Calculation of Temperature Field for Hot Dry Rock Production Wells
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摘要:
为了研究干热岩生产井产液的保温增效问题,根据北京市某生产井井身结构特点,建立了井筒传热计算模型,利用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件对该生产井探测数据进行了核实,并在此基础上提出了对干热岩生产井产液温度场影响因素的分析. 结果表明:生产井三开段底部产水源的产液温度最高,热储量大,可使井口出口温度由333.1K提高到342.3K;同等工程参数下,泵管下入深度增加到400m时,可使产液井口出口温度提高到337.6K,且下入深度越大,产液出口温度越高;产液产速越大,生产时间越少,减少了产液热能损失,产液出口温度变大;相同泵管深度条件下,保温材料泵管产液出口温度比常规材料泵管高出2K,可提高生产效益.
Abstract:To study the thermal efficiency of hot dry rock production wells producing fluid, according to the structural characteristics of the well depth of a Beijing production wells, the wellbore heat transfer calculation model was established, which verified the geothermal well detection data by using computational fluid dynamics(CFD) software. And on the basis of above research, the analysis of the factors was proposed which affect production well fluid temperature field. Results show that the temperature of the water produced at the bottom of the production well three open section is highest of all, and the heat storage capacity of the water is very big, which makes the outlet temperature of the wellhead increases from 333.1K to 342.3K; under the same engineering parameters, when the depth increases to 400m, it makes the wellhead outlet temperature increase to 337.6K, and the deeper the depth is, the higher the outlet temperature of the liquid producing will be; as improve produced fluid production rate,the shorter production time and heat loss, the larger outlet temperature of liquid producing; under the same condition pump pipe depth, outlet temperature of the liquid producing for heat preservation material pump pipe is 2K higher than convention pump pipe material,which improve the production efficiency.
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Keywords:
- hot dry rock /
- geothermal energy /
- production well /
- temperature field
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干热岩以其清洁、环保、可再生等特点,被世界公认为是缓解未来能源危机和改革国家能源结构的绿色能源. 我国干热岩储量丰富,据国土资源部的评价结果显示,我国在3~10km深处的干热岩可开发利用的能源总量,可折合标准煤85.6×10 5亿t,以2%作为浅层干热岩开发利用效率计算,可节约能源总量折合标准煤1.71×10 5亿t,约是我国目前年均实际能耗的5200倍,可以极大地改善我国能源消耗的现状 [ 1] ,因此,干热岩的开发研究引起国内外学者的广泛关注. 刘永贵等 [ 2] 结合地热井单井抽水试验,阐述了井内等效降深的换算方法,为参数计算奠定了基础. Ramey [ 3] 提出了井筒传热的简化模型,假设油管、套管或环空中有流体流动,而地层没有水流流动,从而得到了井筒温度与井深的关系式,Ramey模型迄今为止仍然被广泛应用. 肖香姣等 [ 4] 基于Ramey 经典井筒温度计算模型,建立了2种考虑复杂井身结构的温度分布计算模型,与实测资料对比,给出了计算模型的误差对比,分析了井身结构对井筒温度分布计算的影响. 朱明等 [ 5- 6] 针对地热井的保温增效问题,建立了井筒温度计算模型,分析了生产井热损失敏感性因素的影响. Hasan等 [ 7- 8] 根据能量守恒建立了两相流的井筒温度分布模型,提出预测井筒两相流第二界面温度的方法. Rees等 [ 9] 应用数值模拟方法演示了地热井钻井过程中井筒温度和压力变化,并指出了影响井筒生产过程热力变化的因素. Hagedom等 [ 10] 基于所假设的压力梯度模型,根据大量的现场试验数据反算持液率,提出了用于各种流型下的两相垂直上升管流压降关系式. 地热井井筒温度分布受地层、产液、井筒结构等多种因素影响,采用实验方法来验证这些因素对井筒温度的影响难度非常大,因此,数值模拟方法被广泛应用于井筒温度的预测研究中 [ 11] . 本文采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件,结合北京某干热岩项目生产井生产实例,建立了井筒生产结构的物理模型和数学模型,通过对模拟数据和实测数据的核实,分析了干热岩井筒传热结构温度场的分布情况,并在此基础上,阐述了泵管下深深度、保温泵管等因素与生产井井筒温度分布的关系.
1 建立干热岩生产井井筒模型
1.1 假设条件
依据常规干热岩生产井井筒产液换热的特点和本文所述的砂岩生产井的特性,对本文生产井井筒传热模型做出以下假设:
1) 井筒中的水流为一维稳态传热,截面上的流体温度一致.
2) 生产液中为单相水,且材料及产液的物性参数不随温度和压强的变化而变化.
3) 考虑井筒中因摩擦而引起的对产液的变化.
4) 忽略井筒中的产液在垂直方向上的热传导.
5) 井筒中自由液面深度距离井口深度为0m,且液面深度始终不变.
