CN106767063A - 一种利用热管高效开采干热岩地热的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用热管高效开采干热岩地热的系统，包括地热热管、形成于高温干热岩靶区中的充设有流体工质的高渗透性热储、位于地面的换热器和热利用装置，地热热管具有依次连通的热管冷凝段、热管绝热段和热管蒸发段，热管蒸发段穿设在高渗透性热储中，热管冷凝段与热利用装置通过所述换热器换热。本发明提供一种利用热管高效开采干热岩地热的系统，解决常规地热热管采热技术采热率过低的问题。本发明使用地热热管开采干热岩地热，并将地热热管的热管蒸发段布置于热储中，利用热储中流体工质的热对流效应，大幅强化了热管的采热量，提高了热管开采干热岩地热技术的经济性。

Description

一种利用热管高效开采干热岩地热的系统
技术领域
本发明涉及地热能的开发利用领域，具体涉及一种利用热管高效开采干热岩地热的系统。
背景技术
近年来，随着全球化石燃料总量的加速减少及其开发利用所带来的环境污染日益加剧，发展可再生清洁能源已迫在眉睫。以开采利用地下3km～10km低渗透性结晶质干热岩中热能为目标的增强型(或称工程型)地热系统(Enhanced or Engineered GeothermalSystem，EGS)正逐渐成为世界各国新能源发展的重点关注方向之一。
常规的EGS系统通过水力压裂、化学腐蚀等方法增加地下深层岩石的渗透性，形成人工热储，然后建设流体循环系统，经由注入井注入冷流体工质，其在人工热储被加热后由采出井输送至地面电厂，发电后的流体经进一步的梯级利用后再回灌到地下热储，从而实现深层地热能的开采和利用。这种流体循环采热方式不仅需要消耗大量的泵功，在实际应用中还可能存在着严重的流体工质损失现象。另一方面，由于循环中载热流体工质与深层岩石直接接触，当这些流体工质流入管道和换热设备时不仅会引起设备结垢，还有可能产生放射性污染等问题。
EGS从上世纪70年代提出至今已有40多年历史，欧美及日本、澳大利亚等国家相继建设有数十个EGS实际场地试验场，但迄今未有成功建设成一个完全商用化的EGS电站。其中最难于解决的关键问题是：地下热储裂隙网络的连通性不够，甚或不能形成有的连通路径。
热管利用管内工质的相变，可以将热量迅速地从高温端传输到低温端。热管具有较高的导热性、优良的等温性等特征，是目前最有效的传热设备之一。相比于常规EGS的采热过程，使用地热热管来开采热储中的热能不需要消耗额外的泵功，同时由于载热工质仅在管内循环，可以有效避免出现工质流失、管道结垢以及环境污染等问题。尤其重要的是，由于单井采热，只需要对井(热管)周围岩石进行充分压裂，避免了常规EGS要求裂隙网络必须在井下实现有效连通的难题。
目前地热热管技术已经成功应用于道路融雪、建筑供暖以及油田井筒伴热等方面。但在这些应用中，热管主要依靠热传导作用从地下热源中吸收热量，其采热量受到储热介质热物性以及热管与介质换热面积的限制，难以大幅提升，在实际应用中普遍小于50kW。由于干热岩地热开采系统的建设成本较高，依靠常规热管采热技术所得到的采热量，难以使系统具有良好的经济效益。如何提高热管的采热效率是热管开采干热岩地热技术的关键问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种利用热管高效开采干热岩地热的系统，解决常规地热热管采热技术采热率过低的问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种利用热管高效开采干热岩地热的系统，包括地热热管、形成于高温干热岩靶区中的充设有流体工质的高渗透性热储、位于地面的换热器和热利用装置，所述地热热管具有依次连通的热管冷凝段、热管绝热段和热管蒸发段，所述热管蒸发段穿设在高渗透性热储中，所述热管冷凝段与热利用装置通过所述换热器换热。
所述热管蒸发段的设置方向与水平面垂直、倾斜或平行。
所述高渗透性热储为多个，所述热管蒸发段依次穿过多个高渗透性热储。
所述热管绝热段一端位于或紧邻高渗透性热储中连通热管蒸发段，另一端位于高温干热岩靶区外部连通热管冷凝段。
优选的，在热管蒸发段所处的干热岩靶区区段通过分段式水力压裂形成若干个高渗透性热储。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明利用热管内的工质相变作用，自发地实现干热岩地热资源的开采，不需要提供辅助动力来维持系统运行；
2、系统运行过程中，管道载热工质为封闭式循环，不与岩石接触，避免了工质损失、管道结垢以及环境污染等问题；
3、只需钻单井即可实现干热岩采热，可以节省钻井成本，人工热储的建设也更容易；
4、使用地热热管开采干热岩地热，并将地热热管的热管蒸发段布置于热储中，利用热储中流体工质的热对流效应，可以大幅强化热管的采热量，提高了热管开采干热岩地热技术的经济性。
附图说明
图1为本发明一种利用热管高效开采干热岩地热的系统实施例1的结构示意图；
图2本发明一种利用热管高效开采干热岩地热的系统实施例2的结构示意图。
