- 韩昀;李克文;何继富;汪新伟;高楠安;
采出温度是影响地热能有效利用率的关键指标，采出温度越高，热储开发效果越好。岩溶热储作为一种重要的地热储层类型，其采出温度受到储层参数的影响。以河南清丰地热田奥陶系岩溶热储为例，通过建立热储地质模型并利用7口地热井资料，进行基于热流和井储耦合的数值模拟研究，探讨储层地质条件和回灌参数对采出温度的影响。研究结果发现，断层的存在加速了热储中低温区向生产井的扩散，导致热突破时间的提前。在开采后期，有断层情况下采出温度较高，且变化曲线斜率远高于无断层情况，表明断层有助于提高清丰地区热平衡时的采出温度，最终有利于增加采热量。目前，一般认为，注采井距越小采出温度越低。但是，当回灌速率高于50 kg/s时，随着开采时间的增加，采出温度呈现快速下降趋势，注采井距835 m下的采出温度甚至高于1 000 m的情况。最后，确定清丰地区特定场景下的最优回灌参数组合为：回灌温度20℃、回灌速率50 kg/s、注采井距835 m。本研究结果将为清丰地区或其他类似岩溶热储开发方案的制定提供有益指导。
2024年01期 v.52;No.313 83-92页 [查看摘要][在线阅读][下载 3007K] [阅读次数：0 ] |[下载次数：195 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] - 江晓雪;朱传庆;丁蕊;谢芳;邱楠生;
渤海湾盆地的大地热流高，5 000 m埋深地层平均温度为175℃，热储岩性以低孔低渗的变质岩、火成岩为主，具备形成干热岩资源的条件。基于大地热流、岩石热导率、生热率等热参数，利用COMSOL软件建立三维水热耦合的干热岩开采模型、分析不同井间距、注采速率、布井方式等差异开采方案下在100 a内对热储层温度的影响随开发时间的变化，选取最优方案并估算干热岩资源。结果表明：注采速率一定时，随着开采时间的增加，开采井水温度下降速率与井间距成反比；当注采井间距一定时，注采速率越大，开采井水温度下降越快，发生“热突破”的时间越早；其他条件相同的情况下，“两采两注”布井方案比“一采一注”布井方案获得的热量更多，开采效率更高。基于上述认识，确定研究区最优开采方案为：年限50 a、井间距400 m、注采量90 m~3/h、“两采两注”方式。此方案下，可获得开采井水平均温度为172℃，对应全渤海湾盆地可采资源量为3.28×10~(19) J/a。以河北任丘市为例，按照民用住宅热负荷指标100 W/m~2计算，利用最优方案进行干热岩的开采，仅需157.75 km~2干热岩有利区即可满足全市居民供暖需求。因此，开发利用研究区干热岩资源，可增强华北地区能源供应保障能力，打造可持续发展的绿色低碳能源体系。
2024年01期 v.52;No.313 93-103页 [查看摘要][在线阅读][下载 2843K] [阅读次数：0 ] |[下载次数：398 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] - 韩永亮;王凯鹏;王义杰;苟立;杨延斌;雷燕子;武芳丽;沈浩;
积极推进中深层地热能供暖技术，是践行国家碳达峰碳中和“双碳”目标的重要举措。中深层同轴套管式换热系统可避免对地下水资源和环境造成损害，且影响要素之间存在着复杂的非线性相互作用。基于中深层同轴套管式换热器的理论分析和数学描述，建立地热井分层换热模型，并验证其可靠性；以陕西关中盆地某中深层地热井为依托，采用数值模拟方法对各项因素影响下的地热井换热性能及连续运行过程的取热能力进行系统分析。结果表明：采用均质模型、分层模型计算地热井出水温度与实测值最大相对误差分别为14.08%、11.50%，平均误差分别为7.29%、6.93%，分层模型较均质模型具有较高的计算精度；影响因素中地热井深度、地温梯度及地层导热系数对取热功率影响最为显著，在一定程度上取热功率与地温梯度、进水温度、内管导热系数基本呈线性关系，且固井材料导热系数对传热过程具有热阻效应；中深层地热井取热量随运行年限的增加而降低，前5个供暖季取热量降幅较大，之后取热量降幅减缓，经过50个供暖季，年平均取热功率下降15.59%，将地温下降值超过1℃视为地温场受到影响，地温场平均受影响半径约为65 m，此外，由于地层的差异性，地热井周围地层温度下降及恢复等值线在地层交界面处出现了“阶梯式”变化，岩石导热系数较大的地层在地层交界面附近造成的温度扰动距离更远。研究成果可应用于中深层地热井取热换热能力的评估，同时为中深层同轴套管式换热系统的设计提供借鉴。
2024年01期 v.52;No.313 104-116页 [查看摘要][在线阅读][下载 2679K] [阅读次数：0 ] |[下载次数：503 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：2 ] - 周庆;廖建兴;徐斌;姚亮;周浩宇;赵权;
地热能是一种极具潜力的可再生能源，已引起广泛关注。在深部地热储层中，人工改造后形成的复杂裂缝网络为热提取提供了重要通道，裂缝空间分布将会直接影响热提取率。为探究裂缝不同空间分布对采热性能的影响，以幂律分布的裂缝网络为基础，采用TOUGH2MP-FLAC~(3D)框架下建立的THM耦合模型，系统研究不同裂缝长度指数(a)、密度(β)的裂缝网络对新型增强型地热系统(CO_2-EGS)采热性能的影响。并以热突破时间、EGS寿命、产热率与总产热能以及产热效率5种评价指标对储层热性能进行详细评估。结果表明，在恒速注入的情况下，裂缝长度指数a越大，长裂缝占比越小，注采井之间形成的贯穿裂缝数量越少，裂缝宽度越大，致使生产温度、产热率降低越快，更早达到热突破，从而缩短EGS寿命，降低总产热能。当a相同时，裂缝密度β越大，裂缝数量越多，生产温度与产热率降低越慢，延长热突破时间与EGS寿命，提高产热量。热突破时间最高可增加15.65 a,EGS寿命增加约10 a，总产热能增加约22.77%。而当长度指数a增长时，热突破时间最多缩短了13.1 a，总产热能降低20.8%。因此，长裂缝占比提高和裂缝密度增加有助于提高注采井之间裂缝的连通性，促进流体对流换热，更好地发挥裂缝在热开采中的作用，提高采热量。研究结果为干热岩造缝增渗改造提供一定的理论指导。
