统增加明显。敏感性分析结果表明，井下流体流量对系统COP影响最强。通过系统优化发现，系统存在一个最优注入流量使得系统COP最大，同时系统还存在一个最小注入压力用以维持井下流体循环。在季节性储能/供暖期间，当废弃油井深度为2000m时夏季储能量为4.7×106MJ，同时冬季供热量可达2.9×106MJ，比没有采用储能单元的直接供暖系统提升约31％。研究还发现，相比其他参数，流体进口温度（热源温度）对系统的储能效率影响最大。优化结果表明，当热源温度确定时，系统存在一个最优的井深使得基于废弃油井的储能效率最高。
首先，为了解决传统地热系统中热物性测试方法进行多热物性参数测试时精度较低的问题，本文基于经典线热源模型及参数相关性分析，提出了地热系统多热物性参数的高精度热响应测试方法。在实施过程中针对浅层地热系统中最重要的热物性参数:钻孔热阻、岩土热导率和体积热容，该方法通过Spearman相关系数分析，得出了钻孔热阻对流体温度影响最强，然后是岩土热导率，热容的影响最弱;并由此确定多参数的分析步骤，依次为:岩土钻孔热阻、岩土热导率和体积热容，最后，在确定的分析步骤的基础上，基于热响应测试数据采用随机近似方法对三热物性参数进行测试分析。通过和实验结果比较，岩土钻孔热阻、岩土热导率和体积热容的测试精度分别为:4.5％，0.4％，1％，实现了多热物性参数的同时测试，并使得测量精度（特别是体积热容的精度）得到较大提升。此外，本文还对参数的取值范围和初始值的选取对测试精度的影响进行了分析。分析结果表明，利用本文提出的方法可以有效的避免参数取值范围对测试精度的影响。
其次，针对传统岩土热物性（热导率和体积热容）测试法的测试精度随井深增加而剧烈降低的问题，本文在地热系统多热物性测试方法研究的基础上，提出了一种基于分布式热响应测试的深层岩土热物性测试方法。对于套管式井下换热器，该方法先通过建立换热器的综合传热分析模型研究换热器中流体温度分布规律及其瞬态热响应特性。然后利用相关系数法确定热物性参数的测试步骤。最后，基于确定的测试步骤和建立的换热器的传热分析模型，采用Monte Carlo法并利用分布式热响应测试中的温度分布数据预测岩土的热物性。岩土热导率和体积热容的测试精度分别可以达到0.6％和4％。此外，本文还对埋管深度对测试精度的影响进行了研究。研究发现，利用本文提出的岩土热物性测试方法可以基本避免埋管深度对测试精度的影响，故可以有效地适用于深层地热系统的岩土热物性测试中。
在岩土热物性测试研究的基础上，本文利用套管换热器原理建立了基于废弃油井的深层地热直接供暖系统，并通过建立理论模型对系统的供暖特性和经济性进行了研究。本文建立了废弃油井供暖系统的综合传热模型，传热模型藕合了井筒传热、地层传热、建筑传热以及房间换热器传热。利用模型重点分析了地热提取量、房间温度以及供暖温度在供暖期间的变化规律。同时，为了获得系统的周期运行特性用以评估系统的可持续性，本文还通过建立地层复温模型对地层温度在供暖结束后的复温特性进行了研究。此外，本文还通过建立经济性和能量分析模型对系统的热经济性进行了评估。研究表明，利用一口井深为3000m的废弃油井可以实现供暖面积约为10000m2，并保持室内温度在26℃左右。同时，在供暖期间地热提取量达到5.5×1012J，每年可以减少C02排放量457吨。另外，地层复温分析表明，在系统运行两年后井底温度即可复温到稳定状态。经济性分析表明，利用废弃油井地热进行供暖的价格仅为传统集中供暖价格的一半，约为11.9￥/m2。
再者，为了进一步提升供暖负荷和供暖温度及其稳定性，本文在废弃油井地热直接供暖的基础上，分别提出了基于废弃油井的深层地源热泵供暖系统和季节性深层地下储能系统。通过建立基于深层井下换热器的地源热泵分析模型和季节性地下储能分析模型，分别对基于废弃油井的地源热泵系统和地下储能系统的年度运行特性进行了研究。然后基于参数敏感性分析结果，本文对基于废弃油井的地源热泵系统和地下储能系统的优化进行了研究。研究结果表明，在全年运行期间，基于废弃油井平均井下换热量到达294kW，通过热泵系统提升后系统的平均供热量为384kW，比废弃井直接供暖系统的供暖量提升约31％;单位深度供热量达到192W/m，相比于传统浅层地源热泵系统增加明显。敏感性分析结果表明，井下流体流量对系统COP影响最强。通过系统优化发现，系统存在一个最优注入流量使得系统COP最大，同时系统还存在一个最小注入压力用以维持井下流体循环。在季节性储能/供暖期间，当废弃油井深度为2000m时夏季储能量为4.7×106MJ，同时冬季供热量可达2.9×106MJ，比没有采用储能单元的直接供暖系统提升约31％。研究还发现，相比其他参数，流体进口温度（热源温度）对系统的储能效率影响最大。优化结果表明，当热源温度确定时，系统存在一个最优的井深使得基于废弃油井的储能效率最高。