CN106949648A - 地能干热岩换热装置监控系统及其换热监控方法 - Google Patents

Abstract

地能干热岩换热装置监控系统及其换热监控方法，属于清洁能源技术领域，解决地能干热岩热量提取效率低、地下换热流体流失率高和地热能提取过程实时监控的技术问题，解决方案为：数据采集系统设置于换热系统中，数据采集系统将采集的数据通过数据传输系统传送至数据处理模块，数据处理模块信号输出端分别与显示模块和控制模块电气连接，通过：换热系统的制备及数据采集系统与数据传输系统的封装→地热能探测及钻井→换热介质填充与抽取的控制→地热能的交换与监控，最终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，实现了换热介质换热提取过程的全程监测与自动化控制。

Description

地能干热岩换热装置监控系统及其换热监控方法

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监控系统及其换热监控方法。

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，而且未能对地热能提取过程实时进行监控。

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、地下换热流体流失率高和地热能提取过程实时监控的技术问题，本发明提供地能干热岩换热装置监控系统及其换热监控方法。

本发明通过以下技术方案予以实现。

地能干热岩换热装置监控系统，它包括换热系统、数据采集系统、数据传输系统、数据处理模块、显示模块与控制模块，其中：数据采集系统设置于换热系统中，数据采集系统将采集的数据通过数据传输系统传送至数据处理模块，数据处理模块信号输出端分别与显示模块和控制模块电气连接；

所述换热系统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，所述换热封装套管侧壁的空腔内还设置有数据线集线管，数据线集线管与换热封装套管一体成型，数据线集线管内壁设置有隔热涂层，数据线设置于数据线集线管内组成数据传输系统；换热封装套管内壁设置有注液管和抽液管，注液管与换热封装套管一体成型，所述注液管延伸至换热封装套管底部，所述抽液管设置于换热封装套管内壁的顶部，抽液管上设置有抽液泵，注液管上设置有注液控制阀，所述控制模块控制抽液泵与注液控制阀开启或关闭；

所述数据采集系统包括温度传感器、流速传感器与真空度检测器，沿换热封装套管内壁每隔100~150米分别设置有若干温度传感器，沿换热封装套管外壁每隔300~500米亦分别设置有若干温度传感器；在换热封装套管内壁的上部、中部以及抽液口和注液口处分别设置有流速传感器；在换热封装套管侧壁的空腔中，每隔100~150米分别设置有若干真空度检测器；温度传感器、流速传感器与真空度检测器分别与所述数据线连通。

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监控系统的换热监控方法，按以下步骤依次进行：

a、换热系统的制备及数据采集系统与数据传输系统的封装：

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；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，将温度传感器、流速传感器与真空度检测器分别对应设置于换热封装套管的内壁、外壁与空腔内，将数据线分别与温度传感器、流速传感器与真空度检测器电气连接后设置于数据线集线管内，最后将换热管封装，并将换热封装套管下端面密封，留待后步使用；

b、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，设置于换热封装套管外壁的温度传感器通过数据传输系统将采集的温度信号传输至数据处理模块，数据处理模块通过显示模块显示换热封装套管外壁不同阶段的温度；

c、换热介质填充与抽取的控制：

数据采集系统将采集的数据通过数据传输系统传输至数据处理模块，数据处理模块控制将控制信号分别传送至抽液泵与注液控制阀，控制模块控制抽液泵与注液控制阀开启或关闭；通过抽液泵将换热后的高温换热介质从抽液管抽出换热封装套管，即获得携带有高温地热能的换热介质；

d、地热能的交换与监控：

通过注液管向换热封装套管中加注低温换热介质，设置于换热封装套管内壁的流速传感器通过数据传输系统将采集的流速信号传输至数据处理模块，数据处理模块通过显示模块显示换热封装套管内换热介质不同阶段的流速；控制模块调整注液速度，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，设置于换热封装套管内壁的温度传感器通过数据传输系统将采集的温度信号传输至数据处理模块，数据处理模块通过显示模块显示换热封装套管内壁不同阶段的换热介质的温度；换热介质换热过程中，设置于换热封装套管空腔内的真空度检测器通过数据传输系统将采集的真空度信号传输至数据处理模块，数据处理模块通过显示模块显示换热封装套管内的真空度。

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：W_Ti%：W_Ni%=（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监控系统及其换热监控方法，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。同时在换热系统内设置数据采集系统，将采集的温度信息、流速信息与真空度信息通过数据传输系统传输至数据处理模块，将换热过程的数据信息实时通过显示模块显示的同时，通过控制模块智能地控制换热介质的添加于抽取，实现了换热介质换热提取过程的全程监测与自动化控制。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为换热封装套管管口处水平剖视放大示意图。

