傅大慶,閆方平,邱建強(qiáng),亓兆偉

(1.河北華勘資環(huán)勘測(cè)有限公司,河北 承德 067000;2.河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué),河北 承德 067000)

地?zé)崮苁乔熬皬V闊的可再生能源之一。以干熱巖(hot dry rocks,HDR)為代表的熱巖型地?zé)峋哂袦囟雀?、分布廣、儲(chǔ)量大等優(yōu)勢(shì),是未來(lái)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)的重要領(lǐng)域[1]。干熱巖一般是指溫度大于180 ℃,埋深3～10 km,內(nèi)部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體,主要由各種變質(zhì)巖和結(jié)晶巖組成。因此,在開(kāi)發(fā)干熱巖地?zé)釙r(shí),需要進(jìn)行大規(guī)模垂直井或水平井分段體積壓裂,將注入井與生產(chǎn)井連通起來(lái),并向儲(chǔ)層中注入大量的水作為攜熱流體,通過(guò)水的循環(huán)和與干熱巖之間的熱交換,將地?zé)衢_(kāi)采出來(lái)用于發(fā)電,這種地?zé)衢_(kāi)發(fā)方案稱為增強(qiáng)型地?zé)衢_(kāi)采系統(tǒng)(EGS),是目前世界上開(kāi)發(fā)利用該能源的主要做法[2-3]。但 EGS 存在攜熱流體流失、巖流反應(yīng)或支撐劑失效導(dǎo)致裂縫堵塞或閉合、經(jīng)濟(jì)成本高和容易誘發(fā)地震等問(wèn)題[4-5]。

近年來(lái),人們提出了一種用于干熱巖地?zé)衢_(kāi)發(fā)的井筒自循環(huán)技術(shù),較好地解決了EGS問(wèn)題[6-11]。該技術(shù)是將攜熱流體從套管環(huán)空注入,攜熱流體在向下流動(dòng)過(guò)程中從高溫地層提取熱量,到達(dá)井底后,再通過(guò)隔熱油管返回地面。如果隔熱油管具有良好的保溫能力,井口便可獲得可利用的高溫?cái)y熱流體。目前,采用井筒自循環(huán)技術(shù)開(kāi)采地?zé)崮苤饕性诶碚摲治龊蛿?shù)值模擬研究方面,采用實(shí)驗(yàn)?zāi)M井筒自循環(huán)熱交換方面的研究很少。

本文基于井筒自循環(huán)采熱原理,設(shè)計(jì)并搭建井筒自循環(huán)換熱模擬實(shí)驗(yàn)裝置,以水作為攜熱流體,開(kāi)展局部井筒自循環(huán)熱交換規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究,模擬表征井筒自循環(huán)換熱器性能的參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

井筒自循環(huán)熱交換實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,水通過(guò)平流泵進(jìn)入熱交換管,熱交換管包括外層套管和內(nèi)層油管,結(jié)構(gòu)如圖2所示。套管和油管材料為304不銹鋼,導(dǎo)熱系數(shù)為16.2 W/(m·K)。外層套管長(zhǎng)度為850 mm,其中換熱段長(zhǎng)度為800 mm,外徑70 mm,內(nèi)徑50 mm。油管管壁內(nèi)部設(shè)計(jì)為中空,用來(lái)填充不同材料或抽真空以達(dá)到改變管壁導(dǎo)熱系數(shù)的目的。油管長(zhǎng)度為800 mm,外徑40 mm,內(nèi)徑10 mm。由于實(shí)驗(yàn)部分較短,僅能模擬井筒自循環(huán)局部井段的熱交換規(guī)律,因此沒(méi)有考慮溫度梯度和管內(nèi)流體重力的影響。油管底部開(kāi)有一個(gè)小孔,在油套環(huán)空內(nèi)發(fā)生對(duì)流換熱后的水到達(dá)底部后從小孔進(jìn)入油管,然后從油管出口流出進(jìn)入低溫恒溫槽(DC-0520)。低溫恒溫槽工作溫度為-5～180 ℃,作用是使被加熱的水充分冷卻。冷卻后的水通過(guò)循環(huán)泵再次進(jìn)入熱交換管進(jìn)行換熱。循環(huán)泵可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手輪來(lái)決定流量的大小,量程為0～32 L/h,精確率為95%。水的注入排量通過(guò)循環(huán)泵的量程乘以調(diào)節(jié)手輪的刻度計(jì)算得到,入口和出口壓力通過(guò)壓力傳感器測(cè)量。流體入口、油套環(huán)空中部和底部、流體出口的溫度以及套管外壁中部和底部的溫度均通過(guò)墊片式鉑電阻溫度傳感器(Pt100)測(cè)得,實(shí)驗(yàn)所采用的壓力傳感器和溫度傳感器的測(cè)量誤差分別為±0.01 MPa和±0.15 ℃。

