CN108846245A - 城市尺度地热田群井系统高效数值模拟方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开城市尺度地热田群井系统高效数值模拟方法及装置，方法包括：获取地热田的地质资料确定模型计算区范围，根据地质剖面图建立研究区的三维地质数值模型；确定模型的水—热初始条件；对热储参数进行分区并区分热储层和热盖层；确定整个模拟热储系统的水—热边界条件；将地热井简化为一维线性几何，按照地热井分布图和坐标将地热井线性几何添加到模型中；为每一眼地热井设置温度和流体的流入流出边界条件，地热井中的流体与周围岩体的换热过程采用等效换热系数考虑，套管和砂浆层的影响也包含在等效换热系数中；为模型设置时间周期函数将每年离散成供暖季和非供暖季两个时间段。可解决城市尺度地热田三维模拟的网格剖分和计算速度的难题。
Description
技术领域
本发明实施例涉及地热回灌模拟分析与仿真领域，具体涉及一种城市尺度地热田群井系统高效数值模拟方法及装置。
背景技术
自上世纪80年代以来，城市深层地热开采已在我国北方部分城市取得了显著进展，比如北京、天津两市的深层地热井数量均已超过500口，河北省雄县的地热井数量已超过60口，目前全国深层地热供暖面积已达1.02亿m2。但是，由于资源勘查程度低、管理体制不完善、缺乏统一的技术规范和标准等原因，长期“掠夺式”开采(大量抽取地热水而无回灌)导致地下水位逐年下降、地热井出水量不足等问题日益突出。地热尾水回灌技术是解决上述问题的有效途径，可实现地热资源的可持续利用。低温尾水回灌至热储层后，除了会引起热储温度场、渗流场的变化，还可能引起水岩化学反应、岩石变形等热储响应。如果回灌井位置选择不当，可能会使开采井出水温度显著降低；如果回灌方案存在问题，可能会使热储裂隙、孔隙发生堵塞，导致回灌能力逐渐降低，甚至丧失回灌能力。
目前，国内外学者已针对开采、回灌条件下热储层压力、温度、水化学、应力等动态变化过程进行了深入研究，但主要关注的是一采一灌的对井系统，侧重于研究地热对井系统对回灌的响应规律。对于城市尺度的地热群井系统，当数值模型中包含数十口地热井时，网格剖分和计算速度都面临巨大挑战，难以满足工程实际的需求。
鉴于此，如何解决城市尺度地热田三维模拟的网格剖分和计算速度的难题成为目前需要解决的技术问题。
发明内容
由于现有方法存在上述问题，本发明实施例提出一种城市尺度地热田群井系统高效数值模拟方法及装置。
第一方面，本发明实施例提出一种城市尺度地热田群井系统高效数值模拟方法，包括：
获取地热田的地质资料，根据所述地质资料确定三维地质数值模型的计算区范围，再根据地质剖面图建立研究区的三维地质数值模型；
根据水位、温度等值线图，确定所述三维地质数值模型的水—热初始条件；
根据研究区断层带位置和热储层的富水性差异，对热储参数进行分区，并区分热储层和热盖层；
根据研究区热储层地热地质构造特征、地热形成机理、水文地质条件，分析确定整个模拟热储系统的水—热边界条件；
根据地热井的成井和测井资料，将地热井简化为一维线性几何，按照地热井分布图和坐标，将地热井线性几何添加到所述三维地质数值模型中；
为每一眼地热井设置温度和流体的流入流出边界条件，地热井中的流体与周围岩体的换热过程采用等效换热系数考虑，套管和砂浆层的影响也包含在等效换热系数中；
为所述三维地质数值模型设置时间周期函数，将每年离散成供暖季和非供暖季两个时间段。
可选地，所述等效换热系数是通过第一公式计算得到的，所述第一公式为：
其中，r0为套管内径，r1为套管外径，r2为砂浆层外径，k1为套管的导热系数，k2为砂浆层的导热系数，hint表示流体在井筒内流动产生的热膜阻，hint是通过第二公式计算得到的，所述第二公式为：
其中，Nu表示努塞尔数，di表示井筒内直径。
可选地，所述方法还包括：
采用试估—校正法，对三维地质数值模型进行识别验证。
可选地，所述采用试估—校正法，对三维地质数值模型进行识别验证，包括：
