地热能作为大自然慷慨赋予的能量宝藏,具有近乎零碳排放的显著环保优势,凭借这一特性加速替代传统高污染能源,迈向新能源主流舞台,为守护地球家园的蓝天白云贡献关键力量。与风能等受天气和昼夜限制不同,地热能稳定可靠,像一座在地下默默运转的“永动机”,能源供应不受外界自然条件干扰,能够持续为社会生产生活提供稳定热能,凭借这种稳定性,成为新能源领域中不可或缺的中流砥柱。目前我国多个地区已经开始了采用地热能用于供暖,其中取热不取水的同轴套管技术因其对地下环境的影响最小而受到广泛关注与应用。但是就目前而言对于应用此技术的地热井垂直井或水平井多集中于单井,对地热井井群的研究甚少,由于井群数量的原因使得其布置方式、井间距对其取热效果也产生了影响。针对上述情况,本文采用数值建模和理论分析相结合的方法对利用此技术的垂直、水平、单井、井群结构,开展系统研究。 本文基于非等温管道流计算方法,构建了适用于中深层取热的包括垂直井、水平井在内的地热单井及井群的三维非稳态计算模型,通过采用一维经验流动方程代替传统的方程三维Navier-Stokes+湍流模型,解决了深层、水平井、井群等涉及大范围取热过程中管道流动区域和土壤导热区域的尺度差异过大引发的计算发散问题。 首先对本文的计算模型进行了前期的模型验证,基于已有实验以及文献中的数据,以地热井垂直单井以及水平单井为建模对象,分别构建了地热井垂直单井和水平井模型,与文献的实验数据对比显示,本文模型的预测结果与实验数据偏差均不超过10%,满足了工程精度要求,可以准确模拟深层、大范围地热井系统的计算分析。 基于上述建模方法,其次构建了地热井垂直单井取热过程的三维非稳态数值模型,模拟并获得了整个地层以及管道内流体的温度场分布,研究入口流体温度、地层温度梯度等参数对取热功率和出口流体温度的影响规律;发现随着入口流量的增大,由于入口流体的速度增大导致换热时间缩短,地热井的出口温度会逐渐下降,取热功率会逐渐增大;增大入口流体温度,地热井的出口温度也会逐渐增大,但是由于热交换温差减小,导致取热功率会减小等取热规律。然后,构建了地热井垂直井群取热过程的三维非稳态数值模型,模拟实际地热井建造、生产、运行场景,考虑不同运行工况差异、地热井取热功率、地热井建设成本等因素,重点研究了井间距、井数量对地热井井群系统生产过程的综合影响规律。发现随着地热井之间井间距的增大,井间热影响越来越小,垂直井群其最佳井间距为20m左右的结论;在不同井数量时,发现地热井群的平均出口温度在逐渐减小,说明在有限的区域内,地热井的数量构建有一定的阈值,从投资成本的角度分析,超过该阈值,对于地热井取热来说就会产生得不偿失的效果。 接着,构建了地热井水平单井及井群取热过程的三维非稳态数值模型,计算了不同工况参数下温度场分布以及取热功率和出口流体温度的变化,重点研究入口流体温度、水平段的长度、井间距、井数量等参数对影响规律以及对地热井井群系统生产过程的综合影响规律,研究发现:水平井水平段的长度越长地热井出口温度与取热功率越大;井间距的影响得到了与垂直井群一致的结论,随着井间距的增加,水平井之间的相互影响越来越小,在井间距为20m时,井间的热影响变化幅度增加的缓慢。最后对双垂直井与水平单井进行了对比分析,发现双垂直井不论在取热功率还是投资成本方面均优于双垂直井的结论,为中深层地热井高效、稳定取热提供理论指导和技术支撑。