图中，1为换热系统，11为换热管，12为换热封装套管，13为数据线集线管，14为注液管，15为抽液管，16为抽液泵，17为注液控制阀，2为数据采集系统，21为温度传感器，22为流速传感器，23为真空度检测器，3为数据传输系统，4为数据处理模块，5为显示模块，6为控制模块，7为护井套管。

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监控系统，它包括换热系统1、数据采集系统2、数据传输系统3、数据处理模块4、显示模块5与控制模块6，其中：数据采集系统2设置于换热系统1中，数据采集系统2将采集的数据通过数据传输系统3传送至数据处理模块4，数据处理模块4信号输出端分别与显示模块5和控制模块6电气连接；

所述换热系统1包括换热管11和换热封装套管12，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：W_Ti%：W_Ni%=（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11，相临两层换热管单体之间设置有缝隙；所述换热封装套管12侧壁设置有空腔，换热管11封装于换热封装套管12的空腔中，所述换热封装套管12侧壁的空腔内还设置有数据线集线管13，数据线集线管13与换热封装套管12一体成型，数据线集线管13内壁设置有隔热涂层，数据线设置于数据线集线管13内组成数据传输系统；换热封装套管12内壁设置有注液管14和抽液管15，注液管14与换热封装套管12一体成型，所述注液管14延伸至换热封装套管12底部，所述抽液管15设置于换热封装套管12内壁的顶部，抽液管15上设置有抽液泵16，注液管14上设置有注液控制阀17，所述控制模块6控制抽液泵16与注液控制阀17开启或关闭；

所述数据采集系统2包括温度传感器21、流速传感器22与真空度检测器23，沿换热封装套管12内壁每隔100~150米分别设置有若干温度传感器21，沿换热封装套管12外壁每隔300~500米亦分别设置有若干温度传感器21；在换热封装套管12内壁的上部、中部以及抽液口和注液口处分别设置有流速传感器22；在换热封装套管12侧壁的空腔中，每隔100~150米分别设置有若干真空度检测器23；温度传感器21、流速传感器22与真空度检测器23分别与所述数据线连通。

进一步地，所述若干根封装后的换热封装套管12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12合理填充护井套管7。

地能干热岩换热装置监控系统的换热监控方法，按以下步骤依次进行：

a、换热系统1的制备及数据采集系统2与数据传输系统3的封装：

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：W_Ti%：W_Ni%=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混纺编制成不同直径规格的若干根换热管单体；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11；将换热管11放置于换热封装套管12侧壁的空腔内，将温度传感器21、流速传感器22与真空度检测器23分别对应设置于换热封装套管12的内壁、外壁与空腔内，将数据线分别与温度传感器21、流速传感器22与真空度检测器23电气连接后设置于数据线集线管13内，最后将换热管11封装，换热封装套管12空腔内呈真空态，并将换热封装套管12下端面密封，留待后步使用；

b、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7；将上步封装好的换热管11和换热封装套管12放置于护井套管7内，设置于换热封装套管12外壁的温度传感器21通过数据传输系统3将采集的温度信号传输至数据处理模块4，数据处理模块4通过显示模块5显示换热封装套管12外壁不同阶段的温度；

c、换热介质填充与抽取的控制：

数据采集系统2将采集的数据通过数据传输系统3传输至数据处理模块4，数据处理模块4控制将控制信号分别传送至抽液泵16与注液控制阀17，控制模块6控制抽液泵16与注液控制阀17开启或关闭，使换热封装套管12中的换热介质的体积达到动态的平衡；通过抽液泵16将换热后的高温换热介质从抽液管5抽出换热封装套管12，即获得携带有高温地热能的换热介质；

d、地热能的交换与监控：

控制模块6控制注液控制阀17开启，通过注液管14向换热封装套管12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14注入换热封装套管12底部，由于换热封装套管12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12内水的温度，换热管11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；控制模块6控制注液控制阀17持续开启，控制模块6控制注液控制阀17调整注液速度，低温换热介质在换热封装套管12管腔内通过换热管11与外界高温干热岩换热，通过注液管14向换热封装套管12内持续注入低温水，换热封装套管12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，换热封装套管12中液面不断上升，当换热封装套管12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。换热过程中：设置于换热封装套管12内壁的流速传感器22通过数据传输系统3将采集的流速信号传输至数据处理模块4，数据处理模块4通过显示模块5显示换热封装套管12内换热介质不同阶段的流速；设置于换热封装套管12内壁的温度传感器21通过数据传输系统3将采集的温度信号传输至数据处理模块4，数据处理模块4通过显示模块5显示换热封装套管12内壁不同阶段的换热介质的温度；换热介质换热过程中，设置于换热封装套管12空腔内的真空度检测器23通过数据传输系统3将采集的真空度信号传输至数据处理模块4，数据处理模块4通过显示模块5显示换热封装套管12内的真空度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但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监控系统，它包括换热系统（1）、数据采集系统（2）、数据传输系统（3）、数据处理模块（4）、显示模块（5）与控制模块（6），其特征在于：数据采集系统（2）设置于换热系统（1）中，数据采集系统（2）将采集的数据通过数据传输系统（3）传送至数据处理模块（4），数据处理模块（4）信号输出端分别与显示模块（5）和控制模块（6）电气连接；

