一种地热井井口温度计算方法与流程

本发明涉及一种井口温度计算方法，特别涉及一种地热井井口温度计算方法。

背景技术：

沉积盆地型地热田多为中低温地热田，井口温度一般较低，其井口温度对可利用能源的数量有着直接的影响，因而其值的确定在中低温地热系统评价中占有举足轻重的地位，完善井口温度的计算方法对沉积盆地型地热田的地热资源开发利用有重要的实际意义。井口温度一般受地温场的地温梯度、地热水在井筒中的流动速度以及地下岩石的导热系数的影响。其中地温梯度的高低决定是否有可利用的地热能，地热水流速较快、岩石热导率较低时，热量散失少，因而井口温度相应较高。

1.传统井口温度计算方法

依据管道工程中的舒霍夫公式：

tk＝t0+(th-t0)·e^a·l(1-1)

式中：

其中tk表示水的终点温度，℃；th表示水的起点温度，℃；t0表示管道周围的介质温度，℃；l表示管道长度，m；a为常数；g为水的质量流量，kg/s；c为水的比热，j/kg·℃；d为管道的外直径，m；k为管道的总传导系数，一般来讲。

其中α1为流体与管道内壁的内部放热系数；α2为管道外壁至周围介质的外部放热系数；δ为管道的壁厚；λ为管道壁的热导率。对于不保温的输热管道的总传热系数k近似等于2α。由于沉积盆地中的地热资源往往存在于油气田中，进行地热研究的井多数为油井，且多为水泥固井。水泥的热导率为1.43，与岩石接近，所以可以把它看做岩石的一部分，这样可以认为输水管道是不保温的，其总传热系数k近似等于2α，即k值近似等于管道外壁至周围介质的外部放热系数。

具有一定温度的水在井筒内向上流动过程中，井筒周围介质温度是(地温场温度)逐渐降低，即公式1-1中的t0是变化的，因而必须采用分段计算的办法，逐步向井口迭代。然而，这样建立的传热方程是在稳态条件下的虽然解决了从井底到井口热量损耗量的计算，但这种计算方法在反映井筒周围的瞬间温度场及井口温度随时间的变化过程还存在明显不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种地热井井口温度计算方法，考虑到需要在多层热储中对地热资源的混采，通过模型计算井口温度，可以很明显的反映井筒周围的瞬间温度场及井口温度随时间的变化过程，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种地热井井口温度计算方法，通过模型计算井口温度，计算步骤包括：

步骤1：根据已知地层温度计算地温梯度；

步骤2：计算总传热系数u及a值；

步骤3：由于水的比热随深度而变，故由浅至深逐步迭代计算至目标深度的流体温度；

步骤4：对于单产层而言，可直接迭代计算到井口，而对于多产层而言，首先把各单产层水的产量相加得到新的总产水量，然后根据水的比热、温度和产量参数值计算得到井口温度。

进一步地，计算井口温度为地下目的层位的地下温度，减去热水开采过程中在井筒中的热损失。

进一步地，根据热动态平衡原理，流体的热损失等于向水泥环传递的热量：

dq＝-w·cdt1(1-3)

式中：dq＝2πr³u(t1-t2)(-dz)。

进一步地，从水泥环向地层传导的热量可表示为：

其中te表示未受干扰的地温场温度：te＝a·(z-z^*)+b。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本地热井井口温度计算方法，考虑到需要在多层热储中对地热资源的混采，通过模型计算井口温度，根据已知地层温度计算地温梯度；计算总传热系数u及a值；由于水的比热随深度而变，故由浅至深逐步迭代计算至目标深度的流体温度；对于单产层而言，可直接迭代计算到井口，而对于多产层而言，首先把各单产层水的产量相加得到新的总产水量，然后根据水的比热、温度和产量参数值计算得到井口温度，可以很明显的反映井筒周围的瞬间温度场及井口温度随时间的变化过程。

附图说明

图1为本发明的地热井井身结构示意图；

图2为本发明的无限长径向系统的瞬时热传导图；

图3为本发明的井口温度计算流程。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种地热井井口温度计算方法，通过模型计算井口温度，计算井口温度，其实质问题是将地下目的层位的地下温度，减去热水开采过程中在井筒中的热损失。因此，计算的重点即为井筒的热损失(根据如图1所示的井筒结构，其中z表示深度，①为套管，②为地面，尖头为流体流动方向)，计算步骤包括：

步骤1：根据已知地层温度计算地温梯度；

步骤2：计算总传热系数u及a值；

步骤3：由于水的比热随深度而变，故由浅至深逐步迭代计算至目标深度的流体温度；

步骤4：对于单产层而言，可直接迭代计算到井口，而对于多产层而言，首先把各单产层水的产量相加得到新的总产水量，然后根据水的比热、温度和产量参数值计算得到井口温度，可以很明显的反映井筒周围的瞬间温度场及井口温度随时间的变化过程，计算流程见图3。

根据热动态平衡原理，流体的热损失等于向水泥环传递的热量：

dq＝-w·cdt1(1-3)

式中：dq＝2πr³u(t1-t2)(-dz)。

从水泥环向地层传导的热量可表示为：

其中te表示未受干扰的地温场温度：te＝a·(z-z^*)+b。

由公式(1-3、1-4)可建立如下方程：

式中：

对方程(1-5)积分可得：

其中，t0为在深度z0处水的温度，℃；t为深度z处水的温度，℃；z表示深度，m；z^*表示常温层深度，m；a为地温梯度，℃/m；b为常温层温度，℃；w为水的产量，kg/s；c为水的比热，j/kg·℃，λ为岩层热导率，w/(m·℃)；u为总传热系数，w/(m·℃)；f(t)为时间函数，见图2。

当t大于7天时，可用公式(1-7)计算：

其中α表示岩石的扩散系数，m²/s。

当日产量较大时，总传导系数：其中λ0表示水泥环的热导率，w/(m·℃)；r2、r3的选取见图1。当日产量较低时，需结合井筒中流体的密度、线速度及粘度进行计算，而由于产量降低，需综合分析该井是否仍有地热资源的开发利用价值。

根据图3所示，图中t为温度；z为深度；λ为岩石热导率；q为产水量；a、b、c分别为各产水层编号。对于a、b、c三层，已知za、ta、qa，计算到b层时的温度ta→b，得到ta→b层及qa，结合已知的zb、tb、qb，计算a、b层混合温度tab、水量qa+qb，然后计算a、b两层混合后到c层的温度tab→c，由tab→c层、qa+qb结合已知的zc、tc、qc，迭代至井口的温度t0，总水量q。

综上所述：本地热井井口温度计算方法，考虑到需要在多层热储中对地热资源的混采，通过模型计算井口温度，根据已知地层温度计算地温梯度；计算总传热系数u及a值；由于水的比热随深度而变，故由浅至深逐步迭代计算至目标深度的流体温度；对于单产层而言，可直接迭代计算到井口，而对于多产层而言，首先把各单产层水的产量相加得到新的总产水量，然后根据水的比热、温度和产量参数值计算得到井口温度，可以很明显的反映井筒周围的瞬间温度场及井口温度随时间的变化过程。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。