一种针对中深层地热井井间距的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种针对中深层地热井井间距的计算方法，步骤一，根据初始参数设置部分确定岩土热物性参数确定，根据实际井结构确定井尺寸，同时根据初始参数设置部分设置计算初值条件；步骤二，以套管开口端为坐标原点，依次确定各控制单元体中心点所在位置及具体坐标；并将所在区域岩土的热物性参数整理成随深度变化的函数，最终完成迭代条件设置；步骤三、迭代参数初始化设置及循环迭代求解；步骤四、循环迭代收敛判断并输出换热器运行过程中各时刻所对应的影响半径。为实际工程中多口地热井井间距提供设计参数，防止井间热干扰，实现地热井占地面积预测及取热量最大化。

【技术实现步骤摘要】
一种针对中深层地热井井间距的计算方法
本专利技术涉及换热器设计
，特别涉及一种针对中深层地热井井间距的计算方法。
技术介绍
随着能源问题的日益突出，清洁能源的利用越来越受到人们的重视。地热能作为一种清洁、可持续的能源，目前已经受到越来越广泛的利用。在使用地热井内地埋管换热器进行地热能利用的过程中，岩土的温度变化对换热器的性能有很大的影响。与此同时，换热器工作过程中对周围岩土初始温度场的影响范围也是影响多个地热井井间距的重要参考。因此对换热器的影响半径进行计算，防止井间热干扰，对于最大限度提高换热量，提高地热井的利用效率，具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种结构清晰、功能完善、方便修改的针对中深层地热井井间距的计算方法，为实际工程提供理论指导，本专利技术针对中深层地热井井间距的计算方法，是一种适用于采用计算机进行模拟的计算方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种针对中深层地热井井间距的计算方法，包含初始参数设置部分及计算部分；所述初始参数设置部分包括：获得地埋套管换热器尺寸参数和热物性参数以及换热器所在地点的地质参数；所述计算部分采用循环迭代的方式计算，具体步骤包括：步骤一，根据初始参数设置部分确定岩土热物性参数确定，根据实际井身确定中深层地埋换热器结构参数，同时根据初始参数设置部分设置计算初值条件；步骤二，根据实际管段长度，沿管道长度方向将管道整体划分为若干控制单元体，并确定各控制单元体所在位置及具体坐标；并将所在区域岩土的热物性参数整理成随深度变化的函数，最终完成迭代条件设置；步骤三、迭代参数初始化设置及循环迭代求解：对t时刻井内换热器中流动的工质以及热量在换热器内部和周围岩土中的传递逐段进行参数计算和控制方程的离散及求解，得到每段对应的所求解物理量的值及t时刻下换热器的影响半径值，即受到换热器换热过程影响的最远处岩土所在位置；得到计算结果后，将所得结果与t-1时刻迭代结果的对应物理量结果值进行比较，若二者的差值小于所述用于判断误差的小量，则所得到的物理量的值即为t时刻当前控制单元体下满足要求的结果；否则对当前迭代次数进行判断，若所述迭代次数小于预先设定的最大迭代次数，则继续进行下一轮迭代计算；当计算时间达到要求后，计算结束，所有影响半径输出结果即为换热器整个运行周期中，影响半径随时间的变化情况；步骤四、循环迭代收敛判断并输出换热器运行过程中各时刻所对应的影响半径。作为本专利技术的进一步改进，初始参数设置部分具体包括：获得井内换热器所拥有的不同结构管段的管段数、各管段自身的长度以及相应的内管内径、内管外径、外管内径、外管外径以及内外管热物性参数；获得地热井所在地点的地质参数，包括岩层主要成分、地温梯度、导热系数、比热容、密度及含水层分布。作为本专利技术的进一步改进，步骤一中，所述岩土热物性参数确定的具体方法为：通过现场实测或地质资料的方式获得地热井所在区域的各项参数，并将这些参数整理为随深度变化的函数。作为本专利技术的进一步改进，步骤一中，中深层地埋换热器结构参数包括深度、内外径及材料热物性；计算初值条件包括入口工质温度、工质流量、管道尺寸及岩土热物性参数。作为本专利技术的进一步改进，步骤二中，确定各控制单元体位置坐标的方法为：根据实际管段长度，确定总计算管段数及相邻控制单元体的长度之比，根据所述管段数及长度比例对井内换热器进行分段，并以套管开口端为坐标原点，依次确定各控制单元体中心点所在位置及具体坐标。作为本专利技术的进一步改进，步骤三中，循环迭代求解的具体步骤为：首先设置迭代条件，迭代运行周期总时长即为所需计算换热器的总运行时间，时间步长根据总体计算时间及计算精度综合考虑，最终通过优化后确定，在保证精度的前提下缩短计算时间；然后进行迭代参数初始化设置，包括初始岩土温度、迭代计算最大循环次数、总计算时长、时间步长、用于判断误差的小量的设置，以及井内换热器工质温度、压力及流速的初始值设置。