圖1 井筒自循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 熱交換管結(jié)構(gòu)圖

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選擇常規(guī)水作為熱交換系統(tǒng)的攜熱介質(zhì),分別選擇空氣和花崗巖作為熱儲(chǔ)介質(zhì)。通過(guò)高溫恒溫箱進(jìn)行加熱,模擬高溫地?zé)醿?chǔ)層,恒溫箱最高加熱溫度為200 ℃。空氣熱儲(chǔ)即去掉花崗巖石套后,使溫箱直接加熱熱交換管?；◢弾r石套長(zhǎng)和寬為22 cm,中部開(kāi)有直徑7 cm的孔徑,熱交換管和石套孔徑之間的空隙使用和花崗巖導(dǎo)熱系數(shù)相近的導(dǎo)熱泥填充,使石套可以完全包裹熱交換管。由于設(shè)備的限制,實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有考慮水泥層對(duì)換熱的影響。表1列出并對(duì)比了所選實(shí)驗(yàn)材料在不同溫度壓力下的熱物性。

表1 0.1 MPa、20 ℃ 條件下流體、熱儲(chǔ)介質(zhì)和不銹鋼管的熱物性

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

以基本參數(shù)為例,具體試驗(yàn)過(guò)程如下：

1)將試驗(yàn)設(shè)備按流程圖組裝完成,并檢查各連接部位有無(wú)滲漏。

2)用平流泵將中間容器的攜熱介質(zhì)以10 mL/min的速率注入流體循環(huán)系統(tǒng),并將其中的空氣全部排出,關(guān)閉回路出口并繼續(xù)注水,使壓力增加至設(shè)計(jì)值,然后關(guān)閉回路入口。注入過(guò)程中,需注意檢查各連接部位有無(wú)滲漏。

3)啟動(dòng)恒溫箱,使花崗巖石套和換熱管溫度達(dá)到并穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值。注意在加熱過(guò)程中,要調(diào)節(jié)壓力,使其穩(wěn)定在設(shè)置值。將低溫水槽的冷卻溫度調(diào)整為20 ℃。

4)當(dāng)換熱管內(nèi)的壓力和溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),啟動(dòng)循環(huán)泵,使換熱管內(nèi)的水以107 mL/min的速率循環(huán),冷水從入口流入套管環(huán)空,經(jīng)過(guò)熱交換后,從出口油管流出熱水。

5)打開(kāi)計(jì)算機(jī),每10 s記錄1次換熱系統(tǒng)的溫度和壓力變化,當(dāng)出口溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí),試驗(yàn)結(jié)束。

6)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)為熱交換管入口處、出口處的壓力和溫度,油套環(huán)空中部和底部流體溫度以及套管中部和底部的外壁溫度,據(jù)此計(jì)算出井口采熱量、熱通量、井筒平均對(duì)流換熱系數(shù)、采熱過(guò)程中底部到出口的熱損失率等表征井筒自循環(huán)換熱器性能的參數(shù)。

井口采熱量由熱交換管的進(jìn)出口溫度及流體的體積流量決定,公式如式(1)[12-13]：

Q=VρCp(Tout-Tin)

(1)

式中：Q為井口采熱量,W;V是攜熱流體的體積流量,m3/s;ρ是攜熱流體的密度,kg/m3;Cp是攜熱流體的定壓比熱容,J/(kg·K) ;Tin和Tout分別是攜熱流體的入口和出口溫度,℃。

為了避免不同半徑處的熱通量因截面積變化而異,工程上為了計(jì)算方便常按單位管長(zhǎng)計(jì)算熱通量[12]：

(2)

