地热单井原位换热取热技术研究现状及展望

Single-well in-situ heat extraction technology—a review and perspectives

摘要

地热能是一种资源分布广泛,稳定可持续,清洁低碳,且唯一以热能形式存在的可再生能源,地热能的高效开发利用不仅可以满足我国北方地区的建筑供热需求,也可缓解我国电力短缺,对实现我国“双碳”战略目标有重要意义。地热能“宜热用热”,较其他可再生能源在建筑供热方面具有天然优势,但目前我国地热能利用仅占我国能耗的1.5%左右,远低于我国建筑能耗的1/3能源消耗占比。我国地热直接利用规模多年来居世界首位,但浅层地源热泵供热形式占60%左右,传统地热能利用相对占比较低,主要原因在于传统的地热抽灌模式依赖于当地水文地质条件,某些砂岩地层回灌困难或不经济,为此管理部门加强了地热井管理以避免地下水位下降较快的现象。近年来,“取热不取水”的地热单井取热技术受到广泛关注,此技术无回灌问题,适应我国当今的能源开发利用形势,有很好的应用前景。本文对地热单井换热取热技术的研究与应用现状进行简要综述,重点总结了国内外有关中深层“取热不取水”地热单井换热取热技术的研究现状,分析了不同单井强化取热技术的基本原理与不足,强调“因地制宜”实现单井原位取热技术的重要性,提出中深层地热单井循环取热技术是一种环境友好、可持续稳定的供热模式,可有效解决我国北方地区建筑的冬季供热问题。随着打井技术的不断进步,此技术有一定的市场竞争力;建议出台针对“取热不取水”或“取热不耗水”单井取热技术的管理政策,这对进一步提高我国的地热能利用规模,实现“双碳”目标有重要意义。

关键词

地热 / 单井 / 取热不取水 / 可持续利用

Key words

geothermal energy / single-well / no water withdrawn but heat only / sustainable utilization

0 引言

能源是人类社会走向现代文明的推动力或物质基础。到目前为止,全球能源结构仍主要依赖于化石燃料,但频现的极端天气、温室效应等环境问题迫使人们寻找清洁低碳替代能源,地热能也是最有发展潜力的新能源之一。蒸汽机发明以来的人类第一次工业革命距今也仅有二百多年的历史,但预测地球有几十万年人类居住史,而形成目前大陆架基本构造的地质年代则更早,这说明:(1)地球自身向环境或太空释放的热流很低,与太阳常数相比低约5个数量级;(2)地表自身的导热能力较差;(3)地下储存着大量热能,且长时间不会流失。因此,在开发利用地热能的技术研究上,与其说地球内部有储量巨大的热能,不如强调如何高效提取地下热能,因为如何精确计算有天文数字的地热能储量已变得毫无意义。相反,如何稳定可持续地提取地下热能为人类所用更具有现实意义。人类现代文明对能源需求可简单地划分为两类:一是人类居住环境或动植物生长用能,二是人类活动的用能。前者是为了维系建筑环境的温度,如适应不同季节的人体舒适温度,农作物温室,渔业养殖等用能,而后者主要是用于人类工业生产、交通运输等动能消耗,主要是电能。世界地热协会(IGA)每届的地热大会(WGC)都会把地热能的利用数据划分为直接利用和发电两部分。

相比太阳能、风能等其他可再生能源,地热能“宜热用热”在建筑供热方面理应具有天然优势,然而,目前我国地热能利用仅占我国能耗的1.5%左右^[1⇓-3],远低于我国建筑能耗1/3的能源消耗占比。尽管我国的地热直接利用总量已多年居世界首位,但浅层地源热泵供热形式占地热直接利用总量的60%左右^[4⇓-6],而传统地热能利用相对占比仍比较低。我国中低温地热资源丰富,地热能开发利用潜力很大^[7-8],传统地热能或中深层地热能未实现规模化开发利用的主要原因是地热抽水井依赖于当地的水文地质条件,同时为了实现地热抽灌利用系统的长期稳定运行,需要维持地热热储内的压力或水位的稳定,为此,我国大部分省市实行“以灌定采”的地热采矿权政策。由于一些特殊地层,如砂岩地层的地热井技术上回灌困难或回灌不经济,抽灌对井或群井地热开发利用模式并不普及,甚至近年来京津冀地区加强了地热井的管理,查封了多口地热井,以确保地下水位不出现下降过快及过低现象。因此,近年来,“取热不取水”或“取热不耗水”单井取热技术开始受到各国,尤其是我国学者的关注。值得指出,“取热不取水”单井换热取热技术并非新技术,但此技术适应我国当今的能源开发利用形势,有很好的应用前景。本文将对几种典型的“取热不取(耗)水”的地热单井开发利用技术进行综述,重点阐述中深层单井换热取热技术的研究现状,分析不同单井换热取热技术的传热原理,以及目前研究的不足与对后期研究的展望。

