CN106288464A - 中高温地热换热输出系统的建立方法以及中高温地热换热输出系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及中高温地热换热输出系统的建立方法及中高温地热换热输出系统，建立方法包括：Ⅰ、开展前期工作，进行建立中高温地热换热输出系统的技术可行性分析，形成前期工作成果；Ⅱ、开展换热输出系统、单孔换热单元、配套监测系统的设计；Ⅲ、建立单孔换热单元，并对单孔换热单元进行实际换热量测试；Ⅳ、根据实际换热量测试数据，校核、修正和优化单孔换热单元的联结方案，联结组建换热输出系统；Ⅴ、配置用于对换热输出系统运行时热储地质单元温度场的变化进行同步监测的监测系统。本方法兼顾科学、合理、有效、安全、经济、环保，所建立的中高温地热换热输出系统能够提供有效稳定的热输出量，为突破制约本行业发展的技术瓶颈提供了新思路。

Description

中高温地热换热输出系统的建立方法以及中高温地热换热输 出系统

技术领域

本发明属于中高温地热能输出技术领域，具体涉及中高温地热换热输出系统的建立方法及中高温地热换热输出系统。

背景技术

赋存在地球内部的地热能，主要来源于地核的衰变热。近一个世纪以来，人类已经将地热能作为发电或其它用途的能源供给。

目前利用中高温地热资源作为能源供给的技术工艺主要有三种形式：

(1)利用地热井直接开采中高温地热流体。这种方法的应用较为普遍，如图5所示，需钻凿地热井51，通过地热井51直接开采中高温地热流体并向用户端输出。如我国的西藏羊八井地热电站。

(2)EGS(Enhanced Geothermal System，增强型地热系统)。如图6所示，这种方法需钻凿两眼井，即注入井61和输出井62，通过压裂或对接等方法造成两井之间在热储部位的连通条件，从注入井61注入工质，工质在钻孔的热储段吸热并发生体积的剧烈膨胀直至发生相变，以高温蒸汽的形式经输出井62输送至用户端。如德国的布鲁赫萨尔地热发电项目。采用此类技术的技术案例均在试验中，迄今未有成熟的工程成果。

(3)CEEG(Complex Energy Extraction from Geothermal resource，复合式地热能源萃取系统)。这种方法的提出是针对(2)，有人认为压裂很困难，且水岩反应会带来化学堵塞问题(如结垢)，于是有学者提出采用CEEG来提取热能。采用这种方法，如图7所示，需施工钻凿大口径的竖井71(比如直径达5米)，在竖井71内一定深度(如1000米)处构筑辐射井建立平台74，在该平台74处向四周钻出多个(达几十个)辐射井72并安装换热管73，换热管73收集的热量在平台74实现集合后输送至地表向用户端供热。此种方法的特点是工程量浩大，投资巨大，迄今为止尚处试验阶段，未见有成熟的工程成果。

上述形式(1)面临“产能衰减”、阻垢除垢、尾水处理三大问题的困扰。形式(2)、(3)所述EGS或CEEG则是人工构筑出规模较大(钻孔口径从0.45米至5米或更大，深度从1000米至4000米或更深，依靠钻孔在热储部位的对接或装置辐射式换热管实现换热)的热交换系统，籍热交换工艺获取热能进而驱动发电机发电，并不直接开采地热流体。以换热工艺实现地热能的获取，因规避了阻垢除垢问题和尾水处理问题及其引发的资源保护和环境保护、可持续发展问题而备受期待，但数十年来仍未走出试验，由于不能实现稳定的热供给，投资的收益也无从谈起。

目前，针对中高温热储，以热交换工艺获取稳定的热能供给是地热能开发利用亟待破解的课题。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷和现实的需要，本发明的一个目的是提供中高温地热换热输出系统的建立方法，采用所述建立方法可建立中高温地热换热输出系统，其中包含了为地热资源开采的可持续性提供保障的配套的监测系统，所述建立方法为地热能的可持续获取打开窗棂，具有科学、合理、有效、安全、经济、环保等优点。

本发明的另一目的是提供采用上述建立方法所建立的中高温地热换热输出系统，所述中高温地热换热输出系统能够提供有效稳定的热输出量，为突破制约本行业发展的技术瓶颈提供了新思路。

为以上目标的实现，本发明采用的技术方案是：中高温地热换热输出系统的建立方法，所述建立方法包括以下步骤：

Ⅰ、开展前期工作

遵循项目条件、热供给目标需求与自然条件、地质条件和可实现换热量之间相互匹配的原则，进行建立中高温地热换热输出系统的技术可行性分析，具体包括以下内容：

针对拟开发的中高温地热地质单元，首先开展可行性或预可行性地热资源勘查，获得对地热地质条件特征的认识，在此基础上，选择有利于热萃取的位置布置并开凿试验孔，并在试验孔内安装换热组件以建立单孔换热试验单元，然后进行所述单孔换热试验单元的换热量测定工作，通过换热量测定试验初步识别换热条件下热储对单孔换热试验单元的热供给能力以及单孔换热试验单元的热萃取能力，形成前期工作成果；

Ⅱ、开展设计工作

(1)设计中高温地热换热输出系统

依据前述前期工作成果、项目条件、自然条件设计中高温地热换热输出系统，所述中高温地热换热输出系统由与满足热供给目标需求的热供给设计规模对应数量的单孔换热单元联结构成，所述单孔换热单元包括换热孔和安装于所述换热孔中的换热组件；设计元素包括单孔换热单元中拟建实际换热孔的位置分布、数量、联结单孔换热单元构成换热输出系统的方案；

