第1章地热单井取热方法
　　随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，人们对能源的需求量日益增大，特别是以煤炭、石油和天然气等化石能源为主的能源消费急剧上升。而化石能源不仅不可再生，其燃烧排放的二氧化碳等温室气体还会导致全球气候变暖，造成严重的环境污染问题，威胁人类社会的可持续发展。因此，大力发展清洁可再生能源已成为世界各国的能源策略。地热能作为一种清洁环保的可再生能源，具有优化能源结构、节能减排和改善环境的重要作用，并且与太阳能、风能、水能等可再生能源相比，地热能基本不受地理位置、气候和季节的影响，具有分布广、储量大、产量稳定和有效工作时间长等优势。
　　世界地热资源储量丰富，根据世界能源委员会（World Energy Council， WEC）的数据，全球存储在 5km地壳以内的地热能大约有1.4×108EJ，约为4.9×1015tce①，远远超过全球每年约500EJ的能源消耗量。我国也拥有巨大的地热资源量，其中水热型地热资源量折合1.25×1012tce，每年可采量折合1.865×109tce，相当于我国2015年煤炭消耗总量的50%[2]。我国主要沉积盆地的地热资源可开采量折合1.8× 1011tce，每年开发利用可替代折合9.05×107tce，可减少二氧化碳排放3.60×108t，减少煤灰渣排放1.513×107t，减少悬浮粉尘1.21×106t[3]。因此，促进地热资源开发利用对节能减排、缓解我国雾霾天气具有重要作用，对改善我国能源战略布局、培育新兴产业和促进生态文明建设等具有重大政治、经济意义[4-7]。
　　1.1概述
　　直接采水取热是目前*高效的一种地热开发方式，该方式至少包括一口开采井，以及一口用于回灌地热尾水的注入井。目前，灰岩等岩溶性地热储层的回灌技术较为成熟。2017年我国发布的《地热能开发利用“十三五”规划》中强调，在“取热不取水”的指导原则下积极推进水热型地热供暖。“取热不取水”即地热井筒与热储之间仅有热量交换，没有或者仅有少量取热工质交换，这种无干扰的地热开发方式，有望降低回灌成本，缓解传统地热开发造成的地面沉降、水质污染、采灌不均衡等问题，具有普适性、绿色环保、寿命长等优点。
　　另外，在地热系统的建造中，钻完井成本占比较大，有时占比甚至会超过总成本的50%[8]。因此，若采用传统的注采地热系统，其注采井眼数量较多，将导致投资成本大幅度攀升，显著延长地热开发的投资回收期，制约其商业应用。
　　针对上述地热系统目前存在的地热尾水回灌难、钻完井成本高的难题，笔者基于“取热不取水”的思路，提出了一系列地热单井取热方法，并对其取热原理开展了深入研究。单井取热方法主要包括单井同轴套管闭式循环地热系统和单井同轴套管开式循环地热系统。前者与储层之间只有热量交换，实现了真正意义上地热开发的“取热不取水”；而后者与储层之间不仅有热量交换，还存在取热工质交换，可以实现注采均衡。
　　本书的单井取热方法包括单井井下换热器地热系统、单井同轴套管闭式循环地热系统、单井同轴套管开式循环地热系统、多分支井自循环地热系统和多分支井闭式循环地热系统。详细介绍了每一种地热系统的结构与开采流程，采用理论分析、数值模拟和室内实验的方法，针对每一种单井地热系统的取热原理、参数影响规律和结构优化等问题开展了深入研究。
　　1.2单井井下换热器地热系统
　　单井井下换热器地热系统是一种闭式循环系统，主要依靠井底地层水的自然对流进行换热，无需将地层水抽出，不存在地热尾水回灌困难的问题。因此不存在地层水过度开采而导致地层下陷等现象，是一种环保、高效的“取热不取水”的新方法。
　　单井井下换热器地热系统取热示意图如图 1.1所示。地热井底采用开式完井方式，井筒内充满了高温地热流体，将换热器安装在井底，即浸泡在井底的高温地热流体中。低温取热工质从地表注入换热器中，通过换热器壁面从井底的高温地热流体中取热，被加热后的高温取热工质再通过换热器回到地面用于供暖等。如果井口采出的地热流体的温度已达到供暖需求，则可以直接注入各户进行供暖；如果采出的地热流体的温度没有达到直接供暖需求，则需要将采出的流体通过热泵升温，达到标准后再注入各户进行供暖。
　　单井井下换热器地热系统的取热过程使井筒内的地层水温度降低，密度增大，从井筒套管的下开口处流出套管；套管和井壁之间的地层水温度较高，密度减小，向上从套管上部流入套管内，形成连续不断的地热流体交换，补充套管内被换热器采出的热量，使井下换热器能够源源不断地从井内流体中取热，保持热输出的稳定性。井壁周围的地热储层属于多孔介质区域，如果地层中存在原始水头梯度，地层中的热水会沿着水头梯度降低的方向以一定的速度强制流动，使地热流体与储层岩石产生强制对流换热。此外，在换热工质和地热储层的温度差驱动下，热储与换热器间会发生热传导作用。因此，单井井下换热器地热系统取热原理复杂，包括自然对流、强制对流和热传导三种方式。
