CN106949649A

CN106949649A - 地能干热岩树状多点换热系统及其换热方法

Info

Publication number: CN106949649A
Application number: CN201710250169.6A
Authority: CN
Inventors: 米光明; 白建盛; 崔建平
Original assignee: Shanxi Taijie Competent Hot Rock Co Ltd
Current assignee: Shanxi Taijie Competent Hot Rock Co Ltd
Priority date: 2017-04-17
Filing date: 2017-04-17
Publication date: 2017-07-14
Anticipated expiration: 2037-04-17
Also published as: CN106949649B

Abstract

地能干热岩树状多点换热系统及其换热方法，属于清洁能源技术领域，解决地能干热岩热量提取效率低、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成换热管单体，由换热管单体与换热封装套管制成换热管组，换热管组外包裹有包覆层；主井底部设置有分离板，换热管组设置于主井内，换热管组经分离板分离后，换热管延伸至相应副井中。本发明依次经过：地热能探测及钻井→换热管单体的制备→换热管的制备与封装→换热管组分离→地热能的交换，获得携带有高温地热能的换热介质，主井与副井呈树状分布，降低了钻井数目，有利于高效集约化的干热岩地热能换热，而且换热管降低了换热介质资源浪费的同时提高了换热效率。

Description

地能干热岩树状多点换热系统及其换热方法

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树状多点换热系统及其换热方法。

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、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树状多点换热系统及其换热方法。

本发明通过以下技术方案予以实现。

地能干热岩树状多点换热系统，它包括换热管组、换热井和分离板，所述换热管组包括换热管和换热封装套管，换热井包括主井和副井，其中：

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，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，换热管组外包裹有包覆层；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，换热封装套管内壁顶部还设置有抽液管；

所述主井竖直设置于地表内，主井底部设置有分离板，主井下底面与若干副井连通，所述副井由竖井或斜井或水平井或上述不同形态的井任意组合形成，竖井、斜井与水平井首尾相接，根据地热能实际储量分别设置每一副井中水平井的角度与深度；换热管组设置于主井内，换热管组经分离板分离后，换热管分别延伸至相应副井中；所述主井与副井内壁均设置有护井套管。

进一步地，所述分离板包括分离板基座、分离切片与导向板，分离切片竖直设置于分离板基座上表面上，分离切片刃口向上，分离板基座上位于分离切片之间设置有换热管通过孔，导向板设置于换热管通过孔下方。

进一步地，若干抽液管汇集成主抽液管，主抽液管出水口与泵连接。

地能干热岩树状多点换热系统的换热方法，按以下步骤依次进行：

a、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主井，钻井深度为1500米~2000米，然后根据地热能出热量位置在主井下方钻不同角度、不同深度的若干副井，副井深度为2000米~6000米，在钻好的主井与副井的内壁中设置护井套管，在主井底部放置分离板，分离板上的换热管通过孔与副井口部重合，留待后步使用；

b、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，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，留待后步使用；

c、换热管的制备与封装：首先，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；其次，将换热管放置于换热封装套管侧壁的空腔内，将换热管封装，并将换热封装套管下端面密封；再次，根据钻好的副井的孔数将若干封装好的换热管与换热封装套管环抱呈圆柱体，形成换热管组；最后，在换热管组外包裹包覆层，留待后步使用；

d、将上步封装好的换热管组放置于主井内，换热管组持续向下运动，经分离板上的分离切片切分后，包覆层破裂，换热管穿过换热管通过孔后在导向板作用下延伸至副井中；

e、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封装套管，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：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树状多点换热系统及其换热方法，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。另外，主井与副井呈树状分布，降低了钻井数目，有利于高效集约化的干热岩地热能换热。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为分离板处俯视结构截面图。

