中深層水平連通地?zé)峋崽匦匝芯?/h1>
2024-11-18 00:00:00張杰王貴洋王鵬濤王姝媛
西南石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) 2024年5期
關(guān)鍵詞：中深層地?zé)?；水平連通地?zé)峋粨Q熱性能；取熱量；地溫恢復(fù)能力
引言
地?zé)崮芤騼α烤薮蟆⒖稍偕?、綠色低碳等優(yōu)點，成為一種發(fā)展?jié)摿薮蟮那鍧嵞茉碵1 5]。目前，國內(nèi)外采熱類型主要分為地源熱泵、水熱型開采、干熱巖開采和中深層井下?lián)Q熱[6]。其中，中深層換熱技術(shù)中“取熱不取水”方式，因無需較大占地面積、不破壞地下水環(huán)境、系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注[7]。如馮波等[8] 對單井閉循環(huán)地?zé)嵯到y(tǒng)的可持續(xù)開發(fā)潛力進行研究，通過改變注入溫度和流速尋求最佳開采方式；孔彥龍等[9] 采用Beier 解析法和雙重連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬法對深井換熱量進行評估，認(rèn)為提高深井換熱量的主要手段是增加循環(huán)水與巖石的接觸面積；趙金洲等[10] 基于雙層非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程的井筒溫度場半解析模型，分析了相關(guān)參數(shù)對井筒溫度分布的影響；馮邵航等[11] 針對4 000 m 深U 型采熱井，分析管道內(nèi)流速對采熱功率、傳熱半徑的影響；唐勝利等[12] 分析了注水流量對U 型地?zé)峋骄卧诓膳陂g換熱能力的影響；鮑玲玲等[13]利用交替方向隱式法和追趕法對中深層同軸套管式地埋管換熱器數(shù)值模型進行求解，分析了環(huán)腔流體流速、管徑比、內(nèi)管導(dǎo)熱系數(shù)、回填材料導(dǎo)熱系數(shù)、巖土導(dǎo)熱系數(shù)及井孔深度對套管換熱器換熱量及出口水溫的影響；趙春虎等[14] 構(gòu)建了垂直單井巖水耦合傳熱模型和5 種井間距下的群井?dāng)?shù)值模型，分析了地溫梯度和注水流速對深層地?zé)釂尉坠軗Q熱能力的影響；Song 等[15] 采用有限差分法建立數(shù)學(xué)模型，研究流量、入口溫度、水平段長度和井筒直徑對U 型井地?zé)嵯到y(tǒng)產(chǎn)熱性能影響；Liao 等[16] 建立了井筒地層耦合瞬態(tài)傳熱數(shù)值模型，評估了多分支U 型井強化地?zé)嵯到y(tǒng)下的熱回收率、發(fā)電量、經(jīng)濟可行性；Sun 等[17] 提出了一種利用超臨界二氧化碳通過U 型井循環(huán)利用地?zé)崮艿男路椒?；Li 等[18]建立了U 型對接井?dāng)?shù)學(xué)模型，并與同軸套管換熱系統(tǒng)進行比較，認(rèn)為U 型對接井的換熱效果大于同軸套管換熱系統(tǒng)；Sun 等[19] 建立了一個穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型來模擬二氧化碳在井筒下降段、水平段和上升段的流動，預(yù)測井筒下降段和水平段的地?zé)崮芴崛÷?，研究質(zhì)量流量和注入壓力對地?zé)嵘a(chǎn)動態(tài)的影響。
