CN108799024A - U型管换热闭式循环井下热电发电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种U型管换热闭式循环井下热电发电系统及方法。系统包括井筒、流体循环模块和电能外输模块。井筒包括套管、油管、热电发电模块、冷流体注入管和U型管换热器。套管位于生产层的部分上设有射孔段。套管内壁与热电发电模块外壁之间的空间形成油套环空流动通道。油管内部空间形成油管流动通道。冷流体注入管设置在油套环空流动通道内或油管流动通道内。流体循环模块包括冷流体注入管线、冷流体注入泵、冷流体流出管线、冷流体储存容器、冷流体流入管线、热流体利用模块、油套环空返出流体流动管线和油管返出流体流动管线。本发明能实现取热发电不取水、提供稳定的电能供给，且不会影响换热流体的后续利用。

Description

U型管换热闭式循环井下热电发电系统及方法

技术领域

本发明属于地热发电技术领域，具体涉及一种U型管换热闭式循环井下热 电发电系统及方法。

背景技术

地热能是一种来自地球深处的可再生性能源。全球地热潜在资源，约相当 于现在全球能源消耗总量的45万倍。作为一种新的清洁的绿色能源，在当今 人们的环保意识日渐增强和能源日趋紧缺的情况下，对地热资源的合理开发利 用已愈来愈受到人们的青睐。

地热发电是地热利用的最重要方式。按照载热体类型、温度、压力和其它 特性的不同，可把地热发电的方式划分为蒸汽型地热发电和热水型地热发电两 大类。蒸汽型地热发电是把干蒸汽直接引入汽轮发电机组发电，在引入发电机 组前应把蒸汽中所含的岩屑和水滴分离出去。这种发电方式最为简单，但干蒸 汽地热资源十分有限。热水型地热发电是地热发电的主要方式，分为闪蒸系统 发电和双循环系统发电，其中闪蒸系统发电是利用压力降低过程中将部分热水 沸腾并“闪蒸”成蒸汽后送至汽轮机发电，而双循环系统发电则是将地热能传 给另一种低沸点的工作介质使之沸腾而产生蒸汽后送至汽轮机发电。这些方法 都需要将热储层流体提取到地面后再进行发电，热储层流体大量开采会带来潜 在的地层下沉、井筒结垢等问题，在一定程度上制约了地热发电的发展。

随着近年来半导体材料制造技术和工艺的进步，热电发电技术逐渐兴起。 该技术利用半导体材料的塞贝克效应原理进行发电，当在由N-型半导体和P- 型半导体组成的热电发电单元的两侧施加不同温度时，在热电发电单元之间就 会产生电动势，从而将热能直接转换为电能。一些研究表明，即使热电发电单 元两侧之间仅有10摄氏度的温差，在热电发电单元规模达到数百米长度的情 况下，能产生足够多的电能。

发明内容

针对中低温热储的生产特点和现有发电方法的技术限制，本发明结合热电 发电技术，提出一种U型管换热闭式循环井下热电发电系统与方法，该系统及 方法不但能实现取热发电不取水、提供稳定的电能供给，而且还不会影响换热 流体的后续利用。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明涉及一种U型管换热闭式循环井下热电发电系统，包括：井筒、流 体循环模块和电能外输模块。

具体地说，所述井筒包括自上向下依次钻穿生产层上覆地层和生产层的套 管、嵌入设置在套管内的油管、设置在油管外壁上的热电发电模块、冷流体注 入管和嵌入设置在位于生产层范围内的套管中的U型管换热器；所述套管位于 生产层的部分上设有射孔段；所述油管的顶部与套管的顶部平齐，底部位于生 产层上覆地层与生产层的交界处；所述油管的下端外侧通过穿越封隔器坐封在 套管内壁上，油管的底部内侧设有贯穿式油管堵头；所述热电发电模块设置在 位于穿越封隔器上方的油管上，且热电发电模块通过驳接线缆与电能外输模块 相连；所述套管内壁与热电发电模块外壁之间的空间形成油套环空流动通道； 所述油管内部空间形成油管流动通道。

所述冷流体注入管设置在油套环空流动通道内或油管流动通道内；所述冷 流体注入管内设有位于生产层上覆地层范围内的井下分流器；当冷流体注入管 位于油套环空流动通道内时，冷流体注入管的下端贯穿安装在穿越封隔器中后 与U型管换热器的一端相连，U型管换热器的另一端安装在贯穿式油管堵头 中，且U型管换热器的内腔分别与冷流体注入管和油管流动通道相连通；当冷 流体注入管位于油管流动通道内时，冷流体注入管的下端与U型管换热器的一 端相连，U型管换热器的另一端贯穿安装在穿越封隔器中，且U型管换热器的 内腔分别与冷流体注入管和油套环空流动通道相连通。

所述流体循环模块包括冷流体注入管线、冷流体注入泵、冷流体流出管线、 冷流体储存容器、冷流体流入管线、热流体利用模块、油套环空返出流体流动 管线和油管返出流体流动管线；所述冷流体注入泵的出口通过冷流体注入管线 与冷流体注入管的上端开口相连，冷流体注入泵的入口通过冷流体流出管线与 冷流体储存容器的出口相连；所述冷流体储存容器的入口通过冷流体流入管线 与热流体利用模块的出口相连；所述热流体利用模块的入口通过油管返出流体 流动管线与油管流动通道相连，热流体利用模块的入口还通过油套环空返出流 体流动管线与油套环空流动通道相连。