(2)设计实际单孔换热单元

根据步骤Ⅰ获得的地热地质条件特征和换热条件下热储对单孔换热试验单元热供给能力的识别以及对单孔换热试验单元热萃取能力的识别，以及步骤Ⅱ(1)的设计要求，设计实际单孔换热单元，设计元素包括实际单孔换热单元中拟建换热孔的种类、形式、口径、深度和钻孔结构以及拟设于换热孔中的换热组件的种类、型式和功能特征；

(3)设计监测系统

设计用于监测平行于热储构造走向方向的温度场变化的第一温度监测子系统，所述第一温度监测子系统包括设于各个换热孔内换热组件配套的温度感应器及与温度感应器相连的地面数据记录仪和数据分析处理器；

设计用于监测垂直于热储构造走向方向的温度场变化的第二温度监测子系统，所述第二温度监测子系统包括专门钻凿的若干监测孔及下置于监测孔中的温度传感器，以及与温度传感器相连的地面数据记录仪和数据分析处理器，设计内容还包括监测孔的位置分布、深度，以及孔内下置温度传感器的类型、下置方式、监测范围；

Ⅲ、建立单孔换热单元：

(1)确定实际单孔换热单元的钻孔施工工艺：

根据步骤Ⅱ(2)的实际单孔换热单元的设计，确定单孔换热单元的钻孔施工工艺，所述钻孔施工工艺所涉及的要素包括针对与拟建换热孔的种类、形式、口径、深度、钻孔结构、钻遇岩性以及与换热组件的安装要求相适配的钻探方法、具有防喷装置的钻井设备和泥浆控制系统的选择配置；

(2)开展单孔换热单元的施工：

对换热孔单孔，按照步骤Ⅲ(1)确定的钻孔施工工艺实施钻探，待钻探深度到设计位置，进行地球物理测井，然后安装换热组件，并安装第一温度监测子系统，之后开展实际换热量测试，获取实际换热量测试数据；

Ⅳ、组建换热输出系统：根据步骤Ⅲ(2)的实际换热量测试数据，对单孔换热单元的联结方案进行校核、修正和优化，然后联结单孔换热单元，组成换热输出系统；

Ⅴ、安装第二温度监测子系统：根据步骤Ⅲ(2)的实际换热量测试数据校核修正步骤Ⅱ(3)中第二温度监测子系统的设计方案，然后按照修正的第二温度监测子系统的设计方案对步骤Ⅳ所组建的换热输出系统开展监测孔的钻凿施工，并在监测孔内安装温度传感器及地面数据记录仪和数据分析处理器，用于联合第一温度监测子系统对换热输出系统运行时热储地质单元温度场的变化进行同步监测。

进一步，步骤Ⅰ中，初步识别换热条件下热储的热供给能力和单孔换热单元热萃取能力的方法为：针对中高温热储单元，选择有利于热萃取的位置，布置并钻凿若干试验孔，在各个试验孔内分别安装换热组件，分别由各个试验孔以及安装在孔内的换热组件组成多个单孔换热试验单元，通过对多个单孔换热试验单元开展换热量测定试验，初步识别在所述换热条件下中高温热储对单孔换热单元的热供给能力和单孔换热单元的热萃取能力。

进一步，步骤Ⅰ中建立单孔换热试验单元时和步骤Ⅱ(2)中设计实际单孔换热单元时，根据换热条件下热储对单孔换热单元热供给能力的有限性和单孔换热试验单元热萃取能力的有限性并考虑钻孔施工成本的经济性来确定试验孔或换热孔的口径。

进一步，步骤Ⅲ(2)中，换热孔钻探施工时，保持孔内环空外压力与地层压力间的平衡方式为近平衡或过平衡。

再进一步，所述换热孔进行钻探施工过程中，保持孔内环空外压力与地层压力近平衡或过平衡的具体实现方法是：向使用的泥浆中加入加重材料，所述加重材料为重晶石、石灰石、铁矿石或方铅矿石的粉末；或者，在自然条件允许的情况下，通过向钻孔内注入冷水以降低泥浆冲洗液的温度来实现。

进一步，步骤Ⅲ(2)中，所述换热孔进行钻探施工的过程中，当循环排出的泥浆出口温度为40-60℃时，采用风扇强制冷却泥浆至40℃以下；当循环排出的泥浆出口温度＞60℃时，采用冷却塔使泥浆降温至40℃以下。

进一步，若步骤Ⅱ中所设计的换热组件采用套管式换热器，则步骤Ⅲ中在进行地球物理测井之后，安装套管式换热器，使用抗温抗压水泥固井，在钻探施工完毕后，清理孔底，安装换热组件的其它部件。

采用本发明上述建立方法所建立的中高温地热换热输出系统由与满足热供给目标需求的热供给设计规模对应数量的单孔换热单元联结构成，所述单孔换热单元包括换热孔和安装于所述换热孔中的换热组件；所述换热孔的口径根据换热条件下热储对单孔换热单元热供给能力的有限性和单孔换热试验单元热萃取能力的有限性并考虑钻孔施工成本的经济性来确定。

进一步，所述的单孔换热单元在地表或近地表单独联结于主输送管或若干单孔换热单元按照热供给设计规模在地表或近地表以并联方式联结于主输送管，所述主输送管包括工质主输入管和工质主输出管，所述安装于单孔换热单元中的换热组件的输入、输出端口分别与工质主输入管、工质主输出管相连。

再进一步，若干单孔换热单元按照热供给设计规模在地表或近地表以并联方式联结构成的中高温地热换热输出系统的工作原理是：将若干单孔换热单元所获取有限的、但是稳定的热萃取量经过该系统实现聚集累加，形成满足热供给目标需求的有效稳定的热输出量向用户端持续供给，所述有效稳定的热输出量小于或等于目标热储的热供给量。

