CN106940098B - 地能干热岩换热装置及其换热方法 - Google Patents

地能干热岩换热装置及其换热方法 Download PDF

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Abstract

地能干热岩换热装置及其换热方法，属于清洁能源技术领域，解决地能干热岩热量提取效率低和地下换热流体流失率高的技术问题，解决方案为：由碳纤维和钛镍金属丝混纺编制换热管单体，多根换热管单体套设在一起形成换热管，相临两层换热管单体之间设置有缝隙；换热管封装于换热封装套管的空腔中，换热封装套管内壁设置有注液管，注液管延伸至换热封装套管底部，换热封装套管内壁的顶部设置有抽液管。依次通过步骤：a、换热管单体的制备；b、换热管的制备与封装；c、地热能探测及钻井；d、地热能的交换，获得携带有高温地热能的换热介质。换热管耐热耐腐蚀，使用寿命长，降低换热介质资源浪费的同时提高了换热效率。

Description

地能干热岩换热装置及其换热方法
技术领域
本发明属于清洁能源技术领域，特别涉及地能干热岩换热装置及其换热方法。
背景技术
地热资源与其他新能源如太阳能、风能和生物质能等相比，具有分布广、受外界影响小（如昼夜、风速、温差）、碳排放量及维护成本低等特点，地热资源主要分为水热型和干热岩型，干热岩型地热是指存储于深度3-10km高温岩体或岩浆中的热量，储层温度可达100～650℃。目前世界各国主要利用的水热型中低温地热仅占探明地热资源的极小一部分，而中高温干热岩地热资源在地球上的蕴藏量丰富且温度高。据国家有关部门最新数据显示，我国大陆3~10千米深处干热岩资源总量相当于860万亿吨标煤；若能开采出2％，就相当于2010年全国一次性能耗总量（32.5亿吨标煤）的5300倍。所以，中高温干热岩地热的开发极有可能为我国节能减排和新一轮能源结构调整做出重大贡献，合理地开采储层深部地热能不仅可能起到节能减排和能源调整作用，更可为偏远地区能源需求提供保障。
中高温地热资源开发具有很大的技术挑战。因此，美国科学家提出采用增强型地热系统的方式进行开发，现有技术中干热岩地热利用要求在地下形成广泛的岩石裂隙，通过水流经裂隙实现与干热岩的热交换。换句话说，要造出地下热储水库。目前，主要有人工高压裂隙、天然裂隙、天然裂隙-断层三种模式，其中研究最多的是人工高压裂隙模式，即通过人工高压注水到井底，高压水流使岩层中原有的微小裂隙强行张开或受水冷缩产生新的裂隙，水在这些裂隙间流通，完成注水井和生产井所组成的水循环系统热交换过程。由于干热岩具有渗透率低、孔隙率低、储层位置深等特性，造成地热利用效率低，即地层热提取效率低和地下换热流体流失率高。
总体来说，干热岩钻井技术已不成问题，储层压裂不可控性造成的泄露问题和渗流通道的高效流动是制约干热岩开发的主要问题。到目前为止，还没有可以高效又安全的干热岩地热开采方式。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，解决地能干热岩热量提取效率低和地下换热流体流失率高的技术问题，本发明提供地能干热岩换热装置及其换热方法。
本发明通过以下技术方案予以实现。
地能干热岩换热装置，它包括换热管和换热封装套管，由碳纤维和钛镍金属丝混纺编制成空心换热管单体，内径由大到小的多根换热管单体由内向外套设在一起形成换热管，相临两层换热管单体之间设置有缝隙；所述换热封装套管侧壁设置有空腔，换热管封装于换热封装套管的空腔中，换热封装套管内壁设置有注液管，注液管延伸至换热封装套管底部，注液管与换热封装套管一体成型，换热封装套管内壁的顶部设置有抽液管。
进一步地，所述若干根封装后的换热封装套管环抱呈圆柱体，形成换热管组。
地能干热岩换热装置的取热方法，其特征在于按以下步骤依次进行：
