不同布井模式下富油煤原位熱解傳熱規(guī)律數(shù)值模擬*

毛崎森 劉嘉曄 王長(zhǎng)安 侯育杰 寧 星 薛香玉 車(chē)得福

(1.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，710049 西安；2.國(guó)家電投集團(tuán)江西電力有限公司分宜發(fā)電廠，336600 江西新余)

0 引 言

我國(guó)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)是應(yīng)對(duì)世界挑戰(zhàn)、自身產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和環(huán)境治理的國(guó)策，并且我國(guó)富煤貧油的特點(diǎn)決定煤炭的科學(xué)利用是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰必不可少的一環(huán)。按照《礦產(chǎn)資源工業(yè)手冊(cè)》，焦油產(chǎn)率在7%～12%的煤為富油煤，最大特點(diǎn)是煤中富含較多可熱解生成油氣的富氫結(jié)構(gòu)。一噸富油煤熱解可產(chǎn)生約10%的油資源[1-2]。低階煤地面熱解技術(shù)已獲得廣泛運(yùn)用[2-4]，常規(guī)利用包括地面熱解-氣化一體化、熱解-化工-發(fā)電一體化技術(shù)[5-6]。然而，傳統(tǒng)煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)存在嚴(yán)重的環(huán)境污染[7-8]問(wèn)題。

為解決傳統(tǒng)技術(shù)的弊端，原位熱解技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。已有的原位熱解技術(shù)包括ICP電加熱、局部自燃加熱[9]、微波輻射加熱[10]，但這些技術(shù)難以大規(guī)模應(yīng)用[11]。段康廉等[12]提出了一種注高溫水蒸氣采油的原位對(duì)流加熱技術(shù)。相較其他加熱模式，對(duì)流加熱具有熱能獲取成本低、加熱效率高、油氣易產(chǎn)出、裂解氣可循環(huán)利用等優(yōu)勢(shì)[13]。數(shù)值模擬可實(shí)現(xiàn)大尺度分析，獲得溫度場(chǎng)分布、傳熱特性和巖石滲流特性。裴寶琳[14]利用流體和巖層傳熱方程及巖體在孔隙壓力下的變形方程，對(duì)布設(shè)采油井和注氣井的對(duì)流加熱油頁(yè)巖方式進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬，認(rèn)為提高蒸汽壓力的作用要高于蒸汽溫度對(duì)整體溫度場(chǎng)的影響?？抵厩赱15]在對(duì)流加熱模型中建立了熱-流-固耦合的模型，確定了2.5年是一個(gè)比較合理的原位熱解運(yùn)行周期。劉澤宇[16]提出了間歇性供熱熱解的模式。LEE et al[17-18]研究了垂直裂縫中原位蒸汽流動(dòng)和水平井系統(tǒng)多段蒸汽壓裂對(duì)油頁(yè)巖原位熱解和改造的模擬。姜鵬飛等[19]對(duì)U型井注氣加熱原位裂解技術(shù)進(jìn)行了研究，得出了U型井水平段長(zhǎng)度與原位裂解效率之間的關(guān)系。王瑋[20]對(duì)比了油頁(yè)巖原位注蒸汽技術(shù)和ICP七點(diǎn)布井電加熱技術(shù)，發(fā)現(xiàn)原位注蒸汽的效率高于電加熱效率，系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間更短，最終能耗損失較小。

上述研究的側(cè)重點(diǎn)在于熱解過(guò)程中溫度場(chǎng)的變化，油頁(yè)巖與煤層的物性差異大，現(xiàn)有的數(shù)值模擬雖然關(guān)注了溫度場(chǎng)變化，但多井注熱模式對(duì)煤層加熱過(guò)程的影響尚缺乏定論。此外，基于富油煤特性的原位熱解過(guò)程三維數(shù)值模擬開(kāi)展較少，井群間流量配置不均勻的因素幾乎沒(méi)有被關(guān)注。本研究側(cè)重原位熱解過(guò)程中的不同布井模式，完善了流量配置不均勻這個(gè)以往被忽略的因素，實(shí)現(xiàn)了三維全尺度模擬。本研究有助于提升富油煤原位熱解過(guò)程的熱能利用及優(yōu)化布井模式，為大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用提供理論參考和數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 幾何模型及物理模型的選取