1 单井换热取热技术简介

单井原位换热取热技术的应用最早可追溯到20世纪30年代^[9],此技术至今未广泛推广的主要原因是单井循环冷水回灌与热水同井,出水温度降低,导致其取热功率低于对井或群井抽灌系统。

图1^{[10⇓⇓⇓⇓⇓-16]}列举了几种典型的垂直单井原位换热取热技术,包括浅层地埋管(Borehole Heat Exchanger,BHE)^[10]、井下换热器(Downhole Heat Exchanger,DHE)^[9,11]、浅层抽灌单井(Standing Column Well,SCW)^[12]、深层地埋管(Deep Borehole Heat Exchanger,DBHE)^[13-14]、超长重力热管(Super Long Gravity Heat Pipe,SLPHP)^[15],以及开式循环单井(Deep Open-Loop Geothermal Well,DOLGW)^[16]。浅层地埋管也有不同的英文名,如Ground Heat Exchanger,Wellbore Heat Exchanger。开式单井循环系统(DOLGW)与浅层抽灌单井(SCW)两种模式中,井下套管是开放裸眼,因此不能称之为换热器,但这两种技术可实现地下含水层内的流体循环流动,具有较高的传热效率。

目前我国的浅层地埋管建筑供暖规模已超过传统水热型地热热储的采灌模式^[2],但长期以来,人们对浅层地热能与传统中深层地热能的区别认识不甚清楚,导致浅层地埋管的开发利用出现不少问题。部分省市颁布的一些中深层地热能开发利用的标准或规范定义也不统一^{[17⇓⇓-20]}。Dai和Chen^[21]曾对浅层地热能与传统(中深层)地热能的区别从热力学角度给出了阐述,主要区别包括:(1)浅层地热能低于25 ℃,不属于地热资源;(2)浅层地埋管应同时考虑建筑物冬夏两季的热、冷负荷双向利用;(3)浅层地热能的开发利用需要外力做功(热泵),而传统地热能可自发地给建筑物供热。当然地热流体温度越高,传热速率越高。这种区分的主要依据在于人居环境舒适温度,高于人体舒适温度(20~25 ℃)的所有地下岩土层皆可视为中深层地热能,而不强调其具体深度。本文主要针对传统地热能的单井原位换热取热技术进行综述。

2 单井换热取热技术研究现状

2.1 浅层地热单井

最早的有关单井换热取热技术的应用报道是在20世纪30年代。20世纪70年代出现的第一次石油危机掀起了地热开发利用的一次高潮,其中包括“取热不取水”的井下换热器DHE技术的研究,主要有美国、新西兰和土耳其等^[9,11]。我国开展井下换热器的研究始于1983年,天津大学潘鹤松博士首次对井下换热器在我国不同地区的适用性开展了研究。由于当时打井技术的限制,国内外井下换热器的试验研究主要选取有较高地温梯度的浅层地热水井,一般井深不超过200 m。几种典型的浅层地热井下换热器结构设计如图2^{[22⇓⇓-25]}所示。其中图2b—d是对图2a结构进行强化换热的改进。图2b和c是为了强化井筒内自然对流而增加的上下开口的对流增速管(Convection Promoter)。图2b由美国学者Culver设计,将对流增速管套在U形管外侧^[22]。而图2c由新西兰学者Allis等^[9]设计,将增速管平行设置在U形管外侧。2009年,Xie和Dai^[23]在河北怀来一口深120 m、井底温度55 ℃的地热井内,采用图2c所示结构的井下换热器开展了现场试验,单井提取热量约100 kW,实现了近2 000 m²的办公楼和餐厅的冬季供热。区别于图2b和c,图2d采用消耗电能注入压缩空气的强制循环方式。Steins等^[24]将空气注入管放到水位以下的地热井筒内,通过注入压缩空气,使井筒内形成气—水两相流,且井口压力大于大气压而流出井筒。注入的压缩空气同时可扰动井筒内地热水强化传热,此法使得单井取热功率从20 kW提高到了45 kW。但该方法抽取了少量地热水,不能称为“取热不取水”,同时需要实时补充或更换注入空气,运行不稳定,成本较高,同时也会加速换热器、井筒金属套管的化学腐蚀,所以一般很少使用。