　　1.3单井同轴套管闭式循环地热系统
　　单井同轴套管闭式循环地热系统是一种典型的“取热不取水”地热开采系统，由钻入地热储层中的直井及井筒中呈同轴位置关系的中心保温管组成，系统的取热过程如图1.2所示。在此系统中，将取热工质从地面通过高压泵注入环空，由于温度差异，环空中的取热工质通过热对流和热传导从井壁提取热量，然后通过中心管返回地面，流经换热器被利用。取热工质在井筒内产生强制对流换热；环空和地层之间由套管和水泥分隔，并在其内部发生热传导。除此之外，在取热工质与周围地层的温差驱动下，井筒与储层之间的热对流和热传导可以弥补井筒周围的热损耗，而且地层水的流动可以加快传热过程。
　　1.4单井同轴套管开式循环地热系统
　　单井同轴套管开式循环地热系统主要利用一口直井完成流体采出和回灌，然后通过流体与岩石的直接接触，增强系统换热，适用于裂缝性水热储层开发。该系统取热原理如图1.3所示。首先钻一口直井到目的层位，下套管固井，在井筒上部和下部分别射孔，形成注水段和采水段。然后安装保温管，下入封隔器将注水段和采水段进行封隔。之后循环流体由高压泵进入井筒，从注入段进入储层，在地热储层中进行充分换热，再从采水段进入井内，由保温管返回地面进行供暖或发电利用。地热储层是单井同轴套管开式循环地热系统主要流动传热区域，涉及达西渗流、热传导、热对流等复杂过程。
　　1.5多分支井自循环地热系统
　　传统对井增强型地热系统（enhanced geothermal system， EGS）需要完钻两口井用于取热工质的注入与开采，其垂直对井或定向对井与储层的接触面积小，沟通裂缝数量有限，因此注、采井间连通效果差。针对上述问题，提出了多分支井自循环地热系统开发高温地热资源的新方法，其原理如图1.4所示。该方法利用多分支径向水平井技术在主井眼上沿一个或多个层位侧钻若干分支井眼，从而扩大井眼与储层的接触面积，增加井眼与裂缝连通的可能性，改善系统的注入能力与生产能力；相比于传统对井增强型地热系统，该方法可实现注采同井，减少钻井数量，降低EGS建造成本，有望实现高温地热资源经济高效开发。
　　多分支井自循环地热系统的具体实施过程：钻进主井眼至高温地热储层段，在上部高温岩体中由主井眼侧钻注入分支井眼，下部岩体中侧钻生产分支井眼，随后利用水力压裂、热应力、化学或爆炸压裂方法在高温岩体中改造储层；在主井眼内下入中心保温管，利用耐高温高压封隔器封隔中心保温管与井筒环空；由环空注入低温换热工质，工质从上层注入分支井眼进入高温地热储层，与高温岩体充分换热后流入下层生产分支井眼，经中心保温管采出至地面进行发电等使用。中心保温管结构如图1.4（b）所示，为三层结构，包括内管、保温层和外管。
　　1.6多分支井闭式循环地热系统
　　新型多分支井闭式循环地热系统属于闭式循环系统，与单井同轴套管闭式循环地热系统相比，通过分支井筒显著增加换热长度和换热时间，从而可以大幅度提高系统取热能力。该系统取热原理如图1.5所示。钻主井筒至目标储层，然后从主井筒侧钻多个分支井筒，下套管固井。在主井筒和分支井筒中安装中心保温管。然后由环空注入工质，通过套管壁从高温储层中提取热量，*后从中心保温管返回地面进行地热利用。多分支井闭式循环地热系统井内传热过程主要涉及工质内的热传导和热对流，工质与管壁之间的对流换热，中心保温管、套管、水泥环内的热传导。井外地层内的传热过程主要考虑热传导。

目录
前言
第1章　地热单井取热方法　1　
1.1　概述　1　
1.2　单井井下换热器地热系统　2　
1.3　单井同轴套管闭式循环地热系统　3　
1.4　单井同轴套管开式循环地热系统　4　
1.5　多分支井自循环地热系统　4　
1.6　多分支井闭式循环地热系统　6　
1.7　中心保温管技术　7
第2章　单井井下换热器参数优化与结构设计　10　
2.1　流动传热模型建立　10　
2.1.1　换热器流动传热模型　10　
2.1.2　储层流体流动模型　12　
2.1.3　井筒和储层传热模型　13　
2.1.4　边界条件设置　13　
2.1.5　有限元网格划分　14　
2.2　取热原理分析　15　
2.2.1　温度场分布特征　15　
2.2.2　流场分布特征　17　
2.2.3　出口温度变化规律　18　
2.3　取热效果影响参数研究　19　
2.3.1　储层孔隙度影响规律　19　
2.3.2　导热系数影响规律　20　
