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| 編輯推薦： |
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深部地质,地热能,钻井,研究,地热能,采暖,研究
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| 內容簡介： |
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《中深层地热钻井换热供暖关键技术》运用地质学、钻井工程、数值模拟、暖通空调、建筑节能、自动化控制等多学科的理论和方法，提出了利用U型对接井解决“保水取热”模式下开发中深层地热能的技术，优化了中深层地热钻探对接技术；结合原位实验建立了深埋管管内外耦合换热的三维全尺寸数值计算模型，对深埋管换热的主要影响因素和换热特性进行了全面研究；优化了建筑供暖方案，以**限度地节能；建立了全局性节能智能控制系统，有效提高了系统节能和智能化程度；通过供暖示范项目的应用，形成了中深层地热钻井—换热—供暖一体化技术体系。相关成果已获中国煤炭工业协会科技二等奖和陕西省科技进步三等奖。
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| 目錄：
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目录
序
前言
1 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 国内外研究现状 3
1.3 主要研究内容 9
1.4 研究方法及技术路线 9
2 研究区地质和地温特征 12
2.1 研究区地质背景 12
2.2 研究区地温特征 16
2.3 地温测量 19
2.4 小结 31
3 地热井钻井技术 32
3.1 水热型地热井钻井及完井技术 32
3.2 中深层水热型开发利用存在的问题 35
3.3 关中盆地水平井开发地热可行性 35
3.4 远端对接水平井试验方案 38
3.5“保水取热”水平对接井关键技术 39
3.6 地热钻井技术对比 51
3.7 小结 51
4 深层地热井原位试验研究 53
4.1 试验项目概况 53
4.2 试验设计 53
4.3 试验管路系统及检测系统 54
4.4 试验结果的对比分析 55
4.5 小结 58
5 地热能利用U型对接井换热特性研究 59
5.1 数值计算建模 59
5.2 岩土热物性参数及初始条件、边界条件 61
5.3 Fluent软件简介 67
5.4 数值计算模型的验证 67
5.5 计算结果与分析 69
5.6 小结 103
6 同轴套管井换热特性及其与U型对接井的对比 104
6.1 同轴套管换热技术的原理 104
6.2 数值建模与换热性能分析 104
6.3 同轴套管井和U型对接井换热性能对比 110
6.4 各种影响因素分析 113
6.5 小结 115
7 室内负荷模拟分析 116
7.1 概念解释及技术现状分析 116
7.2 不同能耗计算软件介绍与对比 118
7.3 室内负荷模拟分析 120
7.4 采暖热负荷特性分析 125
7.5 小结 130
8 中深层地热能供暖节能智能控制技术 131
8.1 全局性节能智能控制系统 131
8.2 示范项目工程设计方案 133
8.3 中深层地热能供暖系统节能智能控制技术 139
8.4 小结 145
9 工程案例及效果分析 147
9.1 U型对接井技术在鄂尔多斯盆地南缘的应用 147
9.2 深埋管管内外换热模型研究方法的应用 150
9.3 草滩生活基地空调EcR自控系统应用效果 152
9.4 钻井—换热—供暖一体化技术在草滩生活基地供暖项目的应用效果 154
9.5 小结 156