1.2 物理模型
本文结合北京某干热岩生产井施工实例,建立了井身结构模型(如 图1所示),地质类型为砂岩地热储层 [ 12] ,井身为三开段结构:一开段井身下套管固井,由于泵室的存在,具有较大的内径,热水泵直接在泵室中吸水,并通过泵管输送到地面;二开段井身不进行固井作业,直接下套管,仅封固一开与二开套管重叠部分,采用悬挂器或止水器进行悬挂及裸眼封隔,减少套管中的热水与管外低温水的传热;三开段采用悬挂筛管或滤水管取水,是全井段产水的主要来源 [ 13] .
1.3 数学模型
1.3.1 能量平衡方程
生产井生产过程中,产液沿井筒结构上升时,不断向周围岩石散发热量,其温度逐渐下降,在此过程中, 取微元段d l产液作为运动热源分析,将坐标系圆点置于生产井井底中心位置处,运动热源仅沿竖直方向运动,且认为其界面上的温度是均匀的,简化对问题的描述,视井筒整体为稳定温度场 [ 14] .
式中:d t为微元段温度梯度,K;d l为微元段长度,m; U为运动热源流动速度,m/s; ρ为流体密度,kg/m 3; c为流体比热容,J/(kg·K); λ为流体导热系数,W/(m·K); K为总传热系数,W/(m 2·K); p为微元段周长,m; θ为流体过余温度,K.
1.3.2 井筒传热系数
这里取生产液一开泵室段传热系数作为说明,泵管内产液至周围井筒结构依次为产液、泵管、环空、套管、水泥环、地层. 泵管内产液热量从泵管内向周围径向传递时,将产液假设为一个运动热源,向周围多层圆柱体传热 [ 15] ,总传热系数 K计算如下:
式中: A t=
2 工程案例分析
2.1 基础工程参数
北京市某干热岩生产井属于砂岩热储生产井,井筒结构与 图1所述的结构类似,生产井成井后所用材料及工程参数如 表1所示. 本文下述模拟计算亦采用与工程项目一致的参数,对影响生产井产液温度分布的因素进行探析.
表 1 某生产井工程参数Table 1. Engineering parameters of a geothermal well工程参数 取值 工程参数 取值 水层顶深/m 2300 泵管下深/m 100 地表温度/K 293 地温梯度/(K·m -1) 0.0312 一开段深度/m 500 管壁粗糙度/mm 0.0023 一开段套管内径/mm 334.2 一开段套管外径/mm 359.2 泵管导热系数/(W·(m·K) -1) 50 水泥环外径/mm 440.2 二开段套管内径/mm 170.3 二开段套管外径/mm 185.3 泵管外径/mm 98.2 泵管内径/mm 86.2 套管导热系数/(W·(m·K) -1) 50 止水器外径/mm 440.2 二开段深度/m 2300 产速/(t·h -1) 100 保温泵管导热系数/(W·(m·K) -1) 0.015 水泥环导热系数/(W·(m·K) -1) 1.1 地层导热系数/(W·(m·K) -1) 1.52 水比热容/(J·(kg·K) -1) 4187 2.2 井筒温度分布
该生产井在施工过程中,提取了地层深度原始地层温度,生产井成井后,井筒产液温度分布如 图2所示,其中,原始地层温度随地层深度呈线性变化,产液温度远高于相同深度的地层温度. 产液在井筒二开段,温度下降幅度较小,这是由于在二开段,产液温度与地层温度差较小,所引起的热传递速度较慢. 产液在一开段温度下降幅度较大,因为在一开段,井筒半径较大,产液流动速度较小,与地层越近温度差越大,发生热传递的动力越强;因此,通过对井筒一开段的改造可以有效地对产液进行保温增效.
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图 2 北京某生产井井筒产液温度分布Figure 2. Temperature distribution for Beijing geothermal wells wellbore fluid3 井筒温度场影响因素
3.1 井筒局部产水部位的影响
由 图3数据显示,该生产井属于砂岩地热储层地质结构类型,井下三开段为该生产井的主要产水来源. 不同的地层深度的产水源,井筒温度分布具有较大的差异. 图3清楚地显示了产水源分别位于三开段顶部、中部、底部时的温度分布情况,在同等工程参数下,保持一致的产速,产水源位于三开段顶部,产水温度较低,井口产液温度较低,当产水源位于三开段底部时,受地层温度的影响,产水温度较高,产液自身热储量大,可以平衡一部分热损失. 产水源在三开段顶部时,井口产液温度为333.1K,底部产水源井口的出口温度为342.3K,比顶部产水源产液出口温度高9.2K. 因此,可以通过有效的洗井、地层出砂等措施,控制热井产水部位,提高热井利用效率.