目前，對于水平連通地?zé)峋║ 型地?zé)峋Q熱技術(shù)相關(guān)研究較少，多數(shù)僅針對水平段進行研究，未考慮不同地層物性參數(shù)影響，忽略了注、采垂直段換熱過程。本文以水平連通地?zé)峋疄槔?shù)值計算模型，研究在連續(xù)開采工況下注入流量、注入溫度和水平段長度對地?zé)嵯到y(tǒng)換熱性能影響，探究了間歇開采工況下巖層的溫度恢復(fù)能力，為水平連通地?zé)峋脑O(shè)計和高效可持續(xù)開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。
1 水平連通地?zé)峋Ｐ?/p>
1.1 物理模型
參考西安地區(qū)某水平連通地?zé)峋甗20] 建立計算模型，地?zé)峋罱Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，地?zé)峋梢豢谛本鸵豢谥本M成，其中，斜井井眼軌跡分為直井段、偏斜段和水平段。
地?zé)峋@遇的地層為秦川群（Q2?4qc）、三門組（Q1 s）、張家坡組（N2z）和藍田灞河組（N2l+b），常溫層厚度為20 m，地層物性數(shù)據(jù)見表1[20 21]。
結(jié)合現(xiàn)場情況，模型頂部設(shè)為恒溫邊界，該地區(qū)常年平均溫度15 ?C；平均地溫梯度3.47 ?C/hm；徑向邊界設(shè)定為第一類邊界條件，邊界溫度為對應(yīng)地層的初始溫度。
地?zé)峋Ｐ椭惺褂玫闹饕镄詤?shù)如表2所示。
1.2 數(shù)學(xué)模型
1.2.1 基本假設(shè)
對所建立的地?zé)峋鋈缦录僭O(shè)[22 26]：
1）忽略不同地層巖性對地溫梯度的影響，地溫梯度均勻。
2）巖土視為均勻介質(zhì)，忽略地下水滲流的影響，把巖土中的傳熱視為純導(dǎo)熱過程。
3）初始時刻，回填材料和井筒的溫度與同一水平層上的巖土初始溫度相同。
4）將地表空氣溫度和常溫層溫度設(shè)為研究區(qū)的年平均氣溫。
1.2.2 控制方程
水平連通地?zé)峋畵Q熱方式以傳導(dǎo)和對流為主，井筒內(nèi)換熱以對流為主，井筒外換熱以傳導(dǎo)為主。地?zé)嵯到y(tǒng)的熱量傳遞可分為兩個方向：一是當(dāng)井筒內(nèi)流體溫度低于井筒外巖層溫度時，熱量由巖層向流體傳遞，主要存在于地?zé)峋男本倍?、水平段和直井的下部；二是?dāng)井筒內(nèi)流體溫度高于井筒外巖層溫度時，熱量由流體向巖層傳遞，主要存在于地?zé)峋男本本紊喜亢椭本喜俊?/p>
地?zé)峋矁?nèi)流體流速較大，處于湍流狀態(tài)，井筒內(nèi)流體控制方程為[27]
1.3 模型驗證
根據(jù)西安某熱水井的實測結(jié)果對模型進行驗證[11]，該井深4 082 m，水流量100 m3/h，管道內(nèi)徑0.151 7 m，穩(wěn)定出口水溫為119.0 ?C，模擬結(jié)果見圖2，采熱16 h 后出口水溫穩(wěn)定，約為115.20 ?C，模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)吻合較好，誤差小于3.2%。
2 連續(xù)運行地?zé)峋畵Q熱性能
2.1 注入流量