进一步，所述中高温地热换热输出系统配置有用于监测平行于热储构造走向方向的温度场变化的第一温度监测子系统，以及用于监测垂直于热储构造走向方向的温度场变化的第二温度监测子系统，第一、二温度监测子系统共同实现对所述中高温地热换热输出系统运行时热储温度场变化的实时监测。

本发明针对现有中高温地热换热萃取工艺的工程案例存在未能充分识别换热条件下热储的热供给能力和热萃取系统的热萃取能力的缺陷，导致不能实现稳定的热供给，提出一种中高温地热换热输出系统的建立方法，所述建立方法通过在前期工作中获取地热地质相关背景信息的基础上，选择有利于热萃取的位置布置试验孔、构筑单孔换热试验单元并开展换热量测试试验，预先识别换热条件下中高温热储的热供给能力和单孔换热单元的热萃取能力，然后据此开展单孔换热单元、换热输出系统和配套监测系统的设计，然后在实施钻探时，通过改进常规钻探工艺和设备，开凿换热孔并在孔内安装换热组件，建立单孔换热单元，并对所建立的单孔换热单元进行实际的换热量测定，以此校核、修正和优化单孔换热单元的联结方案，然后联结单孔换热单元构成中高温地热换热输出系统，最后为换热输出系统配置系统运行时针对热储温度场变化进行实时监测的监测系统。采用本方法建立的中高温地热换热输出系统能够实现有效稳定的热输出，具有经济、高效、实用、科学、环保等特点。

附图说明

图1是本发明提供的中高温地热换热输出系统的建立方法的流程图；

图2是本发明的单孔换热单元的示意图；

图3是本发明提供的由若干单孔换热单元联结而成的中高温地热换热输出系统的示意图；

图4是在钻探地热换热孔时所使用的防喷装置的安装示意图；

图5是直接开采地热的常规地热井的示意图；

图6是EGS系统的示意图；

图7是CEEG系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

本申请人认为，作为建立热交换系统实现热供给的EGS和CEEG之所以试验至今日仍欠成熟，最根本的原因在于：1)未能有效识别换热条件下热储热供给能力的有限性；2)与1)紧密关联的是，无论热储如何强大，也无论通过任何地质体，换热单元可实现的热交换规模是有限的，此问题同样未被有效识别。因此，所试验的换热系统都不同程度地出现热供给量不稳定的问题，其原因是换热规模过大。

本申请人针对本技术领域存在的上述问题，提出了一个完整的解决方案——中高温地热换热输出系统，具体给出了该系统的建立方法。为建立所述中高温地热换热输出系统，本申请人首先针对问题①和②提出解决方法，具体见前期递交的申请号为201410328248.0和201410328138.4的发明专利申请，其中，申请号为201410328138.4的发明专利申请所表达的技术内容是上述解决方案的重要组成部分。

本文所称“中高温地热换热输出系统的建立方法”，其指导思想是：尽管换热条件下单孔换热单元可实现的热交换规模是有限的，但可以将被识别的若干单孔换热单元稳定有限的小规模热萃取量聚集累加，形成满足客户端需求的有效、稳定的热输出量，实现可持续的能源供给意义。本方法的提出，为突破制约本行业发展的技术瓶颈提供了新思路。

以下根据如图1所示的流程图详细说明本发明提供的中高温地热换热输出系统的建立方法。所述建立方法包括以下过程：

Ⅰ、开展前期工作

遵循项目条件、热供给目标需求与自然条件、地质条件和可实现换热量之间相互匹配的原则，进行建立中高温地热换热输出系统的技术可行性分析。

所述项目是指所设计的中高温地热换热输出系统的热供给目标(比如发电厂、办公楼、商场、居住小区等等)；所述项目条件是指所述项目的种类、形式、功能、用途、规模等；所述目标需求是指热供给目标对热能的利用方式、热供给量的要求等；所述自然条件是指地理环境、交通状况、地形地貌、水文、气象等；所述地质条件包括地层、岩性、热储构造的性质、产状和分布以及地温场特征等。

前期工作具体包括以下内容：

针对拟开发的中高温地热地质单元，依据前述原则，调查本地区的自然条件，并针对拟开发的地热地质单元的可行性或预可行性地热资源勘查(内容包括区域地质调查、水文地质调查，地球物理和地球化学勘探，开凿勘探孔等)，取得对地热地质条件(岩性、地层、构造的性质、产状和分布，特别是热储构造的性质、产状和分布、与之对应的温度场分布和特征)的认识。在此基础上，选择有利于热萃取的位置布置并开凿试验孔，并在试验孔内安装换热组件以建立单孔换热试验单元，然后进行所述单孔换热试验单元的换热量测定工作，通过换热量测定试验初步识别换热条件下热储对单孔换热试验单元的热供给能力以及单孔换热试验单元的热萃取能力，综合统计分析形成前期工作成果。以前期工作成果并结合项目条件、自然条件形成设计依据，开展后续中高温地热换热输出系统的设计。

本专业领域中，针对换热量测定试验，可采用任何适用的方式进行测试并识别换热条件下热储对单孔换热试验单元的热供给能力和单孔换热试验单元的热萃取能力。在本发明优选的实施方式中，具体实现方法如下：

