中深层地热井地温影响规律及预测方法.pdf

第 卷第 期 年 月西安科技大学学报 张育平，张斯佳，马真迪，等 中深层地热井地温影响规律及预测方法 西安科技大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：陕西省秦创原“科学家 工程师”队伍建设项目（）；陕西省科协青年人才托举计划项目（）；陕西省国有资本经营预算科技创新专项资金项目（）通信作者：张育平，男，陕西合阳人，博士，教授级高级工程师，：中深层地热井地温影响规律及预测方法张育平，张斯佳，马真迪，刘俊，贾国圣，金立文（陕西省煤田地质集团有限公司 自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 ；西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 ；西安交通大学 人居环境与建筑工程学院，陕西 西安 ）关键词：中深层；钻探；初始地温；原始地温梯度；换热；解析解中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，；，）：（）（），摘要：中深层地热井初始地层温度、原始地温梯度是影响中深层地热井换热量计算的重要参数，在完井后短时间内所测得的井温并不能真实反映初始地层温度，也不能反映原始地温梯度。为准确地获取初始地层温度、原始地温梯度，通过分析测井数据发现由于钻探过程中钻井液循环致使井筒内部上下温差变小，导致未静井时获取的地温梯度偏低，需要增加静置时间才能保证所测初始地温的准确性和可靠性，但在实际工程中长时间增加钻孔静置时间是难以实现的。结果表明：通过对钻井液循环过程中传热分析可以获得钻柱内钻井液温度与地温梯度的关系式；在建立钻井液与地层瞬态传热解析解模型的基础上，计算出静置较短时间后井内钻井液温度，获得其与完井后所测试的井内钻井液温度的相关系数，可以快速地计算出原始地温梯度、初始地层温度。通过与文献中数据以及测井结果对比，验证了所提出方法的准确性，可为中深层地热井与岩层换热的分析提供准确数据，对中深层地热井换热性能研究具有实际意义。第 期张育平，等：中深层地热井地温影响规律及预测方法 ，：；引言中国碳达峰目标与碳中和愿景提出，到 年二氧化碳排放达到峰值并争取早日达峰。地热资源是一种可再生清洁能源，储量大、分布广、稳定性好，充分利用好地热资源特别是中深层地热资源对双碳目标的实现具有重大意义 。中深层地热钻井换热供暖技术具有“取热不取水”的特点，可以最大程度地减少对地下土壤、岩层和水体的干扰，近年来在陕西、河北、河南等地区得到了一定程度的推广与应用 。通过向地下 深的高温岩体实施钻孔，安装密闭金属换热器间接提取中深层地热能为建筑供热 。为明确技术的供热能力，地质参数尤其是初始地温分布的获取是十分必要的。钻探对初始地温分布造成一定程度的影响，一些学者开展了相关研究。在数值方法方面，通过建立钻井液循环过程中的温度变化瞬态数值模型，可以对井筒内的温度分布规律进行探究 。与实测的钻井液循环温度对比，数值模型的预测结果与其一致 。阮彪等、胡童颖等和苏雄等利用钻井液温度计算模型探究了钻井液的流量、密度等对井筒内温度分布的影响 ；李梦博等建立了基于移动边界的钻井井筒温度计算的瞬态模型 。上述数值模型还可以用于计算地层温度分布的恢复 ，不足之处在于井筒内温度求解模型的计算量过大 。部分学者建立了解析解模型来获得钻井液循环过程中的温度分布 。张建国推导了钻井过程中钻柱和环空内的钻井液瞬态温度解析解模型，发现两口井底的当量静态密度与现场实测数据吻合良好 ；王宁等推导了在地温梯度、钻具尺寸以及井身结构变化的情况下使用的解析解模型 ；杨谋等在通过全隐式有限差分求解钻井液与地层瞬态传热模型的基础上，引入比例积分控制原理，获得原始地层温度 。