基于监测井的水位和温度的监测数据，通过调整三维地质数值模型的参数值，对比研究区监测数据和模拟数据，根据拟合情况重复修正参数值，直至模拟数据与监测数据之间的差距小于预设值。
可选地，在采用试估—校正法，对三维地质数值模型进行识别验证之后，所述方法还包括：
计算热储在不同采灌模式下的响应机制，进行开采井热突破预测，采灌量调整，布井方案优化和热储可采资源量评价。
第二方面，本发明实施例还提出一种城市尺度地热田群井系统高效数值模拟装置，包括：
建立模块，用于获取地热田的地质资料，根据所述地质资料确定三维地质数值模型的计算区范围，再根据地质剖面图建立研究区的三维地质数值模型；
第一确定模块，用于根据水位、温度等值线图，确定所述三维地质数值模型的水—热初始条件；
分区模块，用于根据研究区断层带位置和热储层的富水性差异，对热储参数进行分区，并区分热储层和热盖层；
第二确定模块，用于根据研究区热储层地热地质构造特征、地热形成机理、水文地质条件，分析确定整个模拟热储系统的水—热边界条件；
简化模块，用于根据地热井的成井和测井资料，将地热井简化为一维线性几何，按照地热井分布图和坐标，将地热井线性几何添加到所述三维地质数值模型中；
第一设置模块，用于为每一眼地热井设置温度和流体的流入流出边界条件，地热井中的流体与周围岩体的换热过程采用等效换热系数考虑，套管和砂浆层的影响也包含在等效换热系数中；
第二设置模块，用于为所述三维地质数值模型设置时间周期函数，将每年离散成供暖季和非供暖季两个时间段。
可选地，所述装置还包括：
验证模块，用于采用试估—校正法，对三维地质数值模型进行识别验证。
可选地，所述装置还包括：
调整模块，用于计算热储在不同采灌模式下的响应机制，进行开采井热突破预测，采灌量调整，布井方案优化和热储可采资源量评价。
第三方面，本发明实施例还提出一种电子设备，包括：处理器、存储器、总线及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序；
其中，所述处理器，存储器通过所述总线完成相互间的通信；
所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述方法。
由上述技术方案可知，本发明实施例提供的一种城市尺度地热田群井系统高效数值模拟方法及装置，通过获取地热田的地质资料，根据地质资料确定三维地质数值模型的计算区范围，再根据地质剖面图建立研究区的三维地质数值模型；根据水位、温度等值线图，确定三维地质数值模型的水—热初始条件；根据研究区断层带位置和热储层的富水性差异，对热储参数进行分区，并区分热储层和热盖层；根据研究区热储层地热地质构造特征、地热形成机理、水文地质条件，分析确定整个模拟热储系统的水—热边界条件；根据地热井的成井和测井资料，将地热井简化为一维线性几何，按照地热井分布图和坐标，将地热井线性几何添加到所述三维地质数值模型中；为每一眼地热井设置温度和流体的流入流出边界条件，地热井中的流体与周围岩体的换热过程采用等效换热系数考虑，套管和砂浆层的影响也包含在等效换热系数中；为所述三维地质数值模型设置时间周期函数，将每年离散成供暖季和非供暖季两个时间段。由此，可以对城市尺度地热田群井系统进行高效数值模拟，解决了城市尺度地热田三维模拟的网格剖分和计算速度的难题，能够实现计算城市尺度复杂地质条件下的“多采多灌”问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种城市尺度地热田群井系统高效数值模拟方法的流程示意图；
图2为典型地热井的成井结构示意图；
图3为本实施例提供的将地热井简简化为一维线性几何的示意图；
图4为本实施例提供的实际模型和简化模型的网格剖分对比示意图；
图5为本实施例提供的实际模型和简化模型在监测点处的温度变化曲线的示意图；
图6为本实施例提供的时间周期函数示意图；
图7为本实施例提供的DZ17井温度拟合曲线示意图；
图8a为本实施例提供的监测井在不同采灌井间距下的热突破曲线示意图；
