摘要：【目的】为提高浅层地热能利用效率,亟须对影响地源热泵系统性能的地埋管换热器结构和控制开展优化设计。【方法】建立了一种竖进平出型地埋管群换热器模型,研究其换热系统性能,探究其最佳结构及运行方式。【结果】管群布置横纵比越低,单位面积换热量越大,横纵比超过0.15后对系统影响较小;换热器间距越小,土壤利用率越高,但热短路损失越大;双列双出型埋管每延米换热量相较于双列单出型结构提升7%以上;负荷较大工况下叉排布置结构的换热效果更好;整个夏季优化结构的平均出口温度下降2.28℃,换热器周围土壤温度下降1℃以上;实际运行过程中应优先考虑采用流速随负荷变化控制模式。【结论】研究结果可为地源热泵换热器的设计、制造提供理论依据。

摘要：融合水平和竖直埋管换热器结构优点,设计了一种竖进平出型地埋管群增强换热系统,以成都某实验室为例建立浅层地热利用系统模型,研究负荷工况下其换热性能,探究了管间距、流量、土壤性质、环境温度、运行模式、地下水渗流对系统换热性能的影响。结果表明:相较于传统埋管结构,竖进平出埋地管群换热性能可提升65%以上;增大土壤利用率和减小热影响是影响强化换热的关键因素;间歇运行有利于提升系统换热量;浅层热泵系统受环境影响较大,夏季环境温度增加5◦C系统换热量下降约20%;当回填材料导热系数从1.2 W·m^(−1)·K^(−1)增至2.4 W·m^(−1)·K^(−1)时,系统换热量提高32%;系统换热量随渗流速度增大而增大,横向渗流方向换热量小于纵向,且相较于无渗流情况换热量分别提高14.8%和22.4%。

摘要：聚晶金刚石复合片(PDC)钻头在非均质、研磨性强的复杂地层存在破岩效率低、使用寿命短的问题,现有研究普遍孤立看待PDC齿的寿命和破岩效率。为此,根据PDC齿的攻击性能、受力状态及破岩效率间的关系,以2种花岗岩为研究对象,建立了非均质花岗岩的有限元模型,然后对3种PDC齿(锥形齿、鞍形齿和圆形齿)切削破碎非均质花岗岩的破岩效率的影响因素进行了研究,最后对3种齿的破岩性能进行了评价,对切削倾角进行了优选,最终提出一种评价PDC齿破岩性能的新方法。研究结果表明:①岩石细观矿物成分、强度、尺寸和含量会影响破岩效率,岩石的细观平均强度和岩石矿物泊松比的增加均会降低破岩效率;②围压的增加会降低齿的破岩性能,3种齿形的破岩性能从大到小排序为锥形齿、鞍形齿和圆形齿,且不受围压与切削倾角的影响;③当切削深度为1 mm,且仅考虑切削作用时,鞍形齿最优切削倾角范围为10°~15°,锥形齿的切削倾角优选范围为5°~10°,圆形齿的推荐切削倾角范围为0°~5°。结论认为,破岩性能评价新方法综合考虑了PDC齿的破岩效率、几何形状及其受力状态,能充分体现PDC齿的能耗经济性、寿命经济性及其切削参数的攻击特性差异,可为PDC齿形设计和参数优化提供新思路和新依据。

摘要：随着石油、天然气、地热等资源勘探开发钻井深度的不断增加,传统的机械钻井方式表现出效率低、能耗高等缺点,难以满足深层、超深层钻探的需要。为此,在系统梳理和总结高压电脉冲破岩机理、放电破岩类型和电脉冲钻进原理的基础上,开展了高压电脉冲破岩过程中的电学结构参数、岩石特征参数和电极结构参数对高压电脉冲破岩效率的影响研究,并探讨了电脉冲钻井技术的发展趋势与研究方向,最后提出了一种电脉冲—机械复合高效破岩新技术。研究结果表明:①高压电脉冲破岩过程的电学参数对破岩效率有显著影响;②岩石内部裂缝、裂隙倾角和裂隙度同样会直接影响高压电脉冲破岩效率;③电极钻头结构设计需结合其在井底处流场分布并考虑高温烧蚀因素;④复合钻头将高压电脉冲破岩技术与机械旋转钻井技术相结合,既保留了机械钻头修整井壁质量的能力,又加入了电极钻头高效的破岩能力,保证其在硬岩地层的长时间钻进,大大提高了钻井效率。结论认为,高压电脉冲破岩技术作为一种新型高效破岩技术,其合理使用可为钻井提速技术创新提供有益参考,其与机械钻井相复合的新型钻井技术能够实现深部难钻地层和干热岩地层的高效低成本钻井。

