井筒自循環熱交換基本規律實驗研究

傅大慶,閆方平,邱建強,亓兆偉

(1.河北華勘資環勘測有限公司,河北 承德 067000;2.河北石油職業技術大學,河北 承德 067000)

地熱能是前景廣闊的可再生能源之一。以干熱巖(hot dry rocks,HDR)為代表的熱巖型地熱具有溫度高、分布廣、儲量大等優勢,是未來地熱能開發的重要領域[1]。干熱巖一般是指溫度大于180 ℃,埋深3～10 km,內部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體,主要由各種變質巖和結晶巖組成。因此,在開發干熱巖地熱時,需要進行大規模垂直井或水平井分段體積壓裂,將注入井與生產井連通起來,并向儲層中注入大量的水作為攜熱流體,通過水的循環和與干熱巖之間的熱交換,將地熱開采出來用于發電,這種地熱開發方案稱為增強型地熱開采系統(EGS),是目前世界上開發利用該能源的主要做法[2-3]。但 EGS 存在攜熱流體流失、巖流反應或支撐劑失效導致裂縫堵塞或閉合、經濟成本高和容易誘發地震等問題[4-5]。

近年來,人們提出了一種用于干熱巖地熱開發的井筒自循環技術,較好地解決了EGS問題[6-11]。該技術是將攜熱流體從套管環空注入,攜熱流體在向下流動過程中從高溫地層提取熱量,到達井底后,再通過隔熱油管返回地面。如果隔熱油管具有良好的保溫能力,井口便可獲得可利用的高溫攜熱流體。目前,采用井筒自循環技術開采地熱能主要集中在理論分析和數值模擬研究方面,采用實驗模擬井筒自循環熱交換方面的研究很少。

本文基于井筒自循環采熱原理,設計并搭建井筒自循環換熱模擬實驗裝置,以水作為攜熱流體,開展局部井筒自循環熱交換規律實驗研究,模擬表征井筒自循環換熱器性能的參數隨時間的變化規律。

1 實驗設備與方法

1.1 實驗設備

井筒自循環熱交換實驗系統如圖1所示,水通過平流泵進入熱交換管,熱交換管包括外層套管和內層油管,結構如圖2所示。套管和油管材料為304不銹鋼,導熱系數為16.2 W/(m·K)。外層套管長度為850 mm,其中換熱段長度為800 mm,外徑70 mm,內徑50 mm。油管管壁內部設計為中空,用來填充不同材料或抽真空以達到改變管壁導熱系數的目的。油管長度為800 mm,外徑40 mm,內徑10 mm。由于實驗部分較短,僅能模擬井筒自循環局部井段的熱交換規律,因此沒有考慮溫度梯度和管內流體重力的影響。油管底部開有一個小孔,在油套環空內發生對流換熱后的水到達底部后從小孔進入油管,然后從油管出口流出進入低溫恒溫槽(DC-0520)。低溫恒溫槽工作溫度為-5～180 ℃,作用是使被加熱的水充分冷卻。冷卻后的水通過循環泵再次進入熱交換管進行換熱。循環泵可以通過旋轉調節手輪來決定流量的大小,量程為0～32 L/h,精確率為95%。水的注入排量通過循環泵的量程乘以調節手輪的刻度計算得到,入口和出口壓力通過壓力傳感器測量。流體入口、油套環空中部和底部、流體出口的溫度以及套管外壁中部和底部的溫度均通過墊片式鉑電阻溫度傳感器(Pt100)測得,實驗所采用的壓力傳感器和溫度傳感器的測量誤差分別為±0.01 MPa和±0.15 ℃。

圖1 井筒自循環實驗系統

圖2 熱交換管結構圖

1.2 實驗材料

實驗選擇常規水作為熱交換系統的攜熱介質,分別選擇空氣和花崗巖作為熱儲介質。通過高溫恒溫箱進行加熱,模擬高溫地熱儲層,恒溫箱最高加熱溫度為200 ℃?？諝鉄醿慈サ艋◢弾r石套后,使溫箱直接加熱熱交換管?；◢弾r石套長和寬為22 cm,中部開有直徑7 cm的孔徑,熱交換管和石套孔徑之間的空隙使用和花崗巖導熱系數相近的導熱泥填充,使石套可以完全包裹熱交換管。由于設備的限制,實驗中沒有考慮水泥層對換熱的影響。表1列出并對比了所選實驗材料在不同溫度壓力下的熱物性。