针对中高温热储单元，选择钻孔种类、形式(种类指垂直孔或非垂直孔，形式指一级孔径或多级孔径钻孔)，考虑到换热条件下热储对单孔换热单元的热供给能力的有限性和单孔换热单元热萃取能力的有限性以及钻孔成本经济性，在150-250mm的示范开孔口径范围内开凿不少于3种口径的试验孔，在试验孔内安装换热组件组成单孔换热试验单元，对其开展以下试验：

①开展由试验孔和换热组件组成的换热单元与热储之间的多组次定流量的换热量测定试验，将各组次测试所获得的换热量Q_i与热储段的平均温差ΔT_ri绘制Q-ΔT均衡曲线，Q-ΔT均衡曲线上存在Q对ΔT一阶导数为零的拐点，所述拐点处的切线平行于ΔT轴，分析评价井内热储热力均衡条件下的换热量与热储段的平均温差的关系，计算求得所述拐点对应的换热量值，即热储热力均衡条件下的换热量边界值Q₀，即获得换热条件下中高温热储对该孔的热供给能力；

②开展换热单元与热储之间的多组次定温差的换热量测试试验，将测试所得到的稳定换热量数据进行分析处理(方法与①类同)，由此推算单孔换热试验单元的热萃取能力，进而为优化单孔换热单元的设计提供依据。

具体的换热量测定试验方法和计算方法可参考申请人前期递交且已公开的中国专利申请“中高温地热单井换热量测定的试验方法和试验测试系统”(申请号201410328138.4，公开日为2014年11月5日)。

Ⅱ、开展设计工作

(1)设计中高温地热换热输出系统

依据前述前期工作成果、项目条件、自然条件,设计中高温地热换热输出系统，所述中高温地热换热输出系统由与满足热供给目标需求的热供给设计规模对应数量的单孔换热单元联结构成，所述单孔换热单元包括换热孔和安装于所述换热孔中的换热组件；设计元素包括单孔换热单元中拟建实际换热孔的位置分布、数量、联结单孔换热单元构成换热输出系统的方案。

对断裂构造而言，一般有开张性和压扭性之分。在地热地质单元中，开张性断裂构造具有构成热通道作用的特征。

以开张性断裂构造为例，在有利于热萃取的位置进行换热孔孔位布置，应沿与断裂走向平行(即与热储断裂面26平行，见图3)的方向，在断裂上盘一侧布孔。

联结构成换热输出系统的单孔换热单元的数量，由各单孔换热单元热萃取量的累加能否与换热输出系统的热能输出规模相适应来决定，也是考察自然条件、地热地质条件和项目用途需求能否匹配的重要内容。

单孔换热单元经联结构成换热输出系统的联结方案，在满足前述热能输出规模的基础上，还应确保换热工质输送管的密闭、畅通，特别是高温高压条件下的适用性和承载能力，以及尽可能杜绝热干扰的保温工艺、系统投入运行后便于维护的条件等。

(2)设计实际单孔换热单元(见图2)：

本发明中，根据步骤Ⅰ获得对地热地质条件特征的认识和换热条件下热储对单孔换热单元热供给能力的识别以及对单孔换热单元热萃取能力的识别，设计实际单孔换热单元，设计要素包括实际单孔换热单元中拟建换热孔21的特征，包括种类、形式、口径、深度和钻孔结构以及拟设于换热孔21中的换热器22的特征，包括种类、型式和功能、结构等。

换热孔的种类、形式，采取垂直孔还是非垂直孔、一级孔径或多级孔径钻孔，需结合地形地貌特征和热储构造的性质产状的有利于换热孔热萃取的条件来确定。

关于换热孔的口径，可根据换热条件下经换热量试验测定的热储热供给能力和单孔换热试验单元的热萃取能力，兼顾钻孔施工成本的经济性来确定，本发明提出示范的换热孔开孔口径在150-250mm范围内。

换热孔的深度依据热储构造的性质、产状、埋藏深度、温度分布以及其它对热供给有利的技术要素来确定。

换热孔的钻孔结构根据岩性可钻性、岩性稳定性、钻孔深度、换热组件的安装要求，兼顾经济适配的钻探设备功能、配套条件来确定。

本发明中，换热组件中可以选择任何与换热孔相匹配的换热器，其种类可采用套管式换热器或其它种类。换热器的型式可根据实际条件和需要进行选择或设计，以套管式换热器为例，其型式可采用同心式(如图2)，也可以采用并列式(如图3)。

(3)设计监测系统：

本发明中，监测系统的设计包括以下两部分：

(a)设计用于监测沿平行于热储构造走向方向的温度场变化的第一温度监测子系统。充分利用所建立的单孔换热单元，第一温度监测子系统包括包括设于各个换热孔内换热组件配套的温度感应器及与温度感应器相连的地面数据记录仪和数据分析处理器。

(b)设计用于监测垂直于热储构造走向方向的温度场变化的第二温度监测子系统。所述第二温度监测子系统包括专门钻凿的若干监测孔及下置于监测孔中的温度传感器，以及与温度传感器相连的地面数据记录仪和数据分析处理器，设计内容还包括监测孔的位置分布、深度，以及孔内下置温度传感器的类型、下置方式、监测范围。

监测孔的位置分布和深度是设计核心，在参考热储地质单元中地层岩性、热储构造的性质、产状和分布以及温度场的分布特征等要素的基础上，建立上述要素与由单孔换热单元联结而成的换热输出系统的空间关联模型，完成第二温度监测子系统的设计。

垂直于热储构造走向的方向，布设分布合理、深度和数量适宜的专门监测孔组成的第二温度监测子系统，与前述第一温度监测子系统共同构成完整的监测系统，用于换热输出系统运行时对热储地质单元温度场的变化进行同步监测，监测目标是换热输出系统所形成的换热量可能造成热储地质单元温度场温度降低的规模和影响范围。