图3为水平井末端局部剖面图。

图4为分离板主视示意图。

图5为分离板俯视示意图。

图6为六根换热管组合成换热组的俯视截面图。

图7为单根换热管的俯视截面图。

图中，1为换热管组，11为换热管，12为换热封装套管，13为抽液管，14为注液管，15为包覆层，2为换热井，21为主井，22为副井，221为竖井，222为斜井，223为水平井，23为护井套管，3为分离板，31为分离板基座，32为分离切，33为导向板，34为换热管通过孔，Ⅰ为第Ⅰ副井，Ⅱ为第Ⅱ副井，Ⅲ为第Ⅲ副井，Ⅳ为第Ⅳ副井。

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1~7所示，地能干热岩树状多点换热系统，它包括换热管组1、换热井2和分离板3，所述换热管组1包括换热管11和换热封装套管12，换热井2包括主井21和副井22，其中：

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，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1，换热管组1外包裹有包覆层15；换热封装套管12内壁设置有注液管14，注液管14延伸至换热封装套管12底部，注液管14与换热封装套管12一体成型，换热封装套管12内壁顶部还设置有抽液管13；

所述主井21竖直设置于地表内，主井21底部设置有分离板3，主井21下底面与若干副井22连通，所述副井22由竖井221或斜井222或水平井223或上述不同形态的井任意组合形成，竖井221、斜井222与水平井223首尾相接，根据地热能实际储量分别设置每一副井22中水平井223的角度与深度；换热管组1设置于主井21内，换热管组1经分离板3分离后，换热管11分别延伸至相应副井22中；所述主井21与副井22内壁均设置有护井套管23。

进一步地，所述分离板3包括分离板基座31、分离切片32与导向板33，分离切片32竖直设置于分离板基座31上表面上，分离切片32刃口向上，分离板基座31上位于分离切片32之间设置有换热管通过孔34，导向板33设置于换热管通过孔34下方。

进一步地，若干抽液管13汇集成主抽液管，主抽液管出水口与泵连接。

a、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，本具体实施方式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主井21，钻井深度为1500米~2000米，本具体实施方式中主井21的钻井深度为：2000米；然后根据地热能出热量位置在主井21下方钻不同角度、不同深度的若干副井22，副井22深度为2000米~6000米，本具体实施方式中副井22设置有4个，分别为第Ⅰ副井、第Ⅱ副井、第Ⅲ副井和第Ⅳ副井，4个副井22上端口均匀地设置于主井21下端口上，其中：第Ⅰ副井中斜井222倾斜角度设置为45°，第Ⅰ副井设置水平井223的深度为4000米，水平井的角度为90°，水平井段长度为1000米；第Ⅱ副井中斜井222倾斜角度设置为45°，第Ⅱ副井设置水平井223的深度为4500米，水平井223的角度为45°，水平井段长度为1000米；第Ⅲ副井中斜井222倾斜角度设置为45°，第Ⅲ副井设置水平井223的深度为5000米，水平井223的角度为100°，水平井段长度为1000米；第Ⅳ副井中斜井222倾斜角度设置为45°，第Ⅳ副井设置水平井223的深度为5000米，水平井223的角度为45°，水平井段长度为1000米；其中，第Ⅰ副井与第Ⅱ副井的水平井223角度相同、长度相同、深度不同，第Ⅱ副井与第Ⅲ副井的水平井223角度不同、长度不同、深度相同，第Ⅲ副井与第Ⅳ副井的水平井223角度不同、深度相同、长度相同。在钻好的主井21与副井22的内壁中设置护井套管23，本具体实施方式中护井套管23的材质为钢管，在主井21底部放置分离板3，分离板3上的换热管通过孔34与副井22口部重合，留待后步使用；

b、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，本具体实施方式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，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；

c、换热管的制备与封装：首先，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；其次，将换热管11放置于换热封装套管12侧壁的空腔内，将换热管11封装，换热封装套管2内呈真空态，并将换热封装套管12下端面密封；再次，根据钻好的副井的孔数将若干封装好的换热管11与换热封装套管12环抱呈圆柱体，形成换热管组1；最后，在换热管组1外包裹包覆层15，留待后步使用；

d、将上步封装好的换热管组1放置于主井21内，换热管组1持续向下运动，经分离板3上的分离切片32切分后，包覆层15破裂，换热管11穿过换热管通过孔14后在导向板33作用下延伸至副井22中；

e、地热能的交换：调整注水速度，通过注液管14向换热封装套管12中加注低温换热介质，本具体实施方式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11紧贴岩层，增大与热源的接触面积，低温水通过换热管11快速吸热；通过注液管14持续向换热封装套管12内注入低温水，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；通过注液管14持续向换热封装套管12内注入低温水，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11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13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

