CN108302833A - 封闭式深层地热能采集系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一套从低孔隙度、低渗透率的地下深层高温岩体采集热能的系统，包括：采热井；至少一口压裂井，所述压裂井位于采热井附近，通过压裂方法在地下深层高温岩体中形成网状裂缝，形成人工地下热储层，采热井的热能采集段的一部分或全部被所述人工地下热储层部分或全部包裹；全封闭套管；地上热能利用装置；管道循环系统，用于使换热工质在所述套管中沿夹层向下、然后通过中心管向上循环。使用封闭式设计，不与地下环境进行物质交换，克服了直接使用地下热水能耗高、需要回灌、造成地面热及化学污染及地面塌陷的缺点，又通过人工压裂，增强了封闭式深层地下换热系统的换热效率。

Description

封闭式深层地热能采集系统和方法

技术领域

本发明涉及一种深层地热能采集系统，以及利用该采集系统采集深层地热能的方法，尤其涉及一种从低孔隙度、低渗透率的地下深层高温岩体中提取具有经济价值的地热资源的系统和方法。

背景技术

本发明所指的低孔隙度、低渗透率的地下深层高温岩体是指不含水或蒸汽的热岩体，温度范围在100～650℃之间，普遍位于地表以下2.5～10km，包括各种致密砂岩、变质岩或结晶岩类岩体。此类岩体温度较高，分布广泛，蕴藏着大量的深层地热资源，保守估计地壳中所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。由于低孔隙率、低渗透率、不含水的特性，因此，这类岩体不利于热交换的进行。

将深层高温地层中的热能带至地表有三个基本要素：1.热源。有关3-10km深度岩石圈内的热源来自哪里，目前学术界并没有统一的理论。关于高于一般值(2-3摄氏度每百米)的地温梯度(4-5摄氏度每百米甚至更高)的出现，常见的理论有二：1)花岗岩中放射性元素衰变产生的热量；2)沿地壳断层及岩层裂隙上升至地壳较浅处并滞留的岩浆囊/房。第二种热源更加直接。2.岩石热传导。以上述岩浆囊热源为例，岩浆温度极高，在包裹岩浆囊的岩体中形成温度梯度。岩石的热导率典型值为3W/(mK),即在温度梯度为1开尔文每米的情况下，单位面积的岩石截面上，在一秒内可通过3焦耳的热能(每单位面积的传热功率为3瓦)。这是一个较低的值。举例来说，一个合理的单井地热站，要求地热能采出功率约为10兆瓦，即一万千瓦。3.将热能由地下带至地面的传热流体。水作为比热容最高且很容易获得的流体，是进行地下热能交换的优质媒介。换热过程即是在与岩石接触的界面上，流动的水进行对流型热传递。需要注意的是，水在与岩石的界面上对流取热的功率需要与岩石从热源中热传导取热的功率达到动态平衡，才能使系统稳定运行。水进行对流型传热的功率一般比岩石热导率高一至几个数量级。

在传统的封闭式换热系统(同轴管、垂直井)中，存在两个明显的缺陷：1)同轴管的内管通常不做严密的真空隔热处理，使得加热后的流体由内管上升至地面的过程中损失了大量的热能；2)垂直换热井的换热面积十分有限，仅垂直圆柱体的外表面与岩层接触；在垂直方向上，地温缓慢线性上升，没有足够的热源；在缺水的干热岩体中，仅有岩石热传导与换热井内的流体进行热交换，而岩石热传导功率远远小于流体换热功率。以上两个缺陷导致的后果是：1)流体在完成一次循环后,其温度不能上升至地热井井底的地层温度；2)岩石传热速度远低于取热速度，导致地热井温度明显下降。因此，传统封闭式垂直地热系统出水温度低，长期运行效果差。