表1 0.1 MPa、20 ℃ 條件下流體、熱儲介質和不銹鋼管的熱物性

1.3 實驗過程

以基本參數為例,具體試驗過程如下：

1)將試驗設備按流程圖組裝完成,并檢查各連接部位有無滲漏。

2)用平流泵將中間容器的攜熱介質以10 mL/min的速率注入流體循環系統,并將其中的空氣全部排出,關閉回路出口并繼續注水,使壓力增加至設計值,然后關閉回路入口。注入過程中,需注意檢查各連接部位有無滲漏。

3)啟動恒溫箱,使花崗巖石套和換熱管溫度達到并穩定在設計值。注意在加熱過程中,要調節壓力,使其穩定在設置值。將低溫水槽的冷卻溫度調整為20 ℃。

4)當換熱管內的壓力和溫度達到穩定狀態時,啟動循環泵,使換熱管內的水以107 mL/min的速率循環,冷水從入口流入套管環空,經過熱交換后,從出口油管流出熱水。

5)打開計算機,每10 s記錄1次換熱系統的溫度和壓力變化,當出口溫度達到穩定時,試驗結束。

6)實驗測量數據為熱交換管入口處、出口處的壓力和溫度,油套環空中部和底部流體溫度以及套管中部和底部的外壁溫度,據此計算出井口采熱量、熱通量、井筒平均對流換熱系數、采熱過程中底部到出口的熱損失率等表征井筒自循環換熱器性能的參數。

井口采熱量由熱交換管的進出口溫度及流體的體積流量決定,公式如式(1)[12-13]：

Q=VρCp(Tout-Tin)

(1)

式中：Q為井口采熱量,W;V是攜熱流體的體積流量,m3/s;ρ是攜熱流體的密度,kg/m3;Cp是攜熱流體的定壓比熱容,J/(kg·K) ;Tin和Tout分別是攜熱流體的入口和出口溫度,℃。

為了避免不同半徑處的熱通量因截面積變化而異,工程上為了計算方便常按單位管長計算熱通量[12]：

(2)

式中：qw為熱通量,W/m;Cv是攜熱流體的體積熱容,J/(m3·K) ;Tbottom是套管環空底部流體溫度,℃;L是換熱段長度,m。

當出口溫度達到穩態時,出口產生的熱量與通過套管壁傳遞的熱量相當,而不受套管中儲存的熱量的影響。因此,可用式(3)[12]計算套管壁與環空內水的平均對流換熱系數：

(3)

式中：h為平均對流換熱系數,W/(m2·K);ΔTm為水與套管內壁的平均換熱溫差,℃;doi為套管內徑,m。

ΔTm可按式(4)計算[12]：

(4)

式中：Toi為套管內壁溫度,℃。

2 實驗結果和分析

分析井筒自循環熱交換基本規律時,選擇的基本實驗條件為：儲層類型為花崗巖;儲層溫度為150 ℃;井筒壓力為10 MPa;井筒排量為107 mL/min;油管隔熱條件為抽真空隔熱。

2.1 溫度和壓力監測

從圖3(a)中可以看出,保持熱交換管入口溫度為20 ℃左右,底部流體和管壁溫度、中部流體和管壁溫度以及出口流體溫度隨采熱時間增加迅速降低后逐漸保持穩定。從開始采熱到20 min時,各處監測點測得的溫度下降速率很大,這時采出的熱量主要為套管周圍較小范圍內熱儲層存儲的熱量。隨采熱時間增加,熱儲溫降前緣波及到更遠距離的地層,距離套管較遠處的熱儲開始通過熱傳導向套管供熱,套管周圍熱儲溫度逐漸趨于穩定。

從圖3(b)中可以看出,壓力波動曲線顯示采熱前期熱交換管內的壓力波動范圍較大,隨采熱時間增加壓力波動逐漸趨于穩定。采熱前期,流體溫度變化較大引起壓力劇烈變化,采熱穩定后,壓力波動也逐漸趨于穩定。

2.2 采熱量與平均對流換熱系數

從圖4可以看出,井口采熱量和平均對流換熱系數隨采熱時間的變化規律和監測到的溫度隨時間的變化規律基本一致。采熱開始后,井口獲得的采熱量迅速降低并逐漸保持穩定。采熱前期套管周圍熱儲通過管壁傳遞的熱通量較大,同時由于水的溫度較高導致水粘度較小,雷諾數較大,有利于增大對流換熱系數,因此基于管壁的平均對流換熱系數較大。

