一种针对中深层地热井井间距的计算方法

摘要

本发明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。

权利要求

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，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；

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。

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。

7.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。

8.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。

说明书

一种针对中深层地热井井间距的计算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及换热器设计技术领域，特别涉及一种针对中深层地热井井间距的计算方法。

背景技术

[0002] 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。

发明内容

[0003] 本发明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，本发明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。

[0004] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0005] 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；

[0006] 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；

[0007] 所述计算部分采用循环迭代的方式计算，具体步骤包括：

[0008] 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；

[0009] 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；

[0010] 步骤三、迭代参数初始化设置及循环迭代求解：

[0011] 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；

[0012] 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；

[0013] 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；

[0014] 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。

[0015] 作为本发明的进一步改进，初始参数设置部分具体包括：

[0016] 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。

[0017] 作为本发明的进一步改进，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。

[0018] 作为本发明的进一步改进，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。

[0019] 作为本发明的进一步改进，步骤二中，确定各控制单元体位置坐标的方法为：

[0020] 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。

[0021] 作为本发明的进一步改进，步骤三中，循环迭代求解的具体步骤为：

[0022] 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。

[0023] 作为本发明的进一步改进，步骤三具体步骤为：

[0024] a、根据工质温度计算当前t时刻流体的热物性参数；

[0025] 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；

[0026] 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；

[0027] 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；

[0028] 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；

[0029] 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；

[0030] 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；

[0031] 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；

[0032] 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；

[0033] 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。

[0034] 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：

[0035]

[0036] 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。

[0037] 作为本发明的进一步改进，步骤四具体为：

[0038] 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。

[0039] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0040] 本发明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。根据本发明的计算方法，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。根据本发明的实施方式，在进行所述地热井内换热器计算的过程中，无需对计算过程进行调整改变，仅需根据不同地点、不同换热器结构、不同的系统运行方式，对初始参数中的换热器参数及当地岩土热物性参数随深度的变化情况进行设置即可，因此本发明对于该类套管式换热器具有普适性，能够指导实际工程的进行，起到事先预估井间距，提高经济性的作用。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。

附图说明

[0041] 图1为本发明的所针对的地热井运行过程的示意图。

[0042] 图2为本发明所针对的多井运行工况示意图。

[0043] 图3为本发明的计算方法的计算流程图。

[0044] 其中，1为水泵，2为热泵机组，3为地埋套管式换热器，4为控制单元体。

具体实施方式

[0045] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0046] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施情况做进一步的说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

[0047] 图1位所针对的地埋套管式换热器的系统示意图，管道内的工质由水泵驱动，由地上热泵机组输送至地埋套管式换热器的外管内，在完成与周围岩土的换热过程后，由所述地埋套管式换热器内管流出，回到热泵机组，经由该过程为热泵机组提供所需的高温工质。

[0048] 图1为所针对的地热井运行过程的示意图，管道内的工质由水泵驱动，由地上热泵机组输送至地热井内换热器的外管中，在完成与周围岩土的换热过程后，由所述井内式换热器内管留出，回到热泵机组，经由该过程为热泵机组提供所需的高温工质。周围岩土温度随运行时间逐渐变化。

[0049] 图2为本发明所针对的多井运行工况示意图，当两口取热井同时工作时，二者的换热器从土壤中吸收热量，从而降低周围岩土温度。若两口地热井间距过近，则有可能导致二者相互影响，产生井间热干扰并大幅度降低取热效率。

[0050] 图3为针对中深层地热井井间距的计算方法的流程图。完成该计算总共有两个步骤，分别为初始参数的确定以及迭代计算部分。而迭代计算部分包括计算参数设置部分、循环迭代求解部分以及循环迭代计算收敛判断部分。

[0051] 所述初始参数设置的具体方法为：确定计算所需的初始参数，包括所研究井内式换热器的尺寸参数、材料的热物性参数，以及换热器所在地点岩层的主要成分及含水层的分布情况，岩土的温度梯度、密度、比热、导热系数等热物性参数随深度的变化情况，并将它们整理成随深度变化的函数。

[0052] 所述迭代计算部分的具体步骤为：

[0053] a、由工质温度及工质的物性参数随温度的变化规律，计算当前时刻(t时刻)工质的热物性参数，包括密度、比热容、导热系数及粘性；

[0054] b、根据所述井内式换热器所在地点的地温梯度及地质情况，计算岩土的热物性参数，包括密度、比热容及导热系数；

[0055] c、根据所采用套管的热物性、尺寸及周围岩土热物性等参数，得到进行控制方程求解所需的t时刻当前控制单元体的热阻、雷诺数、内外管径比、摩擦阻力损失等物理量；