在注入流體加熱的過(guò)程中，地下煤層中存在著壓裂裂縫，首先將壓裂裂縫簡(jiǎn)化為一個(gè)薄層，以保證流體流動(dòng)的連續(xù)性。在保證計(jì)算的簡(jiǎn)便性的同時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重偏離實(shí)際結(jié)構(gòu)的情況。大多數(shù)文獻(xiàn)[21-23]中井距設(shè)置為10 m的數(shù)量級(jí)，煤層之間的加熱井設(shè)定為10 m左右的距離可以保證加熱的速率[24]，因此將加熱的煤層區(qū)域設(shè)置為一個(gè)10 m的立方體(如圖1所示的單井加熱模式下的不同裂縫數(shù)目幾何模型)，選取煤層尺寸為10 m×10 m×10 m，加熱井及生產(chǎn)井尺寸為0.3 m×0.3 m，裂縫厚度為0.03 m，加熱井及生產(chǎn)井與裂縫相連，為加熱介質(zhì)流動(dòng)的通道，橙色為注熱井，綠色為生產(chǎn)井，藍(lán)色區(qū)域?yàn)槊簩恿芽p。

模擬中所選取的模型為實(shí)際原位熱解中整體煤層中的一部分，選取的尺度為10 m量級(jí)，并且模型中的加熱井與生產(chǎn)井周期性對(duì)稱(chēng)布置，根據(jù)傳熱學(xué)原理中對(duì)稱(chēng)即絕熱的原則，可以設(shè)定煤層周?chē)谋诿鏋榻^熱邊界條件。煤層與流體之間的換熱通過(guò)煤層中的裂縫來(lái)實(shí)現(xiàn)，煤層裂縫上下表面將熱量通過(guò)對(duì)流的方式向固體區(qū)域進(jìn)行傳輸，煤層中的固體部分則通過(guò)內(nèi)部的導(dǎo)熱將熱量從靠近流體側(cè)向遠(yuǎn)端傳導(dǎo)。加熱過(guò)程中煤層中的揮發(fā)分釋放，孔隙率、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等參數(shù)是隨溫度及時(shí)間變化的函數(shù)[25]，本研究模型將這些參數(shù)設(shè)定為恒值。模擬過(guò)程所選取的模型和邊界條件如表1所示。模擬的基準(zhǔn)工況為：水蒸氣加熱，流速10 m/s，加熱溫度600 ℃，煤層中的裂縫數(shù)量為一條，單一加熱井和生產(chǎn)井。

表1 數(shù)值模擬的模型和邊界條件Table 1 Research model and boundary conditions in numerical simulation

圖1 單井加熱模式下的幾何模型Fig.1 Geometric model in single well heating modea—Stereogram；b—Sectional view；c—Top view

單井加熱模式下，生產(chǎn)井與加熱井之間的距離相差較遠(yuǎn)，為了彌補(bǔ)單井加熱條件下的固有缺陷，采用多井加熱模式進(jìn)行加熱獲得溫度場(chǎng)分布并對(duì)比流動(dòng)均勻性的優(yōu)劣。模擬的具體工況如表2所示，在不同加熱井?dāng)?shù)量的工況下，保證加熱介質(zhì)的流量相同，調(diào)整多井加熱工況下對(duì)應(yīng)的每一口井的流量，將多井流速折算為單井的等效流速。例如四井注熱工況下，每一口井單獨(dú)的入口流速為2.5 m/s，對(duì)應(yīng)于單井注熱工況下的10 m/s，同理可得，六井注熱工況下的入口流速為1.666 m/s。不同注熱井?dāng)?shù)量的加熱模式下，除了加熱井的數(shù)量不同之外，其余參數(shù)均保持相同。布井方案如圖2所示，其中橙色區(qū)域?yàn)樽峋?，綠色區(qū)域?yàn)樯a(chǎn)井，藍(lán)色區(qū)域?yàn)槊簩恿芽p。