中深层地热井所提取的地热能大小具有随地温梯度变化的特点，钻探对中深层地温时空特性的影响需要进一步开展实际测试去探究。在原始地温预测方面，当前研究以数值模拟方法为主，存在计算量较大的问题。本文开展中深层地温分布的实测研究，明晰钻探对中深层地温的影响规律，优化井内泥浆换热解析模型，提出了原始地温梯度预测方法，对高效准确提供中深层地热井的设计参数具有重要意义。中深层地温分布 中深层 型对接井基本情况组中深层 型对接井位于关中盆地西安凹陷草滩次级构造凹陷区（图 ）。设计利用 组中深层 型对接井为区内住宅及办公楼供暖，对 型对接井（对接井水平段长 ）的中深层地温场分布特征进行研究。静井时间超过 ，能够真实反映地层的初始地温。通过高精度的井温测量，定性分析钻井测温和原始地温之间的关系，从而为 型对接井设计提供依据，为后期取热换热模拟计算提供可靠数据。?图 中深层 型对接井位置及区域构造 地温分析对未静井和静井 后的井段测温，中深层地热井的测温深度在 以上，井内有循环介质水，静井 后测温选用了接触式测量法。选用加拿大 公司生产的 型测温探头，测温量程为 ，压力为 ，温度分辨率 ，精度 。通过线性回归分析，未静井的井温关系式为 （）式中 为井温，；为深度，。静井 后的井温关系式为 （）式中 为井温，；为深度，。?图 静置前后井温 深度关系 从图 可以看出，未静井时的井底温度为 ，地层温度梯度基本在 。静井后，井底温度为 ，地层温度梯度为 。通过 前测井温度和静井后测温结果对比发现，井底温度相差 ，温度梯度相差 。产生这种差距的原因应主要有：测温背景条件差别。在地热井静置时间上，前者是在完井后 进行温度测井，后者是在地热井静置近 时间后进行温度测井；在地热井使用介质方面，前者钻井循环使用的是泥浆，后者使用的是水。井内泥浆循环较快，在井筒内进行了充分的热量交换，导致井筒内部上下温差较小，上部温度明显升高（图 ）。在未静井时，井筒内 深度的测井温度为 ，而静置后的温度只有 。?图 井筒内泥浆循环 钻井液循环计算模型为明确测井温度差异的形成机理，建立钻井液循环计算模型。钻井液在井内的循环过程可以看作是热交换器与地层进行换热（图 ），分为 个阶段：钻井液从地面以一定温度和流量进入钻柱，在向下流动的过程中，从环空内吸收热量，并且由于流动摩擦产生热量，钻井液温度逐渐升高；钻井液在井底通过钻头的喷嘴由钻柱进入环空，该过程中产生一定的热能，温度升高；钻井 西 安科技大学学报 年第 卷第 期张育平，等：中深层地热井地温影响规律及预测方法液在环空内向上流动，一方面从地层中吸收热量，一方面向钻柱内传递热量，同时还会由于流动摩擦，产生一部分热量。模型假设对钻柱内流体、环形空间流体和地层的实际传热过程进行简化。钻井液不可压缩，且循环流量不变；不考虑井眼扩径和缩径对钻井液循环速度和阻力的影响；由流体黏性耗散产生的热量及钻头旋转产生的机械摩擦热源忽略不计；不考虑钻柱内及环空内的流体的径向传热度；地层中的传热过程仅考虑垂直和水平方向的热传导，忽略对流传热和热源；地层内为瞬态传热，井筒内为稳态传热。热平衡方程选取井深 处的一个传热单元（图 ），建立流体的热平衡方程。?图 钻孔内传热微分单元 钻柱内流体热平衡方程（）（）（）环间流热平衡方程（）（）（）式中为钻柱内流体的热量，；为钻柱从环空内吸收的热量，；为环间流体的热量，；为外界对流体所做的功，；为摩擦产生的热量，；为井壁的换热量，。从地层远处传至井壁热流量 为 （）（）式中为地层导热系数，（）；为钻井液密度，；为钻井液排量，；为自然地温，；为地表温度，；为地温梯度，；为井壁温度，。为无因次温度，可由下式表达（）（）槡（槡）（）式中，为运行时间，；为地层密度，；为地层比热容，（）。井壁与环空流体进行热交换，其热流量为 （）（）式中为环空与井壁之间的对流换热系数，（）。