参考文献 157免费在线读1绪论
1.1研究背景和意义
1.1.1研究背景
能源是人类社会生存发展的重要物质基础，攸关国计民生和国家战略竞争力。随着我国经济发展和城镇化进程的加快，能源消费总量和能源消费强度逐渐成为经济社会发展的重要约束性指标。2016年12月，国家发展改革委、国家能源局联合印发的《能源发展“十三五”规划》指出，当前世界能源格局深刻调整，供求关系总体缓和，应对气候变化进入新阶段，新一轮能源革命蓬勃兴起。我国经济发展步入新常态，能源消费增速趋缓，发展质量和效率问题突出。地热能作为一种绿色低碳、能够持续利用的可再生能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，是一种现实可行且具有竞争力的清洁能源。加快开发利用地热能对调整能源结构、节能减排、改善环境具有重要意义。
十九大报告指出：加快建立绿色生产和消费的法律制度和政策导向，建立健全绿色低碳循环发展的经济体系。构建市场导向的绿色技术创新体系，发展绿色金融，壮大节能环保产业、清洁生产产业、清洁能源产业。推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系。
2019年3月5日，***总理在《政府工作报告》中指出，坚决打好蓝天保卫战。全面实施散煤综合治理，推进北方地区冬季清洁取暖，完成以电代煤、以气代煤300万户以上，全部淘汰地级以上城市建成区燃煤小锅炉。
2019年4月，陕西省人民政府办公厅发布《陕西省蓝天保卫战2019年工作方案》，指出西安咸阳地区具备条件的新建建筑全部采用地热能。
我国从20世纪70年代开始地热普查、勘探和利用，建设了广东丰顺等7个中低温地热能电站，1977年在西藏建成了羊八井地热电站。
20世纪90年代开始，北京、天津、保定、咸阳、沈阳等城市开展中低温地热资源供暖、旅游疗养、种植养殖等直接利用工作。21世纪初，热泵供暖（制冷）等地热能开发利用逐步加快。据中国地质调查局 2015年调查评价结果显示，全国336个地级以上城市浅层地热能年可开采资源量折合7亿tce1tce为1吨标准煤当量。；埋深在3000～10000m的干热岩资源量折合856万亿tce。由此可以看出，我国地热能储量十分丰富，尤其是埋深数千米以下的中深层部分地热能资源储量巨大，其应用前景广阔。
陕西省11市区已探明的浅层地热能折合6498万tce，可供暖面积达8.84亿m2；中深层地热资源主要分布在关中盆地，资源总量相当于4610亿tce，为全省探明煤炭资源总量的3.34倍；干热岩地热能主要分布在关中盆地和陕南秦巴山区。
2017年陕西省科学技术厅下达陕西省重点研发计划项目（工业领域）“陕西省关中地区中深层地热能采暖关键技术研究”（2017ZDXM-GY-075），本书主要作者为项目主要成员，主要以工程项目——陕煤地质草滩生活基地住宅楼供暖项目（以下简称草滩生活基地供暖项目）为依托，开展中深层地热钻探、换热、保水取热供热技术研究。通过依托草滩生活基地供暖项目的实施，探索和创新中深层地热能采暖技术的先进性，总结出适合关中地区应用地热能采暖技术中关键技术的难点，完成实验项目的供暖效果分析评价，并将研究的技术资料进行整理归库，逐步完善陕西省中深层地热能永久技术资料库。
本书部分作者承担了多项国家“十二五”“十三五”科技支撑计划项目、省部级科研项目及企业项目，开展了数十项中深层地热能供暖项目，研究了中深层地热能开发利用技术，参与了中深层地热能利用行业（地方）标准制定。
1.1.2研究意义