广义地说，干热岩是指地下不存在热水和蒸汽的热储岩体。在传统的干热岩增强型地热系统(EGS，Enhanced Geothermal System)中，在采热井所在的地层制造人为裂缝，使注入井(压裂井)和生产井之间由裂隙连通，形成传热介质的通路。通过向注入井中注入冷水，由干热岩层中的裂隙加热，最后抽取生产井中的热水来获得热能。这种系统的换热路线本质依然是热源-岩石-水，换热效率取决于水与岩石的接触面积。因此，该系统对裂缝的走向、条数、张开大小均有严格的要求。裂缝必须沟通注水井与生产井；垂直或其他方向上的裂缝会导致注入水漏失、生产井无法产出足够流量的热水；所需方向上的裂缝条数必须足够多，以保证足够的换热面积。显而易见，上述要求十分严苛，在不可预见且不受控制的含有天然裂隙的地层中，要获取符合要求的人工裂隙成功率极低。因此，EGS的致命缺陷在于可控性很差。另外，由于注入、采出的水与地下环境直接接触，造成地表环境污染的可能性很高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明提供了一种从低孔隙度、低渗透率的地下深层高温岩体采集热能系统，包括：采热井，采热井包括热能采集段；至少一口压裂井，所述压裂井位于采热井附近，通过压裂方法在地下深层高温岩体中形成网状裂缝，形成人工地下热储层，所述人工地下热储层将热能采集段的一部分或全部包裹起来；全封闭套管，沿采热井设置，所述全封闭套管为同轴管，内设有夹层，夹层的末端和套管的中心管之间连通，套管内注有换热工质；地上热能利用装置，包括封闭式换热器，通过封闭式换热器和加热后的换热工质进行热交换来采集热能；管道循环系统，用于使换热工质在所述套管中沿夹层向下、然后通过中心管向上进行封闭循环。所述低孔隙度、低渗透率的地下深层高温岩体包括但不限于干热岩。本发明采热系统可用于发电，居民小区、工业生产供热，或进行热电联产。

采热井可以但不限于直井、水平井、偏斜井、多分支井或上述几种设计形状的结合，还可以是由注液垂直段-水平段-出液垂直段构成，在地下形成U型管道，垂直段及水平段可分别由多条并联管道组成。本发明所述的采热井优选方式是大致呈L型，包括直井段和水平段；或者大致呈U型。本发明中所述的直井段并不是严格意义上的沿铅垂线方向，一般倾斜度在10度范围内都可以认为是直井；类似的，水平段也不是严格意义上的水平方向，一般倾斜度在10度范围内都可以认为是水平段。直井段和水平段之间的过渡也可以有多重形式，例如L型，U型等等都符合本发明的要求。采热井的水平段在目标高温地层中增加了封闭管道中流体的换热面积及换热时间，对单位面积的换热功率要求有所下降。

如前所述，采热井包括热能采集段，即周围地层温度达到设定温度的井段。地热资源按照温度可分为高温、中温和低温三类。一般认为，温度达到90度以上(中高温)才可以进行发电；如果用于温室、采暖、洗浴等，60度以上(低温)就有利用价值。采热井主要通过热能采集段来采集热能。水平段一般就是热能采集段，但是直井段的下部温度也会比较高，也能起到部分采集热能的作用，故也可视为热能采集段。

所述套管内的换热工质经所述管道循环系统被注入所述套管，并在夹层内向下流动，在夹层的末端处进入套管的中心管。在此过程中，特别是进入热能采集段后，所述换热工质被所述地下热储层不断加热。换热工质然后沿中心管向上流动循环到地面热能利用装置，与封闭式换热器进行换热。中心管管壁为双层真空结构，具有极低的热导率，以保证被加热的工质到达地面时热损耗最低。加热了的换热工质通过管道循环系统被送入地面热能利用装置，与封闭式换热器换热后进行发电或换热。与封闭式换热器换热过程中，换热工质始终在封闭系统内循环，因此不会造成环境污染或工质的泄漏。换热后，换热工质经管道循环系统回到套管内，重新进行上述循环。

本发明的特点在于：在采热井附近钻有一口或数口压裂井，压裂井末端向目标地层开放，通过压裂方法例如水力压裂、热力压裂、化学压裂等方法，对低孔隙率、低渗透性的地下深层高温岩体进行压裂，使致密的热岩层形成可渗水的裂缝网络。在利用热力压裂、化学压裂进行压裂的情况下，压裂井同时可以用于注水。通过压裂提高地层孔隙率和渗透率，使地层含水，从而形成人工地下热储层，将热能采集段的一部分或全部包裹起来。未经压裂的高温岩体，由于其低孔隙度、低渗透率特性，对人工热储层中的水具有良好的保有能力，渗失率低。在人工热储层中的水存在流失的情况下，可由压裂井向裂隙内适当补充。当人工热储层运行一定时间后，由于长期地层水循环化学作用，孔隙率及渗透率发生变化时，可再次进行压裂，或者钻新的压裂井，对人工热储层进行改造。

在本发明所述的热能采集系统中，主要改进在于，在封闭式采热井周围的高温岩体中进行压裂，使地层含水。由压裂井高压注入的水始终留存于岩层人工裂隙网络中，充当高温地层与采热井壁高效热传导的介质。更为重要的是，由于注入的水一直留存在人工热储层中，在高温岩石和地热井壁之间产生了另一种热交换机制，即水的热对流。由于高温岩体及地热井之间存在温度梯度，导致水密度不同，从而通过人工裂隙在岩石及地热井壁间形成持续的自然对流。根据初步测算，自然对流的热传递功率比岩石热传导功率高一至二个数量级。本发明技术的关键在于岩石热传导及水热对流的动态平衡，并且合理设计系统，使由热源到达地面的热功率最大化。