Ⅲ、建立单孔换热单元：

(1)确定实际单孔换热单元的钻孔施工工艺：

关于中高温地热换热孔的钻凿施工，钻探工艺的特点是：①开孔口径较小，无取心钻进。②钻孔数目较多、施工区域集中，便于规模化作业管理和辅助作业的集合供给与分配；③钻孔的种类、形式需根据热储构造的特征，以有利于热萃取的经济施工方式来确定；④钻孔结构需满足换热组件的安装要求；⑤钻探施工对应的地质条件具有一定的确定性和重复性。

钻孔设计合理、实用简洁的钻探设备及可靠的工艺技术是中高温地热换热孔钻孔实现换热效果同时兼顾施工成本的经济性的重要保障，还应注重不同地质条件下高效钻探工艺的选择以及施工中的环境保护。

满足上述钻探工艺特点可有多种方案选择，本发明仅举例示范如下：根据步骤Ⅱ(2)中实际单孔换热单元的设计要素确定单孔换热单元的钻孔施工工艺，所述钻孔施工工艺要素不但包括常规的钻机选择、钻头配型、钻具组合的选择配置、钻探参数的设置，特别是针对与拟建换热孔的种类、形式、口径、深度、钻孔结构、钻遇岩性以及换热组件的安装要求等相适配的具有防喷装置的钻井设备以及泥浆控制系统的选择配置。

钻探参数主要包括：钻头类型及参数、钻进参数、水力参数；钻进参数主要包括：钻压、转速、排量、立管泵压；水力参数主要包括：上返速度、喷射速度、钻头压降、环空压耗、钻头水功率等。

以示范开孔孔径在150-250mm范围、钻孔深度范围在300～500米、二开钻孔结构的垂直换热孔钻凿施工为例，可以选用提升能力30～50t范围、回转扭矩9～15kN·m的钻机，装载形式有块状方式、拖车方式、车载方式，传动方式有机械传动与全液压传动，回转器包括转盘式和动力头顶驱传动，最先进的钻机当属全液压顶驱钻机，操作简便、自动化程度高、钻进效率高，可以实现多工艺钻井技术，如SDY-600、CMD-100、雪姆T685WS、宝峨RB25(40、50)、瑞典RD20CX等。可供选择的转盘式钻机很多，如SPJ-300、SPC-300HW、SPC-600、红星-600(800)、TSJ-1000等。

在进行中高温地热换热孔钻探时，由于孔内状态急剧变化会产生热水或热汽涌喷，为保证安全钻进，钻机平台必须安装带防喷器的井口装置，防喷器一般可分为单闸板、双闸板、万能(环形)和旋转防喷器等几种。根据所钻地层和钻探工艺的要求，也可将几个防喷器组合同时使用。

在优选的实施方案中，如图4所示，本发明采用的防喷装置自上而下可主要由泥浆循环管路3(即钻杆2与井筒之间的环隙)、双闸板防喷器5、四通管8、套管头9组成，并通过连接头组装成为一个整体，钻柱(包括主动钻杆及钻具)2从防喷装置中心穿过，四通管8的两侧分别连接有压井泥浆注入管路6和放喷排放管路7，泥浆循环管路3侧面连接有泥浆出口管线4。正常钻进时，双闸板防喷器5处于打开状态，当井筒内的压力小于地层压力时，地层中的高温水汽进入井筒，出现溢流、井涌时可快速及时关闭井口，防止井喷事故的发生。

本发明所使用的防喷器应有足够的耐热和耐压性，耐热温度200℃以上、耐压不小于7MPa。由于防喷器位于地面0和钻台1之间，所以用于钻探中高温地热井的钻机都要配置不低于2.5m净空高度的钻台。另外，钻机的钻柱2的接头上应安装有回压阀。

由于中高温地热换热孔面对地层高温高压，且钻孔口径有限定，在同一区域钻探时重复面对同类地层，常规钻探方法的应用需灵活开展。对于中高温地层钻井，泥浆(钻井液的统称)的性能对于确保中高温钻孔的安全、快速钻进起着关键作用，需要克服的泥浆技术难题主要有两个方面：a.抗高温泥浆体系的建立，b.避免高温地层流体侵入井眼形成井涌，两者均需建立稳定的泥浆体系保护井壁失稳。因此，本发明中，需要对泥浆控制系统进行专门的选择配置，包括抗温抗压泥浆的配制方法以及泥浆的冷却方式。

通常，在高温高压的条件下使用的泥浆需应具有以下特点：

①泥浆体系具有抗高温的能力。配方设计必须采用各种能够抗高温的有机处理剂，例如，褐煤类产品(抗温204℃)、丙烯酸类的衍生物、腐植酸类的磺化体、木质素类产品(抗温170℃)等。同时，配以抗高温的造浆粘土，如海泡石和凹凸棒石粘土等。

②在高温条件下对粘土的水化分散具有较强的抑制能力。在有机聚合物处理剂中，阳离子聚合物就比带有羧钠基的阴离子聚合物具有更强的抑制性。

③具有良好的高温流变性。要求泥浆在高温下仍然具有很好的流动性和携带、悬浮岩屑的能力。对于抑制高压维持平衡的加重泥浆，尤其需要加强固相控制，并控制膨润土含量以避免粘土分散度增大高温增稠。为保持泥浆携带岩屑和悬浮加重材料的能力，必须加入抗温抗盐的结构增粘剂。如石棉纤维，石棉的结构单元呈圆筒状，宏观呈纤维状，圆筒的两端带正电荷，与粘土层面的负电荷相吸而形成结构，可增加泥浆切力，提高携带钻屑的能力。当泥浆密度在2g/cm³以上时，膨润土含量更应严格控制。必要时可通过加入生物聚合物等改进流型，提高携屑能力；加入抗高温的稀释剂，控制静切力。