a、换热管单体的制备：根据待开采区域地热能实际情况，调整纯钛与纯镍的比例，熔炼纯钛与纯镍制得钛镍金属丝，将碳纤维和钛镍金属丝混纺编制成不同直径规格的若干根换热管单体，留待后步使用；
b、换热管的制备与封装：将5~10根直径由小至大的换热管单体套设在一起，制得换热管；将换热管放置于换热封装套管侧壁的空腔内后，将换热管封装，并将换热封装套管下端面密封，留待后步使用；
c、地热能探测及钻井：采用地热能探测设备对地表下干热岩层地热能储量进行探测，选择地热能储量大的区域，采用石油钻井设备在选出的区域上钻井，钻井深度为2000米~6000米，在钻好的井的内壁中设置护井套管；将上步封装好的换热管和换热封装套管放置于护井套管内；
d、地热能的交换：调整注水速度，通过注液管向换热封装套管中加注低温换热介质，低温换热介质在换热封装套管管腔内通过换热管与外界高温干热岩换热，通过泵将换热后的高温换热介质从抽液管抽出换热套管，即获得携带有高温地热能的换热介质。
进一步地，所述护井套管的材质为钢管。
进一步地，所述钛镍金属丝中钛与镍的质量比为：WTi%：WNi%=（44~46）%：（54~56）%。
进一步地，所述换热介质或者为水，或者为乙醇，或者为丙酮，或者为三氯三氟乙烷。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
本发明提供的地能干热岩换热装置及其换热方法，换热管采用碳纤维和钛镍金属丝混纺编制成，当外界温度高于钛镍金属丝的设定温度时，换热管之间的缝隙减小，换热管紧贴岩层，增大与热源的接触面积；当外界温度低于钛镍金属丝的设定温度时，换热管之间的缝隙增大，形成隔热层，取热介质中的热量不易流失至外界环境；此外，换热管还具有耐腐蚀、耐热、耐久的特性。换热套管约束了换热介质的流失，有利于节约水资源，提高换热效率。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为换热管封装于换热封装套管内的截面图。
图中，1为换热管，2为换热封装套管，3为护井套管，4为注液管，5为抽液管。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做详细说明：本实施例是以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下面的实施例。
如图1~2所示，地能干热岩换热装置，它包括换热管和换热封装套管2，其中：由碳纤维和钛镍金属丝混纺编制成空心换热管单体，其中，钛镍金属丝中钛与镍的质量比为：WTi%：WNi%=（44~46）%：（54~56）%；内径由大到小的多根换热管单体由内向外套设在一起形成换热管1，相临两层换热管单体之间设置有缝隙；所述换热封装套管2侧壁设置有空腔，换热管1封装于换热封装套管2的空腔中，换热封装套管2内壁设置有注液管4，注液管4延伸至换热封装套管2底部，注液管4与换热封装套管2一体成型，换热封装套管2内壁的顶部设置有抽液管5。
进一步地，所述若干根封装后的换热封装套管2环抱呈圆柱体，形成换热管组，有利于井口较大或者供热量需求较大时换热封装套管2合理填充护井套管3。
地能干热岩换热装置的换热方法，按以下步骤依次进行：
a、换热管单体的制备：根据待开采区域地热能实际情况，调整纯钛与纯镍的比例，本实施例中钛与镍的质量比为：WTi%：WNi%=45%：55%，熔炼纯钛与纯镍制得钛镍金属丝，利用钛镍合金记忆金属的全程记忆效应，将碳纤维和钛镍金属丝成对混纺编制成不同直径规格的若干根换热管单体，留待后步使用；
b、换热管的制备与封装：将5~10根直径由小至大的换热管单体套设在一起，制得换热管1；将换热管1放置于换热封装套管2侧壁的空腔内，然后将换热管1封装，并将换热封装套管2下端面密封，换热封装套管2内呈真空态，留待后步使用；