图8b为本实施例提供的监测井在不同采灌井间距下的热突破曲线示意图；
图9为本实施例提供的两眼监测井在不同井间距下的热突破时间对比示意图；
图10为本发明一实施例提供的一种城市尺度地热田群井系统高效数值模拟装置的结构示意图；
图11为本发明一实施例提供的电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1示出了本发明一实施例提供的一种城市尺度地热田群井系统高效数值模拟方法的流程示意图，如图1所示，本实施例的城市尺度地热田群井系统高效数值模拟方法，包括：
S1、获取地热田的地质资料，根据所述地质资料确定三维地质数值模型的计算区范围，再根据地质剖面图建立研究区的三维地质数值模型。
在具体应用中，可以通过地质勘探获取地热田的地质资料(包括地热地质和水文地质资料)，确定三维地质数值模型的计算区范围后，可以根据地质剖面图利用COMSOLMultiphysics软件建立研究区的三维地质数值模型。
S2、根据水位、温度等值线图，确定所述三维地质数值模型的水—热初始条件。
S3、根据研究区断层带位置和热储层的富水性差异，对热储参数进行分区，并区分热储层和热盖层。
在具体应用中，所述三维地质数值模型可以采用四面体单元进行剖分，地热井可以采用边单元进行剖分，在保证精度的前提下，可大大减少网格剖分数量，提高计算运行效率。
S4、根据研究区热储层地热地质构造特征、地热形成机理、水文地质条件，分析确定整个模拟热储系统的水—热边界条件。
S5、根据地热井的成井和测井资料，将地热井简化为一维线性几何，按照地热井分布图和坐标，将地热井线性几何添加到所述三维地质数值模型中。
具体地，本步骤可以参考，图2为典型地热井的成井结构示意图，图3为将地热井简简化为一维线性几何的示意图。
S6、为每一眼地热井设置温度和流体的流入流出边界条件，地热井中的流体与周围岩体的换热过程采用等效换热系数考虑，套管和砂浆层的影响也包含在等效换热系数中。
比如：井筒横截面积、砂浆和内管材料的导热性、流体的热力学性质、流量大小、以及与周围土壤的接触面性质等因素对流体与管壁的换热过程均包含在等效换热系数中。
S7、为所述三维地质数值模型设置时间周期函数，将每年离散成供暖季和非供暖季两个时间段。
本实施例的城市尺度地热田群井系统高效数值模拟方法，通过获取地热田的地质资料，根据地质资料确定三维地质数值模型的计算区范围，再根据地质剖面图建立研究区的三维地质数值模型；根据水位、温度等值线图，确定三维地质数值模型的水—热初始条件；根据研究区断层带位置和热储层的富水性差异，对热储参数进行分区，并区分热储层和热盖层；根据研究区热储层地热地质构造特征、地热形成机理、水文地质条件，分析确定整个模拟热储系统的水—热边界条件；根据地热井的成井和测井资料，将地热井简化为一维线性几何，按照地热井分布图和坐标，将地热井线性几何添加到所述三维地质数值模型中；为每一眼地热井设置温度和流体的流入流出边界条件，地热井中的流体与周围岩体的换热过程采用等效换热系数考虑，套管和砂浆层的影响也包含在等效换热系数中；为所述三维地质数值模型设置时间周期函数，将每年离散成供暖季和非供暖季两个时间段。由此，可以对城市尺度地热田群井系统进行高效数值模拟，解决了城市尺度地热田三维模拟的网格剖分和计算速度的难题，能够实现计算城市尺度复杂地质条件下的“多采多灌”问题。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述等效换热系数(hZ)eff是通过第一公式计算得到的，所述第一公式为：
其中，r0为套管内径，r1为套管外径，r2为砂浆层外径，k1为套管的导热系数，k2为砂浆层的导热系数，hint表示流体在井筒内流动产生的热膜阻，hint是通过第二公式计算得到的，所述第二公式为：
其中，Nu表示努塞尔数，di表示井筒内直径。
进一步地，在本实施例中，可以计算井筒内流体温度，井筒内流体温度的计算方法可以包括：
一维井筒中不可压缩流体的能量方程可表示为