當(dāng)注入溫度為15 ?C時，不同注入流量下的取熱井口溫度如圖3 所示，出口水溫隨時間變化曲線可以分為3 段：下降區(qū)I、過渡區(qū)II 和穩(wěn)定區(qū)III。1 a 內(nèi)為下降區(qū)，此期間出口水溫下降較快；以流量為50 m3/h 為例，出口水溫從最初40.10 ?C下降到23.10 ?C，下降了42.40%；1～4 a 為過渡區(qū)，出口水溫下降幅值較小，以流量70 m3/h 為例，第1 年至第4 年的出口水溫分別為20.96、20.49、20.24 和20.09 ?C，每年下降小于2.20%。連續(xù)開采4 a 后為穩(wěn)定區(qū)，出口水溫基本保持恒定，不同流量下出口水溫每年下降小于0.78%。主要原因是開始換熱階段，流體與地層溫差大，換熱程度劇烈，流體從地層中吸取大量熱量，使得井筒附近巖土溫度快速降低，影響出口水溫變化；隨著換熱過程進行，井筒附近巖土熱量恢復(fù)與地?zé)峋疅崃刻崛∵_到動態(tài)平衡，巖土溫度趨于穩(wěn)定，出口水溫也緩慢下降并趨于穩(wěn)定。
如圖4 所示，當(dāng)注入溫度一定時，隨著注入流量增大，流體出口水溫不斷降低，換熱量不斷增加，但換熱量和出口水溫的變化幅度越來越小。主要原因是流量越大，井筒內(nèi)流體和地層之間的熱傳遞時間越短，流體出口水溫越低，但是流量增加，增強了管道內(nèi)湍流強度，促進了井筒中的強制對流，同時單位時間內(nèi)與地層進行熱交換的流體質(zhì)量增加，換熱量增加。
2.2 注入溫度
當(dāng)注入流量為40 m3/h 時，注入溫度對取熱井出口水溫和換熱量的影響如圖5 所示?？梢?，注入溫度對換熱性能的影響顯著，保持注入流量不變，隨著注入溫度增加，流體出口水溫近似線性上升，換熱量近似線性下降；連續(xù)開采10 a 后，注入溫度從15 ?C增加到35 ?C，出口水溫從22.78 ?C升高到38.56 ?C，溫差從7.78 ?C減少到3.56 ?C，換熱量從363.29 kW 減少到166.35 kW。主要因為地層和井筒中流體溫差是熱傳遞的動力，注入溫度越低，換熱強度越大，換熱量越大，因此，適當(dāng)降低注入溫度可以增強產(chǎn)熱。
2.3 水平段長度
當(dāng)注入流量為40 m3/h、注入溫度為15 ?C時，水平段長度對取熱井出口水溫和換熱量的影響如圖6 所示。不同開采年限下的井口水溫和換熱量隨水平段長度變化的增長幅度幾乎相同，水平段長度每增加200 m，出口水溫約增加0.39 ?C，換熱量約增加22.66 kW。隨著水平段長度增加，出口水溫和換熱量均增加，主要原因是水平段埋藏較深，周圍巖層溫度高，水平段越長，流體換熱面積越大，與周圍高溫巖層換熱時間越長，提取熱量越多。然而，由于鉆井技術(shù)和成本限制，水平段長度不能無限制地增加，因此優(yōu)化水平段長度時需考慮鉆井成本和操作難度。
2.4 井筒中工作流體溫度分布
當(dāng)注入流量為40 m3/h，注入溫度為25 ?C時，開采1、5 和10 a 后井筒中流體的溫度分布如圖7a所示。隨著開采年限增加，同一位置的流體溫度不斷降低，且溫度下降幅度隨著開采時間增加而降低。在斜井的直井段一定深度范圍內(nèi)，工作流體溫度隨深度的增加而降低，圖7b 為開采1 a 斜井的直井段地層溫度分布圖，從地面到井下約300 m，井筒中流體溫度明顯高于周圍地層溫度，原因是注入溫度高于該段地層初始溫度，導(dǎo)致熱量從流體傳遞到地層。
水平段流體溫升與其他井段相比較小，主要由于水平段長度與其他井段相比相差較多，流體在水平段換熱時間短、溫升較小。
