CN104132962A - 中高温地热单井换热量测定的试验方法和试验测试系统 - Google Patents

中高温地热单井换热量测定的试验方法和试验测试系统 Download PDF

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CN104132962A CN201410328138.4A CN201410328138A CN104132962A CN 104132962 A CN104132962 A CN 104132962A CN 201410328138 A CN201410328138 A CN 201410328138A CN 104132962 A CN104132962 A CN 104132962A
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Abstract

本发明涉及中高温地热单井换热量测定的试验方法和试验测试系统。主要有以下步骤和内容:第一步,根据地热井特征,以换热系统与热储间可实现的换热量作为测试目标设定试验方案,包括设定换热组件在井内的安装方式和位置以及测试组次和按组次开展测试的方向顺序;第二步,按试验方案开展测试,记录换热系统进、出口和地热井内两个系列的测试数据,包括试验开展全过程对应的井内、外的温度、压力数据;第三步,分析评价井内热储热力均衡条件下的单井换热系统的换热量,包括对测试数据进行分析处理,绘制换热量与热储段温差的均衡关系曲线,评价可持续实现的换热量边界。该方法着眼于自然资源的有限供给,为开展地热能工程提供科学的依据。

Description

中高温地热单井换热量测定的试验方法和试验测试系统
技术领域
本发明属于地热井试验技术领域,具体涉及中高温地热单井换热量测定的试验方法和试验测试系统。
背景技术
地热是地球自身所具备的能源资源。中高温地热资源可用于制备能源(如发电、供暖等),对满足人类能源需求而言具有巨大的潜力。在保护生态环境的前提下,中高温地热资源的勘查开发,对实现非化石能源目标、推进能源生产和消费革命、缓解我国能源资源供给压力、促进生态文明建设等方面具有重要的现实意义和长远的战略意义。利用地热资源制备能源,是地热资源开发利用的终极目标。中高温地热资源具有如下三项重要的基本特征:①中高温地热资源是地球本身固有的特征物质属性,具有限供给性;②各类地质体均有可能是赋存中高温地热资源的载体介质;③中高温地热资源存在的形式具有多样性,以当前人类科技能力可以涉足开发利用的,既有地热流体与热能共同伴随者,也有仅纯粹热表现而无地热流体的形式(如干热岩)。
基于以上目标和特征,本发明人提出如下地热能工程(Engineering ofGeothermal Power,简称EGP)概念:地热能工程,是指针对中高温地热资源,以最小的环境影响代价(此影响的量化评价在安全、可持续等方面能够被接受)为先决条件,以实现有持续供给意义的热能萃取为目标,人工开采或制备热能的技术方法和工艺的集合。有持续供给意义是指以相对长的时间来考察,地热能的供给相对稳定,即在满足经济评价的基础上,对所开发的地热地质单元而言,若持续提取一定规模的热能,地质体的温度在一定范围内可以保持稳定。
本发明人认为,中高温地热井所揭露的热储赋存地热流体时,以地热井与热储为研究对象,地热流体作为热能载体介质从热储进入地热井并被直接开采,热力过程是通过地热流体的质量传递发生能量的传递;地热井所揭露的热储,无论赋存任何流体与否,构建由地热井和井内换热器(组件)组成的换热系统,以换热系统与热储为研究对象,热力过程是通过换热器内工质的运动来完成换热系统与热储间的热交换,能量传递是换热过程。上述两种情形,被萃取热能的地质体发生温度变化,是地热资源的有限供给使然,故地热单井的产量试验或换热量试验均应着眼于热力均衡问题。
由中高温地热井和井内换热组件构成的地热单井换热系统,针对其换热量的量化评价,目前尚未见有成熟的评价方法和试验成果。
发明内容