中深层地热钻井工艺、井下换热、高效供暖技术是《地热能开发利用“十三五”规划》中需要加强研发的关键技术，并被列为重点任务。2018年，陕西省提出了《陕西省铁腕治霾打赢蓝天保卫战三年行动方案2018—2020年》；2019年初，陕西省又提出了《陕西省蓝天保卫战2019年工作方案》，进一步明确了加快、加大应用地热供暖的指令性要求，指出“关中地区具备条件的新建建筑积极采用地热能供暖，西安市和西咸新区具备条件的新建建筑全部采用地热能。新建单体建筑面积2万平方米以上，有集中供暖制冷需求的，应采用地热能供暖制冷”。本项目的实现将为中深层地热能建筑供热系统提供设计规程支撑，有利于地热能资源高效利用的推广，有效解决目前供热过程中燃煤导致的城市污染问题，对改善北方城市冬季频发的雾霾问题及由此导致的市民健康问题具有重大意义。中深层地热能开发利用的主要任务如下。
（1）通过实施“保水取热”供热技术，有效解决中深层地热能利用中存在的抽水回灌、地面沉降、出水量逐年降低等问题，促进陕西省关中地区中深层地热能的开发利用快速发展。
（2）全面认识和掌握中深层地热井高效换热机理，优化其传热模型，提高其换热效能，解决中深层地热能利用中高效换热的一些基础性关键问题，从而正确指导中深层地热能开发利用，提高系统换热效能，保证系统安全可靠运行，降低系统能耗，有利于中深层地热能的良性发展和应用。
（3）通过依托项目的实施，探索和创新中深层地热能采暖技术的先进性，总结出适合关中地区应用地热能采暖的关键技术难点，为推进地热能产业化发展提供保障。
（4）通过钻井换热供暖一体化技术的应用，形成示范性推广项目，降低供暖运行费用，提升示范项目整体的供暖品质。可为中深层地热能采暖应用提供示范数据，为后期在市场上拓展相关项目提供示范效应。
（5）缓解区域能源供需矛盾，转变能源结构，节能减排，优化生态环境，治理雾霾，还人民群众蓝天白云，促进新能源产业的发展。
1.2国内外研究现状
地热能作为一种绿色低碳、能够持续利用的可再生能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，是一种现实可行且具有竞争力的清洁能源。加快开发利用地热能对调整能源结构、节能减排、改善环境具有重要意义。
世界地热能资源丰富，据国际能源署（International Energy Agency，IEA）研究报告显示，世界地热能基础资源总量为1.25×1027 J（折合 4.27×108亿tce），其中埋深在5000m以浅的地热能基础资源量为1.45×1026J（折合4.95×107亿tce）。地热资源主要分布在四个地热带：①环太平洋地热带。世界许多著名的地热田在这个地热带上，如美国的盖瑟尔斯、长谷、罗斯福，墨西哥的塞罗、普列托，新西兰的怀腊开，中国的台湾马槽，日本的松川、大岳等。②地中海—喜马拉雅地热带。建立世界**座地热发电站的意大利的拉德瑞罗地热田就位于这个地热带中。中国的西藏羊八井及云南腾冲地热田也在这个地热带中。③大西洋中脊地热带。冰岛的克拉弗拉、纳马菲亚尔和亚速尔群岛等一些地热田就位于这个地热带。④红海—亚丁湾—东非裂谷地热带。吉布提、埃塞俄比亚、肯尼亚等国的地热田在这个地热带上。
目前，全世界已有78个国家利用地热能进行供热，24个国家利用地热能发电。2005年以来，全球已建成超过160个地热能项目。截至2015年年底，开发利用浅层地热能的地源热泵总装机容量约为5万MW，占世界地热能直接利用总装机容量的71%左右，地源热泵安装台数与2010年相比增长51%，美国、瑞典、法国和瑞士等国家的浅层地热能产业发展较快。截至2015年年底，水热型地热能供暖装机容量为7556MW，占世界地热能直接利用总装机容量的10.7%，年利用量为 8.82×1016 J，与2010年相比增长44%，中国、土耳其、冰岛、法国和德国等国家的供暖规模较大。2015年世界水热型地热能发电装机容量为 12600MW，与 2010年相比增加 1700MW，增长16%；预计到2021年世界地热能装机总量将达到14.8～18.3GW，2030年世界地热能装机总量将达到30GW。
随着我国经济的快速发展和城镇化进程的加快，能源消费总量和能源消费强度逐渐成为经济社会发展的重要约束性指标。尽管经济增速放缓，我国的一次能源消费在2018年增长了4.3%，达2012年来**增速。经济发展和环境问题日益突出，促使我国的能源结构继续改进。
