- 1 -
中国科技论文在线
利用废弃油井和地下高温溶腔开采地热能
的数值模拟
梁昌文,陈科**
作者简介:梁昌文(1988-),男,硕士,主要研究方向:机械零件有限元分析,流体换热的数值模拟
通信联系人:陈科(1965-),男,教授,主要研究方向为:机电产品的现代设计理论和方法;人工神经网
络、进化算法等在机械产品中的应用;机电产品的 CAD/CAE/CAM. -
(合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥 230009) 5
摘要:该文探究了以废气油井做为注入井和采出井,以高温溶腔做为主要热储的换热系统,
建立了注入井和采出井的二维换热模型,利用有限差分法离散了其能量偏微分方程,并用交
替半隐式算法(ADI)求解了温度场;建立了高温溶洞换热的三维换热模型,考虑了其多孔
性质,并利用有限元分析软件 Fluent进行了数值分析。文中工质的物性来源于 NIST数据库10
提供的实际气体模型,分析过程中考虑了其物性变化,探究了流体出口温度随运行时间、地
温梯度、入口压力、入口温度、质量流量、岩层孔隙率、工质种类等因素的变化规律,研究
结果表明,影响工质出口温度最重要的因素为入口温度、地温梯度和质量流量,在实际开采
过程中应重点考虑这几个因素。通过本的研究,为利用废弃油井和高温溶腔开采地热能进行
地热发电,提供了有价值的理论参考。 15
关键词:地热能;油井;高温溶腔;换热;数值模拟
中图分类号:TK01+9
the Numerical Simulation of Fluid Flow and Heat Transfer
in the Hot Cavity Underground 20
Changwen-Liang, Chen Ke
(School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei
230009)
Abstract: A heat transfer system, which uses oil wells abandoned as its injection and production
well and hot cavity as its geothermal reservoir, is studied in this paper. The 2D model of injection 25
and production well is established, and its energy partial differential equations are discretized by
finite difference method and solved through alternating direction implicit difference method (ADI).
The 3D model of hot cavity is set up considering its porous property, and numerical analysis is
developed in FEM software Fluent. The property of working fluid in this paper uses real gas
model from the database provided by NIST. The various property of fluid is took into account in 30
the whole analysis, and the temperature of fluid at the system’s outlet are studied, which is
changing as running time, geothermal gradient, inlet pressure, temperature at inlet, mass flow rate,
rock’s porosity and different working fluid. The result indicate that temperature at inlet,
geothermal gradient and mass flow rate is the most important factors affecting temperature at