表2 研究工況的模擬Table 2 Numerical simulation of research conditions

圖2 不同布井模式的三維圖Fig.2 Three dimensional diagrams of different well distribution modesa—Four heat injection wells；b—Six heat injection wells

1.2 網(wǎng)格系統(tǒng)及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

上述的幾何模型在ICEM網(wǎng)格劃分軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，將煤層區(qū)域設(shè)定為固體域，加熱流體介質(zhì)區(qū)域設(shè)定為流體域，為了提高運(yùn)算的收斂性及準(zhǔn)確性，將流體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，如圖3所示，實(shí)現(xiàn)了局部的網(wǎng)格加密化，節(jié)約了計(jì)算資源并保障了網(wǎng)格質(zhì)量。最終對(duì)構(gòu)建的網(wǎng)格進(jìn)行了無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，如圖4所示，隨著網(wǎng)格數(shù)目的增加，生產(chǎn)井的出口溫度幾乎沒(méi)有變化，這體現(xiàn)了運(yùn)算結(jié)果不會(huì)由于網(wǎng)格數(shù)目過(guò)低而受到影響?？紤]到計(jì)算資源的有限性，最終選取的網(wǎng)格系統(tǒng)數(shù)目為805萬(wàn)。

圖3 網(wǎng)格系統(tǒng)Fig.3 Grid systema—Vertical view；b—Front view

2 結(jié)果與討論

2.1 單一注熱井模式下的煤層溫度場(chǎng)與傳熱特性

首先進(jìn)行單井注熱工況的計(jì)算，以單井工況為基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，可以定量分析出后續(xù)的多井注熱的提升效果。圖5所示為單井單裂縫注熱模式下三年后的煤層溫度分布截面云圖。通過(guò)云圖中的溫度變化可以發(fā)現(xiàn)，加熱流體從生產(chǎn)井注入裂縫中，注入后的流體在裂縫中流動(dòng)擴(kuò)展，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻分布，因此在圖5a的截面中可以觀察到一個(gè)較大的繞流區(qū)域。這是由于流體從垂直的井口注入裂縫中，存在90°的轉(zhuǎn)角，較大的轉(zhuǎn)角必然形成鈍體繞流的現(xiàn)象。并且由于煤層裂縫的厚度小，所形成的擾動(dòng)也少，三股主流均沿著各自的流動(dòng)方向獨(dú)立發(fā)展而不匯聚，直到X>5 m的范圍內(nèi)才逐漸匯聚形成混合的流動(dòng)，因此在流體截面內(nèi)形成了一個(gè)較大的低溫區(qū)域。

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.4 Grid independence verification

圖5 單井單裂縫注熱模式下三年后的煤層溫度分布截面云圖Fig.5 Cross section cloud diagram of coal seam temperature distribution after three years under one well and one fracture heat injection modea—Parallel to the plane XZ, Y=5 m in cross section；b—Parallel to the plane YZ, X=5 m in cross section；c—Parallel to the plane XY, Z=5 m in cross section；d—Auxiliary view

這部分低溫區(qū)域造成了整體加熱效果的減弱。由于加熱井和生產(chǎn)井不能保證絕熱，與外界存在熱量交換，導(dǎo)致煤層上部的升溫速率較下部升溫速率更高，如圖5b所示，這種情況的發(fā)生對(duì)于整體加熱速率的提升是有好處的，這是由于加熱井與外部存在換熱過(guò)程，合理利用了加熱井與煤層的接觸面積，擴(kuò)大了傳熱面積，減少了非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)間。由圖5c可以觀察到煤層從加熱井到生產(chǎn)井從左至右范圍內(nèi)的溫度場(chǎng)分布情況，可以發(fā)現(xiàn)加熱井和生產(chǎn)井的附近區(qū)域加熱溫度較中間區(qū)域溫度更高，整體溫度呈中間低、兩側(cè)高的趨勢(shì)，沿X=5 m的中軸線(xiàn)呈接近對(duì)稱(chēng)的溫度場(chǎng)分布。