2.2 中深层地热单井

传统中深层地热能开发利用只是单向的热能获取,自然地层温度梯度下地层越深可获得的地层温度越高或地热流体温度越高。随着打井技术的进步,获取高温地热流体将不再受地域限制。若深层热储含地热流体且渗透性良好,可以采用对井抽灌技术。而更多的情况可能是地热井目的层是无水或少水的干热岩层。因此,与无高地温梯度的浅层地热能不同,开发中深层地热能更具有普及适用意义。近年来针对无水或少水地层内单井原位换热取热技术已成为地热领域的主要研究热点之一。通过文献索引得到的中深层闭式单井取热技术(DBHE)的研究论文如图3a和b所示,可以看出,近十几年来中深层闭式单井换热取热技术的发表论文呈指数增加,特别是2015年以后。其中我国的发表论文数名列前茅,约占总论文数的一半,其他排名前5名的国家有美国、德国、意大利和加拿大。

与发表论文数相呼应的国内相关专利申请件数也呈指数增加,如图4a和b所示,单井换热取热技术的相关专利主要侧重利用技术和开采技术两大方面,其次是相关配件与测量技术。开采技术方面主要包括为强化与深部地层热交换的打井结构设计,如定向L形斜井、人字形多分支井,两井U形连通或多井联通井。利用技术包括深浅层地热耦合、中深层地热与其他热源耦合、蓄热装置耦合,地热测量包括监测井内温度,地热配件种类比较多,主要包括固井材料、井口保温、地热水过滤等。但其中一些专利技术明显脱离工程实际,或未来相当长的时间内经济上不可行。国内申请专利数排前5名的省份(直辖市)为陕西、河北、山东、北京和天津。

表1^{[16,26⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-39]}列举了近年来中深层地热单井的换热取热试验或工程实例,包括中深层闭式单井(DBHE)、中深层开式单井(DOLGW)和超长重力热管(SLGHP)。闭式单井取热系统无需抽取地下水,井内的循环流体不直接与高温地层或含水层接触,以热传导方式与地层进行热量交换,取热效率不高;与闭式单井取热系统不同,开式单井取热系统中,套管下端与含水层连通,井筒内循环工质可自由进出含水层,与含水层发生热量和质量交换,提高了单井取热功率;超长重力热管利用管内工质的蒸发冷凝过程提取热量,但相同条件下,其取热功率与传统的闭式取热模式相差不大,而初始投资和运行费用偏高。

由于试验单井的地热资源条件、成井工艺、井身结构设计、循环流量和稳定测试时间都不同,试验获得的取热功率各不相同。但总体来讲,中深层闭式单井模式的取热功率不高,单位延米井深取热功率仅为100 W/m左右,此数据与陕西省地方标准计算公式给出的结果基本一致^[18]。数值模拟研究的计算结果也表明,井深2 000 m,井底热储温度70 ℃条件下,单位延米井深取热功率不超过150 W/m^[25]。而超长重力热管(SLGHP)的单位延米井深取热功率也不超过100 W/m^[15]。开式单井的取热功率明显高于闭式系统,天津大学分别在唐山和大港开展了两次现场试验,其中唐山试验稳定运行了40天以上,单位延米取热功率高于同等地层温度条件下的闭式系统3倍以上^[26]。

图5给出了开式单井和闭式单井的延米取热功率与井深的关系,同时绘制了闭式单井理论极限的线性曲线^[25]。可以看出,在相同井深和地质条件下,开式单井的延米取热功率明显高于闭式单井,并且开式单井的延米取热功率也均在闭式单井理论极限值曲线的上方,验证了开式单井取热系统的优越性。

