分层岩土热物性对U型中深层地埋管传热性能的影响研究

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作者 孙婉玉 蒋天茁 +1 位作者 付强 王昌龙 《可再生能源》 北大核心 2025年第5期610-619,共10页

U型中深层地埋管换热器(U-bend Deep Borehole Heat Exchanger,UDBHE)可有效开采中深层地热能,具有较高的换热性能,因而备受关注。中深层岩土热物性一般随深度而变化,而目前缺乏分层岩土热物性对U型中深层地埋管换热器传热性能影响的深... U型中深层地埋管换热器(U-bend Deep Borehole Heat Exchanger,UDBHE)可有效开采中深层地热能,具有较高的换热性能,因而备受关注。中深层岩土热物性一般随深度而变化,而目前缺乏分层岩土热物性对U型中深层地埋管换热器传热性能影响的深入研究。文章基于已经建立的UDBHE半解析传热模型,研究了分层岩土热物性(热导率和体积比热容)对UDBHE传热性能的影响。研究结果表明:各层岩土热导率和体积比热容对UDBHE传热性能均有一定影响,并且其影响均随着岩土层深度的增大而增大;随着时间的增加,岩土热导率造成的影响逐渐增大,而岩土体积比热容造成的影响基本不变。保持各层岩土热导率的加权平均值不变,岩土热导率非均匀性对传热性能有较大影响,并且较大的岩土热导率非均匀性程度将促进UDBHE传热性能,反之则抑制。同理,岩土体积比热容非均匀性也有一定影响,但其影响随时间变化很小。研究结果对UDBHE性能预测及优化提供重要的参考价值。 展开更多

关键词 U型中深层地埋管换热器 分层岩土热物性 传热性能 热导率 体积比热容

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关中地区中深层地埋管换热器长期运行性能研究 被引量：2

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作者 张智斌 马真迪 +4 位作者 郝建科 贾国圣 柯婷婷 成崇华 金立文 《煤田地质与勘探》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期129-139,共11页

我国关中地区地热资源丰富,中深层地热能供暖技术具有广阔的应用前景,而地质参数是影响中深层地埋管供暖系统性能的决定性因素。针对陕西关中地区中深层地埋管供暖性能展开研究,通过梳理关中地区咸阳市兴平市、咸阳市渭城区、西安市高... 我国关中地区地热资源丰富,中深层地热能供暖技术具有广阔的应用前景,而地质参数是影响中深层地埋管供暖系统性能的决定性因素。针对陕西关中地区中深层地埋管供暖性能展开研究,通过梳理关中地区咸阳市兴平市、咸阳市渭城区、西安市高陵区、西安市鄠邑区、西安市长安区5个典型区域的地质参数,结合典型地埋管结构参数,对长期运行下的换热器性能及热作用半径变化规律进行模拟计算。结果表明,不同地区换热器运行之初的性能变化较为显著,但均在经过5 a左右运行后趋于稳定。地埋管深度从2000 m增至2500 m时,出口水温有着明显的提升,同一时刻下出口水温的涨幅可达8%,各采暖季末的出口水温随深度增加的变化更为显著。由于长期运行,年平均取热功率呈现下降趋势,20 a内的总降幅为11%~12%;随着换热器埋深的增加,取热功率涨幅可达41.41%~53.23%。热作用半径受埋深的影响不显著,不同埋深管道运行20 a后的井底最大热作用半径均在50 m左右;土壤温度受与换热器距离及运行时长的影响更大,距离20 m以内的土壤温度呈现明显的波动下降趋势,而距离在60 m以外的土壤温度在20 a的运行期内降幅很小。此外,由于具有大厚度新近系张家坡组(N2z)和新近系蓝田-灞河组(N2l+b)的地质条件,西安市鄠邑区、高陵区以及咸阳市兴平市等地区地埋管的出口水温、取热功率较高,更适宜开展中深层地热能供暖利用。研究成果有望为关中地区中深层地热能高效利用提供参考。 展开更多