（）（）（）式中为井壁半径，；为套管外壁半径，；为套管内壁半径，；为环空外侧对流换热系数，（）；为套管导热系数，（）；为水泥环导热系数，（）。模型求解由于井壁两侧传热量相等，井壁与环空流体的热流量表示为（），（）（）式中为钻井液比热容，（）。钻柱内与环空流体的热流量表示为（），（）（）（），（）（）（）（）（），（）（）（）（）（）（）（）（）式中 为钻柱与环空间的对流换热系数，（），（）；为钻柱外侧半径，；为钻柱内侧半径，；为环空内侧对流换热系数，（）；为钻柱对流换热系数，（）；为钻柱导热系数，（）；为钻柱内流体流动压降产生的温度，；为环空内流体流动压降产生的温度，。（）（）式中，分别为钻柱和环空内流体流动产生的压降，。对式（）和（）求解，得到钻柱内的温度 和环空中的温度 （）（）（）（）（）其中，槡 ，槡 。由边界条件 ，和 ，得 （）（）（）（）（）式中为进口温度，；为钻头产生压降时形成的温度，；为钻井液产生的排量，；为喷嘴当量径，；为钻头处产生的压力的转化系数；为热量的转换系数。原始地温预测方法 预测方法地温梯度是影响中深层地热井换热的重要参数，然而在完井后的短时间内，所测得的井温并不能真实反映地温梯度。通过对钻井液循环过程中的传热分析，获得了钻柱内钻井液温度与地温梯度的关系式（）。当测试获得的是钻柱内钻井液的温度时，可在已建立的钻井液与地层传热解析解模型的基础上，计算不同地温梯度下的钻柱内钻井液的温度，获得与所测试的钻柱内钻井液温度的相关系数，最大相关系数所对应的地温梯度值，即为实际的原始地温梯度。当测试获得的是完钻后静置较短时间的钻孔内钻井液温度时，需要在计算出不同地温梯度下钻柱内和环空钻井液温度之后，进一步计算取出钻柱后的井内钻井液的温度以及静置一段时间后井内钻井液温度，最后获得其与所测试的井内钻井液温度的相关系数，从而快速地计算出初始地层温度，为中深层地热井与岩层换热分析提供准确数据。取出钻柱后的井内钻井液的温度为钻柱内和环空钻井液混合后的值，按体积平均进行计算，见式（）（）（）（）式中和 分别钻钻柱和环空截面积换热系数，。静置过程中，井内钻井液与井壁通过导热的方式进行热交换，其热流量为 （）（）式中为井内钻井液与井壁之间的总换热系数，（）。（）（）（）从地层远处传至井壁热流量 为 （）（）由于井壁两侧传热量相等，井壁与井内钻井液换热的热流量表示为（），（）井内钻井液的能量守恒方程为（）（）（）()（）求解上述能量方程，即可获得静置较短时间后的钻井液温度（图 ）。方法验证与应用按照上述计算，与文献 的计算结果进行了对比，并与实际数据进行了对比分析（表 ）。假设地温梯度在 ，将计算获得的钻柱内钻井液温度与文献中计算的钻柱内钻井液温度进行比较，得到不同地温梯度下的相关系数（图 ），最大值为 ，地温梯度为 。将文献中钻柱内钻井液温度与此地温梯度下钻柱内钻井液温度进行对比（图 ），当文献中的地温梯度为 时，相对误差仅为 ，表明计算方法能够由钻柱内钻井液的温度变化较为准确的获得原始地温梯度。西 安科技大学学报 年第 卷第 期张育平，等：中深层地热井地温影响规律及预测方法?图 原始地温梯度及初始地层温度计算流程 表 计算所需参数 参数文献数据实际数据钻井液比热容 （）钻井液密度 （）钻井液导热系数 （）动力粘度 （）钻井液排量 （）地层导热系数 （）地层密度 （）地层比热容 （）环空外侧对流换热系数 （）根据经验公式计算 数后获得环空内侧对流换热系数 （）根据经验公式计算 数后获得钻柱内对流换热系数 （）根据经验公式计算 数后获得井壁外侧半径 套管外壁 套管内壁 钻柱外侧半径 钻柱内侧半径 钻柱导热系数 （）套管导热系数 （）水泥环导热系数 （）埋深 运行时间 （）（）地表温度 进口温度 钻柱内钻井液流动压降 由摩擦阻力系数计算获得环空内钻井液流动压降 由摩擦阻力系数计算获得钻头产生压降时形成的温度 根据喷嘴当量径、钻头处压力和热量转换系数、流量计算获得?