增强型废弃油气井地热利用系统研究

摘要

二十世纪以来，对化石能源的需求逐年增长，由资源枯竭带来的能源问题日渐突出。与此同时，化石能源广泛使用带来的温室效应、雾霾等环境问题也正对人类社会的可持续发展带来严重威胁。因此，寻找可替代清洁能源的研究备受关注。除风能、太阳能等清洁能源之外，地热能由于储量丰富、没有污染等优点，正成为一种受到广泛关注的可持续清洁能源。然而，巨大的钻井成本在一定程度上限制了地热资源的开采。同时石油、天然气等的大量开采形成了大量废弃油气井，这些废弃油气井如果不能得到有效治理，也会由于泄露带来较为严重的环境问题。因此，利用废弃油气井的地热资源，不仅可以实现低成本的地热利用，而且还可以通过对废弃油气井的综合治理来解决其所带来的环境问题。
　　针对废弃油气井利用过程中能量利用效率低的问题，本文提出了增强型废弃油气井地热利用方案，并建立了增强型废弃油气井地热能综合利用系统理论模型，在此基础上对增强型废弃油气井地热能综合利用系统的热性能及经济性进行了研究。
　　本文在井筒流动传热模型的基础上，分析了混合有机工质HFC437a和纯工质HFC134a、丁烷和戊烷对简单单井发电系统的影响。分析结果显示，混合有机工质HFC437a的变温相变性质有助于减少传热过程的不可逆性，提高系统的净发电量;同时，增加井筒隔热层厚度、降低隔热层热导率能提高循环有机工质的出口温度以及系统的净发电量，但过大的隔热层厚度也会在一定程度上对系统净发电量的提高起到抑制作用。
　　为了解决单井筒系统中工质与地层之间换热面积有限等问题，本文提出了增强型废弃油气井地热利用系统，并建立了单井双工质增强型地热能发电利用系统的分析模型，利用该模型通过数值计算方法分析了地热储层对地热能利用系统采热量和发电量的影响。结果显示，在增强型地热能系统中，地热储层可以大幅提高地热能系统的效率，并且随着地热储层深度、一次循环工质注入流速的增加以及地热储层孔隙率的降低，系统的采热功率和发电功率可以进一步提升;同时，存在着可获得最大采热功率和发电功率的最佳地热储层长度，在计算条件范围内，该最佳长度为300m。
　　为了进一步提高地热能系统的采热性能和发电性能，本文在单井增强型地热能发电系统上发展出双井增强型地热能发电系统及其数值分析模型，并对该系统进行了数值分析。分析结果显示，在相同条件下，相比于单井增强型系统，双井增强型地热能发电系统的采热功率和发电功率显著提高约20％左右，但其受关键参数影响的变化趋势相似。
　　由于成本是地热系统实际开发中需要考虑的重要因素之一，因此本文结合上述传热模型，建立了增强型地热能系统的经济分析模型，分析了增强型地热能综合利用系统运行期间的净成本变化情况。研究表明，利用废弃油气井进行地热能开采利用不仅可以对废弃油气井起到有效地治理，还可以节省大量的开发成本，更早实现净利润;在系统运行的10年期间，存在着使得系统净成本最低的最佳注入流量，并且最佳注入流量在一定范围内随着井间距的增加呈近似线性关系增加;直接利用系统在井深为6000m时存在最佳的井间距使得系统净成本最低，并且，地热能直接利用系统相较于间接发电系统而言，热量利用率更高，投资回报率更高。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 地热能资源的利用现状

1．2．2 废弃油气井地热能利用系统

1．2．3 增强型地热能利用系统

1．3 本文的主要工作

第2章 单井单工质地热能利用系统分析

2．1 本章简介

2．2 单井单工质地热能利用系统

2．2．1 单井地热能系统流动传热模型

2．2．2 单工质有机朗肯发电循环

2．3 计算结果及分析

2．3．1 工质对系统影响的分析

2．3．2 隔热层对系统影响的分析

2．4 本章小结

第3章 单井双工质增强型地热能利用系统分析

3．1 本章简介

3．2 单井双工质增强型地热能发电系统

3．3 地热储层模型及模型验证

3．3．1 地热储层模型

3．3．2 地热储层模型验证

3．4 计算结果及分析

3．4．1 地热储层传热特性分析

3．4．2 系统采热量分析

3．4．3 系统发电量分析

3．5 本章小结

第4章 双井双工质增强型地热能利用系统分析

4．1 本章简介

4．2 双井双工质增强型地热能发电系统

4．2．1 系统介绍

4．2．2 系统模型验证

4．3 计算结果及分析

4．3．1 系统采热量分析

4．3．2 系统发电量分析

4．4 本章小结

第5章 增强型地热能综合利用系统的经济性分析

5．1 本章简介

5．2 增强型地热能综合利用系统简介

5．3 经济性分析模型

5．4 计算结果及分析

5．4．1 增强型地热能热利用系统的经济性分析

5．4．2 增强型地热能发电系统的经济性分析

5．5 本章小结

第6章 工作总结与展望

6．1 本文总结

6．2 主要创新点

6．3 工作展望

参考文献

附录

在读期间研究成果

致谢