作为本专利技术的进一步改进，步骤三具体步骤为：a、根据工质温度计算当前t时刻流体的热物性参数；b、从初始时刻第一个控制单元体开始进行求解，获得当前控制单元体的总热阻，并根据温差求解局部换热量，离散并求解连续性方程，得到当前控制单元体t时刻的流速值；c、求得当前控制单元体的内外管径比、雷诺数，并根据经验公式求解摩擦因数和阻力损失，离散并求解动量方程，得到当前控制单元体t时刻的压力值；d、求得当前控制单元体的环间流、外管管壁及周围岩土构成的总热阻，离散并求解能量方程，得到当前控制单元体t时刻的温度值；e、根据所得结果计算岩土热扩散系数，并根据系统总运行时间和经验关联式计算t时刻下换热器的影响半径；f、计算所得流速、压力、温度与t-1时刻的计算值之差并与预先给定的用于判断误差的小量进行比较；g、判断计算精度是否达到要求，若f中二者差值小于所述用于判断误差的小量，则说明本轮迭代结果的计算精度已达到要求，此时所得到的各控制单元体工质的温度、压力、流速及换热量即作为t时刻下当前控制单元体的计算结果，否则继续进行迭代计算，直至结果满足要求；h、判断当前控制单元体是否为最终控制单元体，若不是，则继续进行下一控制单元体的计算，直至所有控制单元体计算完毕；否则t时刻计算完毕，将t时刻影响半径结果的输出；i、判断t时刻是否达到预先设定值，若已达到，则计算结束；否则继续进行t+1时刻的计算，直至达到预先设定时间长度；j、所得各个时层下的影响半径值即为换热器在整个运行周期中，影响半径的变化情况。8.根据权利要求7所述的针对中深层地热井井间距的计算方法，其特征在于，步骤e中，经验关联式为：其中T为计算点位置的岩土温度，T∞为远边界未受影响的岩土温度，Tb为井壁面处温度，erfc(x)＝1-erf(x)为误差函数，x为计算点的位置坐标，α为热扩散系数，t为运行时间，h为表面对流传热系数，k为岩土导热系数。作为本专利技术的进一步改进，步骤四具体为：当所述循环迭代计算收敛判断完成后，且计算时长达到预先设定时长后，各个时间点的计算过程中所得到的影响半径的集合即为换热器运行过程中各时刻所对应的影响半径。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术基于传热学的导热及对流规律，根据实际工程中所采用的地热井参数以及当地岩土的热物性参数，应用经验关联式与数值计算方法相结合的方式，对超大管长——管径比的地热井内换热器换热过程以及热量在不同热物性岩土中的扩散情况进行模拟计算，从而了解运行过程中不同运行参数下换热器的取热过程对岩土温度场的影响情况，获得不同时刻不同运行工况下的影响半径(即换热器的存在对岩土初始温度场的最远影响范围)，采用循环迭代结合数值计算的方法，在工程实施前对地热井内换热器的运行情况进行模拟计算，提前掌握换热器取热过程中对周围岩土温度场分布的影响，着重了解影响半径的大小，从而为实际工程中多个地热井的井间距设计提供参考，以期达到更好的经济效益。根据本专利技术的计算方法，当井内换热器的尺寸参数及地点发生改变时，只需要更改参数设置部分，即可通过计算得到所需要的影响半径、岩土温度分布等物理量，而不需要改变计算部分，从而大大节省了计算时间。所得结果能够为地热井井间距的选取提供参考，有助于节约工程成本，提高地热井的运行效率，获得更高的经济效益。根据本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对中深层地热井井间距的计算方法，其特征在于，包含初始参数设置部分及计算部分；所述初始参数设置部分包括：获得地埋套管换热器尺寸参数和热物性参数以及换热器所在地点的地质参数；所述计算部分采用循环迭代的方式计算，具体步骤包括：步骤一，根据初始参数设置部分确定岩土热物性参数确定，根据实际井身确定中深层地埋换热器结构参数，同时根据初始参数设置部分设置计算初值条件；步骤二，根据实际管段长度，沿管道长度方向将管道整体划分为若干控制单元体，并确定各控制单元体所在位置及具体坐标；并将所在区域岩土的热物性参数整理成随深度变化的函数，最终完成迭代条件设置；步骤三、迭代参数初始化设置及循环迭代求解：对t时刻井内换热器中流动的工质以及热量在换热器内部和周围岩土中的传递逐段进行参数计算和控制方程的离散及求解，得到每段对应的所求解物理量的值及t时刻下换热器的影响半径值，即受到换热器换热过程影响的最远处岩土所在位置；得到计算结果后，将所得结果与t‑1时刻迭代结果的对应物理量结果值进行比较，若二者的差值小于所述用于判断误差的小量，则所得到的物理量的值即为t时刻当前控制单元体下满足要求的结果；否则对当前迭代次数进行判断，若所述迭代次数小于预先设定的最大迭代次数，则继续进行下一轮迭代计算；当计算时间达到要求后，计算结束，所有影响半径输出结果即为换热器整个运行周期中，影响半径随时间的变化情况；步骤四、循环迭代收敛判断并输出换热器运行过程中各时刻所对应的影响半径。...