2024年01期 v.52;No.313 117-128页 [查看摘要][在线阅读][下载 7819K] [阅读次数：0 ] |[下载次数：224 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：1 ] - 张智斌;马真迪;郝建科;贾国圣;柯婷婷;成崇华;金立文;
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2 000 m增至2 500 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(N_2z)和新近系蓝田-灞河组(N_2l+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。
2024年01期 v.52;No.313 129-139页 [查看摘要][在线阅读][下载 2264K] [阅读次数：0 ] |[下载次数：281 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：1 ] - 平宇;李放;季文清;袁筱莹;齐玉峰;邓晓颖;王心义;
深部地热水作为一种清洁低碳的可再生能源，对促进实现“双碳”目标具有重要意义，但其不合理开采将导致水量减少、水位下降、工程效益低等一系列问题。以河南开封市城区已有的地热井勘探资料为基础，构建表征地热水运移的水文地质模型及对应的数学模型，利用Galerkin有限单元法对模型进行识别与验证。针对现有地热井单独运行、按需开采的弊端，围绕开封市城区主采的埋深1 200～1 400 m热储层，以水位降深最小、井间干扰最小、运行费用最低为目标函数，以水位降深、供需平衡为约束条件，建立地热水开采井运行模式优化模型。为提高收敛的准确性和结果可靠性，引入Pareto-灰狼算法求解模型并用TOPSIS理论对结果进行排序。研究表明：优化后剖分节点水位降深之和减少70.3%，地热井之间水位降深影响值之和减少10.83%，分区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水位降深分别减少12.85%、28.14%、43.77%，-80和-90 m水位等值线包围的降落漏斗面积分别降低15.5%和28.7%，地热井运行总费用降低28.7%。研究成果通过构建优化模型和引入改进算法，为地热水合理开发提供科学依据，优化地热水开采井的运行模式，不仅可以减少水资源浪费，提高水资源利用效率，还可以降低地热井运行费用，对于地热水合理开发与科学保护具有重要指导作用。
2024年01期 v.52;No.313 140-151页 [查看摘要][在线阅读][下载 2235K] [阅读次数：0 ] |[下载次数：176 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] - 邹海江;李永鹏;张林;惠鹏;刘厚宁;申芳;王沣浩;
中深层同轴地埋管地热供热技术在我国北方城镇供热领域兴起并广泛应用。陕北地区地热资源丰富，但地温梯度略低且岩土热物性参数特性不同，地质参数影响中深层同轴地埋管的取热性能。采用OpenGeoSys开源数值模拟平台建立三维中深层同轴地埋管耦合地层传热计算模型，并基于陕北地区典型地质参数，研究不同设计参数对中深层同轴地埋管取热性能的影响及全生命周期技术经济性，优选出地热工程最佳工艺参数。结果表明，中深层同轴地埋管的外管径与埋深增大均能提升取热能力。相较于外管径，埋深对取热能力的提升效果更为显著，埋深从2 500 m增加到3 500 m，取热量增加了77.3%。依据工程实践，当外管外径×厚度大于177.80 mm×9.19 mm时所对应的平均能源成本因其钻井成本陡增而增大。在给定工况参数下，推荐中深层同轴地埋管的最佳外管外径×厚度为177.80 mm×9.19 mm，埋深为3 200 m，此时平均能源成本为0.524元/(kW·h)，经济效益最优。
2024年01期 v.52;No.313 152-158页 [查看摘要][在线阅读][下载 1575K] [阅读次数：0 ] |[下载次数：294 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：2 ] - 贾子龙;郑佳;张耀斌;陈珂;刘爱华;李娟;
为探索多能互补的清洁能源供暖技术，满足北京市村镇分散式建筑清洁供暖需求，在北京农村地区建设太阳能-地源热泵复合式系统，进行太阳能补热热泵供暖实验，并利用COMSOL软件开展地温场热均衡模拟研究。结果表明：相较单一地源热泵系统，太阳能补热热泵供暖方案下，地源侧出水温度提升23%，系统制热能效比(Coefficient of Performance,COP)和机组COP分别提升19%、25%；系统运行10 a，地源热泵系统单季节运行方案下总的取热量要多于间歇期自然恢复量，地温场总均衡为-8.91×10~9 kJ；单一地源热泵方式运行和太阳能补热方式运行在双季节情况下总的取热量小于总的排热量，地温场总均衡分别为4.220×10~9、1.084×10~(10) kJ。因此，双季节运行方案对地温场不会产生负均衡，反而会对地温场有一定的热量补充。地源热泵系统运行中加入太阳能补热，对地温场的影响更小，可显著提升系统和机组效率，该模式适用于北京农村地区特别是供暖需求较大的建筑。
2024年01期 v.52;No.313 159-167页 [查看摘要][在线阅读][下载 2557K] [阅读次数：0 ] |[下载次数：307 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：1 ]