outlet, so these factors should be considered in the actual process of exploitation. The study in this 35
paper will provide valuable reference in theory at the field of geothermal power generation and
geothermal exploitation by oil wells abandoned.
Key words: geothermal energy; oil wells; hot cavity; heat transfer; numerical simulation
0 引言 40
由于世界范围内广泛地使用传统化石能源,使得环境恶化,温室效应逐渐加剧,而我国
的温室气体的排放量占了世界的很大比重,例如,2011 年我国的煤炭消耗总量就占世界的
45%
[1]。我国对清洁能源的开发和利用已迫在眉睫。地热能是一种绿色的清洁能源,在开发
和利用中没有温室气体排放,合理的利用和开发地热能源符合我国节能减排的国家战略规
- 2 -
中国科技论文在线
划。我国大量油井在开发完后被废弃,而这些油井的深处存在大量相互贯通的多孔介质层,45
其温度随地层深度的增加而升高,因而可以被改造成注水井[2],而这些腔道也可以通过人工
溶解的方法进一步扩充容积。若能合理利用我国大量的废弃油井,开发出蕴藏在岩层中的地
热能,则既避开了常规地热开采中的高成本,增加了地热开采的经济效益,又可以提高清洁
能源的使用比重,缓解环境压力。
国内外许多学者对地层的换热做了相关研究,Adelina P. Davis[3]等人建立了以异丁烷作50
为工质的废气油井换热过程的数学模型,模拟结果说明注入压力和井底温度是影响发电的两
个主要因素;Wen-Long Cheng[4]等人建立了 6000m 深的废弃油井的瞬态换热模型,并做了
数值仿真,结果表明流体出口温度会随着系统运行时间的延长而逐渐降低,最终趋于稳态,
稳态建立的时间受地层导热系数和工质进口速度的影响比较大,但受地层比热的影响较小;
广州中科院能源所的卜宪标[5]建立了废气油井内流体换热的数学模型,对换热过程进行了数55
值模拟,并把数值模拟结果应用到实际的发电过程,对净发电功率进行了计算;李旻[6]等通
过有限容积法,考虑了多孔介质流动问题,建立了单井回灌地下传热的数值模型,并探究了
地质参数和系统参数对换热器性能的影响。Feng Luo[7]等在 Fluent 中建立了以 CO2 为工质
的增强型地热系统的传热模型,考虑了主要换热区的分层多孔介质,探究了在不同流量、孔
隙率、渗透系数等工况下的系统发电量。Shi Ying[8]等利用建立了采出井在两层多孔区域工60
况下的换热模型,并用有限差分法求解了换热微分方程,进而探究了不同工况下的井剖面的
温度分布。
考前人研究地热开采模型基本都是采用统一模型,但考虑到模型规模较为庞大,为更精
确地描述地热开采模型,同时又能有效地降低计算规模,在吸取前人研究的基础上,把整个
地热开采模型分成了注入井、高温溶腔、采出井三个部分来进行研究,使用了有限差分法和65
MATLAB 软件对注入井和采出井温度场进行求解,采用 Fluent 有限元分析软件对几何形状
和传热状态相对复杂高温溶腔的进行分析研究,在 gambit 有限元前处理软件中建立了其有
限元传热模型。
1 物理模型的建立
废弃油井及高温溶腔的构造和传热过程如图 1所示,利用人工溶解地下盐层的方式,可70
以构造出图 1(a)中所示的人造溶腔,在两个废气油井的之间构造这样的人造溶腔,并把两油
井分别作为注入井和采出井,从而采出蕴藏在地下高温岩层内的地热能。随着岩层深度的增
加,注入井中的流体会不断吸收来自岩层的热量,并随着温度和压力的升高,逐渐达到超临
界状态,直至到达高温溶腔,如图 1(d) 所示;高温溶腔近似看成如图 1(c)所示的椭圆形,
超临界状态的工质流体经过高温溶腔内高温岩层的进一步加热后由采出井采出,为了减少采75
出工质的热量损失,采出井可以做一定的保温措施,如图 1(c)所示;为了防止热贯通现象的
发生,两油井要保持一定的距离,另外还需假定距流体一定距离处的岩层温度不受流体换热
的影响,即图中所示的岩层边界,目的是为了使边界条件得以封闭。模拟过程中的工质选择
了异丁烷、异戊烷、水,工质的物理性质来自于美国国家标准与技术研究院(National Institute
of Standards and Technology,NIST)提供的物性数据库。 80