對(duì)單井單裂縫加熱模型的溫度場(chǎng)云圖進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)煤層中的溫度分布并不均勻。因此為了衡量在加熱過(guò)程中的熱量利用情況，為富油煤熱解提供一個(gè)合理的時(shí)間和空間范圍[26]，將煤層中升溫到450 ℃以上開(kāi)始熱解出油的區(qū)域劃定為有效加熱區(qū)域，這是由于富油煤的熱解過(guò)程主要發(fā)生在450 ℃以上[26]。圖6展示了考慮加熱井及生產(chǎn)井與煤層換熱情況下的有效加熱區(qū)域和未考慮該情況下的有效加熱區(qū)域。通過(guò)對(duì)比可以觀察到，圖6a由于生產(chǎn)井和加熱井與煤層存在換熱過(guò)程，煤層的升溫變快，有效加熱范圍提升，而圖6b中的有效加熱區(qū)域中存在兩個(gè)空洞，這兩個(gè)空洞即是由圖5a中流體的低溫區(qū)域?qū)е碌膫鳠崴俾蕼p慢造成的，傳熱速率的降低導(dǎo)致了相同時(shí)間內(nèi)該區(qū)域溫度未能達(dá)到450 ℃。此外，平均溫度定義為全煤層的溫度平均值，可以有效反映加熱介質(zhì)中的熱能被煤層吸收的部分及熱能的利用效率。

圖6 煤層中的有效加熱區(qū)域Fig.6 Effective heating area in coal seama—Considering heating wells, production wells and coal seam heat exchange；b—Ignoring heating wells, production wells and coal seam heat exchange

2.2 加熱井?dāng)?shù)量對(duì)流動(dòng)均勻性及煤層溫度場(chǎng)的影響

上述的單井注熱模式加熱速率過(guò)于緩慢，因此為了提升煤層加熱速率，縮短熱解所需時(shí)間，分析不同數(shù)量注熱井對(duì)煤層中傳熱規(guī)律的影響，對(duì)比了單注熱井、四口注熱井以及六口注熱井工況下的溫度場(chǎng)(見(jiàn)圖7)。圖7a對(duì)應(yīng)的單井加熱狀態(tài)下的繞流區(qū)范圍相較于其余兩種加熱模式下的繞流區(qū)更大，繞流低溫區(qū)域的面積占比達(dá)到了39%。圖7b中的四口注熱井則保證了流動(dòng)從多個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行，可以觀察到繞流區(qū)域由單井狀態(tài)下的兩個(gè)變?yōu)榱怂膫€(gè)，并且四個(gè)繞流區(qū)域繞著生產(chǎn)井呈現(xiàn)中心對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，每一個(gè)單獨(dú)的繞流區(qū)域?yàn)檩S對(duì)稱(chēng)狀態(tài)。當(dāng)兩個(gè)注熱井中的加熱流體相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生流體相互碰撞而發(fā)生轉(zhuǎn)向，繼而向生產(chǎn)井匯集，該碰撞過(guò)程減弱了流體的繞流，因而減少了低溫區(qū)域的面積。四口加熱井與單口加熱井相比提升了流體一定的流動(dòng)性及傳熱均勻性，但提升的幅度不大，繞流低溫區(qū)域的面積占比為32%。圖7c中的六口加熱井模式下，流體的溫度均勻性提升顯著，繞流低溫區(qū)域的面積占比僅為8%，該工況下的裂縫中溫度均勻性已經(jīng)可以達(dá)到較為理想的目標(biāo)。六井加熱速率高的特點(diǎn)在電加熱和流體加熱中均得到論證[15，27]。六口注熱井的每一股流體從注熱井中流入裂縫時(shí)將沿三個(gè)方向流動(dòng)，而六邊形的結(jié)構(gòu)有助于不同注熱井之間的流體相互接觸碰撞，從而實(shí)現(xiàn)流體分散的效果。此外，由于生產(chǎn)井位于幾何中心，生產(chǎn)井處的壓力最低，流體均向生產(chǎn)井處靠近，六井注熱與單井注熱和四井注熱相比，流體的流動(dòng)方向不僅僅只有水平與垂直，還有傾斜方向的流動(dòng)，促進(jìn)了流動(dòng)的均勻性。因此，從裂縫中的加熱流體來(lái)分析，六井的加熱模式在同等流量的情況下流體流動(dòng)均勻性最好，熱量擴(kuò)散效果最優(yōu)。