所述换热系统（1）包括换热管（11）和换热封装套管（12），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（11），相临两层换热管单体之间设置有缝隙；所述换热封装套管（12）侧壁设置有空腔，换热管（11）封装于换热封装套管（12）的空腔中，所述换热封装套管（12）侧壁的空腔内还设置有数据线集线管（13），数据线集线管（13）与换热封装套管（12）一体成型，数据线集线管（13）内壁设置有隔热涂层，数据线设置于数据线集线管（13）内组成数据传输系统；换热封装套管（12）内壁设置有注液管（14）和抽液管（15），注液管（14）与换热封装套管（12）一体成型，所述注液管（14）延伸至换热封装套管（12）底部，所述抽液管（15）设置于换热封装套管（12）内壁的顶部，抽液管（15）上设置有抽液泵（16），注液管（14）上设置有注液控制阀（17），所述控制模块（6）控制抽液泵（16）与注液控制阀（17）开启或关闭；

所述数据采集系统（2）包括温度传感器（21）、流速传感器（22）与真空度检测器（23），沿换热封装套管（12）内壁每隔100~150米分别设置有若干温度传感器（21），沿换热封装套管（12）外壁每隔300~500米亦分别设置有若干温度传感器（21）；在换热封装套管（12）内壁的上部、中部以及抽液口和注液口处分别设置有流速传感器（22）；在换热封装套管（12）侧壁的空腔中，每隔100~150米分别设置有若干真空度检测器（23）；温度传感器（21）、流速传感器（22）与真空度检测器（23）分别与所述数据线连通。

2.根据权利要求1所述的地能干热岩换热装置监控系统，其特征在于：所述若干根封装后的换热封装套管（12）环抱呈圆柱体，形成换热管组。

3.地能干热岩换热装置监控系统的换热监控方法，其特征在于按以下步骤依次进行：

a、换热系统（1）的制备及数据采集系统（2）与数据传输系统（3）的封装：

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；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（11）；将换热管（11）放置于换热封装套管（12）侧壁的空腔内，将温度传感器（21）、流速传感器（22）与真空度检测器（23）分别对应设置于换热封装套管（12）的内壁、外壁与空腔内，将数据线分别与温度传感器（21）、流速传感器（22）与真空度检测器（23）电气连接后设置于数据线集线管（13）内，最后将换热管（11）封装，并将换热封装套管（12）下端面密封，留待后步使用；

b、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（7）；将上步封装好的换热管（11）和换热封装套管（12）放置于护井套管（7）内，设置于换热封装套管（12）外壁的温度传感器（21）通过数据传输系统（3）将采集的温度信号传输至数据处理模块（4），数据处理模块（4）通过显示模块（5）显示换热封装套管（12）外壁不同阶段的温度；

c、换热介质填充与抽取的控制：

数据采集系统（2）将采集的数据通过数据传输系统（3）传输至数据处理模块（4），数据处理模块（4）控制将控制信号分别传送至抽液泵（16）与注液控制阀（17），控制模块（6）控制抽液泵（16）与注液控制阀（17）开启或关闭；通过抽液泵（16）将换热后的高温换热介质从抽液管（5）抽出换热封装套管（12），即获得携带有高温地热能的换热介质；

d、地热能的交换与监控：

通过注液管（14）向换热封装套管（12）中加注低温换热介质，设置于换热封装套管（12）内壁的流速传感器（22）通过数据传输系统（3）将采集的流速信号传输至数据处理模块（4），数据处理模块（4）通过显示模块（5）显示换热封装套管（12）内换热介质不同阶段的流速；控制模块（6）调整注液速度，低温换热介质在换热封装套管（12）管腔内通过换热管（11）与外界高温干热岩换热，设置于换热封装套管（12）内壁的温度传感器（21）通过数据传输系统（3）将采集的温度信号传输至数据处理模块（4），数据处理模块（4）通过显示模块（5）显示换热封装套管（12）内壁不同阶段的换热介质的温度；换热介质换热过程中，设置于换热封装套管（12）空腔内的真空度检测器（23）通过数据传输系统（3）将采集的真空度信号传输至数据处理模块（4），数据处理模块（4）通过显示模块（5）显示换热封装套管（12）内的真空度。

4.根据权利要求3所述的地能干热岩换热装置监控系统的换热监控方法，其特征在于：所述护井套管（7）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监控系统的换热监控方法，其特征在于：所述钛镍金属丝中钛与镍的质量比为：W_Ti%：W_Ni%=（44~46）%：（54~56）%。

6.根据权利要求3所述的地能干热岩换热装置监控系统的换热监控方法，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。