式中：qw為熱通量,W/m;Cv是攜熱流體的體積熱容,J/(m3·K) ;Tbottom是套管環(huán)空底部流體溫度,℃;L是換熱段長(zhǎng)度,m。

當(dāng)出口溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),出口產(chǎn)生的熱量與通過(guò)套管壁傳遞的熱量相當(dāng),而不受套管中儲(chǔ)存的熱量的影響。因此,可用式(3)[12]計(jì)算套管壁與環(huán)空內(nèi)水的平均對(duì)流換熱系數(shù)：

(3)

式中：h為平均對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K);ΔTm為水與套管內(nèi)壁的平均換熱溫差,℃;doi為套管內(nèi)徑,m。

ΔTm可按式(4)計(jì)算[12]：

(4)

式中：Toi為套管內(nèi)壁溫度,℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

分析井筒自循環(huán)熱交換基本規(guī)律時(shí),選擇的基本實(shí)驗(yàn)條件為：儲(chǔ)層類(lèi)型為花崗巖;儲(chǔ)層溫度為150 ℃;井筒壓力為10 MPa;井筒排量為107 mL/min;油管隔熱條件為抽真空隔熱。

2.1 溫度和壓力監(jiān)測(cè)

從圖3(a)中可以看出,保持熱交換管入口溫度為20 ℃左右,底部流體和管壁溫度、中部流體和管壁溫度以及出口流體溫度隨采熱時(shí)間增加迅速降低后逐漸保持穩(wěn)定。從開(kāi)始采熱到20 min時(shí),各處監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的溫度下降速率很大,這時(shí)采出的熱量主要為套管周?chē)^小范圍內(nèi)熱儲(chǔ)層存儲(chǔ)的熱量。隨采熱時(shí)間增加,熱儲(chǔ)溫降前緣波及到更遠(yuǎn)距離的地層,距離套管較遠(yuǎn)處的熱儲(chǔ)開(kāi)始通過(guò)熱傳導(dǎo)向套管供熱,套管周?chē)鸁醿?chǔ)溫度逐漸趨于穩(wěn)定。

從圖3(b)中可以看出,壓力波動(dòng)曲線顯示采熱前期熱交換管內(nèi)的壓力波動(dòng)范圍較大,隨采熱時(shí)間增加壓力波動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定。采熱前期,流體溫度變化較大引起壓力劇烈變化,采熱穩(wěn)定后,壓力波動(dòng)也逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 采熱量與平均對(duì)流換熱系數(shù)

從圖4可以看出,井口采熱量和平均對(duì)流換熱系數(shù)隨采熱時(shí)間的變化規(guī)律和監(jiān)測(cè)到的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律基本一致。采熱開(kāi)始后,井口獲得的采熱量迅速降低并逐漸保持穩(wěn)定。采熱前期套管周?chē)鸁醿?chǔ)通過(guò)管壁傳遞的熱通量較大,同時(shí)由于水的溫度較高導(dǎo)致水粘度較小,雷諾數(shù)較大,有利于增大對(duì)流換熱系數(shù),因此基于管壁的平均對(duì)流換熱系數(shù)較大。

圖4 井口采熱量和平均對(duì)流換熱系數(shù)隨時(shí)間變化圖

2.3 沿井筒溫度分布及熱損失速率

井筒自循環(huán)采熱過(guò)程中,低溫流體從油套環(huán)空入口注入后與高溫套管內(nèi)壁發(fā)生對(duì)流換熱,溫度沿井筒逐漸升高,到達(dá)套管底部后從內(nèi)部油管返回地面。從圖5(a)中可以看出,水的溫度在井筒前半段增加很快,采熱10 min時(shí),水的溫度由入口處20 ℃增加到中部的92.2 ℃,后半段時(shí)緩慢升高到106.7 ℃,在套管底部時(shí)溫度達(dá)到最大值。從油管內(nèi)返回出口過(guò)程中,由于油套環(huán)空中水的溫度低于油管內(nèi)水的溫度,油管內(nèi)的高溫水通過(guò)油管管壁向油套環(huán)空中的低溫水散熱,溫度逐漸降低到出口處的96.5 ℃。隨著采熱時(shí)間增加,油管和油套環(huán)空的溫度分布曲線均向左移動(dòng)并逐漸保持穩(wěn)定。