圖7 不同加熱井?dāng)?shù)量下對(duì)應(yīng)的裂縫中介質(zhì)溫度分布Fig.7 Temperature distribution of medium in fracture of different number of heating wellsa—One heating well；b—Four heating wells；c—Six heating wells

圖8所示為四口注熱井加熱條件下對(duì)應(yīng)的煤層溫度場(chǎng)分布，其中圖8a展示了三個(gè)維度的溫度分布情況，圖8d顯示的溫度場(chǎng)仍然為中間高兩側(cè)低，裂縫上側(cè)溫度高，下側(cè)溫度低，該規(guī)律與單井注熱條件下類(lèi)似。但是在圖8c中的溫度場(chǎng)分布則與單井注熱模式下的溫度場(chǎng)分布存在較大差異，由于四口注熱井與煤層均存在導(dǎo)熱，形成了井周?chē)臏囟瘸尸F(xiàn)環(huán)狀擴(kuò)散，提升了熱流沿著水平方向的傳播速度，因裂縫中的流體熱流傳播方向是垂直的，與加熱井的水平方向共同構(gòu)成熱流的傳播，可以改善溫度分布的層狀結(jié)構(gòu)，改進(jìn)溫度分布中間高上下兩端低的缺陷。

圖9所示為六口注熱井加熱條件下對(duì)應(yīng)的煤層溫度場(chǎng)分布，對(duì)比圖9d與圖8d可以發(fā)現(xiàn)，六口注熱井狀態(tài)下的高溫區(qū)域如兩個(gè)雙U型，而四井注熱的高溫區(qū)域呈倒置的T型。對(duì)比這兩者的差異可以分析出，垂直井與煤層之間的換熱確實(shí)可以促進(jìn)水平方向的熱流流通，但井與煤層的接觸面積較小，遠(yuǎn)不如裂縫與煤層接觸面積大，因而垂直井與煤層之間的熱量傳遞效果僅僅局限在井的周?chē)鷧^(qū)域，較遠(yuǎn)的區(qū)域難以影響到。從圖9a和圖9d縱剖面中可以觀察到在垂直井能影響到的區(qū)域內(nèi)，熱量沿水平方向傳遞與垂直方向傳遞的數(shù)量級(jí)相接近。此外，結(jié)合圖9a與圖9c可以觀察到，由于圖9c所處的截面離裂縫的距離較遠(yuǎn)，裂縫中的熱量尚未傳遞到該截面，而加熱井沿井壁傳遞的熱量已經(jīng)深入該截面，加熱井對(duì)頂部截面溫度的影響超過(guò)了裂縫對(duì)頂部截面溫度的影響。

圖8 四口注熱井對(duì)應(yīng)的煤層不同截面溫度分布Fig.8 Temperature distribution of different sections of coal seams corresponding to four heating wellsa—Global temperature field；b—Section view of fracture；c—Top view；d—Vertical section view