2.3 单井换热取热技术机理

从传热学原理来看,将地热能通过单井换热技术传递到地面,包含两个传热过程,一是将地层中的热量传递到井壁,二是通过井筒将地层传递过来的热量输送到地面。两个热传递过程缺一不可,且应具有优化的匹配关系,强化任何单一过程而忽略另一过程均会影响换热效果。相对而言,井筒内的热传递过程是快通道,而将地层中的热向井筒聚集的传热过程是慢通道,更多的研究重点应关注地热热储层与井筒间的热质传递机理。如浅层井下换热器(DHE)采用对流增速管就是为了强化地热含水层内流体与井筒内流体的传质过程。为了评价这种混合过程,Culver和Reistad^[22]提出了混合比概念,把参与对流换热的总质量流量m_t分为从地热含水层流入的热水m_a和循环对流换热的循环水(m_t-m_a),定义混合比为

(1)R=1- \frac{m_a}{m_t}

通过引入混合比概念,可以建立有无增速管情况下的混合比换热物理模型来估算U形管井下换热器运行稳定后的取热功率为

(2) Q=(1-R)K_pArc_pΔTΔH/l

式中:Q为取热功率,kW;K_p为渗透系数,m/s;A为流通面积,m²;r为U形管半径,m;c_p为水的定压比热容,J/(kg·℃);ΔT为进出口温差,℃;ΔH为水头损失,m;l为特征长度,m。

试验结果表明,混合比R在0.5与0.94之间。该公式属于半经验公式,需要实测地层渗透系数、水头损失温度变化等参数。事实上,水热型地热储的对井或群井抽灌模式设计、干热岩增强型对井或群井压裂模式设计均为了强化地层内热能通过对流方式聚集到抽水井。但抽灌模式需要消耗机械功驱使地下流体运移,对流增速管则是利用流体自身在井筒内产生的浮升力,或重力场内系统传热过程的㶲回收驱动,无须消耗电能或功。正是由于对井抽灌系统的强制驱动,地热流体在热储内的迁移距离长,热影响半径大,相应的取热功率较大,其次是自然对流模式的重力驱动;而没有地热热储流体驱动的干热岩闭式单井取热功率最低,浅层地埋管的取热机理也类似,单位延米井取热功率也只有20~80 W/m,热影响半径一般也只有3~5 m。

2.4 单井换热取热过程的数值模拟研究进展

2.4.1 闭式单井取热数值模拟

若不考虑热储层内流体的自然对流或强迫对流,井筒外的传热过程为导热模式,导热模式的数学模型控制方程比较简单,核心问题是如何处理井筒与热储层的耦合边界条件。若给定恒热流或恒壁温井壁边界,中深层闭式单井的数值模拟甚至可以采用类似浅层地埋管的解析解,即使考虑沿井深的不同热流分布,Beier等^[40]得到的解析解与数值模拟结果基本相同^[25]。实际上,在给定井筒与地层界面恒定热流的情况下,井筒内部结构的热阻分布对远端地层的温度变化没有影响。

Li等^[41]对中深层闭式单井给定不同井筒与地层热边界条件下的取热规律进行了研究,指出第一类Dirichlet温度边界条件更符合超长重力热管理想取热工况下的物理模型。中深层闭式单井(DBHE)埋管换热器的井筒与地层界面热边界条件,既非恒壁温边界,也非恒定热流边界。尽管更多的数值模拟研究给定的是恒定热流边界,但严格意义上并不准确,正确的物理描述应是将井口入水温度和出口温度视为边界,此时,井筒壁面可视为温度“界面”而非“边界”。在给定入水温度条件下,Pan等^[42]提出通过卷积积分运算得到内保温管内流体、井壁与内保温管环形管内流体沿井深的温度分布,这一半解析一半数值积分方法可以提高中深层闭式单井取热功率的模拟计算效率。

为了开展更接近于实际工程应用的中深层闭式单井循环系统取热数值模拟,Wang等^[43-44]将地面热泵机组的热力循环与闭式单井循环换热器进行耦合,以随环境大气温度波动的实际建筑供热负荷为输入变量,计算得到全采暖季不同时刻中深层闭式单井循环换热器的入水温度和出水温度,进而提出该供热模式下的优化供热控制或调节策略,不仅可以节省热泵机组的电能消耗,同时可更准确地计算井筒外地层温度变化或热影响半径。