中高温地热换热孔钻探对泥浆的要求，除具有耐高温性能外，还需尽量减少对环境的影响，所以应该使用抗高温水基泥浆，例如，可选用磺化褐煤泥浆、三磺泥浆、聚磺泥浆或聚合物泥浆。

泥浆循环系统通常主要由泥浆泵、泥浆管汇、地面泥浆管线、立管、水龙带、水龙头、钻具及泥浆净化设备及泥浆池或泥浆罐等组成，这是本领域的常用设备，本发明在此不作细述。泥浆循环流程如下:动力机驱动泥浆泵，泥浆泵从泥浆池或泥浆罐中吸入泥浆，泥浆通过泥浆泵增压后进入通过泥浆管汇、地面泥浆管线、立管、水龙带、水龙头、最后注入钻柱2(见图4)、经钻头水眼冲向井底，然后由钻柱2与井筒的环形空间、双闸门防喷器5返出井口，通过泥浆循环管路3及泥浆出口管线4(见图4)，再经泥浆净化设备流回泥浆池或泥浆罐。

(2)开展单孔换热单元的施工：

对拟建换热孔单孔，按照步骤Ⅲ(1)确定的钻孔施工工艺实施钻探，待钻探深度到设计位置，进行地球物理测井，然后安装换热组件，并安装第一温度监测子系统，之后开展实际的换热量测试，获取换热量测试数据。

此处以二开式钻孔结构的垂直换热孔及安装在换热孔中的同心式套管换热器为例来说明拟建的实际单孔换热单元的钻探施工过程。

首先建立钻台，安装钻机，然后开启泥浆循环系统，在已确定的钻探位置处以正循环泥浆钻进方法钻探具有二开式钻孔结构的垂直换热孔，待钻探到设计位置，下入套管或换热器(包括第一温度检测子系统所需温度感应器等)，一开、二开孔内下入套管或换热器的外环空均采用抗温抗压水泥全孔段固井；在钻探施工完毕后，清理孔底，安装其它换热组件。由于二开式垂直钻孔的钻探方法为本领域的公知常识，此处不再赘述。

需要说明的是，在本发明所举例示范的中高温地热换热孔钻探施工中，孔内循环泥浆接触到中高温热储段后，泥浆被加热，温度会很高，循环至地面时有可能造成安全风险，故应安全地控制井内温度，可以选配相对大排量的泥浆泵及泥浆冷却装置，随时冷却被热储加热后循环排出的泥浆。例如，当循环排出的泥浆出口温度＜60℃时，采用风扇强制冷却泥浆至40℃以下；当循环排出的泥浆出口温度＞60℃时，采用冷却塔使泥浆降温至40℃以下。

此外，在高温高压热储段地层钻进时，极易发生地热流体侵入井眼形成井涌，进而可能发生井喷现象。为了保证钻孔施工成本的经济性，应保持孔内环空外压力与地层压力间的平衡方式为近平衡或过平衡。

通常可调节泥浆密度来实现近平衡或过平衡操作，例如，可在泥浆中加入加重材料，从而获得加重泥浆。所述加重材料为重晶石、石灰石、铁矿或方铅矿的粉末，优选为重晶石的粉末。更优选情况下，推荐使用重晶石加重的不分散聚合物泥浆，该泥浆体系中的聚合物可以起到絮凝和包被钻屑、增效膨润土、包被重晶石，减少粒子间的摩擦的作用。由于重晶石对聚合物的吸附，在处理加重泥浆时聚合物的加量应高于非加重钻井液，加入重晶石时一般也相应加入适量聚合物。加入的量应通过实验来确定。

或者，在自然条件允许的情况下，也可以采用向孔内注入冷水以降低泥浆冲洗液温度的方法来实现近平衡或过平衡操作。

Ⅳ、组建换热输出系统

本发明步骤Ⅳ中，根据步骤Ⅲ(2)的实际换热量测试数据，对单孔换热单元的联结方案进行校核、修正和优化，再按照修正优化后的方案对单孔换热单元进行联结，组成换热输出系统。

对于大规模采热，如发电或集中供暖，可采用图3所示的由若干单孔换热单元在地表或近地表联结成的换热输出系统。事实上，对于小规模采热，如供暖或小规模发电，也可采用图2所示的单个单孔换热单元，直接联结主输送管至用户端23并完成换热循环。

Ⅴ、安装第二温度监测子系统

本发明步骤Ⅴ中，根据步骤Ⅲ(2)的实际换热量测试数据校核修正步骤Ⅱ(3)中第二温度监测子系统的设计方案，然后按照修正的第二监测子系统的设计方案对步骤Ⅲ所组建的换热输出系统开展监测孔的钻凿施工，并在监测孔内安装温度传感器及地面数据记录仪和数据分析处理器，用于联合第一温度监测子系统对换热输出系统运行时对热储地质单元温度场的影响进行同步监测，保证换热输出系统稳定运行、实现热储地质单元地热资源的均衡开采。

本发明采用上述建立方法建立了一种中高温地热换热输出系统，所述中高温地热换热输出系统由与设计规模对应的单孔换热单元联结构成，所述单孔换热单元包括针对中高温地热热储所开凿的换热孔21和安装在所述换热孔21中的换热组件22(见图2和图3)。