井筒中流體溫度在直井約500 m 處達到最高值，之后流體溫度隨深度減少而降低，圖7c 為開采1 a 后直井地層溫度分布圖，從地面到井下約500 m，井筒中流體溫度明顯超過周圍地層溫度，熱量從流體傳遞到地層，造成溫度損失。因此，通過對該井段實施隔熱措施，出口水溫和換熱量會進一步提升。
3 間歇開采地?zé)峋畵Q熱性能
井筒周圍巖層溫度對地?zé)嵯到y(tǒng)換熱性影響較大[28]，為實現(xiàn)地?zé)峋咝Э沙掷m(xù)開發(fā)，需要明確地?zé)峋g歇運行情景下，相關(guān)參數(shù)對巖層溫度恢復(fù)能力影響。為此設(shè)計每年120 d 連續(xù)采熱，245 d 為自然恢復(fù)，研究注入溫度和注入流量對非采暖期巖層溫度恢復(fù)能力的影響規(guī)律。
3.1 注入溫度
當(dāng)注入流量為40 m3/h 時，注入溫度對出口水溫、換熱量的影響如圖8 和圖9 所示。
隨著注入溫度增加，穩(wěn)定后的出口水溫不斷上升，換熱量不斷減小且減小幅度較大。采熱初期出口水溫較高，是因為在停采期間井筒內(nèi)存留的水被地層加熱，地?zé)峋\行時先排出管內(nèi)存留的高溫水，故初始時刻出口水溫較高。不同注入溫度（15、20、25 和30 ?C）下，供暖系統(tǒng)運行第1 年與第10 年出口水溫差分別為1.44、1.27、1.10 和0.94 ?C，下降幅度分別為5.5%、4.2%、3.3% 和2.5%。可見，注入流量一定時，注入溫度越高，出口水溫下降幅度越小，地層溫度恢復(fù)能力越好。
第1 年停采期結(jié)束后，不同注入溫度下巖層溫度恢復(fù)情況如圖10 所示，注入溫度為30 ?C的巖層溫度更接近其初始溫度，主要原因是注入溫度越高、地?zé)峋畵Q熱量越小，巖層在溫度恢復(fù)期初始溫度越高，巖層溫度恢復(fù)能力越強。
3.2 注入流量
當(dāng)注入溫度為15 ?C時，注入流量對出口水溫、換熱量的影響如圖11 和圖12 所示。
出口水溫隨流量增加而增大，主要因為流量越大，停井期井筒內(nèi)被加熱的水到達出口時間越短，與直井上部低溫巖層換熱時間越短、溫度損失越少，出口水溫越高。
注入流量越大，穩(wěn)定后出口水溫越低、換熱量越大，但穩(wěn)定后的換熱量相差不大，因此通過增加流量提升換熱量的效果不明顯。不同注入流量（60、80 和100 m3/h）下，供暖系統(tǒng)運行第1 年與運行10年的出口溫差分別為1.03、0.84 和0.69 ?C，下降幅度分別為4.6%、4.0% 和3.5%?？梢?，保持注入溫度不變時，增大注入流量，出口水溫降幅減小。
第1 年停采期結(jié)束后，不同注入流量下巖層溫度恢復(fù)如圖13 所示。
由圖13 可見，注入流量越大，流體從巖層中吸收的熱量越多，采暖期結(jié)束后井筒周圍巖層溫度越低，但巖層溫度恢復(fù)情況幾乎相同，可見注入流量增加可提高巖層恢復(fù)能力，主要因為井筒周圍巖層溫度越低，與遠處高溫巖層溫度差越大導(dǎo)致熱傳遞越強，從而提高了巖層溫度恢復(fù)能力。
4 結(jié)論
1）地?zé)峋膿Q熱性能隨開采年限增加不斷降低，巖層溫度對地?zé)峋膿Q熱性能有較大影響；非采暖期巖層溫度恢復(fù)能力越好，供暖期地?zé)峋膿Q熱性能越好，越有利于地?zé)峋母咝Э沙掷m(xù)開發(fā)。
2）連續(xù)開采工況下，增大注入流量，降低注入溫度，增加水平段長度，地?zé)嵯到y(tǒng)的換熱量增大，有利于提高水平連通地?zé)峋娜崮芰Α?/p>