式中：ρf表示流体密度；A表示井筒的横截面积；Cp,f表示流体的常压热容；T表示流体温度；t表示时间；u表示轴向流速；kf表示流体的热传导系数；fD表示达西摩擦因子，fD与雷诺数Re、表面粗糙度e和井筒内直径di有关，可用Haaland(哈兰德)方程表示为：
Qwall表示通过管壁发生的流体—围岩的热交换，可表示为：
Qwall＝(hZ)eff(Text-T)
式中：Text表示井筒—岩体的接触面温度。
进一步地，在本实施例中，可以计算热储层中渗流传热，热储层中渗流传热的计算方法可以包括：
热储层中的渗流传热过程用对流—传热方程可表示为
式中：u表示渗流流速；(ρCp)eff表示常压有效体积热容，对于多孔介质可表示为：
(ρCp)eff＝(1-φ)ρsCp,s+φρfCp,f
有效导热系数keff可表示为：
keff＝(1-φ)ks+φkf
式中：ρs表示岩石密度；ks表示岩石导热系数；φ表示孔隙率；Cp,s表示流体的常压热容。
进一步地，在本实施例中，可以计算热盖层中传热，热盖层中传热的计算方法可以包括：
热量流入与井筒接触的岩体的热传导过程可以用热传导方程来描述，在没有外部热源的条件下可以表示为：
进一步地，在上述实施例的基础上，所述步骤S7可以根据每年地热系统的运行情况，即供暖季开采，非供暖季停采，设置周期函数来表示模型的采停状态，可表示为
式中：1表示开采状态；0表示停采状态；可适当调整该函数f(t)以满足实际工程。
进一步地，在上述实施例的基础上，本实施例所述方法还可以包括：
采用试估—校正法，对三维地质数值模型进行识别验证，具体可以包括：
基于监测井的水位和温度的监测数据，通过调整三维地质数值模型的参数值，对比研究区监测数据和模拟数据，根据拟合情况重复修正参数值(使二者拟合更好)，直至模拟数据与监测数据之间的差距小于预设值(即模拟数据与监测数据基本吻合)。
可以理解的是，通过对三维地质数值模型识别验(即对三维地质数值模型参数或源汇项进行调整)，能够使三维地质数值模型更加准确刻画研究区热储条件和特征。
进一步地，在上述实施例的基础上，在采用试估—校正法，对三维地质数值模型进行识别验证之后，本实施例所述方法还可以包括：
计算热储在不同采灌模式下的响应机制，进行开采井热突破预测，采灌量调整，布井方案优化和热储可采资源量评价。
下面是验证本实施例将地热井简化为一维线性几何获得的简化模型的准确性。实际模型是按地热井实际尺寸建模和剖分网格，考虑井筒中渗流传热及流体与围岩的热交换；简化模型将地热井简化成一维线性几何，考虑井筒中轴向渗流传热并采用等效换热系数考虑流体与围岩的热交换。保持两个模型参数、初始条件、边界条件相同。初始温度设为60℃，在入口处给定流量流入和温度边界，并在出口监测点处监测温度变化，模型四周和上下边界均为绝热边界，模型参数见表1，表1为模型参数取值列表。为了减少计算量，考虑井筒内的流动状态为层流，暂不考虑表面粗糙度的影响。两个模型在网格剖分上存在很大区别(可参见图4)，实际模型中流体域按照实际尺寸来建模，而流体域相对于整个模型来说尺度较小，需要在流体域内需要剖分大量较细的网格，共计636026个单元；简化模型中将井筒简化成一维线性几何，显著减少了网格数量，共计117089个单元。
计算结果表明：两个模型在出口监测点处的温度变化曲线基本一致(图5)，说明了将三维井筒几何简化成一维井筒的这种假设是合理的。对比计算时间：模型1计算需要耗时1.25小时，而模型2仅需耗时0.2小时，节约计算时间约84％。因此，将一维井筒运用到城市尺度地热田群井回灌模型中，不仅可以优化复杂模型的建模过程，更能提高计算效率。
表1
为了更好的说明本发明实施例，下面以山东省德州市德城区地热田为例，进一步说明本实施例的城市尺度地热田群井系统高效数值模拟方法。德州市位于山东省西北部，在大地构造单元上处于华北平原的东南部。自1996年在德城区开展地热资源普查、1997年施工两眼探采结合井以来，区内地热资源开发蓬勃发展，并带动了周边地区地热资源的开发。目前德州市各区县均有数眼至数十眼地热井不等，其中德城区有地热井98眼。