本发明中，换热孔的口径应当根据换热条件下热储对单孔换热试验单元的热供给能力的有限性、单孔换热试验单元的热萃取能力的有限性，兼顾钻孔施工成本的经济性来确定。在优选的实施方式中，示范的换热孔开孔口径为150-250mm。

本发明中，所述的单孔换热单元在地表或近地表单独联结于主输送管(见图2)或若干单孔换热单元按照设计规模在地表或近地表以并联方式联结于主输送管(见图3)，所述主输送管包括工质主输入管25和工质主输出管24，流通在所述单孔换热单元的换热工质的输入、输出端口分别与工质主输入管25、工质主输出管24相连。

对于小规模采热，如供暖或小规模发电，就可以采用图2所示的单个单孔换热单元，直接联结主输送管至用户端23并在热储提供的热力驱动下完成换热循环。

而对于大规模采热，如发电或集中供暖，就可以采用图3所示的由若干单孔换热单元在在地表或近地表并联联结成的换热输出系统。

如图3所示，若干单孔换热单元以并联方式构成的中高温地热换热输出系统的工作原理是：换热工质在各个单孔换热单元获得热饱和，热饱和的换热工质汇入工质主输出管24(即热能输送主管)后被输送至用户端，经用户端换热器降温减压后又经工质主输入管25再分配注回各个单孔换热单元，换热工质的主输送管和设在各个单孔换热单元的换热组件22组成一个密闭的工质循环系统，换热工质在地热热储供给的热能驱动下，在此密闭循环系统内循环往复。其中，本文以换热孔21内地下热储供给段作为参考原点，定义进入热储方向的换热工质输送管为工质输入管，离开热储方向的换热工质输送管为工质输出管，若干单孔换热单元并联汇入的换热工质主输送管即为换热工质的主输出管，自用户端返回各个换热孔21的换热工质主输送管即为换热工质的主输入管。

本发明的工作原理可概括为：将若干单孔换热单元所获取有限的、但是稳定的热萃取量经过换热输出系统实现聚集累加，形成满足用户端热需求的有效稳定的热输出量，所形成的有效稳定的热输出量小于等于目标热储的热供给量。以数学表达式说明，目标热储的热供给量以符号Q_s表示，本系统所形成的有效稳定的热输出量以符号Q表示，其中，n为正整数，κ为校正系数，Q_i表示单孔换热单元的萃取量，则上述工作原理可简述为：Q≤Q_s。

此外，本发明提供的中高温地热换热输出系统还包含了，为地热资源开采的可持续性提供保障的配套的监测系统。所述监测系统包括用于监测平行于热储构造走向方向的温度场变化的第一温度监测子系统以及用于监测垂直于热储构造走向方向的温度场变化的第二温度监测子系统。第一温度监测子系统和第二温度监测子系统联合使用，实现对换热输出系统运行时对热储地质单元温度场的影响进行同步监测。

在一种具体的实施方式中，第一温度监测子系统包括与换热孔内换热组件配套设置的温度感应器及与温度感应器相连的地面数据记录仪和数据分析处理器。第二温度监测子系统包括在垂直于热储构造走向的方向所布设分布合理、数量适宜的专门监测孔、设在监测孔内的下置温度传感器以及与下置温度传感器相连的地面数据记录仪和数据分析处理器。

上述具体实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (11)

1.中高温地热换热输出系统的建立方法，其特征在于，所述建立方法包括以下步骤：

Ⅰ、开展前期工作

遵循项目条件、热供给目标需求与自然条件、地质条件和可实现换热量之间相互匹配的原则，进行建立中高温地热换热输出系统的技术可行性分析，具体包括以下内容：

针对拟开发的中高温地热地质单元，首先开展可行性或预可行性地热资源勘查，获得对地热地质条件特征的认识，在此基础上，选择有利于热萃取的位置布置并开凿试验孔，并在试验孔内安装换热组件以建立单孔换热试验单元，然后进行所述单孔换热试验单元的换热量测定工作，通过换热量测定试验初步识别换热条件下热储对单孔换热试验单元的热供给能力以及单孔换热试验单元的热萃取能力，形成前期工作成果；

Ⅱ、开展设计工作

(1)设计中高温地热换热输出系统

依据前述前期工作成果、项目条件、自然条件设计中高温地热换热输出系统，所述中高温地热换热输出系统由与满足热供给目标需求的热供给设计规模对应数量的单孔换热单元联结构成，所述单孔换热单元包括换热孔和安装于所述换热孔中的换热组件；设计元素包括单孔换热单元中拟建实际换热孔的位置分布、数量、联结单孔换热单元构成换热输出系统的方案；

(2)设计实际单孔换热单元

根据步骤Ⅰ获得的地热地质条件特征和换热条件下热储对单孔换热试验单元热供给能力的识别以及对单孔换热试验单元热萃取能力的识别，以及步骤Ⅱ(1)的设计要求，设计实际单孔换热单元，设计元素包括实际单孔换热单元中拟建换热孔的种类、形式、口径、深度和钻孔结构以及拟设于换热孔中的换热组件的种类、型式和功能特征；

(3)设计监测系统

设计用于监测平行于热储构造走向方向的温度场变化的第一温度监测子系统，所述第一温度监测子系统包括设于各个换热孔内换热组件配套的温度感应器及与温度感应器相连的地面数据记录仪和数据分析处理器；

设计用于监测垂直于热储构造走向方向的温度场变化的第二温度监测子系统，所述第二温度监测子系统包括专门钻凿的若干监测孔及下置于监测孔中的温度传感器，以及与温度传感器相连的地面数据记录仪和数据分析处理器，设计内容还包括监测孔的位置分布、深度，以及孔内下置温度传感器的类型、下置方式、监测范围；