2.3 多井模式下流速與介質(zhì)溫度對(duì)煤層溫度場(chǎng)的影響

在多注熱井模式下提升流速和介質(zhì)溫度可以獲取這兩種途徑對(duì)提升加熱速率的定量影響。圖10所示為不同注熱井?dāng)?shù)目對(duì)應(yīng)的有效加熱區(qū)域體積占比，四井與單井相比，有效加熱區(qū)域(體積)占比的提升不明顯，尤其是450 ℃以上的有效加熱區(qū)域的占比提升并不多，僅僅從23%提升到了29%，而六井模式的450 ℃以上的有效加熱區(qū)域的占比達(dá)到了51%，與單井對(duì)比，提升了一倍之多。在介質(zhì)整體流量和介質(zhì)溫度相同的情況下，六井與其余兩種布井模式相比有效加熱區(qū)域提升如此之大有兩點(diǎn)原因，即加熱井的增多以及煤層換熱面積的增加。單井到四井增加了三口井，有效加熱區(qū)域提升的幅度不大，而四井到六井僅僅增加兩口井，有效加熱區(qū)域提升的幅度大，這說(shuō)明加熱井增多造成換熱面積增多是次要原因，主要原因是裂縫中的介質(zhì)分布均勻，可以保證煤層整體的同步溫度提升，增加了熱量擴(kuò)散的范圍。

圖10 不同注熱井?dāng)?shù)目對(duì)應(yīng)的有效加熱區(qū)域占比Fig.10 Effective heating area ratio corresponding to different number of heat wells

為了對(duì)比不同數(shù)目注熱井的流量對(duì)有效加熱區(qū)域的影響，圖11中的流速均為所有注熱井按流量折算為一口井的流速。圖11中的有效加熱區(qū)域占比與煤層平均溫度均隨流速的提高而提升。六井模式下，入口流速?gòu)? m/s提升到4 m/s時(shí)，煤層有效加熱區(qū)域占比提升了12%，煤層平均溫度提高了30 ℃，并且可以觀察到隨著流速的提升，有效加熱區(qū)域占比和平均溫度升高曲線(xiàn)的斜率是逐漸減小的。這恰恰表明了六井模式下的流體介質(zhì)溫度分布均勻，煤層對(duì)加熱介質(zhì)的熱量吸收速率高，注熱介質(zhì)的流量過(guò)低，熱量大幅度被煤層吸收從而使得介質(zhì)的溫度下降過(guò)快，主要熱阻在注熱介質(zhì)這一側(cè)，而非煤層側(cè)。

圖11 多井模式下不同流速產(chǎn)生的有效加熱區(qū)域占比與煤層平均溫度變化Fig.11 Effective heating area ratio and average coal seam temperature changes due to different flow rates in multi-well modes

圖12所示為多井模式下不同加熱介質(zhì)溫度對(duì)應(yīng)的有效區(qū)域占比與煤層平均溫度變化，當(dāng)加熱介質(zhì)溫度升高相同時(shí)，三種布井模式下的有效加熱區(qū)域占比會(huì)隨之升高，但六井注熱模式下有效加熱區(qū)域占比曲線(xiàn)的斜率超過(guò)了四井和單井模式下曲線(xiàn)的斜率，而煤層平均溫度曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的斜率在三種模式下相差并不多。煤層平均溫度曲線(xiàn)的斜率相接近說(shuō)明煤層整體的吸收熱量在不同布井模式下相差不大，但是有效加熱區(qū)域占比的提升為六井模式下最快。這體現(xiàn)了六井注熱模式的溫度分布更為均勻，避免了局部區(qū)域的溫度偏差。此外，六井注熱時(shí)，加熱介質(zhì)的溫度到650 ℃時(shí)就已經(jīng)接近了70%的有效加熱區(qū)域占比。當(dāng)加熱介質(zhì)溫度從650 ℃繼續(xù)提升到700 ℃，有效加熱區(qū)域占比曲線(xiàn)的斜率瞬間減小，上升曲線(xiàn)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，這說(shuō)明650 ℃已經(jīng)可以很好滿(mǎn)足該狀態(tài)下煤層的吸熱量需求，在650 ℃以上繼續(xù)提升溫度，將靠近熱源處已經(jīng)達(dá)到450 ℃以上的煤層區(qū)域繼續(xù)加熱導(dǎo)致溫度過(guò)高，而遠(yuǎn)離熱源處的較低溫度的區(qū)域則受制于熱擴(kuò)散率，因此在六井注熱模式下，達(dá)到650 ℃的有效加熱介質(zhì)溫度即滿(mǎn)足了基本的注熱需求，無(wú)需再提高溫度，降低了對(duì)耐溫材料的要求。