- 3 -
中国科技论文在线
表 1 废气油井及高温溶腔物理模型的参数
the physical parameters of the abandoned oil wells and hot cavity
溶腔高度(m) 2 溶腔长轴(m) 30
溶腔短轴(m) 40 地表温度(K)
油井直径(m) 恒温边界距离(m) 50
保温层导热系数(W/(m﹒K)) 保温层厚度(m)
岩层比热(KJ/(Kg﹒K))) 1098 岩石的密度(Kg/m3)) 2730
85
(a)废气油和高温溶腔构造示意图
(b)采出井传热示意图 (c)高温溶腔的物理模型 (d)注入井传热示意图
图 1 废弃油井和高温溶腔的构造和传热示意图 90
The structure and heat transfer sketch of the oil wells abandoned and hot cavity underground
2 数值模型的建立
在建立控制方程之前,根据所分析问题,做出如下假设:
(1) 忽略注入井、采出井和岩层之间的接触热阻;
(2) 忽略注入井、采出井能量方程中的扩散项和径向的对流项,只考虑竖直方向的对95
流作用,即看成一维瞬态对流问题;
(3) 忽略岩层竖直方向的热传导,用地温梯度近似代替;
(4) 认为系统运行较长时间后,高温溶腔内的压力基本恒定,对工质物性影响较小,
溶腔入口端的入口压力取 30年内注入井压力的平均值;
(5) 认为距离工质 50 米以外的岩层温度不受系统换热的影响,即分析过程中温度恒100
定不变。
(6) 在计算井内温度场时,忽略由于工质粘性引起的压力损失和溶腔内的压力损失,
并认为注入井出口和采出井入口的压力是相等的。
(7) 认为油井半径大小不变,且在远离高温溶腔的部分,传热过程是轴对称的。
- 4 -
中国科技论文在线
根据上述假设,可以把采出井和注入井看成容易求解的二维模型,高温溶腔是对称的三105
维模型,通过MATLAB 软件和 Fluent软件,可以把二维模型和三维模型结合起来,求解整
个模型的温度场和流场,数值模型可由如下控制方程和有限元模型来描述。
井内的能量方程
注入井能量方程
忽略注入井井壁厚度对传热的影响,参考文献[9]可得注入井内流体与岩层之间的传热110
方程:
1 12 ( )w in
d Q
h R T T
dz
(1)
式中:h1 ─注入井井壁对流换热系数,W/(m
2﹒K);R─注入井半径,m;Tw1 ─注入井
井壁处的岩层温度,K;Tin ─注入井工质温度,K; d Q
dz
─传热量在竖直方向上的变化率,
W/m。 115
相比模型整体型规模,注入井的尺寸非常小,故井内工质的传热过程只考虑流体的对流
传热,忽略热扩散,参考文献[10],可得如下传热方程:
( ) ( )R p in R p in inA C T A C v T d Q
t z dz
(2)
式中:ρ─工质密度,Kg/m3; AR─注入井通流面积,AR=πR
2,m2;Cp─工质比热,J/(Kg
﹒K);vin─注入井工质速度,m/s; 120
采出井能量方程
2( )w out
d Q
k T T
dz
(3)
2
2 1 1
1
2 ln( )
2
s
k
r
h r r
(4)
式中:k─采出井井壁等效换热系数[5],W/(m2﹒K);h2 ─采出井井壁对流换热系数,
W/(m
2﹒K);r1─采出井内半径,m;r2─采出井外半径,r2=r1+b,b为保温层厚度,m;Tw2 125
─采出井井壁处的岩层温度,K;Tout ─采出井工质温度,K;λs ─保温层导热系数,W/(m
﹒K)。
( ) ( )r p out r p out outA C T A C v T d Q
t z dz
(5)
式中: Ar─采出井通流面积,Ar=πr1
2,m2; Tout─采出井工质温度,K;vout─采出井
工质速度,m/s。 130
井内对流换热系数
井内对流系数的计算公式可参考文献[9]:
Re Prsh
de
(6)
式中:λf─流体导热系数,W/(m﹒K);Re─雷诺数;Pr─普朗特数;de─水力直径,对
于注入井,de =2r,对于采出井,de =2r2,m。 135
- 5 -
中国科技论文在线
井内动量方程
忽略由于管道摩擦引起的压力损失和动压项,根据伯努利方程得出注入井和采出井井内
的动量方程:
P
g
z
(7)
式中:
P
z
─单位竖直方向的压降,Pa/m;g─重力加速度,m/s2。 140
岩层控制方程