本实施例具体实施步骤如下：
1.确定计算区范围：
①水平方向上，计算区域边界尽量选择断裂带等自然边界，如沧东断裂、减河断裂等作为边界，北边没有明显的断裂带，因此以研究区的行政范围作为边界，区域面积约为310km2，内含目前仍在运行的地热井86眼。
②垂直方向上，根据岩性差异从第四系平原组(0–250m)、新近系明化镇组(250m–1157m)、新近系馆陶组(1157m–1600m)、古近系东营组(1600m–2000m)和古近系沙河街组(2000m–2500m)建立数值计算模型，地热井参数取值如表2所示，表2为地热群井模型参数取值列表。
表2
2.网格剖分：
综合考虑计算精度与计算效率之间的平衡，地热井及周围区域的网格精细化，最大单元尺寸30m；热储层区域网格细化，最大单元尺寸1km；其余盖层网格粗化，最大单元尺寸12km。模型共包含约43万个单元。
3.时间离散：
根据资料，只在每年的11月15日至来年的3月15日共120天供暖期内地热井处于开采状态，其余时间地热井均处于停采状态，时间周期函数(按累计开采月数算)如图6所示。
4.模型识别与验证:
①温度拟合
根据DZ17回灌井的监测数据对模型进行温度的校准，该回灌井自2016年12月14日开始回灌至2017年4月30日回灌结束，回灌结束后从7月4日开始，每隔1个月监测不同井深的温度变化，持续4个月，至11月3日结束。通过试估—校正法得到模型的热物理参数(表3)，使模拟温度值与实测温度值基本一致(图7)。
②水位埋深拟合
研究区内共有5眼监测井，其中水文队老家属院内的DZ1井从1998年开始监测至今，水文队办公区的DZ28井的水位监测从2010年开始监测，跃华中学的DZ48井的水位监测从2011年开始监测，中茂家园的DZ53井从2009年开始监测，水岸花园小区的DZ56井由于监测时间较短，数据偏少，本次水位埋深拟合暂不考虑该井。本次模型识别与验证期从1998年1月1日至2017年10月30日，共240个月。从1998年开始，陆续有新的地热井投入使用。在温度拟合的基础上，本次水位拟合主要针对DZ1、DZ28、DZ48和DZ53的水位监测数据进行拟合，通过试估—校正法得到模型的水文地质参数(表3)及模型边界条件，表3为地层参数取值列表。与实测数据对比基本吻合，验证了模型参数及边界条件的正确性，可利用该模型进行后续计算。从水位埋深分布云图可以看出：随着开采井数量的增加，研究区内由于抽水而形成的漏斗范围在不断增大。
表3
5.采灌方案优化：
为控制馆陶组热储层地热水水位的持续下降和地热尾水排放污染，地热供暖尾水必须100％回灌，保证采灌均衡。研究区采用“一采一灌”对井模式，区内目前已有DZ17是DZ1井的回灌井，DZ31是DZ28的回灌井，因此只需给剩下的82眼开采井匹配相应的回灌井即可。在回灌量等于90m3/h的前提下，模拟出防止热突破的最优采灌井间距，考虑到住宅小区的范围与规模，采灌井间距初步设置方案为200m、300m、400m和500m，数值模型将分别模拟预测在这四种采灌井间距条件下热储渗流场、温度场的演化特征，地热尾水回灌温度按30℃考虑。
优化布井方案，由于DZ1井和DZ28井已经匹配了固定距离的回灌井，因此主要监测DZ48和DZ53的温度变化。回灌井注入的尾水在水压的作用下经热储层流向开采井，不同井间距下的热储层温度分布。
本模型以开采井的平均温度降低1℃作为热突破的临界值。DZ48井和DZ53井的热突破曲线如图8a和图8b所示，随着采灌井间距的增大，热突破时间越慢，而曲线的振荡变化则与采灌周期有关。将2眼监测井在不同采灌井间距下的热突破时间进行统计，可以看到：在井间距为200m时，2眼监测井的热突破时间均为13a，热突破较快，说明采灌井间距不应小于200m，DZ48井的在井间距小于500m时相比DZ53井来说，热突破时间较快，这是由于DZ48井同样受到DZ54井回灌井的影响，造成热突破时间较快。DZ53井由于位置比较孤立，不受周围其他回灌井的影响，这两眼监测井的热突破时间基本相同。以上结果说明了随着采灌井间距的增大，热突破时间逐渐变慢，但也要考虑在开采井比较集中区域回灌井的相对位置，避免出现一采多灌的情况发生。