关键词 地热开发 中深层地埋管 地质参数 取热性能 热作用半径 模拟分析 关中地区

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中深层地埋管热泵系统供暖源侧参数设计方法

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作者 李锦堂 李骥 +3 位作者 张广秋 孙宗宇 朱超 孔维政 《太阳能学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第9期1-13,共13页

依赖于既有工程经验数据或地埋管换热能力短期测试结果,采用粗放式方法进行中深层地埋管热泵系统源侧设计,导致地埋管系统容量配置不合理,影响热泵系统供暖的可靠性与经济性。为改善地埋管系统设计现状,采用动态仿真手段,同时虑及设计... 依赖于既有工程经验数据或地埋管换热能力短期测试结果,采用粗放式方法进行中深层地埋管热泵系统源侧设计,导致地埋管系统容量配置不合理,影响热泵系统供暖的可靠性与经济性。为改善地埋管系统设计现状,采用动态仿真手段,同时虑及设计负荷、累计负荷、负荷逐时分布规律,分析长时间维度中深层地埋管地热资源非稳态特性和岩土温度自恢复特性,提出基于地下岩土“终态年度周期性冷热平衡”状态来确定地源侧设计供回水温度,进一步以地源侧全生命期年均成本最低进行最优化计算来确定源侧设计流量的设计方法,并将其应用于某工程项目,实现了地源侧参数的设计优化。 展开更多

关键词 地热能 中深层同轴套管式地埋管换热器 长期换热性能 年度完全可再生状态 动态仿真

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套管式中深层地埋管换热器传热建模及取热分析 被引量：29

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作者 杜甜甜 满意 +2 位作者 姜国心 方亮 方肇洪 《可再生能源》 CAS 北大核心 2020年第7期887-892,共6页

为了研究无干扰换热条件下,中深层地热能的实际取热性能,文章通过数值模拟方法模拟计算了套管式中深层地埋管换热器的名义取热量。模拟结果表明,套管式中深层地埋管换热器的名义取热量随着钻孔深度、大地热流、循环水流量、当地大气年... 为了研究无干扰换热条件下,中深层地热能的实际取热性能,文章通过数值模拟方法模拟计算了套管式中深层地埋管换热器的名义取热量。模拟结果表明,套管式中深层地埋管换热器的名义取热量随着钻孔深度、大地热流、循环水流量、当地大气年平均温度的增加而增加。套管式中深层地埋管换热器周围土层的地质条件分布也影响着中深层地埋管换热器的名义取热量,具体表现为浅层土层的导热系数越小,中深层地埋管换热器的名义取热量越大;深层土层的导热系数越大,中深层地埋管换热器的名义取热量也越大。通过调整地埋管换热器的相关参数,并选择合适的地埋管埋设地点等优化措施,可使套管式中深层地埋管换热器达到可观的名义取热量。 展开更多

关键词 套管式中深层地埋管换热器 物性参数 名义取热量 岩土层地质分布

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某中深层地埋管地源热泵系统测试与分析 被引量：5

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作者 郭海明 吴军虎 +3 位作者 胡平放 任虎俊 张静 李振兴 《中国矿业》 2023年第1期165-172,共8页

中深层地热“取热不取水”技术是中深层地埋管地源热泵系统的核心,是影响整个系统设计与性能的主要因素。为了更全面地认识中深层地埋管地源热泵系统性能,本文对位于陕西省某矿区的孔深为3183 m的中深层地埋管地源热泵系统进行了测试,... 中深层地热“取热不取水”技术是中深层地埋管地源热泵系统的核心,是影响整个系统设计与性能的主要因素。为了更全面地认识中深层地埋管地源热泵系统性能,本文对位于陕西省某矿区的孔深为3183 m的中深层地埋管地源热泵系统进行了测试,测试参数包括地下岩土层初始平均温度、地热井取热能力、热泵系统运行工况参数及系统冬季性能系数,获得了部分数据,并对结果进行了分析。通过分析可知,该地热井井底初始温度为107℃,不同深度地下温度的平均温度约70℃;单位管长换热量为217.4 W/m,在供水温度为70℃,采用散热片为末端,供暖部分负荷率约为25%时,系统性能系数为1.99。本文研究可为中深层地埋管地源热泵系统设计及运行提供参考。 展开更多