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图 3 不同部位产水源时井筒产液温度分布Figure 3. Different parts of the wellbore fluid temperature distribution in produced water3.2 泵管下入井筒深度的影响
鉴于该生产井生产实例,产液温度在牛筒顶层一开段温度下降幅度较大,产液在一开段内,可控制泵管下入井筒的深度,延长泵室的长度,增加热水泵进口产液温度,由泵管输送到地面,从而达到保温的目的. 模拟结果如 图4所示,由于井筒中自由液面深度与井口深度的距离为0m,且液面深度始终不变,井筒温度传热模型处于稳定状态,将泵管下入到泵室400m处,产液温度偏离原有产液温度曲线,其井口出口温度为337.6K,比泵管下深100m时的产液温度高出4.5K,保温效果比较明显.
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图 4 泵管不同下入深度时井筒产液温度分布Figure 4. Wellbore fluid temperature distribution for owing to different depth3.3 产液产速的影响
对产液的控制,主要取决于生产井的用途,如 图5所示,在原始热井生产实例的基础上,取产液产速为50、100、150、200t/h进行计算,井口产液出口温度分别为323.5、333.1、339.2、344.5K. 可以看出,对于不同的生产井产液速度,井筒产液温度沿地层深度分布具有较大的差异. 生产井产液产速越大,产液在井筒中发生热传递的时间越小,在相同地质条件下,可减少产液热损失;当产液产速越小时,产液发生热传递的时间就越长,特别是在一开段,产液与周围底层温差较大,热损失较为严重. 因此,在生产井设计过程中,合理控制生产井产液产量,有利于提高生产井的利用效率.
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图 5 不同产速时井筒产液温度分布Figure 5. Wellbore fluid temperature distribution in different production speed3.4 保温材料的影响
如 图6所示,采用保温泵管材料和常规泵管材料分别对泵管下深400m,描述了生产井井筒产液温度分布情况. 常规材料的导热系数为50W/(m·K),保温材料的导热系数为0.015W/(m·K),保温材料的使用增加了产液发生热传递的热阻,有效地隔离了泵管产液与管外低温流体的接触,减少了产液热能的损失,增加了井口出口温度. 常规泵管没有保温效果,产液热损失较大,其产液井口出口温度为337.6K,使用保温材料泵管后,该产液井口出口温度为339.6K,比常规材料泵管产液温度高出2K,因此,在生产井工程中,使用保温材料是对产液保温增效的有效措施.
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图 6 不同泵管材料的井筒产液温度分布Figure 6. Wellbore fluid temperature distribution in the different pump pipe material4 结论
1) 本文提取了北京某干热岩生产井施工及生产实例数据,描述了生产井井筒产液温度的分布情况,解释了温度变化情况的原因.
2) 生产井井筒三开段底部产水源温度最高,产液热储量大,井口出口温度为342.3K;顶部产水源温度相对较低,产液井口出口温度为333.1K. 井筒局部产水源不同,温度变化明显.
3) 同等工程参数的条件下,将泵管下入井筒400m时,可以提高热水泵进口产液温度,其井口出口温度比泵管下入井筒100m时高出4.5K.
4) 根据生产井产液用途,合理地控制生产井产液产速,有利于提高干热岩生产井的利用效率.
5) 使用保温材料泵管,下入井筒400m,在相同深度条件下,保温材料产液出口温度比常规材料泵管高出2K,使用保温材料是对产液保温增效的有效措施.
The authors have declared that no competing interests exist. -
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图 2 北京某生产井井筒产液温度分布
Figure 2. Temperature distribution for Beijing geothermal wells wellbore fluid
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图 3 不同部位产水源时井筒产液温度分布
Figure 3. Different parts of the wellbore fluid temperature distribution in produced water
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图 4 泵管不同下入深度时井筒产液温度分布
Figure 4. Wellbore fluid temperature distribution for owing to different depth
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图 5 不同产速时井筒产液温度分布
Figure 5. Wellbore fluid temperature distribution in different production speed
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图 6 不同泵管材料的井筒产液温度分布
Figure 6. Wellbore fluid temperature distribution in the different pump pipe material
表 1 某生产井工程参数
Table 1 Engineering parameters of a geothermal well
工程参数 取值 工程参数 取值 水层顶深/m 2300 泵管下深/m 100 地表温度/K 293 地温梯度/(K·m -1) 0.0312 一开段深度/m 500 管壁粗糙度/mm 0.0023 一开段套管内径/mm 334.2 一开段套管外径/mm 359.2 泵管导热系数/(W·(m·K) -1) 50 水泥环外径/mm 440.2 二开段套管内径/mm 170.3 二开段套管外径/mm 185.3 泵管外径/mm 98.2 泵管内径/mm 86.2 套管导热系数/(W·(m·K) -1) 50 止水器外径/mm 440.2 二开段深度/m 2300 产速/(t·h -1) 100 保温泵管导热系数/(W·(m·K) -1) 0.015 水泥环导热系数/(W·(m·K) -1) 1.1 地层导热系数/(W·(m·K) -1) 1.52 水比热容/(J·(kg·K) -1) 4187 
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