3）間歇開采工況下，注入溫度越高，注入流量越大，系統(tǒng)長期運行后的流體出口水溫下降幅度越小，巖層的溫度恢復(fù)能力越好。
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地?zé)崮芤騼α烤薮蟆⒖稍偕?、綠色低碳等優(yōu)點，成為一種發(fā)展?jié)摿薮蟮那鍧嵞茉碵1 5]。目前，國內(nèi)外采熱類型主要分為地源熱泵、水熱型開采、干熱巖開采和中深層井下?lián)Q熱[6]。其中，中深層換熱技術(shù)中“取熱不取水”方式，因無需較大占地面積、不破壞地下水環(huán)境、系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注[7]。如馮波等[8] 對單井閉循環(huán)地?zé)嵯到y(tǒng)的可持續(xù)開發(fā)潛力進行研究，通過改變注入溫度和流速尋求最佳開采方式；孔彥龍等[9] 采用Beier 解析法和雙重連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬法對深井換熱量進行評估，認(rèn)為提高深井換熱量的主要手段是增加循環(huán)水與巖石的接觸面積；趙金洲等[10] 基于雙層非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程的井筒溫度場半解析模型，分析了相關(guān)參數(shù)對井筒溫度分布的影響；馮邵航等[11] 針對4 000 m 深U 型采熱井，分析管道內(nèi)流速對采熱功率、傳熱半徑的影響；唐勝利等[12] 分析了注水流量對U 型地?zé)峋骄卧诓膳陂g換熱能力的影響；鮑玲玲等[13]利用交替方向隱式法和追趕法對中深層同軸套管式地埋管換熱器數(shù)值模型進行求解，分析了環(huán)腔流體流速、管徑比、內(nèi)管導(dǎo)熱系數(shù)、回填材料導(dǎo)熱系數(shù)、巖土導(dǎo)熱系數(shù)及井孔深度對套管換熱器換熱量及出口水溫的影響；趙春虎等[14] 構(gòu)建了垂直單井巖水耦合傳熱模型和5 種井間距下的群井?dāng)?shù)值模型，分析了地溫梯度和注水流速對深層地?zé)釂尉坠軗Q熱能力的影響；Song 等[15] 采用有限差分法建立數(shù)學(xué)模型，研究流量、入口溫度、水平段長度和井筒直徑對U 型井地?zé)嵯到y(tǒng)產(chǎn)熱性能影響；Liao 等[16] 建立了井筒地層耦合瞬態(tài)傳熱數(shù)值模型，評估了多分支U 型井強化地?zé)嵯到y(tǒng)下的熱回收率、發(fā)電量、經(jīng)濟可行性；Sun 等[17] 提出了一種利用超臨界二氧化碳通過U 型井循環(huán)利用地?zé)崮艿男路椒?；Li 等[18]建立了U 型對接井?dāng)?shù)學(xué)模型，并與同軸套管換熱系統(tǒng)進行比較，認(rèn)為U 型對接井的換熱效果大于同軸套管換熱系統(tǒng)；Sun 等[19] 建立了一個穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型來模擬二氧化碳在井筒下降段、水平段和上升段的流動，預(yù)測井筒下降段和水平段的地?zé)崮芴崛÷?，研究質(zhì)量流量和注入壓力對地?zé)嵘a(chǎn)動態(tài)的影響。