[0056] d、将连续性方程、动量方程和能量方程进行离散，并用c中所计算出的物理量进行求解，得到流速、压力、温度的值；

[0057] 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；

[0058] 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；

[0059] g、判断计算精度是否达到要求，若f中所述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、流速及换热量即可作为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；

[0060] 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；

[0061] 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。

[0062] 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。

[0063] 所述循环迭代计算收敛判断的方法为：t时刻下循环迭代计算完成后，对已进行的计算时长进行判断。若计算时长尚未达到所述预先设置总时间长度，则计算时长增加一个时间步长，继续进行t+1时刻的迭代计算；否则说明已经完成所述预先设置的计算总时间长度，此时所得的结果即为最后时刻的计算值，与前述所有时刻的结果一并组成整个时间段的计算结果。

[0064] 如上所述，根据本发明的实施方式，在进行所述地热井内换热器计算的过程中，无需对计算过程进行调整改变，仅需根据不同地点、不同换热器结构、不同的系统运行方式，对初始参数中的换热器参数及当地岩土热物性参数随深度的变化情况进行设置即可，因此本发明对于该类套管式换热器具有普适性，能够指导实际工程的进行，起到事先预估井间距，提高经济性的作用。

[0065] 本发明针对中深层地热井井间距的计算方法，原理分析如下：

[0066] 将整个计算分为初始参数设置部分及计算部分，所述初始参数设置部分中对地热井区域岩层导热系数、地温梯度、密度、比热等热物性随深度的变化、岩层主要成分及含水层分布情况，以及井内换热器尺寸、材料导热系数进行确定，为计算部分提供所需的外界参数。

[0067] 为实现上述目的，所述计算部分由计算参数设置部分、循环迭代求解部分、循环迭代计算收敛判断部分组成。

[0068] 为实现上述目的，所述计算参数设置部分主要对循环迭代中所需的最大循环次数、沿管道方向控制单元体的划分和坐标的计算、岩土热物性参数随深度的变化函数以及时间步长和总时间长度进行设置，为循环迭代计算提供所需条件，限定迭代次数。

[0069] 为实现上述目的，所述参数设置完毕后，对t时刻井内换热器中流动的工质以及热量的传递逐段进行相关参数的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。

[0070] 为实现上述目的，得到所述计算结果后，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。

[0071] 为实现上述目的，在得到t时刻当前控制单元体下满足要求的物理量的值后，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。

[0072] 为实现上述目的，当所有控制单元体计算完毕后，将已经计算的时长与预先设置的总计算时长进行比较，若计算时长达到所述预先设置的总计算时长，则计算完毕，所得结果即为t时刻的最终结果，将t时刻的影响半径输出；否则继续进行t+1时刻的循环迭代计算。

[0073] 当计算时间达到要求后，计算结束，所有输出结果即为换热器整个运行周期中，影响半径的变化情况。

[0074] 根据本发明的计算方法，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。

[0075] 实施例

[0076] 如图3所示，一种针对中深层地热井井间距的计算方法，采用循环迭代的方式进行计算，包含初始参数设置部分及计算部分。

[0077] 初始参数设置部分的具体方法为：

[0078] 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岩土热物性参数，包括岩层主要成分、地温梯度、导热系数、比热容、密度及含水层分布等。

[0079] 计算部分过程的具体步骤为：

[0080] 步骤一、计算参数的确定及设置；

[0081] 其包括岩土热物性参数确定及换热器尺寸、热物性参数设置。

[0082] 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等方式获得地热井所在区域不同深度、不同种类岩土的主要成分、温度、密度、比热、导热系数、含水层分布等参数，并将这些参数整理为随深度变化的函数。

[0083] 所述换热器尺寸、热物性参数设置的具体方法为，根据实际井结构确定中深层地埋换热器结构的参数，所述结构参数包括深度、内外径、材料热物性；同时设置计算初值条件，所述计算初值条件包括入口工质温度、工质流量、管道尺寸、岩土热物性参数。

[0084] 步骤二、迭代参数初始化设置及循环迭代求解；

[0085] 迭代参数初始化设置的具体方法为：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；并将所在区域岩土的温度梯度、导热系数、密度、比热等热物性参数整理成随深度变化的函数；

[0086] 循环迭代求解的具体方法为，首先设置迭代条件，计算的总时间即为所需计算换热器的总运行时间，所述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。