【技术特征摘要】
1.一种针对中深层地热井井间距的计算方法，其特征在于，包含初始参数设置部分及计算部分；所述初始参数设置部分包括：获得地埋套管换热器尺寸参数和热物性参数以及换热器所在地点的地质参数；所述计算部分采用循环迭代的方式计算，具体步骤包括：步骤一，根据初始参数设置部分确定岩土热物性参数确定，根据实际井身确定中深层地埋换热器结构参数，同时根据初始参数设置部分设置计算初值条件；步骤二，根据实际管段长度，沿管道长度方向将管道整体划分为若干控制单元体，并确定各控制单元体所在位置及具体坐标；并将所在区域岩土的热物性参数整理成随深度变化的函数，最终完成迭代条件设置；步骤三、迭代参数初始化设置及循环迭代求解：对t时刻井内换热器中流动的工质以及热量在换热器内部和周围岩土中的传递逐段进行参数计算和控制方程的离散及求解，得到每段对应的所求解物理量的值及t时刻下换热器的影响半径值，即受到换热器换热过程影响的最远处岩土所在位置；得到计算结果后，将所得结果与t-1时刻迭代结果的对应物理量结果值进行比较，若二者的差值小于所述用于判断误差的小量，则所得到的物理量的值即为t时刻当前控制单元体下满足要求的结果；否则对当前迭代次数进行判断，若所述迭代次数小于预先设定的最大迭代次数，则继续进行下一轮迭代计算；当计算时间达到要求后，计算结束，所有影响半径输出结果即为换热器整个运行周期中，影响半径随时间的变化情况；步骤四、循环迭代收敛判断并输出换热器运行过程中各时刻所对应的影响半径。2.根据权利要求1所述的针对中深层地热井井间距的计算方法，其特征在于，初始参数设置部分具体包括：获得井内换热器所拥有的不同结构管段的管段数、各管段自身的长度以及相应的内管内径、内管外径、外管内径、外管外径以及内外管热物性参数；获得地热井所在地点的地质参数，包括岩层主要成分、地温梯度、导热系数、比热容、密度及含水层分布。3.根据权利要求1所述的针对中深层地热井井间距的计算方法，其特征在于，步骤一中，所述岩土热物性参数确定的具体方法为：通过现场实测或地质资料的方式获得地热井所在区域的各项参数，并将这些参数整理为随深度变化的函数。4.根据权利要求1所述的针对中深层地热井井间距的计算方法，其特征在于，步骤一中，中深层地埋换热器结构参数包括深度、内外径及材料热物性；计算初值条件包括入口工质温度、工质流量、管道尺寸及岩土热物性参数。5.根据权利要求1所述的针对中深层地热井井间距的计算方法，其特征在于，步骤二中，确定各控制单元体位置坐标的方法为：根据实际管段长度，确定总计算管段数及相邻控制单元体的长度之比，根据所述管段数及长度比例对井内换热器进行分段，并以套管开口端为坐标原点，依次确定各控制单元体中心点所在位置及具体坐标。6.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：金立文，贾国圣，蔡志强，赵民，孟祥兆，张联英，崔鑫，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61