目前，對于水平連通地?zé)峋║ 型地?zé)峋Q熱技術(shù)相關(guān)研究較少，多數(shù)僅針對水平段進行研究，未考慮不同地層物性參數(shù)影響，忽略了注、采垂直段換熱過程。本文以水平連通地?zé)峋疄槔?shù)值計算模型，研究在連續(xù)開采工況下注入流量、注入溫度和水平段長度對地?zé)嵯到y(tǒng)換熱性能影響，探究了間歇開采工況下巖層的溫度恢復(fù)能力，為水平連通地?zé)峋脑O(shè)計和高效可持續(xù)開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。
1 水平連通地?zé)峋Ｐ?/p>
1.1 物理模型
參考西安地區(qū)某水平連通地?zé)峋甗20] 建立計算模型，地?zé)峋罱Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，地?zé)峋梢豢谛本鸵豢谥本M成，其中，斜井井眼軌跡分為直井段、偏斜段和水平段。
地?zé)峋@遇的地層為秦川群（Q2?4qc）、三門組（Q1 s）、張家坡組（N2z）和藍田灞河組（N2l+b），常溫層厚度為20 m，地層物性數(shù)據(jù)見表1[20 21]。
結(jié)合現(xiàn)場情況，模型頂部設(shè)為恒溫邊界，該地區(qū)常年平均溫度15 ?C；平均地溫梯度3.47 ?C/hm；徑向邊界設(shè)定為第一類邊界條件，邊界溫度為對應(yīng)地層的初始溫度。
地?zé)峋Ｐ椭惺褂玫闹饕镄詤?shù)如表2所示。
1.2 數(shù)學(xué)模型
1.2.1 基本假設(shè)
對所建立的地?zé)峋鋈缦录僭O(shè)[22 26]：
1）忽略不同地層巖性對地溫梯度的影響，地溫梯度均勻。
2）巖土視為均勻介質(zhì)，忽略地下水滲流的影響，把巖土中的傳熱視為純導(dǎo)熱過程。
3）初始時刻，回填材料和井筒的溫度與同一水平層上的巖土初始溫度相同。
4）將地表空氣溫度和常溫層溫度設(shè)為研究區(qū)的年平均氣溫。
1.2.2 控制方程
水平連通地?zé)峋畵Q熱方式以傳導(dǎo)和對流為主，井筒內(nèi)換熱以對流為主，井筒外換熱以傳導(dǎo)為主。地?zé)嵯到y(tǒng)的熱量傳遞可分為兩個方向：一是當(dāng)井筒內(nèi)流體溫度低于井筒外巖層溫度時，熱量由巖層向流體傳遞，主要存在于地?zé)峋男本倍?、水平段和直井的下部；二是?dāng)井筒內(nèi)流體溫度高于井筒外巖層溫度時，熱量由流體向巖層傳遞，主要存在于地?zé)峋男本本紊喜亢椭本喜俊?/p>
地?zé)峋矁?nèi)流體流速較大，處于湍流狀態(tài)，井筒內(nèi)流體控制方程為[27]
1.3 模型驗證
根據(jù)西安某熱水井的實測結(jié)果對模型進行驗證[11]，該井深4 082 m，水流量100 m3/h，管道內(nèi)徑0.151 7 m，穩(wěn)定出口水溫為119.0 ?C，模擬結(jié)果見圖2，采熱16 h 后出口水溫穩(wěn)定，約為115.20 ?C，模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)吻合較好，誤差小于3.2%。
2 連續(xù)運行地?zé)峋畵Q熱性能
2.1 注入流量