根据以上实施方法，对山东省德州市德城区地热田进行了采灌方案优化设计的模拟分析，通过与实测数据的对比，表明了本实施例的具有很高的可行性，验证了本发明实施例所述方法的正确性与合理性，可为城市尺度地热田群井系统模拟提供一种新的高效模拟方法。
本实施例的城市尺度地热田群井系统高效数值模拟方法，可以对城市尺度地热田群井系统进行高效数值模拟，解决了城市尺度地热田三维模拟的网格剖分和计算速度的难题，能够实现计算城市尺度复杂地质条件下的“多采多灌”问题。
图10示出了本发明一实施例提供的一种城市尺度地热田群井系统高效数值模拟装置的结构示意图，如图10所示，本实施例的城市尺度地热田群井系统高效数值模拟装置，包括：建立模块101、第一确定模块102、分区模块103、第二确定模块104、简化模块105、第一设置模块106和第二设置模块107；其中：
所述建立模块101，用于获取地热田的地质资料，根据所述地质资料确定三维地质数值模型的计算区范围，再根据地质剖面图建立研究区的三维地质数值模型；
所述第一确定模块102，用于根据水位、温度等值线图，确定所述三维地质数值模型的水—热初始条件；
所述分区模块103，用于根据研究区断层带位置和热储层的富水性差异，对热储参数进行分区，并区分热储层和热盖层；
所述第二确定模块104，用于根据研究区热储层地热地质构造特征、地热形成机理、水文地质条件，分析确定整个模拟热储系统的水—热边界条件；
所述简化模块105，用于根据地热井的成井和测井资料，将地热井简化为一维线性几何，按照地热井分布图和坐标，将地热井线性几何添加到所述三维地质数值模型中；
所述第一设置模块106，用于为每一眼地热井设置温度和流体的流入流出边界条件，地热井中的流体与周围岩体的换热过程采用等效换热系数考虑，套管和砂浆层的影响也包含在等效换热系数中(比如：井筒横截面积、砂浆和内管材料的导热性、流体的热力学性质、流量大小、以及与周围土壤的接触面性质等因素对流体与管壁的换热过程均包含在等效换热系数中)；
所述第二设置模块107，用于为所述三维地质数值模型设置时间周期函数，将每年离散成供暖季和非供暖季两个时间段。
具体地，所述建立模块101获取地热田的地质资料，根据所述地质资料确定三维地质数值模型的计算区范围，再根据地质剖面图建立研究区的三维地质数值模型；所述第一确定模块102根据水位、温度等值线图，确定所述三维地质数值模型的水—热初始条件；所述分区模块103根据研究区断层带位置和热储层的富水性差异，对热储参数进行分区，并区分热储层和热盖层；所述第二确定模块104根据研究区热储层地热地质构造特征、地热形成机理、水文地质条件，分析确定整个模拟热储系统的水—热边界条件；所述简化模块105根据地热井的成井和测井资料，将地热井简化为一维线性几何，按照地热井分布图和坐标，将地热井线性几何添加到所述三维地质数值模型中；所述第一设置模块106为每一眼地热井设置温度和流体的流入流出边界条件，地热井中的流体与周围岩体的换热过程采用等效换热系数考虑，套管和砂浆层的影响也包含在等效换热系数中；所述第二设置模块107为所述三维地质数值模型设置时间周期函数，将每年离散成供暖季和非供暖季两个时间段。
在具体应用中，所述建立模块101可以通过地质勘探获取地热田的地质资料(包括地热地质和水文地质资料)，确定三维地质数值模型的计算区范围后，可以根据地质剖面图利用COMSOL Multiphysics软件建立研究区的三维地质数值模型。
在具体应用中，在所述分区模块103中，所述三维地质数值模型可以采用四面体单元进行剖分，地热井可以采用边单元进行剖分，在保证精度的前提下，可大大减少网格剖分数量，提高计算运行效率。
在具体应用中，所述简化模块105可以参考图2和图3，图2为典型地热井的成井结构示意图，图3为将地热井简简化为一维线性几何的示意图.