2.3.3　地层水流速影响规律　21　
2.3.4　地层水流动方向影响规律　21　
2.4　换热器结构优化设计　22　
2.4.1　换热器结构　22　
2.4.2　并联换热器取热特征　24　
2.4.3　串联换热器取热特征　26　
2.4.4　螺旋管换热器取热特征　29　
2.4.5　不同结构换热器取热效果对比　31　
2.5　取热工质优选　32　
2.5.1　取热工质介绍　32　
2.5.2　单　U形管取热效果对比　33　
2.5.3　双　U形管取热效果对比　34　
2.5.4　螺旋管取热效果对比　35
第3章　单井同轴套管闭式循环取热机理与参数　38　
3.1　井筒与储层流动传热模型　38　
3.1.1　井筒流动传热方程　38　
3.1.2　储层流动传热方程　39　
3.2　流场与温度场分布规律　39　
3.3　运行参数对取热效果影响研究　42　
3.3.1　地层水流速　42　
3.3.2　工质排量　43　
3.3.3　入口温度　44　
3.3.4　固井水泥导热系数　44　
3.3.5　地层导热系数　45　
3.3.6　取热工质种类　46　
3.4　高导热水泥技术　47　
3.4.1　实验材料与实验方法　47　
3.4.2　抗压强度评价　50　
3.4.3　导热系数评价　51　
3.5　单井同轴套管闭式循环取热现场试验研究　61　
3.5.1　试验井概况　61　
3.5.2　试验设备　62　
3.5.3　现场试验程序　63　
3.5.4　试验结果与分析　66
第4章　单井同轴套管开式循环取热机理与参数　69　
4.1　流动传热模型建立　69　
4.1.1　模型假设　69　
4.1.2　流动传热模型　69　
4.1.3　初始和边界条件　70　
4.1.4　模型设置与网格划分　70　
4.2　储层温度场特征分析　72　
4.3　工艺参数对取热效果影响研究　73　
4.3.1　排量影响规律　73　
4.3.2　入口温度影响规律　75　
4.3.3　注采间距影响规律　76　
4.4　储层物性对取热效果影响研究　77　
4.4.1　孔隙度影响规律　77　
4.4.2　渗透率影响规律　78
第5章　多分支井自循环地热系统取热原理与参数　80　
5.1　地热储层和井筒耦合流动传热模型　80　
5.1.1　模型假设　80　
5.1.2　二氧化碳物性模型　81　
5.1.3　地热储层的热流固耦合模型　82　
5.1.4　储层和井筒耦合流动传热模型　86　
5.1.5　几何模型与网格划分　89　
5.1.6　随机离散裂缝网络　92　
5.1.7　边界条件设置　93　
5.2　取热机理分析　93　
5.2.1　取热效果评价参数　93　
5.2.2　储层热流固耦合特性　94　
5.2.3　岩石变形对取热的影响　101　
5.3　二氧化碳井筒流动传热规律　103　
5.3.1　二氧化碳井筒温度和压力分布规律　104　
5.3.2　保温段长度影响规律　108　
5.3.3　井筒尺寸影响规律　110　
5.3.4　井筒深度影响规律　115　
5.4　二氧化碳与水取热效果对比　116　
5.4.1　二氧化碳与水物性对比　117　
5.4.2　二氧化碳与水取热效果对比　119　
5.5　多分支井与垂直对井取热对比　127　
5.6　参数影响规律研究　130　
5.6.1　储层物性参数　130　
5.6.2　分支井结构参数　134　
5.6.3　注采参数　139　
5.6.4　裂缝特征参数　142
第6章　多分支井闭式循环地热系统产能预测与参数　158　
6.1　地热系统产能预测模型　158　
6.1.1　模型假设　158　
6.1.2　井筒流动传热数学模型　158　
6.1.3　几何模型　159　
6.1.4　初始和边界条件　160　
6.2　分支井筒和地层温度场分布特征　161　
6.3　工艺参数对取热效果的影响　162　
6.3.1　注入排量影响规律　162　
6.3.2　保温管导热系数影响规律　165　
6.4　井筒结构参数对取热效果的影响　166　
6.4.1　分支井数量影响规律　166　
6.4.2　分支井眼尺寸影响规律　167
第7章　单井取热方法室内实验　169　
7.1　地热多功能流动传热系统研制　169　
7.1.1　实验系统设计思路　169　
7.1.2　实验系统模块与组成　169　
7.2　多分支井自循环取热特征实验研究　173　
7.2.1　实验方案与实验流程　174　
7.2.2　生产参数影响规律实验研究　176　
7.2.3　分支井结构参数影响规律实验研究　179　
7.3　多分支井与单井同轴套管开式循环地热系统取热对比　181
参考文献　184