本发明的一个目的是提供中高温地热单井换热量测定的试验方法,采用该方法可科学的量化评价由地热井和井内换热组件构成的中高温地热单井换热系统可获得的换热量边界,为利用中高温地热单井换热系统建设地热能工程提供重要技术依据。
本发明的另一个目的是提供用于开展中高温地热单井换热量测定试验的试验测试系统,该系统结构设计科学合理,易于控制。
为达到以上目的,本发明采用的技术方案是:中高温地热单井换热量测定的试验方法,主要包括以下步骤:
第一步,根据地热井特征,构建包括地热井和安装在地热井中的换热组件在内的中高温地热单井换热系统,以该换热系统与热储间可实现的换热量作为测试目标,设定开展换热量测定的试验方案;
第二步,按试验方案开展多组次测试,采集换热系统进、出口和地热井内两个系列的测试数据;所述测试数据包括在设定的各组次进口流量下试验开展全过程对应的井内、外的温度、压力数据;
第三步,根据第二步得到的各组次测试数据,分析评价井内热储热力均衡条件下的换热量与热储段的平均温差的关系,计算求得热储热力均衡条件下的换热量边界值Q0
进一步,第一步中设定试验方案的具体内容包括:
(a)根据地热井特征、热储温度范围和换热组件型式特征,确定试验方案的实现形式为多组次定流量的换热量测定试验;
(b)根据地热井特征、热储温度范围和换热组件型式特征,设定换热组件和用于测温、测压的测试仪器在地热井内的安装方式和位置,并设定测试组次及按组次开展测试的方向顺序。
再进一步,第二步的具体实现方法如下:
(a)按照方案建立换热系统,安装用于测温、测压、测流量的测试仪器;
(b)测定热储段的原始温度T0
(c)对每一组次试验测试,调节换热系统进口流量,换热量测定的试验的稳定延续时间保持相对时长,记录换热系统进、出口和地热井内两个系列的测试数据。
进一步,所述试验方法还包括:在进入第三步之前,结合第二步获得的测试数据所反映各热储段的热贡献空间分布权重,分析热储的主要贡献部位(井段),校核第一步中井特征内容和优化换热组件、测试仪器的安装方案,并根据校核后的试验方案进行第二步和第三步。
再进一步,第三步中,先对换热系统进、出口的测试数据和地热井内的测试数据进行对比分析,分别绘制井内、外的温度-时间关系曲线、压力-时间关系曲线以及换热量-时间关系曲线。
更进一步,第三步的具体实现方法包括:
(a)对每组次试验测试:
(a1)利用换热系统的进、出口测试数据,采用式①、②计算该组试验测试的换热量Qi
Q i = c l 1 m · 1 ( T s - T in ) + r m · 1 + c g 1 m · 1 ( T 1 - T s ) + c 2 m · 2 ( T 2 - T in )   ①;
m = m · 1 + m · 2   ②;
式中:
i——测试组次;
——换热系统进口水的流量;
——换热系统出口水蒸汽的流量;
——换热系统出口水的流量;
Ts——水的饱和温度;
r——水的汽化潜热;
Tin——换热系统进口水的温度;
T1——换热系统出口蒸气的温度;
T2——换热系统出口水的温度
cl1——Tin至Ts温度段内水的比热;
cg1——Ts至T1温度段内蒸汽的比热;
c2——Tin至T2温度段内水的比热;
(a2)根据该组次测试的温度数据计算得到地热井中热储段的平均温差ΔTri
(b)将各组次测试所获得的换热量Qi与热储段的平均温差ΔTri绘制Q-ΔT均衡曲线,Q-ΔT均衡曲线上存在Q对ΔT一阶导数为零的拐点,该拐点处的切线平行于ΔT轴,此点对应的Q0值,即为热储热力均衡条件下换热量的边界值,如不考虑周边开采情况的干扰,则换热系统的换热量不能大于Q0;将Q-ΔT均衡曲线表达为式③所示的函数形式,求解系数A、B,该函数形式表达了在Q0约束之下的Q-ΔT关系,
Q i = Q 0 - A lg ( ΔT ri + B )   ③。
其中,(a2)步骤中,根据式④计算得到第i组次测试中热储段的平均温差ΔTri
ΔTri=Tri-T0  ④;
式④中:
Tri——第i组次测试中热储段的平均温度;
T0——热储段的原始温度。
或者,(a2)步骤中,第i组次测试中热储段的平均温差ΔTri采用换热系统进、出口的温差表示。