圖5 沿井筒溫度分布及熱損失速率隨時(shí)間的變化

熱損失率表示流體從環(huán)空底部到出口損失的采熱量。采熱10 min、20 min、40 min、80 min時(shí),套管底部到出口處熱損失率分別為11.78%、18.45%、26.02%、27.14%。從圖5(b)中可以看到,隨著采熱時(shí)間增加,熱損失率逐漸增大后趨于穩(wěn)定。循環(huán)采熱開(kāi)始前,由于需要加熱熱儲(chǔ)介質(zhì),加熱過(guò)程中熱交換管體也存儲(chǔ)了一部分熱量。由表1計(jì)算數(shù)據(jù)可知,熱儲(chǔ)溫度為150 ℃時(shí),熱交換管體存儲(chǔ)的熱量超過(guò)花崗巖熱儲(chǔ)存儲(chǔ)熱量的14%。由于設(shè)備尺寸較小,這部分存儲(chǔ)的熱量對(duì)采熱前期的采熱性能參數(shù)有較大影響,這解釋了采熱前期雖然油套環(huán)空和油管內(nèi)溫差較大但熱損失率卻較小的現(xiàn)象。

2.4 沿井筒的熱流密度和熱物性

從圖6(a)、(b)可以看出,溫度(溫度與深度關(guān)系如圖5(a)所示)對(duì)水的密度和粘度有影響,特別是對(duì)粘度有較大影響。不同時(shí)間點(diǎn)下,密度和粘度在油套環(huán)空內(nèi)隨水溫升高而降低,在油管內(nèi)隨水溫降低而又逐漸升高。密度和粘度的變化對(duì)水沿井筒的流速和雷諾數(shù)的變化產(chǎn)生重要影響。密度的變化引起體積流量的變化,進(jìn)而引起水沿井筒流速的變化。如圖6(c)、(d)所示,采熱10 min時(shí),沿井筒溫度分布最高,密度和粘度最小,因此流速和雷諾數(shù)最大。從雷諾數(shù)分布曲線可以看出,在排量107 mL/min條件下,水在油套環(huán)空和油管內(nèi)部均為層流,增大環(huán)空雷諾數(shù)有利于增強(qiáng)流體和管壁的對(duì)流換熱,而減小油管雷諾數(shù)有利于降低油管和環(huán)空間的熱損失。

圖6 沿井筒密度、粘度、流速、雷諾數(shù)和熱通量變化圖

圖6(e)中,圖例為“環(huán)空”表示地?zé)醿?chǔ)層通過(guò)套管管壁向流體傳遞的熱通量,圖例為“油管”表示由于溫差引起的油管向油套環(huán)空傳遞的熱通量。井筒溫度分布曲線顯示水在油套環(huán)空上半部分升溫較快而在下半部分升溫較慢,因此環(huán)空上半部分通過(guò)管壁傳遞的熱通量明顯高于下半部分。從環(huán)空底部返回出口過(guò)程中,油管和環(huán)空間的溫差越來(lái)越大,因此油管向環(huán)空傳遞的熱通量也逐漸增大。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于井筒自循環(huán)采熱原理,設(shè)計(jì)并搭建井筒自循環(huán)換熱模擬實(shí)驗(yàn)裝置,選擇常規(guī)的水作為攜熱流體,開(kāi)展局部井筒自循環(huán)熱交換規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究,研究表明：

1)隨采熱時(shí)間增加,套管周?chē)鸁醿?chǔ)溫度、壓力波動(dòng)、井口獲得的采熱量和平均對(duì)流換熱系數(shù)均迅速降低并逐漸保持穩(wěn)定,熱損失率逐漸增大后趨于穩(wěn)定,溫度沿井筒自上而下逐漸升高,但溫度分布曲線逐漸降低。

2)不同時(shí)間點(diǎn)下,密度和粘度均隨水溫升高而降低,采熱10 min時(shí),沿井筒溫度分布最高,密度和粘度最小,此時(shí)流速和雷諾數(shù)最大。

3)隨時(shí)間增加,地?zé)醿?chǔ)層通過(guò)套管管壁向流體傳遞的熱通量逐漸減小,而油管向油套環(huán)空傳遞的熱通量逐漸增加。