c、地热能探测及钻井：采用地热能探测设备对地表下干热岩层地热能储量进行探测，本实施例中采用的干热岩层地热能储量进行探测装置为：V8；选择地热能储量大的区域，采用石油钻井设备在选出的区域上钻井，钻井深度为2000米~6000米，本实施例中实际钻井深度为4000米；在钻好的井的内壁中设置护井套管3，本实施例中护井套管3的材质为钢管；将上步封装好的换热管1和换热封装套管2放置于护井套管3内；
d、地热能的交换：调整注水速度，通过注液管4向换热封装套管2中加注低温换热介质，本实施例中采用的换热介质为水；低温水通过注液管4注入换热封装套管2底部，由于换热封装套管2底部处于干热岩层位置较深处，所以外层干热岩温度高于换热封装套管2内水的温度，换热管1中换热管单体之间的缝隙减小，换热管1紧贴岩层，增大与热源的接触面积，低温水通过换热管1快速吸热；通过注液管4持续向换热封装套管2内注入低温水，换热封装套管2中低温水同时与干热岩层和高温水换热，新注入的低温水升温；通过注液管4持续向换热封装套管2内注入低温水，换热封装套管2中液面不断上升，当换热封装套管2中水的温度高于外界干热岩层的温度时，换热管1中换热管单体之间的缝隙增大，换热管单体之间形成真空隔离层，高温水向外界散热减少，高温水中的热量不易流失至外界环境，通过泵将换热后的高温水从抽液管5抽出换热封装套管2，即获得携带有高温地热能的水，供后续高温水的使用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.地能干热岩换热装置，它包括换热管（1）和换热封装套管（2），其特征在于：由碳纤维和钛镍金属丝混纺编制成空心换热管单体，内径由大到小的多根换热管单体由内向外套设在一起形成换热管（1），相临两层换热管单体之间设置有缝隙；所述换热封装套管（2）侧壁设置有空腔，换热管（1）封装于换热封装套管（2）的空腔中，换热封装套管（2）内壁设置有注液管（4），注液管（4）延伸至换热封装套管（2）底部，注液管（4）与换热封装套管（2）一体成型，换热封装套管（2）内壁的顶部设置有抽液管（5）。
2.根据权利要求1所述的地能干热岩换热装置，其特征在于：所述若干根封装后的换热封装套管（2）环抱呈圆柱体，形成换热管组。
3.地能干热岩换热装置的换热方法，其特征在于按以下步骤依次进行：
a、换热管单体的制备：根据待开采区域地热能实际情况，调整纯钛与纯镍的比例，熔炼纯钛与纯镍制得钛镍金属丝，将碳纤维和钛镍金属丝混纺编制成不同直径规格的若干根换热管单体，留待后步使用；
b、换热管的制备与封装：将5~10根直径由小至大的换热管单体套设在一起，制得换热管（1）；将换热管（1）放置于换热封装套管（2）侧壁的空腔内，然后将换热管（1）封装，并将换热封装套管（2）下端面密封，留待后步使用；
c、地热能探测及钻井：采用地热能探测设备对地表下干热岩层地热能储量进行探测，选择地热能储量大的区域，采用石油钻井设备在选出的区域上钻井，钻井深度为2000米~6000米，在钻好的井的内壁中设置护井套管（3）；将上步封装好的换热管（1）和换热封装套管（2）放置于护井套管（3）内；
d、地热能的交换：调整注水速度，通过注液管（4）向换热封装套管（2）中加注低温换热介质，低温换热介质在换热封装套管（2）管腔内通过换热管（1）与外界高温干热岩换热，通过泵将换热后的高温换热介质从抽液管（5）抽出换热封装套管（2），即获得携带有高温地热能的换热介质。
4.根据权利要求3所述的地能干热岩换热装置的换热方法，其特征在于：所述护井套管（3）的材质为钢管。
5.根据权利要求3所述的地能干热岩换热装置的换热方法，其特征在于：所述钛镍金属丝中钛与镍的质量比为：WTi%：WNi%=（44~46）%：（54~56）%。
6.根据权利要求3所述的地能干热岩换热装置的换热方法，其特征在于：所述换热介质或者为水，或者为乙醇，或者为丙酮，或者为三氯三氟乙烷。
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