关键词 中深层地埋管地源热泵系统 井底初始温度 换热量 供水温度 性能系数

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地下水渗流对中深层地埋管取热性能的影响规律 被引量：3

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作者 焦开拓 孙成珍 +1 位作者 白博峰 杨瑞涛 《天然气工业》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第4期85-93,共9页

中深层地热能是我国重点发展的可再生能源,中深层地下水渗流会对埋管取热性能和取热可持续性产生重要影响,但其影响规律在长时间、多周期情况下尚不明确。为此,基于自主开发的埋管与地层双向耦合传热解析模型,通过一原位试验井参数,研... 中深层地热能是我国重点发展的可再生能源,中深层地下水渗流会对埋管取热性能和取热可持续性产生重要影响,但其影响规律在长时间、多周期情况下尚不明确。为此,基于自主开发的埋管与地层双向耦合传热解析模型,通过一原位试验井参数,研究了埋管在单个取热期、多取热周期情况下的性能,并通过变化率、降低程度等重要参数定量评估了地下水渗流的影响。研究结果表明:①单个取热期中,地下水渗流对埋管出口温度和取热功率的增幅作用在取热初始时刻很小,随着运行时间累积而增长;②单个取热期中,当试验井中达西速度大于3×10^(-7) m/s时,含水层中的局部降低程度才低于无含水层,此时增强了局部取热可持续性;③多周期取热时,在各个达西速度下,取热期瞬态阶段的取热性能随运行年限的降低程度要高于取热期稳定阶段;④多周期取热中达西速度在4×10^(-7) m/s以上时局部降低程度近似为0,此时每年取热期的取热性能维持不变。结论认为,建立的中深层地埋管与地层双向耦合传热解析模型,分析了埋管取热性能随地下水渗流速度的变化规律,为我国中深层地热能的开发利用奠定了基础。 展开更多

关键词 中深层地埋管 中深层地热能 地下水渗流 解析模型 取热性能 取热可持续性 降低程度 多周期运行

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中深层地埋管换热器运行模式对岩土热恢复特性的影响 被引量：9

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作者 黄帅 董建锴 +2 位作者 李骥 朱科 姜益强 《可再生能源》 CAS CSCD 北大核心 2022年第7期899-906,共8页

为探究中深层地埋管换热器的运行模式对其周围岩土热恢复特性的影响,建立了中深层地埋管换热器与周围岩土的耦合传热模型,基于有限差分法将控制方程离散求解,并利用项目实测数据加以验证。研究结果显示:在系统运行的15 a间,不同运停比... 为探究中深层地埋管换热器的运行模式对其周围岩土热恢复特性的影响,建立了中深层地埋管换热器与周围岩土的耦合传热模型,基于有限差分法将控制方程离散求解,并利用项目实测数据加以验证。研究结果显示:在系统运行的15 a间,不同运停比下的中深层岩土温度均呈周期性变化,而且运停比越小,岩土热恢复程度越高;当运停比分别为24∶0,16∶8,12∶12和8∶16时,运行15 a后的中深层岩土温度能分别恢复至初始温度的95.24%,96.62%,97.35%和98.16%;系统运行15 a后,在24∶0,16∶8,12∶12和8∶16运停比下,热影响半径分别为91.36,83.07,75.52,68.65 m;以运停比24∶0所对应的热影响半径为基准,其余3种运停比下的热影响半径分别减少9.07%,17.34%和24.86%。 展开更多

关键词 中深层地埋管换热器 岩土热恢复 传热模型 运停比 工程实测

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西北省会城市地热中深层地埋管供热系统发展潜力及环境效益分析 被引量：4

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作者 刘文辉 董英 +1 位作者 张新社 王涛 《西北地质》 CAS CSCD 北大核心 2023年第3期186-195,共10页

