中深层地热能源作为一种新型的清洁能源,具有存储量丰富、清洁低碳以及安全稳定等优点,是未来取代化石能源的重要能源之一。本文基于陕西省某地区中深层地热井实际工况,利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件建立起同轴单井井筒换热器与周围地层之间的耦合换热模型,对其井筒换热器的换热性能以及影响因素进行研究分析。主要研究内容及结论如下: (1)中深层无干扰地热单井采热原理及模型建立。对中深层地热无干扰单井开采的换热原理以及整个传热过程进行分析,将流体的连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程相结合,建立起中深层无干扰地热井采热过程中地层热储层、井筒换热器及井筒内携热流体之间的非稳态热交换模型。 (2)地层—井筒—流体热交换特征分析。选取水和二氧化碳两种不同携热介质的热物性特点,分析其在相同工况下的热交换规律以及换热效果,并得到两种不同携热介质所适合的工况条件。发现:在连续运行120d后,井筒周围的热影响半径大约在10m,井筒2200m往下的周围岩土层温度下降较为明显;0~800m地层周围温度场变化较小,换热效果不明显。尤其在200m往上部分热量损失严重,应进行保温处理。水的换热效果整体优于二氧化碳,但在高流量注入条件下,二氧化碳因其低粘度性,降低了流体流动的阻力,表现出更优的热交换性能和吸热能力,而水在高流量时热交换效率较低,适合低流量工况条件。 (3)中深层地热单井采热能力影响因素分析。从地层物性参数、井筒结构参数、循环流体注入参数三个层面选取多个因素进行对地层与井筒内换热介质传热性能的影响分析,从而得到影响地层一井筒一流体热交换速率的主要因素。发现:当地温梯度从20℃/km增加到40℃/km过程中,井筒出口温度从14.54℃上升到22.15℃提高了 52.34%,;当注入口循环流量从20m3/h增加到60m3/h时候,井筒末期出口温度从24.11℃下降到15.02℃,下降了 37.7%,降低循环流量可以有效提高井筒的换热性能;当钻井深度由2500m变化至3500m过程中,井筒末期出口温度由14.16℃上升至23.24℃,增加了64.12%,;内管导热系数从0.02W/(m·K)增加到1W/(m·K)过程中,井筒末期出口温度由38.18℃下降到31.07℃,降低了 18.62%;相比于其他影响因素套管管径尺寸对井筒换热器的换热性能影响效果影响不大,持续运行会导致周围地层温度下降,影响取热性能。综合考虑这些因素,优化设计以实现高效、稳定的利用地热资源至关重要。 (4)对所选取的多种影响因素进行正交试验设计并通过极差分析和方差分析方法得到对中深层无干扰地热单井热采效率的影响程度从大到小依次排序为地温梯度>钻井深度>注入温度>水泥环导热系数>内管导热系数>循环流量>套管管径。分别从循环流体的注入方式、井型结构以及运行模式三个方面进行了探讨。发现:外进内出的方式能够提供更好的换热效果,在井筒结构优化方面,介绍了单井套管式开采的优化设计,通过增加换热面积和改善流体扰动来提高热交换效率。最后,间歇运行模式在中深层无干扰地热开采中的应用,不仅提高了能源利用效率,降低了系统能耗,还促进了地下岩土体的热恢复,保障了地热资源的可持续利用。