岩层温度的控制方程可由下式表示[5]:
inf
( )
( ),w w w w w bou
C T K T
r R r R
r r r r
(8)
式中: w ─岩层密度,Kg/m
3; wC ─岩层比热容,J/(Kg﹒K);r─岩层距离井壁的径
向距离,m;Tw─岩层温度,K;Rbou─井外径,对于注入井 Rbou =r,对于采出井 Rbou =r2,145
m;Rinf─岩层的恒温边界,m;
工质状态方程
工质状态方程:
F(P,T,D)=0 (9)
式中:P─工质压力,KPa;T─工质温度,K;D─工质密度,Kg/m3; 150
本文中工质物性数据取自 NIST 提供的物性数据库,求解采出井和注入井值时用
MATLAB调用NIST数据库,求解高温溶腔温度场时采用 Fluent内置的NIST实际气体模型。
高温溶腔的有限元模型
在 Fluent前处理软件 gambit中建立高温溶腔的有限元模型如图 2所示。为了获得相对
精确的结果,根据模型的几何结构,对原模型进行了多次分割,网格全部采用六面体扫略网155
格,其中高温溶腔、溶腔注入段、溶腔采出段等关键部分的网格做了进一步细化。模型共分
为 3个区域:流体区域、多孔介质区域和固体区域,其中注入段和采出段位流体区域,溶腔
部分为多孔介质区域,岩层部分为固体区域。流体和固体之间的热边界采用 Fluent默认的耦
合(coupled)边界[11]。工质在溶腔内的压力变化量相比井底压力非常小,故忽略溶腔入口段的
压力变化,看成恒定的进口压力,在 Fluent内的操作压力[11]设置为 30年内井底的平均压力。 160
数值模型的边界条件
对于注入井和采出井的井壁,以及与井壁接触的岩层,均采用第二类边界条件[10]:
( )ww w f
T
K h T T
r
(10)
式中:Tw─壁面处的岩层温度,K;Tf─流体温度,K;h─井壁处的对流换热系数,
W/(m
2﹒K)。 165
初始时刻的岩层温度由下式计算:
Tw=Tbiao+Tgz (11)
式中:Tbiao─地表温度,K;Tg─地温梯度,K/Km;z─地层深度,Km。
注入井进口采用质量进口,工质入口温度取 300K,注入压力的范围应保证工质状态为液态,
- 6 -
中国科技论文在线
本文取 400~600KPa,注入井出口速度采用局部单向化假设[10]。高温溶腔的外壁面均采用170
恒温边界,温度为对应油井深度的地层温度,对称面处为对称边界,进口段采用质量进口,
进口温度为注入井出口温度,出口采用自由出流边界。采出井进口采用质量进口,根据
节的假设,进口压力忽略溶腔的影响,取自注入井出口压力,进口温度取溶腔出口温度,注
入井出口同样采用局部单向化假设。
175
图 2 高温溶腔的有限元模型
the finite model of hot cavity
数值模型的求解
本文求解该瞬态问题的时间跨度为 30 年,时间步长取 864000s,对于注入井和采出井180
的Δ r=2m,Δ z=10m,求解是采用 ADI(Alternative direction implicit)算法[10],并使用 MATLAB
程序编程。首先求解(1)、(2)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)式,得出注入井
出口温度和出口压力。然后求解高温溶腔温度场,根据注入井出口数据,编写 Fluent软件的
UDF 程序,设定高温溶腔入口条件,考虑溶腔体积较大,内部工质流动速度缓慢,故采用
层流模型,选择压力基求解器,压力与速度的耦合方式采用 SIMPLE 算法,压力离散方式采185
用 STANDARD格式,其他方程采用二阶迎风格式离散,能量项的收敛准则设定为 10-6,
300 350 400 450
2300
2400
2500
2600
2700
2800
2900
3000
3100
3200
温度 / k
比
热
/
J
/(
k
g
.K
)
P=
P=
P=
300 350 400 450
380
400
420
440
460
480
500
520
540
560
580
温度 / k
密
度
/
K
g
/m
3
P=
P=
P=
(a)比热随温度和压力的变化 (b)密度随温度和压力的变化
- 7 -
中国科技论文在线
300 350 400 450
1
2
x 10
-4
温度 / k
动
力
粘
度
/
P
a
.s
P=
P=
P=
300 350 400 450
温度 / k
导
热
系
数
/
W
/(
m
.K
)
P=