笔者回顾并对比分析了西北省会城市供热现状及环境空气质量,指出传统采暖方式是影响该区环境空气质量的主要因素之一,而地热清洁能源的使用将有助于改善环境空气质量。传统热水井取热方式受地质条件制约较大,近年来一种取热不取水的新... 笔者回顾并对比分析了西北省会城市供热现状及环境空气质量,指出传统采暖方式是影响该区环境空气质量的主要因素之一,而地热清洁能源的使用将有助于改善环境空气质量。传统热水井取热方式受地质条件制约较大,近年来一种取热不取水的新型地热开发利用技术——中深层地埋管供热系统应运而生,发展迅速。但是,以往的研究多集中于地面供热系统及管井换热能力的研究,对于地热资源储量及承载力的研究较少。在分析该技术适用范围的基础上,总结西北五省省会城市的地热资源条件,采用适当的方法结合城市建设范围估算地热可采资源量,分析在城市中推广使用中深层地埋管供热系统的前景及环境效益,并提出后续研究方向。 展开更多

关键词 地热资源 中深层地埋管供热系统 环境空气质量 西北省会城市

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中深层同轴地埋管换热器井下换热关键参数及影响规律分析

9

作者 刘成路 胡振阳 +1 位作者 赵永哲 苟立 《科学技术与工程》 北大核心 2025年第8期3134-3141,共8页

为探明中深层同轴地埋管换热器的高效换热特性,基于流体流动传热方程,构建中深层同轴地埋管换热器与周围岩土体的传热模型,应用COMSOL软件进行换热数值分析与计算,研究该模型在不同埋深、内管导热系数、循环水流量、固井材料导热系数条... 为探明中深层同轴地埋管换热器的高效换热特性,基于流体流动传热方程,构建中深层同轴地埋管换热器与周围岩土体的传热模型,应用COMSOL软件进行换热数值分析与计算,研究该模型在不同埋深、内管导热系数、循环水流量、固井材料导热系数条件下名义取热量的变化情况。结果表明:内管导热系数、循环水流量及固井材料导热系数对名义取热量影响较大;内管导热系数从0.5 W/(m·K)降至0.002 W/(m·K),名义取热量增幅为289.4%;循环水流量从20 m^(2)/h升至45 m~2/h,名义取热量增幅为124%;固井材料导热系数从0.8 W/(m·K)升至1.8 W/(m·K),名义取热量增幅为2%。最后依托中煤科工西安研究院(集团)有限公司中深层地热能建筑供热试点示范项目,对该项目连续运行(168 h)工况下实验与模拟数据进行差异化分析。研究成果对中深层同轴地埋管换热器优化设计及中深层地热井高效开发利用具有一定的指导意义。 展开更多

关键词 中深层同轴地埋管换热器 高效换热 流体传热模型 名义取热量

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中深层地热供暖系统运行策略模拟研究

10

作者 赵永哲 赵宝锋 +3 位作者 胡振阳 苟立 杜丁山 刘成路 《煤田地质与勘探》 北大核心 2025年第4期203-212,共10页

【背景】积极利用中深层地热能供暖是实现碳达峰碳中和目标的重要举措。中深层地热供暖系统运行策略的优劣直接影响供暖效果,并对地热供暖系统运行能耗产生重要影响,在利用地热能的同时要避免造成资源的浪费。【方法】依托陕西关中盆地... 【背景】积极利用中深层地热能供暖是实现碳达峰碳中和目标的重要举措。中深层地热供暖系统运行策略的优劣直接影响供暖效果,并对地热供暖系统运行能耗产生重要影响,在利用地热能的同时要避免造成资源的浪费。【方法】依托陕西关中盆地某中深层地热能实际供暖工程,基于TRNSYS瞬态模拟软件建立动态仿真模型,模拟5种运行策略的供暖效果及系统运行能耗,并对温度数据、能耗表现、运行机理进行系统性分析。【结果和结论】结果表明:(1)在供暖季初期及末期采用地热井直接换热供暖模式下的运行策略供暖效果最佳,用户侧房间温度最高32℃,COP峰值可达19;采用地热井加热泵机组梯级利用的供暖运行策略适用于供暖季中期地埋管出水温度逐渐下降时,在短期内可将用户侧房间温度保持在30℃左右,COP值最高为12.75、最低为9.06。(2)单井连续供暖运行后期可采用以热泵机组供热为主的运行策略,短期内可将用户侧房间温度保持在20~28℃,COP值最高为6.99、最低为5.22。(3)此外,在不同应用场景下需根据地埋管出水温度及用户侧房间温度对运行策略进行调整,从综合能耗表现可得出应优先采用地热井直接换热供暖的运行策略,尽量减少热泵机组开启次数及时间。(4)梯级利用应优先开启一台热泵机组、尽量减少热泵机组开启台数。对于单口井供暖的运行策略,在供暖季中后期依赖热泵机组会导致系统能耗增加,条件允许应尽量采取多井间歇运行。研究成果可应用于中深层地热同轴套管式地埋管换热系统运行策略的调整优化,同时可为运行策略的设计提供借鉴。 展开更多