本发明以单井或U型井取热，在采热井附近另钻一口或数口压裂井，通过压裂制造人工地热储层。由于不需要连通注入井和生产井，压裂过程中可充分利用岩层天然裂隙，进行高效任意压裂，不必控制岩石裂隙走向及密度，在一定范围内而非固定方向上制造裂缝，大大提高了地热储层改造的成功率。本发明中的采热系统使用封闭式设计，不与地下环境进行物质交换，既克服了直接使用地下热水能耗高、需要回灌、造成地面热及化学污染及地面塌陷的缺点，又通过人工压裂，增强了封闭式深层地下换热系统的换热效率。

附图说明

图1是本发明的深层地热能采集系统的示意图。

图2是图1中A处的放大示意图。

其中：1——发电系统 2——换热系统 3——制冷系统 4——压裂井 5——地层6——人工地下热储层 7——采热井 8——中心管 9——压裂层 10——管道循环泵11——含水地热层 12——固井水泥 13——套管 14——夹层 15——中心管外壁

具体实施方式

下面参考具体实施例来详细描述本发明。为了简便起见，本文没有具体描述本领域技术人员公知的部件或结构。另外，尽管结合特定实施例对本发明进行描述，但应理解，该描述并不旨在将本发明限制于所描述的实施例。相反，该描述旨在覆盖可包括在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的替换、改进和等同方案。

实施例1深层地热能采集系统

以下以干热岩为例进行说明，但本系统当然也可以用于其他低孔隙度、低渗透率的地下深层高温岩体。

图1为本发明所提供的深层地热采集系统示意图。如图1所示，该系统的包括采热井7，为单井盲管，采热井7包括直井和水平井。热交换工质于采热单井内的同轴套管中往复循环，外环注液、内管出液，热交换工质始终都处于封闭管道中，不与地下及地上的环境进行物质交换。

采热井7井筒和井底设有若干温度和压力传感器，并可通过电力载波或其他有线或无线传输方式回传信号至地面的计算中心，对井底工况实时监视，了解井内流体流动状态，测试采热井的产能，了解地热储层的温度变化，进行地热开采中的动态分析。温度测量装置的形式包括但不限于热电阻式、热电偶式、分布式光纤传感器。压力测量装置的形式包括但不限于电子压力计、光纤光栅压力计、硅-蓝宝石压力传感器。

沿采热井7内壁设置有套管13。套管材料可以是钢或其他导热系数高且耐腐蚀的材料，本实施例优选为钢套管。钢套管13的末端通过焊接等手段封闭，形成封闭式采热井。中心管8底端敞开，安装有单向阀，并且通过单向阀将中心管8和夹层14连通起来。中心管8外壁15(即靠井壁一侧)和钢套管13内壁之间留有间隙形成夹层14，并用适当装置支撑。夹层14内注有换热工质，本实施例中换热工质为水，当然也可以选用其他导热效果良好的流体物质。换热工质从地面注入，并在夹层14内向下流动。在地面采热井出口处，中心管8及夹层14分别对应热水输出及冷水回入地下的管道及阀门。换热工质被下述人工地下热储层6(包括压裂层9)加热后经过单向阀进入中心管8。地面装置包括管道循环泵10，用于产生动力将将加热过的换热工质经单向阀泵入中心管8并使之向上流动，实现换热工质封闭循环流动。

在压裂层9形成后，通过压裂井4注入对环境无污染的热传导介质，优选为水，形成人工地下热储层6。热传导介质还可以是超临界二氧化碳等适合的导热流体物质。人工地下热储层6和钢套管13之间由水泥12固井填充。人工地下热储层6的热传导介质可将距离采热井7较远的热量运输至采热井7附近。因干热岩岩层有致密、不透水的特性，热传导介质在人工地下热储层6内维持在一恒定的水平，在一般情况下不会渗漏至其他区域。

热能利用装置包括发电装置1、换热装置2或制冷装置3，当然也可以是其他能利用热能进行能量转换的装置。中心管8输出至地面的经过加热的换热工质进入全封闭式换热器，将热能交换至发电装置1、换热装置2或制冷装置3中的全封闭工质循环回路。在换热器的热交换过程中，仅发生“地热采集工质封闭循环”与“热能利用工质封闭循环”之间的热能交换，不存在任何物质交换。