P=
P=
(c)动力粘度随温度和压力的变化 (d)导热系数随温度和压力的变化 190
图 3 异丁烷物理性质随温度和压力的变化
the iso-butane’s property changing with pressure and temperature
其他项为 10-3。最后根据高温溶腔和注入井的求解结果,求解(3)、(4)、(5)、
(6)、(7)、(8)、(9)、(10)式,得出采出井温度场,完成整个模型的求解。
3 计算结果及分析 195
工质物性随压力和温度的变化
为了验证 节高温溶腔入口段恒压假设的合理性,根据 NIST 提供的物性数据提供的物性
数据,做出了异丁烷在不同压力和温度下物性参数的拟合曲线,如图 3所示。由图可知,当
压力在 ~ 间变化时,异丁烷的物理性质受温度的影响较大,温度引起的物性变
化可由 Fluent内置的实际气体模型来计算分析,而在该压力范围内,相同温度下的物性差别200
却很小,所以前面高温溶腔的恒压入口假设可以认为是合理的。
井内工质的流场及温度场
当工质类型为异丁烷、地温梯度取 45K/Km、工质流量取 2Kg/s、进口压力取 500KPa、
进口温度取 300K、岩层渗透系数取 3e7m2、岩层孔隙率取 、系统运行时间取 30 年时,
井内工质的流场和温度场如图 4所示,在后面的分析中,都是在上述参数的基础上展开的,205
如无特别说明,各参数取值不再发生变化。结合图 4(a)、图 4(b)可知,在注入井入口
处,入口压力高于工质饱和压力,是液体状态,注入井过程中随着深度的增加,流体温度会
被深处的高温岩层加热,工质的压力和密度逐渐增加,其中压力和深度近似成正比,受温度
影响相对较小,说明压力的变化主要来自于深度的增加,同时由图 4(b)可知,采出井的
压力经过高温溶腔岩层的加热后,由初始的低温低压状态变成出口处的高温高压状态,压力210
升高 ,完全可以用来作为高品位的发电工质。井内工质密度的变化则受压力和温
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
400
420
440
460
480
500
520
540
560
580
深度 / m
密
度
/
K
g
/m
3
注入井
采出井
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
深度 / m
压
力
/
K
P
a
注入井
采出井
(a) 密度随深度的变化 (b)压力随深度的变化
- 8 -
中国科技论文在线
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
1
深度 / m
速
度
/
m
/s
注入井
采出井
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
290
300
310
320
330
340
350
360
370
380
390
深度 / m
温
度
/
m
/s
注入井
采出井
(c) 工质速度随深度的变化图 (d)工质温度随深度的变化 215
图 4 井内工质的流场和温度场
The flow field and temperature field in two wells
度的双重影响,由于密度随温度的升高而减小,随着压力的升高而增大,所以由图 4(a)
可知,井内工质性质变化主要还是来自于深度的变化。结合图 4(a)、图 4(c)可知,随
着深度的增加,工质密度增大,质量流量一定时,速度会逐渐变小,从而对流换热减弱,导220
热作用增强,单位时间内工质也会被加热的越充分。有图 4(d)可知,经过高温溶腔的加
热,工质温度升高了约 83K,且注入井的温度变化量相对采出井较大,这是由于采出井采用
了保温措施,减小了热量损失。
高温溶腔内工质的流场及温度场
高温溶腔内工质的流场及温度场如图 5所示,有图 5(a)、图 5(c)可知,当工质通225
过溶腔多孔介质区域时,由于多孔介质的阻滞作用,压力会逐渐降低,流体从注入井流出后,
压力会随着流体空间的扩大而急剧降低并趋于平缓。由图 5(c)可知,工质在高温溶腔的
压力损失约为 40Pa,相比注入井压力 16Mpa来说非常小,也进一步验证了 节高温溶腔
恒压入口假设的合理性。结合图 5(b)、图 5(c)、图 5(d)可知,在流动过程中,密度
会随着压力的降低和温度升高而逐渐减小,且变化趋势和温度的变化基本完全相反,说明影230
响溶腔内流体性质的主要因素是温度。由图 5(e)可知,溶腔内除出入口附近以外的其他