关键词 地热能开发利用 中深层套管式地埋管 TRNSYS模拟 运行策略 梯级利用

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中深层U型地埋管换热器取热特性研究

11

作者 胡俭 姜静华 +4 位作者 范生军 刘建浩 邹海江 蔡皖龙 王沣浩 《化工学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第S01期76-84,共9页

基于开源数值模拟计算软件OpenGeoSys建立了充分考虑中深层U型地埋管换热器尺寸特征与复杂地质参数分布的三维数值计算模型,开展了换热器长期取热过程逐时出口水温及取热性能影响因素分析。热性能测试分析结果表明,运行初期换热器出口... 基于开源数值模拟计算软件OpenGeoSys建立了充分考虑中深层U型地埋管换热器尺寸特征与复杂地质参数分布的三维数值计算模型,开展了换热器长期取热过程逐时出口水温及取热性能影响因素分析。热性能测试分析结果表明,运行初期换热器出口水温快速下降,随着取热进程不断推进换热器出口水温逐渐平稳。敏感性分析表明,地温梯度、上下行井钻井深度及水平对接井长度对中深层U型地埋管换热器取热性能影响显著。相关研究结论可为中深层U型地埋管工程设计及技术应用提供参考。 展开更多

关键词 再生能源 中深层U型地埋管换热器 数值模拟 传热 取热性能

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非供暖季中深层热储自然恢复与蓄热对比分析 被引量：3

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作者 王卫莲 鲍玲玲 靳鹏飞 《科学技术与工程》 北大核心 2024年第1期215-222,共8页

中深层岩土热储恢复对地埋管的取热效率至关重要,非供暖季结束时中深层热储温度场呈现不同的衰减程度。主要研究对比分析中深层地埋管运行1个供暖季后在非供暖季埋管周围热储自然恢复与有人为干预的蓄热恢复两种不同恢复情况温度场的变... 中深层岩土热储恢复对地埋管的取热效率至关重要,非供暖季结束时中深层热储温度场呈现不同的衰减程度。主要研究对比分析中深层地埋管运行1个供暖季后在非供暖季埋管周围热储自然恢复与有人为干预的蓄热恢复两种不同恢复情况温度场的变化,利用ANSYS Fluent建立传热模型,基于有限体积法进行求解,并与项目实测数据进行对比验证。通过对比分析两种不同恢复模式在非供暖季结束时热储的温度值,结果表明:非供暖季中深层热储通过自然恢复结束时,热储温度热恢复率最低点为96.81%;进行人为干预的蓄热恢复在非供暖季结束时,热储温度的最高恢复率可以达到158.09%。对比两种不同的热恢复模式在非供暖季结束时温差最大达到10.09℃,温差随深度及径向距离的增加而减小。 展开更多

关键词 中深层地埋管 数值模拟 热储 蓄热 自然恢复

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中深层套管式地埋管换热器取热性能研究及经济性分析 被引量：10

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作者 姜静华 高远 +5 位作者 张育平 王铭 傅永泉 蔡皖龙 刘洪涛 王沣浩 《西安建筑科技大学学报（自然科学版）》 北大核心 2021年第6期851-859,共9页