圖12 多井模式下不同加熱介質(zhì)溫度對(duì)應(yīng)的有效區(qū)域占比與煤層平均溫度變化Fig.12 Variation of effective heating area ratio and average temperature of coal seam corresponding to different heating medium temperature in multi-well mode

2.4 多井模式對(duì)流量不穩(wěn)定的調(diào)節(jié)作用

多口井注入加熱介質(zhì)的條件下，不同井口的流量不同會(huì)導(dǎo)致流量配置的不均勻性，從而破壞煤層溫度的均勻性。因此，為了探究局部井流量波動(dòng)對(duì)整體溫度場(chǎng)的影響，修改入口的流量，使不同井的入口流速不同，進(jìn)而觀察煤層傳熱變化(見(jiàn)圖13～圖15)。如圖13所示，改變六口井中一口井的流量，而保證其余五口井的流量一致，并且總流量與基準(zhǔn)工況相同。其中一口井的入口流速調(diào)整為2.5 m/s，而其余五口井的入口流速相應(yīng)減少為1.5 m/s。該種流量配置模式下，與六井均勻配置流量的工況相比流量偏差并不大，因此圖13c呈現(xiàn)的俯視圖與基準(zhǔn)工況相差不大，并且從圖13b中可以觀察到兩口井之間的溫度場(chǎng)分布較為均勻，沒(méi)有明顯的偏差。圖13d中的裂縫剖面圖與圖9b中的裂縫剖面圖相比，繞流區(qū)的面積也略微增大，但是對(duì)整體溫度場(chǎng)的影響仍然較小。

一口井的流速為5 m/s，而其余五口井的流速為1 m/s的煤層溫度場(chǎng)分布如圖14所示。在較高的流速偏差下，圖14b裂縫最左側(cè)的區(qū)域出現(xiàn)了流量溫度等值線(xiàn)向中間凹陷的特點(diǎn)。并且裂縫中的流體混合均勻性下降，缺乏對(duì)稱(chēng)的流量配置導(dǎo)致了圖14d的繞流區(qū)域融合，由基準(zhǔn)工況的8塊減少為4塊，但是最右側(cè)的兩塊繞流區(qū)域面積大幅度提高，較大的低溫區(qū)必然降低了傳熱的速率。

圖15所示為六井中三口注熱井入口流速為3 m/s，其余注熱井入口流速為0.333 m/s的煤層溫度場(chǎng)分布。圖14中的單井與其余井流速偏差為4 m/s，圖15中三口井的流速偏差為2.667 m/s，雖然圖15對(duì)應(yīng)的工況流速偏差的數(shù)值小，但是圖15中所展示的溫度場(chǎng)分布與圖14相比更為不均勻。圖15b中的左側(cè)井附近等溫線(xiàn)明顯向右側(cè)凹陷，圖15c中上下存在兩塊不規(guī)則形狀的大面積綠色低溫區(qū)域，這是其余工況中都未曾觀察到的。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因?yàn)樵趩尉畹墓r下，其余五口注熱井會(huì)將多余的流量補(bǔ)充單井中偏差的流量，而在三口井流量存在偏差的工況下，其余三口井的補(bǔ)充作用減弱，并且由于三口流速偏差的井是交錯(cuò)布置，導(dǎo)致流體在裂縫中的混合更加不充分，從而產(chǎn)生了圖15d中不規(guī)則形狀的繞流區(qū)域。