地方,流体速度分布均匀且非常小,这有利于工质的充分加热,并且换热形式主要为热传导,
对流作用相对较弱,相反的,在注入井和采出井中流体速度较大,主要换热形式为对流换热,
导热作用相对较弱。
235
(a)竖直方向中心截面处的压力分布
- 9 -
中国科技论文在线
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
300
320
340
360
380
400
420
位置 / m
温
度
/
K
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
位置 / m
相
对
压
力
/
P
a
(b)中心线处的温度分布 c)中心线处的相对压力分布
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
440
460
480
500
520
540
560
580
位置 / m
密
度
/
K
g
/m
3
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
0
2
4
6
8
x 10
-4
位置 / m
速
度
/
m
/s
(d)中心线处的密度分布 (e)中心线处的速度分布 240
图 5 高温溶腔内的温度场和流场
the temperature field and flow field in the hot cavity
不同工况下出口温度随时间的变化
不同工况下的出口温度随时间的变化如图 6所示,由图 6(a)可知,系统的出口温度
245
0 5 10 15 20 25 30
280
300
320
340
360
380
400
420
440
时间 / 年
出
口
温
度
/
K
m=1Kg/s
m=2Kg/s
m=3Kg/s
0 5 10 15 20 25 30
250
300
350
400
450
500
时间 / 年
出
口
温
度
/
K
Tg=25oC/Km
Tg=45oC/Km
Tg=65oC/Km
(a)不同流量下的出口温度 (b)不同地温梯度下的出口温度
25 26 27 28 29 30
383
384
385
386
387
388
389
时间 / 年
出
口
温
度
/
K
porosity=
porosity=
porosity=
29 30
时间 / 年
出
口
温
度
/
K
Pressure=400KPa
Pressure=500KPa
Pressure=600KPa
(c)不同孔隙率下的出口温度 (d)不同注入压力下的出口温度
- 10 -
中国科技论文在线
0 5 10 15 20 25 30
300
320
340
360
380
400
420
440
时间 / 年
温
度
/
K
异丁烷
异戊烷
水
0 5 10 15 20 25 30
300
320
340
360
380
400
420
440
时间 / 年
出
口
温
度
/
K
Tin=280K
Tin=300K
Tin=320K
250
(e)不同工质种类下的出口温度 (e)不同入口温度下的出口温度
图 6 不同工况下的出口温度
The temperature at outlet for different working conditions
随运行时间的延长而逐渐下降,并且在开始的一段时间内会温度下降较快,随后温度变
化逐渐变缓,最后基本趋于稳定,另外,出口温度会随流量的增大而减小,且流量越大,相255
同时间段内的温度变化越剧烈,但流量不易过大或过小,还需要根据出口工质的发电功率来
确定最佳流量。由图 6(b)可知,地温梯度越大,相同深度的岩层温度会越高,从而采出
工质的温度也会越高,分析结果表明,地温梯度每增加 20℃,温度提高 35~40℃,对流体
温度影响非常大,因此在开发地热能时要充分调查当地的地质资料和地温状况,选择地温梯
度大的地质,以获得较高的开采效率。由图 6(c)可知,当孔隙率增大时,出口温度有所260
减小,因为相同的空间体积上,孔隙率越大,含有的岩石量越多,从而单位体积内地层蕴藏
的热量越多,出口温度也就相对提高。由图 6(d)可知,注入压力越高,出口温度越高,
然而进口压力来自于工质注入泵的输出压力,从而消耗更多的功率,所以要综合考虑整个发
电系统的功耗,确定各项参数。分析过程中采用了异丁烷、异戊烷和水三种工质,在注入压
力为 500KPa,注入温度为 300K时的工质性质如表 2所示,结合图 6(e)可知,有机工质的265