使用FLUENT软件建立了中深层套管式地埋管换热器三维数值传热模型,基于正交试验极差法,分析了入口温度、埋深、内管径、岩土热导率、地温梯度对中深层套管式地埋管换热器换热性能的影响.结果表明:这五项因素对中深层套管式地埋管换热器... 使用FLUENT软件建立了中深层套管式地埋管换热器三维数值传热模型,基于正交试验极差法,分析了入口温度、埋深、内管径、岩土热导率、地温梯度对中深层套管式地埋管换热器换热性能的影响.结果表明:这五项因素对中深层套管式地埋管换热器换热性能的影响显著性依次为:埋深、地温梯度、入口温度、岩土热导率、内管径;其次基于平均能源成本法建立中深层套管式地埋管换热器经济性评价方法.研究结果表明:中深层套管式地埋管换热器的平均能源成本随埋深增加呈先下降后上升趋势,在选定参数条件下,2 500 m埋深的中深层套管式地埋管换热器平均能源成本最低、经济性最优,所使用方法及所得结论可为中深层套管式地埋管优化研究与工程应用提供参考. 展开更多

关键词 中深层套管式地埋管换热器 数值模拟 换热性能 正交试验 平均能源成本法

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基于TRNSYS的中深层地热供暖系统运行特性研究 被引量：10

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作者 景登岩 施志钢 +2 位作者 刘福强 董作敏 王培 《可再生能源》 CAS CSCD 北大核心 2022年第6期751-759,共9页

文章依托实际工程,基于TRNSYS软件建立仿真系统,对地温梯度、岩土导热系数、延米取热功率及不同运行时间比等影响因素进行模拟分析,结果表明,地温梯度较小时,出口温度较低,系统无法长期正常运行,且系统能耗较大。进出口温度随着岩土导... 文章依托实际工程,基于TRNSYS软件建立仿真系统,对地温梯度、岩土导热系数、延米取热功率及不同运行时间比等影响因素进行模拟分析,结果表明,地温梯度较小时,出口温度较低,系统无法长期正常运行,且系统能耗较大。进出口温度随着岩土导热系数的增大而缓慢增大,应对换热器采取保温措施,减小热量在浅层岩土层的散失。持续运行供暖系统延米取热功率不大于150 W/m,延米取热功率越大,进出口温度与土壤温度降低幅度越大,热开采与热恢复达到平衡所需时间越长。运行时间比越低,在同样的取热功率下,土壤的温度越高。间歇供暖可提高单井延米取热功率,考虑到间歇运行工况的热恢复,运行时间比为1/3,5/12,1/2时,延米取热功率应分别小于350,300,250 W/m。 展开更多

关键词 中深层套管式地埋管 TRNSYS模拟 延米取热功率 运行时间比

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废弃油气井改造的地热井换热性能影响因素模拟研究 被引量：9

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作者 郭鸿 夏岩 +2 位作者 陈雷 金光 刘建强 《油气藏评价与开发》 CSCD 2022年第6期850-858,共9页

采用中深层地埋管换热技术改造废弃或关停油气井是油田地热开发的一种方式,有助于油田低碳供热并降低地热开发成本。为了提高单井取热量及更好地指导改造工作,需对改造井换热性能的影响因素进行分析。通过数值模拟方法分析改造井换热性... 采用中深层地埋管换热技术改造废弃或关停油气井是油田地热开发的一种方式,有助于油田低碳供热并降低地热开发成本。为了提高单井取热量及更好地指导改造工作,需对改造井换热性能的影响因素进行分析。通过数值模拟方法分析改造井换热性能的影响因素,分别对地质、井和工况等参数进行了分析。主要结论为:①地质参数中的地温梯度和岩层导热系数对单井取热量有较大影响,地质参数应作为改造选井首要考虑因素;②井参数中的井深、套管外径、中心换热管外径和导热系数对单井取热量有一定影响,在改造选井及方案制定时需要考虑;③工况参数中的入井水温和入井流速对单井取热量有影响,地面换热系统设计时应考虑工况参数的影响。此研究对于采用同类换热技术的改造目标井优选、改造方案制定、运行工况参数优化都具有参考意义。 展开更多

关键词 废弃油气井 地热能 中深层地埋管换热器 导热系数 数值模拟

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