當(dāng)注入溫度為15 ?C時，不同注入流量下的取熱井口溫度如圖3 所示，出口水溫隨時間變化曲線可以分為3 段：下降區(qū)I、過渡區(qū)II 和穩(wěn)定區(qū)III。1 a 內(nèi)為下降區(qū)，此期間出口水溫下降較快；以流量為50 m3/h 為例，出口水溫從最初40.10 ?C下降到23.10 ?C，下降了42.40%；1～4 a 為過渡區(qū)，出口水溫下降幅值較小，以流量70 m3/h 為例，第1 年至第4 年的出口水溫分別為20.96、20.49、20.24 和20.09 ?C，每年下降小于2.20%。連續(xù)開采4 a 后為穩(wěn)定區(qū)，出口水溫基本保持恒定，不同流量下出口水溫每年下降小于0.78%。主要原因是開始換熱階段，流體與地層溫差大，換熱程度劇烈，流體從地層中吸取大量熱量，使得井筒附近巖土溫度快速降低，影響出口水溫變化；隨著換熱過程進行，井筒附近巖土熱量恢復(fù)與地?zé)峋疅崃刻崛∵_到動態(tài)平衡，巖土溫度趨于穩(wěn)定，出口水溫也緩慢下降并趨于穩(wěn)定。
如圖4 所示，當(dāng)注入溫度一定時，隨著注入流量增大，流體出口水溫不斷降低，換熱量不斷增加，但換熱量和出口水溫的變化幅度越來越小。主要原因是流量越大，井筒內(nèi)流體和地層之間的熱傳遞時間越短，流體出口水溫越低，但是流量增加，增強了管道內(nèi)湍流強度，促進了井筒中的強制對流，同時單位時間內(nèi)與地層進行熱交換的流體質(zhì)量增加，換熱量增加。
2.2 注入溫度
當(dāng)注入流量為40 m3/h 時，注入溫度對取熱井出口水溫和換熱量的影響如圖5 所示?？梢?，注入溫度對換熱性能的影響顯著，保持注入流量不變，隨著注入溫度增加，流體出口水溫近似線性上升，換熱量近似線性下降；連續(xù)開采10 a 后，注入溫度從15 ?C增加到35 ?C，出口水溫從22.78 ?C升高到38.56 ?C，溫差從7.78 ?C減少到3.56 ?C，換熱量從363.29 kW 減少到166.35 kW。主要因為地層和井筒中流體溫差是熱傳遞的動力，注入溫度越低，換熱強度越大，換熱量越大，因此，適當(dāng)降低注入溫度可以增強產(chǎn)熱。
2.3 水平段長度
當(dāng)注入流量為40 m3/h、注入溫度為15 ?C時，水平段長度對取熱井出口水溫和換熱量的影響如圖6 所示。不同開采年限下的井口水溫和換熱量隨水平段長度變化的增長幅度幾乎相同，水平段長度每增加200 m，出口水溫約增加0.39 ?C，換熱量約增加22.66 kW。隨著水平段長度增加，出口水溫和換熱量均增加，主要原因是水平段埋藏較深，周圍巖層溫度高，水平段越長，流體換熱面積越大，與周圍高溫巖層換熱時間越長，提取熱量越多。然而，由于鉆井技術(shù)和成本限制，水平段長度不能無限制地增加，因此優(yōu)化水平段長度時需考慮鉆井成本和操作難度。
2.4 井筒中工作流體溫度分布
當(dāng)注入流量為40 m3/h，注入溫度為25 ?C時，開采1、5 和10 a 后井筒中流體的溫度分布如圖7a所示。隨著開采年限增加，同一位置的流體溫度不斷降低，且溫度下降幅度隨著開采時間增加而降低。在斜井的直井段一定深度范圍內(nèi)，工作流體溫度隨深度的增加而降低，圖7b 為開采1 a 斜井的直井段地層溫度分布圖，從地面到井下約300 m，井筒中流體溫度明顯高于周圍地層溫度，原因是注入溫度高于該段地層初始溫度，導(dǎo)致熱量從流體傳遞到地層。
水平段流體溫升與其他井段相比較小，主要由于水平段長度與其他井段相比相差較多，流體在水平段換熱時間短、溫升較小。
井筒中流體溫度在直井約500 m 處達到最高值，之后流體溫度隨深度減少而降低，圖7c 為開采1 a 后直井地層溫度分布圖，從地面到井下約500 m，井筒中流體溫度明顯超過周圍地層溫度，熱量從流體傳遞到地層，造成溫度損失。因此，通過對該井段實施隔熱措施，出口水溫和換熱量會進一步提升。