实施例2深层地热能采集系统的施工方法

进行地勘，确定采热井7的位置。如地层5温度满足不了换热需求，则需要加深井筒或者在加深后的位置钻进水平井。通过资料分析整理，选址区地层层序主要是第四系覆盖层、蓟县系雾迷山组、长城系和太古界桑干岩群。第四系为亚粘土、亚砂土夹砂砾层、夹薄层粗砂细砾层，地层厚度200～400m；蓟县系雾迷山组地层，岩性主要以白云岩、硅质条带白云岩为主，厚度约600m；长城系地层，主要岩性上部以白云岩为主，底部薄层砂岩、铁质石英砂岩、泥质粉砂岩及页岩夹白云岩透镜体，下部石英砂岩，偶含片麻岩砾石，地层厚度700m左右。太古界桑干岩群为一套麻粒岩相区域变质岩系，主要有变质表壳岩和花岗片麻岩组成。通过居里点深度可以反演地壳磁性层部分的平均地温梯度(26-31℃/km)。据此计算，大约深度6km方可达到200℃。

井身质量应满足以下要求：

采热井7包括直井和水平井，水平井深度约3000至5000米或更深，视地热条件和所需的温度确定。水平井长度约2500米。地热钻井可以采用石油钻探设备和工艺技术，例如冲击钻机、回转钻机等，这些都属于现有技术，在此不再赘述。

在采热井7位置附近(比如1千米范围内)，从采热井7的热能采集段(水平段，优选位置是水平段的中段附近)上方往下钻一口压裂井4，压裂井4的深度和采热井的深度大致相当，通过水力压裂、热力压裂、化学压裂等方法的结合使用，在各个点位进行压裂操作，使采热井7的水平井段附近的地热储层形成网状裂缝，即形成压裂层9，提高换热效率。在形成压裂层9后，通过压裂井4注水，形成人工地下热储层6，将采热井的水平段(即热能采集段)包裹起来。利用水作为热传导介质，将距离采热井7较远的热量运输至采热井7附近。将导热系数高且耐腐蚀的钢套管13下入采热井7内，钢套管13和人工地下热储层6(包括压裂层9)、地层5之间注入水泥12填充固井。钢套管13的末端使用焊接手段封闭，形成封闭式采热井。在钢套管13内安装中心管8，中心管8外壁15和钢套管13内壁之间留出间隙形成夹层14，并用适当装置支撑，中心管底端敞开装有单向阀。

换热工质从地面经管道循环泵10被注入中心管8的外壁和钢制套管13之间的夹层14中，并向下流动。在此过程中，换热工质被人工地下热储层6(包括压裂层9)不断加热，在管道末端通过过滤器进入中心管。被加热的换热工质通过管道循环泵10被送入地面的发电、换热或制冷装置(1、2、3)，进行发电或换热。换热过程中换热工质始终在封闭系统内循环，不会造成环境污染或工质的泄漏。换热后，换热工质经管道循环泵10回到采热井7，重新进行上述循环。

本发明技术不仅可以用于新建地热工程，也可以用于改造已有地热工程。当然，该系统也可用于废弃石油井、天然气井、页岩气/油井的二次利用。利用废弃油气井时，可视井筒和地热条件选择适当的井筒改造和布管方案。

Claims (8)

1.一种从低孔隙度、低渗透率的地下深层高温岩体采集热能的系统，包括：

采热井，包括热能采集段；

至少一口压裂井，所述压裂井位于采热井附近，通过压裂方法在地下深层高温岩体中形成网状裂缝，形成人工地下热储层，所述人工地下热储层将采热井热能采集段的一部分或全部包裹起来；

全封闭套管，沿采热井设置，所述全封闭套管为同轴管，内设有夹层，夹层的末端和套管的中心管之间连通，套管内注有换热工质；

地上热能利用装置，包括封闭式换热器，通过所述封闭式换热器和加热后的换热工质进行热交换来采集热能；

管道循环系统，用于使换热工质在所述套管中沿夹层向下、然后通过中心管向上进行封闭循环。

2.根据权利要求1所述的采集热能系统，其中所述低孔隙度、低渗透率的地下深层高温岩体的主要类型为干热岩，包括致密砂岩、变质岩和结晶岩类岩体。

3.根据权利要求1所述的采集热能系统，其中所述的采热井大致呈L型，包括直井段和水平段；或者大致呈U型。

4.根据权利要求1所述的采集热能系统，其中所述的中心管管壁为双层真空结构。

5.根据权利要求1所述的采集热能系统，其中所述的压裂井末端向目标地层开放，通过压裂方法对地下深层高温岩体进行压裂，形成可渗水的裂缝网络。

6.根据权利要求1所述的采集热能系统，其中所述的全封闭套管的末端封闭，形成封闭式采热井；套管材质优选的是钢。

7.根据权利要求6所述的采集热能系统，其中所述中心管的外壁和全封闭套管内壁之间留有间隙形成夹层，并用适当装置支撑，夹层内注有换热工质，换热工质优选是水。

8.根据权利要求7所述的采集热能系统，其中所述中心管底端敞开，安装有单向阀，并且通过单向阀将中心管和夹层连通起来。