圖16定量對(duì)比了六種工況下流量配置偏差對(duì)煤層有效加熱區(qū)域占比及煤層平均溫度的影響。當(dāng)單口井出現(xiàn)流量偏差時(shí)，剩余五口井對(duì)其中偏差流量的調(diào)節(jié)使得溫度場(chǎng)的波動(dòng)并不劇烈，加熱有效區(qū)域占比從50.68%下降至47.88%。而當(dāng)三口井同時(shí)產(chǎn)生流量偏差時(shí)，溫度場(chǎng)的均勻性受到了較為嚴(yán)重的破壞，與基準(zhǔn)的六井流量無(wú)偏差工況對(duì)比，加熱有效區(qū)域從50.68%下降至44.89%。但是這六種工況對(duì)煤層平均溫度的影響均不大，在相同的加熱年限下，煤層的平均溫度均在420 ℃上下波動(dòng)。這說(shuō)明了由于總流量沒(méi)有發(fā)生改變，輸入其中的流體蘊(yùn)含的熱能沒(méi)有改變，煤層的吸熱量也幾乎沒(méi)有變化。因此產(chǎn)生有效加熱區(qū)域減小的主要原因并不是煤層的吸熱量減少，而是煤層的溫度分布均勻性變差。

圖13 一口注熱井入口流速為2.5 m/s，其余井入口流速為1.5 m/s的煤層溫度場(chǎng)分布Fig.13 Temperature field distribution of coal seam with inlet flow rate of 2.5 m/s in one heat injection well and 1.5 m/s in other wellsa—Global temperature field；b—Left view；c—Top view；d—Section view of fracture

圖14 一口注熱井入口流速為5 m/s，其余井入口流速為1 m/s的煤層溫度場(chǎng)分布Fig.14 Temperature field distribution of coal seam with inlet flow rate of 5 m/s in one heat injection well and 1 m/s in other wellsa—Global temperature field；b—Left view；c—Top view；d—Section view of fracture

圖15 三口注熱井入口流速為3 m/s，其余注熱井入口流速為0.333 m/s的煤層溫度場(chǎng)分布Fig.15 Temperature field distribution of coal seam with inlet flow rate of 3 m/s in three heat injection wells and 0.333 m/s in other wellsa—Global temperature field；b—Left view；c—Top view；d—Section view of fracture

圖16 不同流量配置下的煤層有效加熱區(qū)域占比及煤層平均溫度Fig.16 Ratio of effective heating area and average temperature of coal seam

3 結(jié) 論

1) 相比于單井注熱，在相同加熱時(shí)間內(nèi)，多井注熱的模式改善了裂縫中流體分布不均勻的問(wèn)題，六井模式的低溫繞流區(qū)域從單井模式下的39%縮減到8%，顯著提升了煤層有效加熱區(qū)域占比與煤層平均溫度，煤層對(duì)注熱介質(zhì)的利用速率提升，其中六井注熱的有效區(qū)域是單井注熱有效區(qū)域的2.2倍，煤層平均溫度提升約100 ℃。

2) 六井注熱模式對(duì)煤層升溫速率的提升較四井模式對(duì)煤層升溫速率的提升大幅度上升。四井注熱模式與單井注熱模式相比，有效加熱區(qū)域占比的提升不明顯，僅從23%提升到了29%，而六井注熱模式的有效加熱區(qū)域占比達(dá)到了51%。

3) 六井注熱模式下，提高流速和加熱介質(zhì)溫度均可大幅改善煤層升溫的速率，當(dāng)加熱介質(zhì)溫度為650 ℃，入口折算流速為10 m/s時(shí)，加熱三年后的有效加熱區(qū)域范圍已經(jīng)達(dá)到70%。

4) 當(dāng)不同井口的流量注入不相同時(shí)，單井的流量偏差可以被其余井群所調(diào)節(jié)，有效加熱區(qū)域占比從50.7%下降至47.9%；而當(dāng)三口井同時(shí)出現(xiàn)流量偏差時(shí)，井群的調(diào)節(jié)能力減弱，有效加熱區(qū)域占比的下降則較為明顯，從50.7%下降至44.9%。由于總流量的注入保持不變，加熱功率保持不變，井群的流量偏差所產(chǎn)生的煤層平均溫度變化則比較有限。

致謝：本研究的立題得到了邱愛(ài)慈院士和王雙明院士的指點(diǎn)和啟發(fā)，在此表示由衷的感謝！