【摘 要】
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地热资源作为一种新的清洁能源,其巨大的资源储量决定其可作为化石燃料未来的重要替代新能源之一。地热资源按其成因和产出条件分为浅层地温能型、水热型和干热岩型地热资源。干热岩分布广泛,蕴藏资源量巨大,是未来地热能开发的重要领域。本论文基于井筒自循环采热原理,设计并搭建井筒自循环热交换模拟实验装置;以水为携热流体,开展井筒自循环采热影响因素评价实验,分析不同影响因素对热交换规律和采热速率的影响;筛选超临界
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地热资源作为一种新的清洁能源,其巨大的资源储量决定其可作为化石燃料未来的重要替代新能源之一。地热资源按其成因和产出条件分为浅层地温能型、水热型和干热岩型地热资源。干热岩分布广泛,蕴藏资源量巨大,是未来地热能开发的重要领域。本论文基于井筒自循环采热原理,设计并搭建井筒自循环热交换模拟实验装置;以水为携热流体,开展井筒自循环采热影响因素评价实验,分析不同影响因素对热交换规律和采热速率的影响;筛选超临界CO2、四氟乙烷和导热油作为对比携热流体,分析不同携热流体的热交换规律及采热能力差异;采用CMG建立矿场尺度丛式井组单井自循环采热模型,进行敏感性分析,评价矿场尺度下的单井采热能力并进行发电和采热经济性评价。研究结果表明,以水作为携热流体时,更大的地层导热系数和地层温度可以获得更高采热速率,但对携热流体与套管壁之间的对流换热系数影响很小。增大注入速度,出口温度降低,但采热速率和对流换热数增大。油管导热系数越大,水从底部返回出口时采热损失量越大,在实验条件下采热速率最高降低了18.75%。相同条件下四氟乙烷和导热油的出口温度高于水和超临界CO2,但水获得的采热速率高于其他三种携热流体。不同注入速度和储层温度下三种携热流体的出口温度为四氟乙烷＞水＞超临界CO2,获得的采热速率为水＞超临界CO2＞四氟乙烷。入口压力对水和四氟乙烷的采热速率影响很小,而超临界CO2的出口温度随压力增加而增大,采热速率则随压力增加先增大后减小。在矿场尺度条件下,注入速度为432 m~3/d时采热10年后可获得1.59 MW的采热速率,而注入速度超过432 m~3/d后采热速率增加缓慢。地层导热系数越大,热传导速率越快,地层导热系数为3.5 W/（m·K）时获得的采热速率是地层导热系数为2 W/（m·K）时的1.45倍。丛式井组需要设置合理的井距以降低热短路的影响。选择较小导热系数的隔热油管可以明显降低采热损失量,隔热油管导热系数为0.035 W/（m·K）时已经具有良好的隔热效果。采用丛式井组可以降低单位采热成本和发电成本。相比于单井自循环,丛式井组在30 m井距和50口采热井条件下,单位采热成本可以从0.197元/（k W·h）降低到0.149元/（k W·h）,采热成本降低幅度为24.3%,而单位发电成本可以从2.31元/（k W·h）降低到1.72元/（k W·h）,发电成本降低幅度为25.5%。此外,应当根据矿场条件进行综合考虑,选择合适的井距和井数。
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