Ⅲ、建立单孔换热单元：

(1)确定实际单孔换热单元的钻孔施工工艺：

根据步骤Ⅱ(2)的实际单孔换热单元的设计，确定单孔换热单元的钻孔施工工艺，所述钻孔施工工艺所涉及的要素包括针对与拟建换热孔的种类、形式、口径、深度、钻孔结构、钻遇岩性以及与换热组件的安装要求相适配的钻探方法、具有防喷装置的钻井设备和泥浆控制系统的选择配置；

(2)开展单孔换热单元的施工：

对换热孔单孔，按照步骤Ⅲ(1)确定的钻孔施工工艺实施钻探，待钻探深度到设计位置，进行地球物理测井，然后安装换热组件，并安装第一温度监测子系统，之后开展实际换热量测试，获取实际换热量测试数据；

Ⅳ、组建换热输出系统：根据步骤Ⅲ(2)的实际换热量测试数据，对单孔换热单元的联结方案进行校核、修正和优化，然后联结单孔换热单元，组成换热输出系统；

Ⅴ、安装第二温度监测子系统：根据步骤Ⅲ(2)的实际换热量测试数据校核修正步骤Ⅱ(3)中第二温度监测子系统的设计方案，然后按照修正的第二温度监测子系统的设计方案对步骤Ⅳ所组建的换热输出系统开展监测孔的钻凿施工，并在监测孔内安装温度传感器及地面数据记录仪和数据分析处理器，用于联合第一温度监测子系统对换热输出系统运行时热储地质单元温度场的变化进行同步监测。

2.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于，步骤Ⅰ中，初步识别换热条件下热储的热供给能力和单孔换热单元热萃取能力的方法为：

针对中高温热储单元，选择有利于热萃取的位置，布置并钻凿若干试验孔，在各个试验孔内分别安装换热组件，分别由各个试验孔以及安装在孔内的换热组件组成多个单孔换热试验单元，通过对多个单孔换热试验单元开展换热量测定试验，初步识别在所述换热条件下中高温热储对单孔换热单元的热供给能力和单孔换热单元的热萃取能力。

3.根据权利要求1或2所述的建立方法，其特征在于，步骤Ⅰ中建立单孔换热试验单元时和步骤Ⅱ(2)中设计实际单孔换热单元时，根据换热条件下热储对单孔换热单元热供给能力的有限性和单孔换热试验单元热萃取能力的有限性并考虑钻孔施工成本的经济性来确定试验孔或换热孔的口径。

4.根据权利要求3所述的建立方法，其特征在于，步骤Ⅲ(2)中，换热孔钻探施工时，保持孔内环空外压力与地层压力间的平衡方式为近平衡或过平衡。

5.根据权利要求4所述的建立方法，其特征在于，所述换热孔进行钻探施工过程中，保持孔内环空外压力与地层压力近平衡或过平衡的具体实现方法是：向使用的泥浆中加入加重材料，所述加重材料为重晶石、石灰石、铁矿石或方铅矿石的粉末；或者，在自然条件允许的情况下，通过向钻孔内注入冷水以降低泥浆冲洗液的温度来实现。

6.根据权利要求3所述的建立方法，其特征在于，步骤Ⅲ(2)中，所述换热孔进行钻探施工的过程中，当循环排出的泥浆出口温度为40-60℃时，采用风扇强制冷却泥浆至40℃以下；当循环排出的泥浆出口温度＞60℃时，采用冷却塔使泥浆降温至40℃以下。

7.根据权利要求3所述的建立方法，其特征在于，若步骤Ⅱ中所设计的换热组件采用套管式换热器，则步骤Ⅲ中在进行地球物理测井之后，安装套管式换热器，使用抗温抗压水泥固井，在钻探施工完毕后，清理孔底，安装换热组件的其它部件。

8.采用权利要求1-7任一所述的建立方法所建立的中高温地热换热输出系统，其特征在于，所述中高温地热换热输出系统由与满足热供给目标需求的热供给设计规模对应数量的单孔换热单元联结构成，所述单孔换热单元包括换热孔和安装于所述换热孔中的换热组件；所述换热孔的口径根据换热条件下热储对单孔换热单元热供给能力的有限性和单孔换热试验单元热萃取能力的有限性并考虑钻孔施工成本的经济性来确定。

9.根据权利要求8所述的中高温地热换热输出系统，其特征在于，所述的单孔换热单元在地表或近地表单独联结于主输送管或若干单孔换热单元按照热供给设计规模在地表或近地表以并联方式联结于主输送管，所述主输送管包括工质主输入管和工质主输出管，所述安装于单孔换热单元中的换热组件的输入、输出端口分别与工质主输入管、工质主输出管相连。

10.根据权利要求9所述的中高温地热换热输出系统，其特征在于，若干单孔换热单元按照热供给设计规模在地表或近地表以并联方式联结构成的中高温地热换热输出系统的工作原理是：将若干单孔换热单元所获取有限的、但是稳定的热萃取量经过该系统实现聚集累加，形成满足热供给目标需求的有效稳定的热输出量向用户端持续供给，所述有效稳定的热输出量小于或等于目标热储的热供给量。

11.根据权利要求8所述的中高温地热换热输出系统，其特征在于，所述中高温地热换热输出系统配置有用于监测平行于热储构造走向方向的温度场变化的第一温度监测子系统，以及用于监测垂直于热储构造走向方向的温度场变化的第二温度监测子系统，第一、二温度监测子系统共同实现对所述中高温地热换热输出系统运行时热储温度场变化的实时监测。