本发明提供的用于开展中高温地热单井换热量测定试验的试验测试系统与高温地热单井换热系统相连,所述试验测试系统包括与换热系统进口相连的换热负载、与换热系统出口相连的水汽分离器,以及地表数据采集装置、井内测压装置和井内测温装置;
地表数据采集装置包括分别设在换热系统进、出口的温度传感器和压力传感器,以及分别设在水汽分离器的汽、液两相出口处的温度传感器和压力传感器;以及设在换热系统进口的流量计,以及分别设在水汽分离器的汽、液两相出口处的流量计;
井内测压装置包括压力采集设备以及与压力采集设备相连并深入到地热井内的压力传感器;
井内测温装置包括温度采集设备以及与温度采集设备相连并深入到地热井内的温度传感器。
进一步,所述换热负载为除地热流体以外的自然流体或人工流体。
进一步,所述试验测试系统还包括换热系统进口流量控制模块,所述换热系统进口流量控制模块包括与换热负载相连的水泵和用于连接水泵和换热系统的连通管,以及与水泵相连的流量控制箱。
本发明提出了针对所构建的中高温地热单井换热系统开展换热量测定的试验方法、工作内容和操作步骤:根据地热井特征,确定多组次定流量换热量测定的试验方案和测试内容,进行试验测试系统的安装,开展测试,对各流量组次试验获取的换热系统进、出口的温度、压力、流量以及井内热储段的温度、压力实时变化的测试数据进行分析处理,分别绘制井内、外的温度-时间关系曲线、压力-时间关系曲线、换热量-时间关系曲线,进而绘制换热系统换热量与井内热储段温差的均衡关系曲线,评价该地热单井井内热储热力均衡条件下换热系统换热量的边界,建立数学模型,将测试数据整理后导入模型进行分析计算,以评价在井内热储段热力均衡条件下可以实现换热量。
本方法着眼于自然资源的有限供给,具体体现换热系统可获得地热资源量的有限供给,确定合理的换热量边界,可作为建造制备能源的地热能工程的设计依据。
附图说明
图1是本发明提供的中高温地热单井换热量测定的试验方法的一种具体实施方式的流程图;
图2是用于开展中高温地热单井换热量测定试验的试验测试系统的一种实施方式的示意图;
图3是根据本发明方法利用试验中稳定状态下测试数据绘制的中高温地热单井换热系统在热储热力均衡条件下换热量Q与热储段的平均温差ΔTr的关系曲线;
图4示例了本发明一个实施例的地热井的井身结构;
图5示例了本发明一个实施例的地热井钻探过程的钻效曲线图;
图6示例了本发明一个实施例的地热井的测温曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
在详述本发明提供的试验方法之前,首先描述可用于开展中高温地热单井换热量测定试验的试验测试系统。
如图2所示,本发明提供的用于开展中高温地热单井换热量测定试验的试验测试系统与高温地热单井换热系统相连,所述试验测试系统包括与换热系统进口相连的换热负载7、与换热系统出口相连的水汽分离器11,以及地表数据采集装置、井内测压装置、井内测温装置。
其中,地热井1和安装在地热井1中的换热组件2组成中高温地热单井换热系统,换热组件2可以包括各种形式的换热器(如U型管式换热器、套管式换热器)和在井中用于支撑固定换热器的部件(未示出)。本发明中,换热组件2的换热器的出口管上设有调节阀10,该出口管与水汽分离器11相连,水汽分离器11的汽相出口管上设有用于冷却蒸汽的冷却器15。
井内测温装置包括温度采集设备3以及与温度采集设备3相连并深入到地热井1内的温度传感器6。
井内测压装置包括压力采集设备4以及与压力采集设备4相连并深入到地热井1内的压力传感器5。
地表数据采集装置包括分别设在换热器的进口管上的温度传感器12-1、压力传感器13-1和流量计14-1和设在换热器的出口管上的温度传感器12-4、压力传感器13-4;以及分别设在水汽分离器11的液、汽两相出口处的温度传感器12-2、12-3和压力传感器13-2、13-3;以及设在水汽分离器11液相出口处的流量计14-2、设在冷却器15出口的流量计14-3。
本发明中试验测试系统采用的换热负载7可以是除地热流体以外的自然流体或人工流体。图2所示的试验测试系统采用的换热负载7为自然流体。