1.地能干热岩树状多点换热系统，它包括换热管组（1）、换热井（2）和分离板（3），所述换热管组（1）包括换热管（11）和换热封装套管（12），换热井（2）包括主井（21）和副井（22），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（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，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（1），换热管组（1）外包裹有包覆层（15）；换热封装套管（12）内壁设置有注液管（14），注液管（14）延伸至换热封装套管（12）底部，注液管（14）与换热封装套管（12）一体成型，换热封装套管（12）内壁顶部还设置有抽液管（13）；

所述主井（21）竖直设置于地表内，主井（21）底部设置有分离板（3），主井（21）下底面与若干副井（22）连通，所述副井（22）由竖井（221）或斜井（222）或水平井（223）或上述不同形态的井任意组合形成，竖井（221）、斜井（222）与水平井（223）首尾相接，根据地热能实际储量分别设置每一副井（22）中水平井（223）的角度与深度；换热管组（1）设置于主井（21）内，换热管组（1）经分离板（3）分离后，换热管（11）分别延伸至相应副井（22）中；所述主井（21）与副井（22）内壁均设置有护井套管（23）。

2.根据权利要求1所述的地能干热岩树状多点换热系统，其特征在于：所述分离板（3）包括分离板基座（31）、分离切片（32）与导向板（33），分离切片（32）竖直设置于分离板基座（31）上表面上，分离切片（32）刃口向上，分离板基座（31）上位于分离切片（32）之间设置有换热管通过孔（34），导向板（33）设置于换热管通过孔（34）下方。

3.根据权利要求1所述的地能干热岩树状多点换热系统，其特征在于：若干抽液管（13）汇集成主抽液管，主抽液管出水口与泵连接。

4.地能干热岩树状多点换热系统的换热方法，其特征在于按以下步骤依次进行：

a、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主井（21），钻井深度为1500米~2000米，然后根据地热能出热量位置在主井（21）下方钻不同角度、不同深度的若干副井（22），副井（22）深度为2000米~6000米，在钻好的主井（21）与副井（22）的内壁中设置护井套管（23），在主井（21）底部放置分离板（3），分离板（3）上的换热管通过孔（34）与副井（22）口部重合，留待后步使用；

b、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；

c、换热管的制备与封装：首先，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）；其次，将换热管（11）放置于换热封装套管（12）侧壁的空腔内，将换热管（11）封装，并将换热封装套管（12）下端面密封；再次，根据钻好的副井的孔数将若干封装好的换热管（11）与换热封装套管（12）环抱呈圆柱体，形成换热管组（1）；最后，在换热管组（1）外包裹包覆层（15），留待后步使用；

d、将上步封装好的换热管组（1）放置于主井（21）内，换热管组（1）持续向下运动，经分离板（3）上的分离切片（32）切分后，包覆层（15）破裂，换热管（11）穿过换热管通过孔（14）后在导向板（33）作用下延伸至副井（22）中；

e、地热能的交换：调整注水速度，通过注液管（14）向换热封装套管（12）中加注低温换热介质，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，通过泵将换热后的高温换热介质从抽液管（13）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。

5.根据权利要求4所述的地能干热岩树状多点换热系统的换热方法，其特征在于：所述护井套管（23）的材质为钢管。

6.根据权利要求4所述的地能干热岩树状多点换热系统的换热方法，其特征在于：所述钛镍金属丝中钛与镍的质量比为：W_Ti%：W_Ni%=（44~46）%：（54~56）%。

7.根据权利要求4所述的地能干热岩树状多点换热系统的换热方法，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。