摘要：开采干热岩地热资源大多都需要在硬度大、研磨性强、可钻性差、温度高的地层中钻井,PDC钻头的合理布齿是提高破岩效率的关键。为了给干热岩钻井用PDC钻头的设计提供参考,基于弹塑性力学和岩石力学,以Drucker-Prager准则作为岩石的强度准则,建立了PDC切削齿动态破岩的三维数值仿真模型,研究了60 MPa围压条件下切削深度、温度、后倾角、切削速度对PDC切削齿破岩效率的影响以及影响机理。研究结果表明:①PDC切削齿以0.5 m/s的速度切削岩石,PDC切削齿(后倾角5°～25°)的破岩比功随切削深度的增加而减小,随温度的增加呈现出先增大后减小的趋势,临界温度为200℃;②PDC切削齿以0.5 m/s切削速度切削岩石,PDC齿(切削深度1～3 mm)的破岩比功随后倾角增加呈现出先减小后增大的趋势,最优破岩后倾角为20°;③岩石温度处于20～300℃的范围内,PDC齿以后倾角5°进行破岩,破岩比功随切削速度的增加而增大,任意切削速度下,破岩比功随切削深度的增加而减小。结论认为:在干热岩钻井中,采用浅内锥、大冠顶、长外锥的钻头外形结构,增加冠顶处布齿密度、降低中心处布齿密度、20°后倾角,可以释放岩石围压、均匀切削齿磨损、增加切削深度、降低破岩比功、提高钻井效率。

摘要：高压电脉冲钻井技术目前已成为一种新型高效的岩石破碎方法,同时也是目前钻井提速领域的研究热点。为了推动高压电脉冲的破岩机理研究,建立了单对电极破碎红砂岩的多物理场耦合电击穿二维数值模型,通过电流场、电击穿场和电路场的耦合再现均质红砂岩中等离子体通道的产生,分析了电极倾角、电压、电极间距对岩石电击穿(岩石内部等离子体通道的形成)的影响规律。研究表明:等离子体通道由靠近放电电极顶端局部区域开始萌生,并朝着岩石局部介电强度薄弱处发展;随着加载脉冲电压值的增大,电击穿发生时刻逐步降低,岩石模型的等效失效体积逐渐增大;在保证岩石能被电击穿的前提下,增大电极间距能提高高压电脉冲的破岩效率;放电电极的电极倾角逐步增大的过程中,岩石等效失效体积出现明显的波动,其极值多数出现在电极倾角35°~55°的范围之内。为了进一步推动高压电脉冲破岩的工业化应用,在二维模型基础上构建了红砂岩的多物理场耦合动态电击穿三维数值模型,再现了电极钻头破岩过程中岩石内部破碎坑的状貌;与此同时,选用自主设计的同轴型电脉冲钻头开展了电击穿室内实验,电击穿室内实验结果与仿真实验结果相互印证。

摘要：增强型地热开发系统作为开发干热岩地热资源的一种有效手段,其合理的结构设计对于实现干热岩的有效开采至关重要。为此,基于传统的双井开发模型,设计出了一种多分支井增强型地热开发系统(包含1个低渗透性热储、3口注入分支井、3口生产分支井和3条人工裂隙),采用局部热平衡法建立了三维水热耦合数值评价模型,通过裂隙流传热Lauwerier解析理论验证了该模型的精确性和可靠性;进而基于热采过程中储层内部水岩耦合机制,探究了储层参数、布井参数和注采参数对该开发系统产热性能的影响。研究结果表明:①多分支井开发系统裂隙中的冷锋“侵岩效应”比岩体基质中更强,增大储层渗透率虽然可以提高内部换热效果,但也增强了冷锋侵透性;②系统年取热量随运行时间推移而逐渐降低、随注入温度升高而降低、在运行前期随储层渗透率增大而增大,但当热突破完成后其值下降明显;③系统热提取率、生产质量流率受储层孔隙度、注入温度的影响较小,但随注采井垂距的增大而降低;④生产温度随储层渗透率的增大而下降幅度较大、随储层孔隙度的增加而升高,但随注采井垂距的降低而降低;⑤增加生产井长度可以提高前期运行系统的产热性能,提高注采压差在一定程度上可以增强系统的采热能力,但过高的压差会严重影响储层的使用寿命。

摘要：由于深部地层温度高、井下环境十分恶劣,高温地热井钻井施工过程中所使用的三牙轮钻头普遍存在着掉齿的现象,给钻头的寿命和单趟进尺都带来了非常不利的影响,因而亟待开展适应高温地热井钻井的钻头固齿力学和钻头延寿方面的研究。为了解决高温地热井钻井过程中的三牙轮钻头掉齿问题,基于实验分析和数值模拟,开展了三牙轮钻头固齿强度研究,研制了个性化的三牙轮钻头新产品并进行了现场应用。研究结果表明:(1)在同等齿型直径及固齿过盈量参数条件下,180℃高温环境下固齿强度下降幅度介于14.7%~83.3%;(2)切削齿直径和镶齿过盈量对于三牙轮钻头固齿强度的影响十分显著,增加齿孔间接触面积及优化镶齿过盈量能够有效提高齿孔对切削齿的固紧力;(3)新产品在东非大裂谷OLKARIA区块地热资源钻探现场应用的效果表明,该新钻头能够有效地防止高温地热钻井钻头掉齿、提高综合破岩效率、降低钻井成本。结论认为,该研究成果对于我国青海、西藏及海南等省区高温地热井钻井用钻头设计与应用具有重要的参考价值。