本发明中为实现分组次调节流量,所述试验测试系统还包括换热系统进口流量控制模块,所述换热系统进口流量控制模块包括与换热负载7相连的水泵8和用于连接水泵8和换热器的连通管,以及与水泵8相连的流量控制箱9,设定的流量由流量控制箱9控制水泵8来实现。
以下结合图2详细说明如图1所示的本发明所提供的中高温地热单井换热量测定的试验方法,主要包括以下步骤:
第一步,根据地热井特征,构建包括地热井和安装在井中的换热组件在内的中高温地热单井换热系统,以该换热系统与热储间可实现的换热量作为测试目标,设定开展换热量测定的试验方案。
设定试验方案的具体内容包括:
(a)根据地热井特征、热储温度范围和换热组件型式特征,确定以多组次定流量的形式进行换热量测定试验。多组次定流量是指:设定不同的进口流量,不同流量的试验按照流量递增或递减的方向顺序开展,递增或递减的次数即为组次,观测的内容相同。
(b)根据地热井特征、热储温度范围和换热组件型式特征,设定换热组件在地热井内的安装方式和位置,并设定测试组次及按组次开展测试的方向顺序。
在设定具体的试验方案之前,首先须在详细了解井所处自然条件和地热地质条件基础上,根据对地热井钻井过程地质编录、钻探编录和简易水文地质观测以及地球物理测井资料的分析,结合放喷初试资料,完整获得地热井特征。
例如,地热井特征如下:
热储类型为喜山期构造热储,岩性为花岗岩-石英二长岩;井身结构见图4,地热井钻探过程的钻效曲线见图5,地热井的测温曲线见图6。结合图5和图6以及地质编录可以初步判定井内热储段位置。
井深:1000m;
三径结构:216mm/400-1000m;
裸眼段位置:400-1000m;
热储段位置:400-1000m;
在地热井钻探过程中,通常会进行井温测量。本实施例中根据井温测量获得热储的平均温度为:200℃。
根据以上地热井特征,设定试验方案:
可初步拟定换热组件的安装位置为400-960m,井内测温、测压装置的安装深度为960m,重点监测的部位和范围为400-960m,试验开展后可根据实测情况进行调整;
假设换热系统出口温度底限为160℃;
对换热系统进口的注入流量划分为3个组次:200L/min、150L/min、100L/min;
设定试验方向:反向试验,即注入流量从大流量到小流量的顺序开展试验。
第二步,按设定的试验方案开展测试,采集换热系统进、出口和地热井内两个系列的测试数据,所述观测数据包括在设定的各组次进口流量下,试验开展全过程对应的井内、外的温度、压力数据。
具体步骤包括:
(a)首先按照试验方案在地热井内安装换热组件,并分别进行换热系统进口流量控制模块(即流量控制箱9、水泵8,用于连接水泵8与换热器2的连通管)、地表数据采集装置和井内测温装置和井内测压装置的安装、调试。
在优选的实施方式中,井内测温装置可采用分布式光纤测温装置,以实现热储段的实时连续测温。井内测压装置可采用多点测压装置。分布式光纤测温装置的光缆即图2的温度传感器6。多点测压装置的多点压力传感器即图2中的压力传感器5。
(b)测定热储段的原始温度T0
(c)对每一组次试验测试,通过流量控制箱9和水泵8调节换热系统进口流量,换热量测定试验的稳定延续时间保持相对时长,利用地表数据采集装置、井内测压装置和井内测温装置,记录换热系统进、出口和地热井内两个系列的测试数据,即在设定的各组次进口流量下,试验开展全过程对应的井内、外的温度、压力数据。
此外,本发明提供的方法还可以包括:在进入第三步之前,结合第二步获得的测试数据所反映各热储段的热贡献空间分布权重,分析热储的主要贡献部位(井段),校核第一步中井特征内容和优化换热组件、测试仪器的安装方案,并根据校核后试验方案进行第二步和第三步。
校核井特征内容是本方法具有的延伸意义,用于分析校核所反映的地热地质条件,用于优化调整换热组件、测试仪器的安装方案。优选情况下,试验的分析计算以校核后的试验数据为准。
第三步,分析评价热储热力均衡条件下换热系统的换热量Qi与热储段的平均温差ΔTri的关系,计算求得热储热力均衡条件下的换热量边界值Q0