圖4 井口采熱量和平均對流換熱系數隨時間變化圖

2.3 沿井筒溫度分布及熱損失速率

井筒自循環采熱過程中,低溫流體從油套環空入口注入后與高溫套管內壁發生對流換熱,溫度沿井筒逐漸升高,到達套管底部后從內部油管返回地面。從圖5(a)中可以看出,水的溫度在井筒前半段增加很快,采熱10 min時,水的溫度由入口處20 ℃增加到中部的92.2 ℃,后半段時緩慢升高到106.7 ℃,在套管底部時溫度達到最大值。從油管內返回出口過程中,由于油套環空中水的溫度低于油管內水的溫度,油管內的高溫水通過油管管壁向油套環空中的低溫水散熱,溫度逐漸降低到出口處的96.5 ℃。隨著采熱時間增加,油管和油套環空的溫度分布曲線均向左移動并逐漸保持穩定。

圖5 沿井筒溫度分布及熱損失速率隨時間的變化

熱損失率表示流體從環空底部到出口損失的采熱量。采熱10 min、20 min、40 min、80 min時,套管底部到出口處熱損失率分別為11.78%、18.45%、26.02%、27.14%。從圖5(b)中可以看到,隨著采熱時間增加,熱損失率逐漸增大后趨于穩定。循環采熱開始前,由于需要加熱熱儲介質,加熱過程中熱交換管體也存儲了一部分熱量。由表1計算數據可知,熱儲溫度為150 ℃時,熱交換管體存儲的熱量超過花崗巖熱儲存儲熱量的14%。由于設備尺寸較小,這部分存儲的熱量對采熱前期的采熱性能參數有較大影響,這解釋了采熱前期雖然油套環空和油管內溫差較大但熱損失率卻較小的現象。

2.4 沿井筒的熱流密度和熱物性

從圖6(a)、(b)可以看出,溫度(溫度與深度關系如圖5(a)所示)對水的密度和粘度有影響,特別是對粘度有較大影響。不同時間點下,密度和粘度在油套環空內隨水溫升高而降低,在油管內隨水溫降低而又逐漸升高。密度和粘度的變化對水沿井筒的流速和雷諾數的變化產生重要影響。密度的變化引起體積流量的變化,進而引起水沿井筒流速的變化。如圖6(c)、(d)所示,采熱10 min時,沿井筒溫度分布最高,密度和粘度最小,因此流速和雷諾數最大。從雷諾數分布曲線可以看出,在排量107 mL/min條件下,水在油套環空和油管內部均為層流,增大環空雷諾數有利于增強流體和管壁的對流換熱,而減小油管雷諾數有利于降低油管和環空間的熱損失。

圖6 沿井筒密度、粘度、流速、雷諾數和熱通量變化圖

圖6(e)中,圖例為“環空”表示地熱儲層通過套管管壁向流體傳遞的熱通量,圖例為“油管”表示由于溫差引起的油管向油套環空傳遞的熱通量。井筒溫度分布曲線顯示水在油套環空上半部分升溫較快而在下半部分升溫較慢,因此環空上半部分通過管壁傳遞的熱通量明顯高于下半部分。從環空底部返回出口過程中,油管和環空間的溫差越來越大,因此油管向環空傳遞的熱通量也逐漸增大。

3 結語

本文基于井筒自循環采熱原理,設計并搭建井筒自循環換熱模擬實驗裝置,選擇常規的水作為攜熱流體,開展局部井筒自循環熱交換規律實驗研究,研究表明：

1)隨采熱時間增加,套管周圍熱儲溫度、壓力波動、井口獲得的采熱量和平均對流換熱系數均迅速降低并逐漸保持穩定,熱損失率逐漸增大后趨于穩定,溫度沿井筒自上而下逐漸升高,但溫度分布曲線逐漸降低。

2)不同時間點下,密度和粘度均隨水溫升高而降低,采熱10 min時,沿井筒溫度分布最高,密度和粘度最小,此時流速和雷諾數最大。

3)隨時間增加,地熱儲層通過套管管壁向流體傳遞的熱通量逐漸減小,而油管向油套環空傳遞的熱通量逐漸增加。