1.2.1中深层地热钻井技术研究现状
在20世纪初期，地热资源开始被人们用来洗浴、建筑供暖和工业发电。之后，各个国家开始进行地热能的开发利用研究。距今为止，全球已经有数个发达国家对深层地热资源的现场应用有了突破性进展，英国、法国、日本、德国、新西兰、澳大利亚等国家进行了发电试验，并取得了良好的效果。
在当前能源供给紧张、需求日益增加的形势下，我国雾霾现象频发给人们的生活健康造成严重影响，而地热能尤其是中深层地热能以清洁、可再生、储量丰富的优势在建筑供热中的应用受到关注。
通过钻井技术进行中深层地热能开发利用主要有两种方式：一种是直接换热方式［图1.1（a）］，该方法目前主要用于地热能发电领域，发展较成熟的是增强型地热系统（enhanced geothermal systems，EGS），美国能源部的定义是人工形成地热储层的方法，从深层低渗透性岩体（称为干热岩干热岩是指埋深2～6km，温度150～650℃，没有水或蒸汽的热岩体，可以人工直接提取出从岩体中流过的水蒸气而直接用于发电和热水利用，是可再生的“绿色能源” 赵阳升等，2008；赵金昌，2010；王淑玲等，2013）中经济地开采出深层地热能的人工地热系统许天福等，2012。增强型地热系统是通过往注入井中注水，经过人工技术产生的连通裂隙带，使水和干热岩接触加热，*后通过生产井返回地面形成一个闭式回路Chen and Jiang，2018。因此，这一技术的成功与否，主要取决于井间压裂作业的质量，即地下人工热储层的构造问题廖志杰等，2015。
图1.1中深层地热能开发利用技术②1ft=3.048×10-1m。
*早对干热岩进行研究的是美国的阿拉莫斯国家实验室，该实验室在美国新墨西哥州的芬顿山钻了**眼深井。随后在20世纪80年代，许多发达国家开始了对干热岩研究的热潮。1987年，法国、德国、英国共同开展了大规模的干热岩生产实验研究。其他国家，如瑞士、澳大利亚、新西兰、俄罗斯等也在90年代开始了干热岩的预研究与开发技术的准备工作。这一研究热点发展已长达40余年，虽然研究取得了一定进展，但存在着以下重要问题：①系统的建立会改变地下原有地质结构，可能引发微地震等不良后果；②目前仅应用于休眠火山或火山喷发区和高地温梯度地区，适用区域受限，对于某些地热梯度较低的地区，开发效果并不理想；③热电效率低，如芬顿山高温岩体地热开发中热电转换率仅为17%。
另一种中深层地热利用的方式为间接换热方式［图1.1（b）］，称为中深层地源热泵技术。和浅层地源热泵技术相比，该技术的地埋管换热器的长度可达3000mMogensen，1983。通过钻机向地下一定深度（2000～3000m）的高温岩体钻孔，在钻孔中安装一种密闭的金属套管换热器，提取地下深层热能，通过高温热泵技术向建筑供热。这种中深层地源热泵建筑供热技术采用间接换热的方法，不抽取地下水，因而不存在回灌及水处理等问题，并具有以下特点：①换热量大。与中深层高温岩土层换热，单井换热量较大，且占地面积小，适宜在我国北方城市中作为供热热源。②保护地下水和地热水资源。该技术通过在钻井中布置密闭换热器与岩体实现间接换热，不抽取地下水，没有尾水污染及回灌的问题。③无冷热平衡问题。中深层地源热泵供热技术是一种以地下数千米地热能为热源的新型供热技术，所利用的热能是由地球内部放射性元素发生衰变时产生的热量，具有可持续性，这种间接换热方式是本书的重点内容。
近年来，“保水取热”型间接换热技术是将石油和天然气、煤层气、页岩气等领域的新型钻探技术，应用于中深层地热能开发利用，在国内已有一些应用和进展。
2015年，陕西四季春清洁热源股份有限公司采用中深部地热能供暖技术已成功运行于西咸新区沣西新城同德佳苑小区等地，均采用
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