在这一步中,可以先对换热器出口测试数据和地热井内测试数据进行对比分析,分别绘制井内、外的温度-时间关系曲线、压力-时间关系曲线以及换热量-时间关系曲线。
在此基础上,建模并计算求得热储热力均衡条件下的换热量边界值,可采用以下步骤来实现:
(a)对每组次试验测试:
(a1)利用换热系统的进、出口测试数据,采用式①、②计算该组试验测试的换热量Qi
Q i = c l 1 m · 1 ( T s - T in ) + r m · 1 + c g 1 m · 1 ( T 1 - T s ) + c 2 m · 2 ( T 2 - T in )   ①;
m = m · 1 + m · 2   ②;
式中:
i——测试组次;
——换热系统进口水的流量;
——换热系统出口水蒸汽的流量;
——换热系统出口水的流量;
Ts——水的饱和温度;
r——水的汽化潜热;
Tin——换热系统进口水的温度;
T1——换热系统出口蒸气的温度;
T2——换热系统出口水的温度
cl1——Tin至Ts温度段内水的比热;
cg1——Ts至T1温度段内蒸汽的比热;
c2——Tin至T2温度段内水的比热。
(a2)根据该组次测试的温度数据计算得到地热井中热储段的平均温差ΔTri
(b)将各组次测试所获得的换热量Qi与热储段的平均温差ΔTri绘制Q-ΔT均衡曲线,Q-ΔT均衡曲线上存在Q对ΔT一阶导数为零的拐点,该拐点处的切线平行于ΔT轴,此点对应的Q0值,即为热储热力均衡条件下换热量的边界值,如不考虑周边开采情况的干扰,则换热系统的换热量不能大于Q0;将Q-ΔT均衡曲线表达为式③所示的函数形式,求解系数A、B,该函数形式表达了在Q0约束之下的Q-ΔT关系,
Q i = Q 0 - A lg ( ΔT ri + B )   ③。
例如,第一步中将流量划分为3个组次,则式①-③中i=1,2,3。
本发明的上述(a2)步骤中,可以根据式④计算得到该第i组测试中地热井热储段的平均温差ΔTri
ΔTri=Tri-T0  ④;
式④中:
Ti——第i组测试中地热井热储段的平均温度;
T0——地热井热储段的初始平均温度。
井内测量装置不能正常运用时,本发明的上述(a2)步骤中,第i组测试中地热井热储段的平均温差ΔTri可以采用换热系统进、出口的温差表示。同样可绘制E—ΔT均衡曲线,但计算结果不完善,精度也会降低。
上述实施例只是对本发明的举例说明,本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施,而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此,描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明,任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (11)

1.中高温地热单井换热量测定的试验方法,主要包括以下步骤:
第一步,根据地热井特征,构建包括地热井和安装在地热井中的换热组件在内的中高温地热单井换热系统,以该换热系统与热储间可实现的换热量作为测试目标,设定开展换热量测定的试验方案;
第二步,按试验方案开展多组次测试,采集换热系统进、出口和地热井内两个系列的测试数据;所述测试数据包括在设定的各组次进口流量下试验开展全过程对应的井内、外的温度、压力数据;
第三步,根据第二步得到的各组次测试数据,分析评价井内热储热力均衡条件下的换热量与热储段的平均温差的关系,计算求得热储热力均衡条件下的换热量边界值Q0
2.根据权利要求1所述的试验方法,其特征在于,第一步中设定试验方案的具体内容包括:
(a)根据地热井特征和换热组件型式特征,确定试验方案的实现形式为多组次定流量的换热量测定试验;
(b)根据地热井特征和换热组件型式特征,设定换热组件和用于测温、测压的测试仪器在地热井内的安装方式和位置,并设定测试组次及按组次开展测试的方向顺序。
3.根据权利要求2所述的试验方法,其特征在于,第二步的具体实现方法如下:
(a)按照方案建立换热系统,安装用于测温、测压、测流量的测试仪器;
(b)测定热储段的原始温度T0
(c)对每一组次试验测试,调节换热系统进口流量,换热量测定的试验的稳定延续时间保持相对时长,记录换热系统进、出口和地热井内两个系列的测试数据。
4.根据权利要求2或3所述的试验方法,其特征在于,所述试验方法还包括:在进入第三步之前,结合第二步获得的测试数据所反映各热储段的热贡献空间分布权重,分析热储的主要贡献部位(井段),校核第一步中井特征内容和优化换热组件、测试仪器的安装方案,并根据校核后的试验方案进行第二步和第三步。
5.根据权利要求4所述的试验方法,其特征在于,第三步中,先对换热系统进、出口的测试数据和地热井内的测试数据进行对比分析,分别绘制井内、外的温度-时间关系曲线、压力-时间关系曲线以及换热量-时间关系曲线。
6.根据权利要求4所述的试验方法,其特征在于,第三步的具体实现方法包括:
(a)对每组试验测试:
(a1)利用换热系统的进、出口测试数据,采用式①、②计算该组试验测试的换热量Qi
Q i = c l 1 m · 1 ( T s - T in ) + r m · 1 + c g 1 m · 1 ( T 1 - T s ) + c 2 m · 2 ( T 2 - T in )   ①;
m = m · 1 + m · 2   ②;
式中:
i——测试组次;
——换热系统进口水的流量;
——换热系统出口水蒸汽的流量;
——换热系统出口水的流量;
Ts——水的饱和温度;
r——水的汽化潜热;
Tin——换热系统进口水的温度;
T1——换热系统出口蒸气的温度;
T2——换热系统出口水的温度
cl1——Tin至Ts温度段内水的比热;
cg1——Ts至T1温度段内蒸汽的比热;
c2——Tin至T2温度段内水的比热;
(a2)根据该组次测试的温度数据计算得到地热井中热储段的平均温差ΔTri
(b)将各组次测试所获得的换热量Qi与热储段的平均温差ΔTri绘制Q-ΔT均衡曲线,Q-ΔT均衡曲线上存在Q对ΔT一阶导数为零的拐点,该拐点处的切线平行于ΔT轴,此点对应的Q0值,即为热储热力均衡条件下换热量的边界值,如不考虑周边开采情况的干扰,则换热系统的换热量不能大于Q0;将Q-ΔT均衡曲线表达为式③所示的函数形式,求解系数A、B,该函数形式表达了在Q0约束之下的Q-ΔT关系,
Q i = Q 0 - A lg ( ΔT ri + B )   ③。
7.根据权利要求6所述的试验方法,其特征在于,(a2)步骤中,根据式④计算得到第i组次测试中热储段的平均温差ΔTri
ΔTri=Tri-T0  ④;
式④中:
Tri——第i组次测试中热储段的平均温度;
T0——热储段的原始温度。
8.根据权利要求6所述的试验方法,其特征在于,(a2)步骤中,第i组次测试中热储段的平均温差ΔTri采用换热系统进、出口的温差表示。
9.用于开展中高温地热单井换热量测定试验的试验测试系统,所述试验测试系统与高温地热单井换热系统相连,其特征在于,
所述试验测试系统包括与换热系统进口相连的换热负载、与换热系统出口相连的水汽分离器,以及地表数据采集装置、井内测压装置、井内测温装置;
地表数据采集装置包括分别设在换热系统进、出口的温度传感器和压力传感器,以及分别设在水汽分离器的汽、液两相出口处的温度传感器和压力传感器;以及设在换热系统进口的流量计,以及分别设在水汽分离器的汽、液两相出口处的流量计;
井内测压装置包括压力采集设备以及与压力采集设备相连并深入到地热井内的压力传感器;
井内测温装置包括温度采集设备以及与温度采集设备相连并深入到地热井内的温度传感器。
10.根据权利要求9所述的试验测试系统,其特征在于,所述换热负载为除地热流体以外的自然流体或人工流体。
11.根据权利要求9所述的试验测试系统,其特征在于,所述试验测试系统还包括换热系统进口流量控制模块,所述换热系统进口流量控制模块包括与换热负载相连的水泵和用于连接水泵和换热系统的连通管,以及与水泵相连的流量控制箱。
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