其中，1、热管冷凝段；2、换热器；3、热利用装置；4、热管绝热段；5、热管蒸发段；6、高渗透性热储；7、高温干热岩靶区；8、射孔。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
一种利用热管高效开采干热岩地热的系统，包括内设热管冷凝段1、热管绝热段4和热管蒸发段5的地热热管，充满流体工质的高渗透性热储6，以及设于地面上的换热器2与热利用装置3，所述地热热管设有热管蒸发段5的部分设于高温干热岩靶区7中，所述热管蒸发段5所处的高温干热岩靶区7区段压裂形成高渗透性热储6，且热管蒸发段5与高渗透性热储6连通，所述热管冷凝段1与热利用装置3通过换热器2换热。所述地热热管内设有热管蒸发段5的部分在高渗透性热储6中的布管方向与水平面垂直、倾斜或平行，这样，热管蒸发段5的设置方向与水平面垂直、倾斜或平行。进一步的，所述热管绝热段4与热管蒸发段5连通的一端位于高渗透性热储6中，另一端位于干热岩内非高温区段
高渗透性热储6位于高温干热岩靶区7，所述高渗透性热储6为一个高渗透性热储区域，可利用高压至裂、水力压裂和化学腐蚀等手段在干热岩靶区建立，并在高渗透性热储6中注入支撑剂与流体工质，利用高渗透性热储6中流体工质的热对流效应，可以大幅强化地热热管的采热量，提高了地热热管开采干热岩地热技术的经济性。
作为一个实施例1，如图1，所述热管蒸发段5设置方向为与水平面垂直，所述热管蒸发段5所处的高温干热岩靶区7区段通过压裂方式形成高渗透性热储6，热管蒸发段5可位于高渗透性热储6中。
作为另一个实施例2，如图2，所述热管蒸发段5设置方向为与水平面倾斜，所述热管蒸发段5所处的高温干热岩靶区7区段通过分段式水力压裂形成若干个高渗透性热储6，热管蒸发段5与多个高渗透性热储6连通。
本发明的热管高效开采干热岩地热系统的具体实施步骤如下：
1)经地质勘查，确定高温干热岩靶区7；
2)钻井至高温干热岩靶区7的顶部；
3)采用倾斜钻井方式，在高温干热岩靶区7继续钻井，该区段将设置热管蒸发段5；
4)采用分段式水力压裂技术，通过钻完井施工预留的射孔8在热管蒸发段5所处的高温干热岩靶区7区段进行人工分段压裂，形成若干个高渗透性热储6；
5)压裂后，在高渗透性热储6中加入支撑剂，用以维持高渗透性热储6的渗透性；
6)利用钻井孔，设置地热热管。其中热管冷凝段1与热管换热器2连接。热管蒸发段5布置于高温干热岩靶区7。在地热热管管体与非高温岩体接触的区段添加保温层，组成热管绝热段4；
7)选择合适的地热热管工质，调节其充液量，使地热热管填有的工质的蒸发温度略低于高温干热岩靶区7的液体工质的蒸发温度；
8)调节换热器2中工质的流入温度及流量，使该系统可以稳定连续运行；
9)根据系统稳定运行之后的采热温度与采热率，设计热利用装置3。
在本系统运行过程中，地热热管从热储中吸收热量，通过地热热管中的工质相变，把热储中的热量输送到地面热利用装置，另一方面，热管的吸热过程会引起热管附近的热储工质温度下降，在重力的影响下，热管附近的热储工质会向热储底部流动。同时，这种流动会在热管附近产生虹吸作用，使周围区域的高温流体不断地补充到热管附近，提升热管附近的岩石温度，进而提高热管的采热量。
具体的，热管蒸发段5中的液态工质从高渗透性热储6中吸热并汽化，在重力的作用下经热管绝热段4迁移到热管冷凝段1，通过换热器2与热利用装置3进行换热，将热量传输到地面热利用装置3中，接着，热管冷凝段1中的工质经过充分放热冷凝之后，又经过热管绝热段4回流至热管蒸发段5，进行循环。另一方面，地热热管的吸热过程会引起地热热管附近的高渗透性热储6的流体工质温度下降，使得该区域热储工质密度升高，使周围区域的高温流体不断地补充到热管附近，在重力和浮升力的影响下，高渗透性热储6中会形成热对流效应，使高温流体工质不断地补充到地热热管附近，提升热管蒸发段5附近的岩石温度，进而提高地热热管的采热量。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.一种利用热管高效开采干热岩地热的系统，其特征在于，包括地热热管、形成于高温干热岩靶区(7)中的充设有流体工质的高渗透性热储(6)、位于地面的换热器(2)和热利用装置(3)，所述地热热管具有依次连通的热管冷凝段(1)、热管绝热段(4)和热管蒸发段(5)，所述热管蒸发段(5)穿设在高渗透性热储(6)中，所述热管冷凝段(1)与热利用装置(3)通过所述换热器(2)换热。
2.根据权利要求1所述的一种热管高效开采干热岩地热的系统，其特征在于，所述热管蒸发段(5)的设置方向与水平面垂直、倾斜或平行。
3.根据权利要求1所述的一种热管高效开采干热岩地热的系统，其特征在于，所述高渗透性热储(6)为多个，所述热管蒸发段(5)依次穿过多个高渗透性热储(6)。
4.根据权利要求1所述的一种热管高效开采干热岩地热的系统，其特征在于，所述热管绝热段(4)一端位于或紧邻高渗透性热储(6)中连通热管蒸发段(5)，另一端位于高温干热岩靶区(7)外部连通热管冷凝段(1)。
5.根据权利要求1所述的一种热管高效开采干热岩地热的系统，其特征在于，在热管蒸发段(5)所处的高温干热岩靶区(7)区段通过分段式水力压裂形成若干个高渗透性热储(6)。
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