对有多年运行历史的既有供热建筑,地层初始温度的影响已相对减弱,全年供热负荷可以近似为年周期的波动热负荷,李嘉舒等^[45]提出了一种计算浅层地埋管或中深层闭式埋管换热器地层周围温度分布的快速解析解法,与以往采用的不同时刻分段开启取热(冷)的G(t)函数叠加方法不同^[46],该方法首先通过傅里叶级数展开方法近似年周期任意热(冷)负荷曲线,然后叠加标准正弦函数年周期下的解析解。因此,不仅可以准确地获得实际浅层地埋管周围地层的温度场,也可以在给定中深层闭式地埋管热流密度随深度分布规律条件下,快速计算闭式地埋管周围不同深度下的温度场。

2.4.2 开式单井取热数值模拟

若换热单井穿越地下含水层,无论是热水层还是冷水层,也无论是封闭套管结构还是有渗水孔的花管结构,都要考虑地下流体对单井换热取热的影响。因为靠近井壁(闭式)或穿越井壁(开式)的对流换热,对单井原位换热取热规律有相当大的影响,多孔介质的渗透系数越大,对流换热的影响也越大。到目前为止,有关中深层开式单井换热取热模式下的对流换热的影响研究还很少。在考虑多孔介质地层对流换热情况下,需要合理设置含水层的温度、速度与压力边界条件。特别是影响流动的压力和速度边界条件,不合理的边界条件会导致错误的研究结论。如图6^[47-48]所示,为了深入了解井下换热器的传热机理,Carotenuto等^[47]曾对有部分垂直自由流体和部分垂直多孔介质二维封闭腔体空间内的对流换热进行了数值模拟研究,腔体左侧为冷却表面,而右侧垂直表面设置为恒定温度,右侧图为其研究结果的等温线与流线。与Dai等^[48]采用格子-Boltzmann方法进行数值模拟有很大区别,后者采用的速度边界条件为右侧开放边界,温度采用基于流动方向的等温(u<0)和开口边界(u>0)。显然由于井下换热器壁面的吸热,腔体内产生了温差驱动下的自然对流,左侧井下换热器壁面对流换热系数与多孔介质的渗透性、温差引起的浮升力、流体黏性与热扩散系数有关,论文给出了左侧井下换热器壁面的换热努塞尔数(Nu)与达西数(Da)、瑞利数(Ra)以及自由流体空间宽度比的关系。

李嘉舒^[26]对河北唐山开式循环单井取热的现场试验建立了物理模型与数学模型,进行了数值模拟,该试验井深约1 398 m,砂岩地层,井底温度65 ℃,井内水温随井深基本呈线性规律变化,井深1 200 m以上为封闭套管,因此物理模型中,将1 200 m以上视为不渗水盖层。图7是某试验工况下的试验结果与数值模拟结果对比,从图中可以看出,数值模型计算得到的出水温度与实测温度吻合良好,验证了模型的正确性。

在此基础上,预测了连续供热10年后单井取热功率和出水温度的变化,如图8所示。

可以看出,系统运行10年后的单井取热功率和出水温度下降幅度逐渐减小。尽管开式单井循环模式采用了深井泵强制循环,消耗了一定的电能,但这种代价带来了高取热功率,可以认为是一种单井筒内实现100%回灌的“对井”采灌取热模式。

3 结论

单井原位换热取热技术是一种最简单的地热能开发利用模式,由于可实现“取热不取水”,近年来,受国内外学者广泛关注。本文简单地总结了从浅层到中深层垂直单井原位换热取热技术的研究与应用现状,对比分析了中深层闭式单井与开式单井取热机理的不同,指出强化地层热能向井筒聚集的传热过程是提高单井取热功率的关键。主要结论如下:

(1)中深层地热单井循环换热取热技术是一种环境友好、可持续稳定的供热模式,可有效解决我国北方地区建筑的冬季供热问题。随着打井技术的不断进步,这种技术具有一定的市场竞争力。

(2)地热资源的合理开发利用需要综合考虑地热资源勘查、钻完井、地下地上系统耦合设计、运行管理与环境监测等多学科知识,应以“产出热”为最终目标,提高经济性,重点研究适宜于不同水文地热资源条件下的强化传热技术。

(3)建议国家加大研发投入,放宽对“取热不取水”或“取热不耗水”单井换热取热技术的矿权许可,这对进一步提高我国的地热能利用规模,实现“双碳”目标有重要意义。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2021YFB1507402)