本实施例的城市尺度地热田群井系统高效数值模拟装置，可以对城市尺度地热田群井系统进行高效数值模拟，解决了城市尺度地热田三维模拟的网格剖分和计算速度的难题，能够实现计算城市尺度复杂地质条件下的“多采多灌”问题。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述等效换热系数是通过上述第一公式计算得到的。
进一步地，在本实施例所述装置中，可以计算井筒内流体温度，井筒内流体温度的计算方法可以参考上述方法实施例中的内容。
进一步地，在本实施例所述装置中，可以计算热储层中渗流传热，热储层中渗流传热的计算方法可以参考上述方法实施例中的内容。
进一步地，在本实施例所述装置中，可以计算热盖层中传热，热盖层中传热的计算方法可以参考上述方法实施例中的内容。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述第二设置模块107可以根据每年地热系统的运行情况，即供暖季开采，非供暖季停采，设置周期函数来表示模型的采停状态，可表示为
式中：1表示开采状态；0表示停采状态；可适当调整该函数f(t)以满足实际工程。
进一步地，在上述实施例的基础上，本实施例所述装置还可以包括图中未示出的：
验证模块，用于采用试估—校正法，对三维地质数值模型进行识别验证，具体可以包括：
基于监测井的水位和温度的监测数据，通过调整三维地质数值模型的参数值，对比研究区监测数据和模拟数据，根据拟合情况重复修正参数值(使二者拟合更好)，直至模拟数据与监测数据之间的差距小于预设值(即模拟数据与监测数据基本吻合)。
可以理解的是，通过对三维地质数值模型识别验(即对三维地质数值模型参数或源汇项进行调整)，能够使三维地质数值模型更加准确刻画研究区热储条件和特征。
进一步地，在上述实施例的基础上，本实施例所述装置还可以包括图中未示出的：
调整模块，用于计算热储在不同采灌模式下的响应机制，进行开采井热突破预测，采灌量调整，布井方案优化和热储可采资源量评价。
本实施例的城市尺度地热田群井系统高效数值模拟装置，可以对城市尺度地热田群井系统进行高效数值模拟，解决了城市尺度地热田三维模拟的网格剖分和计算速度的难题，能够实现计算城市尺度复杂地质条件下的“多采多灌”问题。
本实施例的城市尺度地热田群井系统高效数值模拟装置，可以用于执行前述方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
图11示出了本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图，如图11所示，该电子设备可以包括：处理器111、存储器112、总线113及存储在存储器112上并可在处理器111上运行的计算机程序；
其中，所述处理器111，存储器112通过所述总线113完成相互间的通信；
所述处理器111执行所述计算机程序时实现上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取地热田的地质资料，根据所述地质资料确定三维地质数值模型的计算区范围，再根据地质剖面图建立研究区的三维地质数值模型；根据水位、温度等值线图，确定所述三维地质数值模型的水—热初始条件；根据研究区断层带位置和热储层的富水性差异，对热储参数进行分区，并区分热储层和热盖层；根据研究区热储层地热地质构造特征、地热形成机理、水文地质条件，分析确定整个模拟热储系统的水—热边界条件；根据地热井的成井和测井资料，将地热井简化为一维线性几何，按照地热井分布图和坐标，将地热井线性几何添加到所述三维地质数值模型中；为每一眼地热井设置温度和流体的流入流出边界条件，地热井中的流体与周围岩体的换热过程采用等效换热系数考虑，套管和砂浆层的影响也包含在等效换热系数中；为所述三维地质数值模型设置时间周期函数，将每年离散成供暖季和非供暖季两个时间段。
本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取地热田的地质资料，根据所述地质资料确定三维地质数值模型的计算区范围，再根据地质剖面图建立研究区的三维地质数值模型；根据水位、温度等值线图，确定所述三维地质数值模型的水—热初始条件；根据研究区断层带位置和热储层的富水性差异，对热储参数进行分区，并区分热储层和热盖层；根据研究区热储层地热地质构造特征、地热形成机理、水文地质条件，分析确定整个模拟热储系统的水—热边界条件；根据地热井的成井和测井资料，将地热井简化为一维线性几何，按照地热井分布图和坐标，将地热井线性几何添加到所述三维地质数值模型中；为每一眼地热井设置温度和流体的流入流出边界条件，地热井中的流体与周围岩体的换热过程采用等效换热系数考虑，套管和砂浆层的影响也包含在等效换热系数中；为所述三维地质数值模型设置时间周期函数，将每年离散成供暖季和非供暖季两个时间段。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、装置、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置/系统。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种城市尺度地热田群井系统高效数值模拟方法，其特征在于，包括：