出口温度比水的要高,工质比热越大,吸收相同的热量后温升会越小,出口温度也就越低,
并且相同压力下的有机工质的出口温度普遍比水的低,更容易气化做功,发电效率优于水。
然而使用有机工质时中要考虑系统的密封性,且在选择不同有机工质时应根据最终的净发电
功率。由图 6(f)可知,入口温度越高,相应的出口温度也越高,越容易获得高品位的出
口工质,但另一方面,系统的发电量取决于工质入口和出口的焓差,所以不可只追求高的出270
口温度,要综合考虑当地的冷凝环境和系统功耗。
表 2 注入条件下不同工质的性质
the property of different working fluid in the condition at inlet
工质种类 密度 / Kg/m3 比热 / KJ/(Kg﹒K) 导热系数/ W/(m﹒K)
异丁烷
异戊烷
水
4 结论 275
本文建立了废弃油井和高温溶腔内流体工质的换热模型,其中注入井和采出井建立的是
2D模型,并利用有限差分法和 ADI算法求解了注入井和采出井的换热微分方程,用 Fluent
求解了高温溶腔的 3D换热模型,
经分析可得出以下结论:
(1)系统运行 30 年后,工质经废气油井和高温溶腔加热后,温度提高 83K,压力提高280
- 11 -
中国科技论文在线
,可以作为高品位的发电工质。另外,采出井应尽可能的采用一些保温措施,以
防热量损失过大。
(2)工质流经高温溶腔后的压力损失约为 40Pa,工质的物性主要受温度的影响较大,
流速比较缓慢,对流作用较弱,主要换热形式为热传导。
(3)工质流量、地温梯度和进口温度对工质出口温度的影响最大,工质流量每提高285
1Kg/s,出口温度下降 20~30K,地温梯度每增加 20K,出口问题提高 35~40K,在实际开
发中应充分考察当地的地质状况、系统功耗和季节环境,并重点考虑这几个因素。
(4)相同质量流量下,有机工质的出口温度比水高 20K左右,若能较好解决系统的密
封问题,则优先选用有机工质作为开采介质。
290
[参考文献] (References)
[1] 董华松. 油井地热开发的数值模拟与回归预测研究[D]. 北京:中国地质大学(北京),2014.
[2] 肖占山,宋延杰,石颖,王东. 注水井温度场模型及其数值模拟研究[J]. 地球物理学进展. 2005,20(3):
801-807.
[3] Adelina ,Efstathios . Geothermal power production from abandoned oil wells[J]. Energy, 295
2009, 34: 866-872.
[4] Wen-Long Cheng,Tong-Tong Li,Yong-Le Nian,Chang-Long Wang. Studies on geothermal power generation
using abandoned oil wells[J]. Energy,2013,59:248-254.
[5] 卜宪标, 马伟斌, 黄远峰. 应用废弃油井获得地热能[J]. 热能动力工程,2011,26(5): 623-638.
[6] 李旻,刁乃仁,方肇洪. 单井回灌地源热泵地下传热数值模拟研究[J]. 太阳能学报,2007,28(12):300
1394-1401.
[7] Feng Luo,Rui-Na Xu, Pei-Xue Jiang,Numerical investigation of fluid flow and heat transfer in a doublet
enhanced geothermal system with CO2 as the working fluid(CO2-EGS)[J]. Energy, 2014, 64: 307-322.
[8] Shi Ying, Song Yangjie, Liu Hong. Numerical simulation of downhole temperature distribution in producing
oil wells[J]. Applied Geophysics, 2008, 4(5): 340-349. 305
[9] 王经. 传热学与流体力学基础[M]. 上海:上海交通大学出版社,2007.
[10] 陶文栓. 数值传热学[M]. 西安:西安交通大学出版社,2004.
[11] ANSYS Inc. ANSYS FLUENT UDF Manual[M]. 2009.
310