干热岩热能重力热管采热系统数值模拟研究与经济性分析

黄文博，曹文炅，李庭樑，4，蒋方明

（1 中国科学院广州能源研究所先进能源系统研究室，广东广州510640； 2 中国科学院可再生能源重点实验室，广东广州510640； 3 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广东广州510640； 4 中国科学院大学，北京100049）

引 言

储量丰富的干热岩型地热资源是近年来国内外地热能开发利用研究的重点[1]。但是，作为目前开采干热岩的主流方式，增强型地热系统（enhanced geothermal system, EGS）却存在循环工质损失大、管道结垢腐蚀严重、井下连通困难和投资成本过高且风险大等问题[2]。

在这个背景下，一些研究者开始考虑采用井下换热器（downhole heat exchanger，DHE）系统来开采干热岩地热能。DHE 系统通过在地热井中设置一个由U 形管或套管组成循环系统，进而利用流体工质在管内的流动持续从井中开采热能。由于DHE系统的流体工质循环过程完全封闭，从根本上杜绝了管道的腐蚀和结垢，以及工质损失等问题。并且DHE 系统为单井采热，无须进行井下连通，可以很方便地建立在废弃的石油和天然气井口，从而大幅减少了钻井费用，降低项目投资风险。一些研究者已经对使用DHE 系统来开采干热岩热能的方案展开了实验和理论研究[3-8]。例如，Kohl 等[4]研究了置于一个深度为2302 m 的废弃油井中的井下换热器地热的采热性能，运行过程中其采热功率受到循环流量的影响，在40～200 kW 范围变化。Bu 等[6]对井下换热器的运行过程进行了模拟计算，结果表明当地温梯度为45℃/km，深度为4000 m 时，井下换热器的采热量可达800 kW，净发电量可达52 kW。……