获取地热田的地质资料，根据所述地质资料确定三维地质数值模型的计算区范围，再根据地质剖面图建立研究区的三维地质数值模型；
根据水位、温度等值线图，确定所述三维地质数值模型的水—热初始条件；
根据研究区断层带位置和热储层的富水性差异，对热储参数进行分区，并区分热储层和热盖层；
根据研究区热储层地热地质构造特征、地热形成机理、水文地质条件，分析确定整个模拟热储系统的水—热边界条件；
根据地热井的成井和测井资料，将地热井简化为一维线性几何，按照地热井分布图和坐标，将地热井线性几何添加到所述三维地质数值模型中；
为每一眼地热井设置温度和流体的流入流出边界条件，地热井中的流体与周围岩体的换热过程采用等效换热系数考虑，套管和砂浆层的影响也包含在等效换热系数中；
为所述三维地质数值模型设置时间周期函数，将每年离散成供暖季和非供暖季两个时间段。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等效换热系数是通过第一公式计算得到的，所述第一公式为：
其中，r0为套管内径，r1为套管外径，r2为砂浆层外径，k1为套管的导热系数，k2为砂浆层的导热系数，hint表示流体在井筒内流动产生的热膜阻，hint是通过第二公式计算得到的，所述第二公式为：
其中，Nu表示努塞尔数，di表示井筒内直径。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
采用试估—校正法，对三维地质数值模型进行识别验证。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述采用试估—校正法，对三维地质数值模型进行识别验证，包括：
基于监测井的水位和温度的监测数据，通过调整三维地质数值模型的参数值，对比研究区监测数据和模拟数据，根据拟合情况重复修正参数值，直至模拟数据与监测数据之间的差距小于预设值。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在采用试估—校正法，对三维地质数值模型进行识别验证之后，所述方法还包括：
计算热储在不同采灌模式下的响应机制，进行开采井热突破预测，采灌量调整，布井方案优化和热储可采资源量评价。
6.一种城市尺度地热田群井系统高效数值模拟装置，其特征在于，包括：
建立模块，用于获取地热田的地质资料，根据所述地质资料确定三维地质数值模型的计算区范围，再根据地质剖面图建立研究区的三维地质数值模型；
第一确定模块，用于根据水位、温度等值线图，确定所述三维地质数值模型的水—热初始条件；
分区模块，用于根据研究区断层带位置和热储层的富水性差异，对热储参数进行分区，并区分热储层和热盖层；
第二确定模块，用于根据研究区热储层地热地质构造特征、地热形成机理、水文地质条件，分析确定整个模拟热储系统的水—热边界条件；
简化模块，用于根据地热井的成井和测井资料，将地热井简化为一维线性几何，按照地热井分布图和坐标，将地热井线性几何添加到所述三维地质数值模型中；
第一设置模块，用于为每一眼地热井设置温度和流体的流入流出边界条件，地热井中的流体与周围岩体的换热过程采用等效换热系数考虑，套管和砂浆层的影响也包含在等效换热系数中；
第二设置模块，用于为所述三维地质数值模型设置时间周期函数，将每年离散成供暖季和非供暖季两个时间段。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
验证模块，用于采用试估—校正法，对三维地质数值模型进行识别验证。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述装置还包括：
调整模块，用于计算热储在不同采灌模式下的响应机制，进行开采井热突破预测，采灌量调整，布井方案优化和热储可采资源量评价。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器、总线及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序；
其中，所述处理器，存储器通过所述总线完成相互间的通信；
所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的方法。
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