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申请/专利权人：河南豫中地质勘查工程有限公司;中国石油大学(华东)

摘要：本发明涉及地热供暖技术领域，具体公开了一种用于U型地热井的井下强化换热系统及优化方法，换热系统包括下降段、水平取热段、上升段，水平取热段包括传统水平段和强化换热水平段，强化换热水平段包括短节与套管，短节包括短节套管以及短节套管内壁上的强化换热单元，强化换热单元为向内的凸起；优化方法结合具体储层情况，以储层温度恢复速率和抑制热不平衡为目标，采用数值模拟技术优化强化换热水平段长度等数据。本发明增强了采暖季期间井筒流体与周围储层之间的换热过程，同时又能通过强化换热短节的合理布置来调节水平段周围储层的热不平衡问题、最大可能实现停暖季期间水平段周围储层温度的均匀恢复。

主权项：1.一种用于U型地热井的井下强化换热系统的优化方法，其特征在于，所述系统包括下降段（101）、水平取热段、上升段（104），所述的水平取热段包括传统水平段（102）和强化换热水平段（103），所述的传统水平段（102）的首端与下降段（101）连接，所述的传统水平段（102）的尾端与强化换热水平段（103）的首端连接，所述的强化换热水平段（103）的尾端与上升段（104）连接，所述的强化换热水平段（103）包括n根短节和m根强化换热套管，其中n≥1，m≥1，且所述的短节与强化换热套管交错分布，所述的短节包括短节套管以及短节套管内壁上的强化换热单元（601），所述的强化换热单元（601）为向内的凸起；所述下降段（101）采用注水泥固井套管完井，下降段套管为高导热套管；所述传统水平段（102）采用注水泥固井套管完井，传统水平段套管为高导热套管；所述强化换热水平段（103）采用注水泥固井套管完井，强化换热水平段所用的短节套管和强化换热段套管为高导热套管；所述上升段（104）采用注水泥固井套管完井，上升段套管为保温套管；所述优化方法，包括以下步骤： Z1：收集研究地热储层的岩石物性参数、岩石热学参数、地温梯度、储层温度、储层深度、井身轨迹设计参数、下降段套管尺寸、下降段套管热学参数、传统水平段套管尺寸、传统水平段套管热学参数、强化换热段套管尺寸、强化换热段套管热学参数、上升段套管尺寸、上升段套管热学参数、短节套管尺寸、短节套管热学参数、水泥环尺寸、水泥环热学参数、短节长度、短节强化换热单元（601）的形状及几何参数、取热工作介质及取热工作介质的热学参数基础数据； Z2：选定一种短节和强化换热套管的分布方式，所述的短节和强化换热套管的分布方式为每间隔x根短节设置y根强化换热套管，所述的x、y均为正整数； Z3：选定一种短节的强化换热单元（601）的形状、几何参数，强化换热单元的形状为向内凸起的任何几何形状； Z4：选定一种短节的强化换热单元（601）的布置方式，所述的强化换热单元（601）的布置方式包括：第一种，强化换热单元（601）的布置方式为所述的强化换热单元（601）在短节套管内按照同一平面周向方式分布，同一平面周向上的强化换热单元构成一个强化换热单元组，一个短节套管内设置有多个沿轴向分布的强化换热单元组；每个短节包含的强化换热单元组的数量至少为3组，每个强化换热单元组包含的强化换热单元（601）数量至少为4个；第二种，强化换热单元（601）的布置方式为所述的强化换热单元（601）在短节套管内按照螺旋方式分布，一个螺圈内的强化换热单元构成一个强化换热单元组，每个短节的强化换热单元（601）的螺圈数不少于3圈； Z5：选定一个强化换热水平段（103）长度Lh，根据水平段入口端（201）和水平段出口端（202）之间的距离确定剩余的传统水平段（102）长度Lt； Z6：利用COMSOL多场耦合数值模拟软件，建立储层和井筒耦合的物理模型以及数值计算模型，并给相关参数赋值； Z7：以设定的系统运行期限、每年供暖时间为4个月、每年停暖的储层温度恢复时间为8个月设置模型计算时间参数，给定一个固定的工作介质注入量，运行储层和井筒耦合的数值计算模型，统计设定的系统运行期限末的累积产热量、储层平均温度以及抑制热不平衡程度；所述的储层平均温度是指水平段周围设定半径范围内的储层温度的算术平均值，所述的抑制热不平衡程度为水平段周围设定半径范围内的储层温度的方差； Z8：依次重复步骤Z5、步骤Z4、步骤Z3、步骤Z2，得到一系列不同短节和强化换热套管的分布方式、不同强化换热单元形状和几何参数、不同强化换热单元布置方式以及不同强化换热水平段长度情况下的多个物理模型方案，将各个物理模型方案分别重复步骤Z6和Z7，得到对应的数值模拟方案结果； Z9：采用最大最小归一化方法对各个数值模拟方案得到的设定的系统运行期限末的累积产热量、储层平均温度以及抑制热不平衡程度分别进行归一化处理，然后采用权重方法计算各个数值模拟方案的综合得分，确定综合得分最高的数值模拟方案即为最优的传统水平段（102）长度Lt与强化换热水平段（103）长度Lh以及短节和强化换热套管的分布方式、短节的强化换热单元的形状和几何参数、短节的强化换热单元的布置方式；所述的最大最小化归一化方法进行处理的方法按照公式（E1）进行计算， （E1）式（E1）中，xmax为某一类参数的最大值，xmin为某一类参数的最小值，xi为某一类参数中第i个待处理参数的数值，Xi为某一类参数中第i个待处理参数的归一化结果；所述的某一类参数为累积产热量、储层平均温度、抑制热不平衡程度中的一种；所述的权重方法是将每个数值模拟方案得到的设定的系统运行期限末的累积产热量、储层平均温度以及抑制热不平衡程度进行归一化处理后得到的数值分别乘以权重值w1、w2和w3，然后相加得到综合得分；所述的权重值w1、w2和w3分别在0到1之间，w1、w2和w3三者之和等于1。

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