图 与文献结果对比?图 计算钻柱温度的相关系数随地温梯度的变化 将提出的预测方法与实际测试结果对比，假设地温梯度在 ，完井后井内钻井液温度的实测结果和模拟结果的相关系数最大值为 ，此时的地温梯度为 （图），与拟合得到的式（）中的地温梯度 的相对误差约 。实测的井内钻井液循环温度与此地温梯度下计算井内流体温度随深度的变化情况如图所示。根据此地温梯度，计算出原始地层温度，与地热井静置 后的井内实测温度（可作为地层温度）对比，如图 所示。从完井较短时间内实测的井内钻井液温度和地热井静置 后的实测的地层温度结果对比可以看出，井底处完井后的温度小于静置 后实测?图 计算地热井静置后地温梯度的相关系数?图 完井后井内钻井液实测温度与其模拟值对比?图 静置 后的地热井内实测温度与其模拟值的对比 值，接近入口处则是完井后的温度大于静置 后的温度，造成了完井后的地温梯度（约 ）远小 于 静 置 后 的 实 测 的 地 温 梯 度（约 ）。差距大的主要原因是静置时间的差别，钻井会造成接近地面处地层温度的升高，而井底处地层的温度降低，所测地温梯度也降低。这是由于热传递需要时间，完井后较短时间内地温并没有在大地热流的作用下恢复到初始值，而是在静置近 后才能恢复到接近初始值。文献 ，研究表明钻井的延米换热量与地温梯度呈线性正相关，按照普遍采用完井后测温及地温梯度资料作为模拟计算的依据时，所取地温梯度偏小，计算的延米换热量也偏小，可能导致钻井的其它参数选取不当，如埋深、工质流量等，从而造成设计误差。增加地热井的静置时间，采用高精度光纤测量，可以保证原始数据的准确性，是后期换热量计算和设计的可靠方法。但是增加地热井的静置时间会影响施工进度，也会造成成本增加，实际操作可能性较小。通过研究的计算方法，可以根据完井后较短时间内实测钻井液的循环温度，较为准确地估算出实际的地温梯度并计算出对应的地层温度，可以为评估中深层地热井的换热性能快速、准确地提供地质参数。结论）初始地层温度获取方法存在的问题对原始地温影响较大，完井后所测井内温度与静井时间有密切关系，对于中深层地热井，需要保持较长的静置时间，才能保证所测原始地温的准确性和可靠性。）改进井内钻井液换热解析模型，获得钻柱内和环空内流体温度与地温梯度的关系式，实现了利用完钻后较短时间内井内钻井液温度分布反推原始地温梯度，准确地获取初始地层温度，为后续开展数值计算提供了可靠保障。参考文献（）：王贵玲，张薇，梁继运，等 中国地热资源潜力评价 地球学报，（）：，（）：王沣浩，蔡皖龙，王铭，等 地热能供热技术研究现状及展望 制冷学报，（）：，（）：张育平，王兴，薛宇泽，等 关中盆地中深层地热能开发“保水取热”供暖关键技术 区域供热，（）：西 安科技大学学报 年第 卷第 期张育平，等：中深层地热井地温影响规律及预测方法 ，“”，（）：，：鲍玲玲，徐豹，王子勇，等 中深层同轴套管式地埋管换热器传热性能分析 地球物理学进展，（）：，（）：赵阳 中深层地热取热系统及传热模型研究 邯郸：河北工程大学，：，鲍玲玲，王雪，刘俊青，等 基于岩土纵向分层的中深层 型地埋管换热器取热性能研究 地球物理学进展，（）：，（）：唐晓音，程璐瑶，许威，等 西安地区中深层套管式地埋管换热性能数值模拟 地质科学，（）：，（）：张育平，王兴，官燕玲，等 中深层地热钻井换热供暖关键技术 北京：科学出版社，邓杰文，魏庆秡，张辉，等 中深层地热源热泵供暖系统能耗和能效实测分析 暖通空调，（）：，（）：孔彦龙，陈超凡，邵亥冰，等 深井换热技术原理及其换热量评估 地球物理学报，（）：，（）：，：张兵兵，刁乃仁，方亮 套管式地埋管换热器温度分布及换热性能计算 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