3 間歇開采地?zé)峋畵Q熱性能
井筒周圍巖層溫度對地?zé)嵯到y(tǒng)換熱性影響較大[28]，為實現(xiàn)地?zé)峋咝Э沙掷m(xù)開發(fā)，需要明確地?zé)峋g歇運行情景下，相關(guān)參數(shù)對巖層溫度恢復(fù)能力影響。為此設(shè)計每年120 d 連續(xù)采熱，245 d 為自然恢復(fù)，研究注入溫度和注入流量對非采暖期巖層溫度恢復(fù)能力的影響規(guī)律。
3.1 注入溫度
當(dāng)注入流量為40 m3/h 時，注入溫度對出口水溫、換熱量的影響如圖8 和圖9 所示。
隨著注入溫度增加，穩(wěn)定后的出口水溫不斷上升，換熱量不斷減小且減小幅度較大。采熱初期出口水溫較高，是因為在停采期間井筒內(nèi)存留的水被地層加熱，地?zé)峋\行時先排出管內(nèi)存留的高溫水，故初始時刻出口水溫較高。不同注入溫度（15、20、25 和30 ?C）下，供暖系統(tǒng)運行第1 年與第10 年出口水溫差分別為1.44、1.27、1.10 和0.94 ?C，下降幅度分別為5.5%、4.2%、3.3% 和2.5%。可見，注入流量一定時，注入溫度越高，出口水溫下降幅度越小，地層溫度恢復(fù)能力越好。
第1 年停采期結(jié)束后，不同注入溫度下巖層溫度恢復(fù)情況如圖10 所示，注入溫度為30 ?C的巖層溫度更接近其初始溫度，主要原因是注入溫度越高、地?zé)峋畵Q熱量越小，巖層在溫度恢復(fù)期初始溫度越高，巖層溫度恢復(fù)能力越強。
3.2 注入流量
當(dāng)注入溫度為15 ?C時，注入流量對出口水溫、換熱量的影響如圖11 和圖12 所示。
出口水溫隨流量增加而增大，主要因為流量越大，停井期井筒內(nèi)被加熱的水到達出口時間越短，與直井上部低溫巖層換熱時間越短、溫度損失越少，出口水溫越高。
注入流量越大，穩(wěn)定后出口水溫越低、換熱量越大，但穩(wěn)定后的換熱量相差不大，因此通過增加流量提升換熱量的效果不明顯。不同注入流量（60、80 和100 m3/h）下，供暖系統(tǒng)運行第1 年與運行10年的出口溫差分別為1.03、0.84 和0.69 ?C，下降幅度分別為4.6%、4.0% 和3.5%?？梢?，保持注入溫度不變時，增大注入流量，出口水溫降幅減小。
第1 年停采期結(jié)束后，不同注入流量下巖層溫度恢復(fù)如圖13 所示。
由圖13 可見，注入流量越大，流體從巖層中吸收的熱量越多，采暖期結(jié)束后井筒周圍巖層溫度越低，但巖層溫度恢復(fù)情況幾乎相同，可見注入流量增加可提高巖層恢復(fù)能力，主要因為井筒周圍巖層溫度越低，與遠處高溫巖層溫度差越大導(dǎo)致熱傳遞越強，從而提高了巖層溫度恢復(fù)能力。
4 結(jié)論
1）地?zé)峋膿Q熱性能隨開采年限增加不斷降低，巖層溫度對地?zé)峋膿Q熱性能有較大影響；非采暖期巖層溫度恢復(fù)能力越好，供暖期地?zé)峋膿Q熱性能越好，越有利于地?zé)峋母咝Э沙掷m(xù)開發(fā)。
2）連續(xù)開采工況下，增大注入流量，降低注入溫度，增加水平段長度，地?zé)嵯到y(tǒng)的換熱量增大，有利于提高水平連通地?zé)峋娜崮芰Α?/p>
3）間歇開采工況下，注入溫度越高，注入流量越大，系統(tǒng)長期運行后的流體出口水溫下降幅度越小，巖層的溫度恢復(fù)能力越好。
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