[0087] 步骤三、循环迭代收敛判断。

[0088] 所述步骤二循环迭代求解及步骤三收敛判断的具体方法为：

[0089] a、根据工质温度计算当前时刻(t时刻)流体的热物性参数，包括密度、比热容、导热系数及粘性等；

[0090] 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；

[0091] 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；

[0092] 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；

[0093] e、由所得到的温度值的结果计算岩土的热扩散系数，并根据所得总热阻及系统总运行时间，通过公式：

[0094]

[0095] 求解t时刻换热器的影响半径，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；

[0096] f、将b、c、d中多得到的温度、压力及流速值与t-1时刻计算结果进行比较，若二者之差均小于预先给定的用于判断误差的小量，则计算精度已经达到要求，此时所得到的各控制单元体工质的温度、压力、流速及换热量即为t时刻的计算结果，否则继续进行下一轮迭代计算；

[0097] g、若t时刻当前控制单元体计算完毕，则重复上述步骤进行下一个控制单元体的计算；

[0098] h、若t时刻所有控制单元体计算完毕，则增加一个时间步长，将本时层下所求得的各控制单元体工质的温度、压力、流速以及沿途温度分布等参数作为t+1时刻计算过程的已知量；

[0099] i、当计算时长达到预先给定的时间长度时，计算结束。

[0100] 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。

[0101] 本发明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)，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。

[0102] 以下，对本发明的实施例进行说明。

[0103] 如图1所示为套管式换热器的结构。在本实施例中以采用水为工质的变径一次的套管式换热器连续运行为例进行说明，其尺寸为：第一段外管外径doo1＝19.80cm，外管内径为dio1＝18.00cm，内管外径为doi1＝14.00cm，内管内径为dii1＝11.20cm，长度为h1＝2000m；第二段外管外径doo2＝17.78cm，外管内径为dio2＝15.98cm，内管外径为doi2＝11.00cm，内管内径为dii2＝9.40cm，长度为h2＝1300m；管道入口工质温度为Tin＝25℃，体积流量为V0＝
120m3/h；内管材料导热系数为λi＝0.4W/mK，外管材料导热系数为λo＝43.0W/mK。系统运行的总时间为t＝250h，时间步长为dt＝900s。迭代计算最大循环次数为nstep＝100。用于判定误差的小量e＝10-4。

[0104] 首先，沿管道长度方向，将管道整体长度h划分为L＝140个控制单元体，以管道入口部分为起点，沿管道长度方向为x正方向，依次计算各控制单元体中心点的位置坐标，其中第i个控制单元体中心点与原点的距离为 以管道中心为原点，沿管道半径方向为y正方向，依次划分M＝20个控制单元体，每个控制单元体中心点的坐标为yj。

[0105] 接着，对所需计算的各个参数进行初始化设置。其具体方法为，在0时刻，套管式换热器内部水的温度、压力、流速均设置为0，并根据水的物性参数随温度变化情况，计算此时水的密度、比热容、导热系数及粘性，其值分别为999.9kg/cm3，4.212kJ/kg·K，0.551W/mK，1.789×10-6m2/s。

[0106] 然后根据套管换热器材料的导热系数λo、换热器内水的对流换热系数、岩土导热系数计算综合热阻。并将不同深度处岩土的密度、比热容及导热系数整理成深度的函数。

[0107] 对管道入口水所流过的第一个控制单元体进行守恒计算，其具体方法为，由水的流速及热物性参数计算雷诺数Re及普朗特数Pr，接着采用实验拟合所得关联式计算得出地埋套管换热器中环间流的努谢尔数，

[0108] Nu＝0.143696Re0.39809Pr

[0109] 接着离散换热过程中的控制方程，并根据控制体入口处流体温度，y方向相邻控制体所带来的热量及控制体的能量守恒，计算得出内部流体的温升、出口水温及瞬时换热量、流速、压力等参数，并以此作为第二个控制体的入口条件。

[0110] 以此类推，对后续控制单元体进行计算，直至最后一个控制单元体计算完毕。接着以本轮计算结果作为下一轮计算中各控制体的已知量，按照前述方法进行第二轮计算，直至所计算的各个参数与前一轮之差小于预先给定的小量e，则结果收敛。利用热扩散半径计算公式及岩土热物性参数，计算可得此时系统的影响半径为0.11m，0时刻计算过程完毕。

[0111] 以0时刻计算结果为下一时刻的计算初值，按照相同方法进行迭代计算，直至所进行的计算时间达到预先设定的系统运行时间t＝250h，则此时可得换热器t时刻的影响半径为3.41m，即在此运行工况下，为避免地热井之间的相互干扰，需要保证两口井之间的距离大于6.82m。

[0112] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，凡在本发明的精神和原则之内，做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

[0113] 尽管以上结合附图对本发明的具体实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的、而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明的权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。