进一步的，所述井筒为钻穿地层的孔眼结构，采用下套管至井底注水泥固 井方式实现；所述套管与生产层及生产层上覆盖层均紧密胶结。

进一步的，所述处于生产层上覆地层范围内的套管内壁上涂敷有绝热材 料。

进一步的，所述热电发电模块包括若干组相互串联的热电发电机；所述热 电发电机包括若干组热电发电单元；所述热电发电单元包括一个N型半导体和 一个P型半导体，相邻的热电发电单元之间N型半导体和P型半导体交替排 列。

进一步的，所述套管、油管、冷流体注入管、穿越封隔器和贯穿式油管堵 头的横截面均为圆形；所述U型管换热器端部的横截面为圆形；所述油管与套 管同轴设置。所述热电发电模块的横截面为圆环形。

进一步的，所述冷流体注入泵和冷流体储存容器均位于地面上。

本发明还涉及一种上述U型管换热闭式循环井下热电发电系统的热电发 电方法：

S1、当冷流体注入管位于油套环空流动通道中时，该方法包括以下步骤：

S11、存储在冷流体储存容器中的冷流体，经冷流体流出管线进入冷流体 注入泵增压后，通过冷流体注入管线进入冷流体注入管。

S12、当冷流体注入管中向下流动的冷流体流经冷流体注入管底部的井下 分流器时，在井下分流器的分流作用下，冷流体注入管中的一部分冷流体被分 流进入油套环空流动通道并沿着油套环空流动通道向上流出地面，该部分冷流 体在上升过程中温度会逐渐升高，从油套环空流动通道流出的时候为热流体； 冷流体注入管中的另一部分冷流体在冷流体注入管中继续向下流动进入穿越 封隔器和贯穿式油管堵头下部的U型管换热器中；在外界驱替压力下，来自生 产层的地层热流体通过套管上的射孔段进入套管内，并且不断流过U型管换热 器外表面，将其携带的热量传递给U型管换热器中注入的冷流体；U型管换热器中注入的冷流体吸收来自生产层的地层热流体所传递的热量后，温度升高， 变成循环热流体，通过贯穿式油管堵头进入油管流动通道中并沿着油管流动通 道向上流出地面。

S13、从油套环空流动通道流出的热流体通过油套环空返出流体流动管线 流入热流体利用模块；从油管流动通道流出的热流体通过油管返出流体流动管 线流入热流体利用模块。

S14、从油套环空流动通道和油管流动通道流出的热流体在热流体利用模 块中经过热交换和利用后通过冷流体流入管线返回冷流体储存容器中。

S15、热电发电模块在油管流动通道中的高温流体和油套环空流动通道中 的低温流体之间的温度差的作用下产生电能，并通过驳接线缆将电能输入电能 外输模块。

S2、当冷流体注入管位于油管流动通道中时，该方法包括以下步骤：

S21、存储在冷流体储存容器中的冷流体，经冷流体流出管线进入冷流体 注入泵增压后，通过冷流体注入管线进入冷流体注入管。

S22、当冷流体注入管中向下流动的冷流体流经冷流体注入管底部的井下 分流器时，在井下分流器的分流作用下，冷流体注入管中的一部分冷流体被分 流进入油管流动通道并沿着油管流动通道向上流出地面，该部分冷流体在上升 过程中温度会逐渐升高，从油管流动通道流出的时候为热流体；冷流体注入管 中的另一部分冷流体在冷流体注入管中继续向下流动进入穿越封隔器和贯穿 式油管堵头下部的U型管换热器中；在外界驱替压力下，来自生产层的地层热 流体通过套管上的射孔段进入套管内，并且不断流过U型管换热器外表面，将 其携带的热量传递给U型管换热器中注入的冷流体；U型管换热器中注入的冷流体吸收来自生产层的地层热流体所传递的热量后，温度升高，变成循环热流 体，通过穿越封隔器进入油套环空流动通道中并沿着油套环空流动通道向上流 出地面。

S23、从油套环空流动通道流出的热流体通过油套环空返出流体流动管线 流入热流体利用模块；从油管流动通道流出的热流体通过油管返出流体流动管 线流入热流体利用模块。

S24、从油套环空流动通道和油管流动通道流出的热流体在热流体利用模 块中经过热交换和利用后通过冷流体流入管线返回冷流体储存容器中。

S25、热电发电模块在油套环空流动通道中的高温流体和油管流动通道中 的低温流体之间的温度差的作用下产生电能，并通过驳接线缆将电能输入电能 外输模块。

进一步的，所述冷流体为水、液态二氧化碳、液态氮气中的任意一种。

和现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用U型管换热闭式循环方式实现了井下取热发电不取水， 避免了传统地热生产过程中潜在的地层沉降、井筒结垢等问题。

(2)本发明利用布置在水热型地热井或高含水废弃油井井下的热电发电 模块实现了井下发电。

(3)本发明所述的井下热电发电系统不会额外占用地面面积，且工作无 噪声。

(4)在本发明中，经井下热电发电后循环出的热流体在地面换热后可重 复循环利用，减少排放；换热后提取的热量可用于地面供暖、养殖、洗浴等应 用。

综上所述，本发明不但能实现取热发电不取水、提供稳定的电能供给，而 且还不会影响换热流体的后续利用。

附图说明

图1是实施例一中U型管换热闭式循环井下热电发电系统的结构示意图；

图2是图1的I-I’剖面结构示意图；

图3是图1的II-II’剖面结构示意图；

图4是实施例二中U型管换热闭式循环井下热电发电系统的结构示意图；

图5是图4的I-I’剖面结构示意图；

图6是图4的II-II’剖面结构示意图。

其中：

101、生产层，102、生产层上覆地层，103、套管，104、热电发电模块， 105、油管，106、冷流体注入管，107、U型管换热器，108、井下分流器，109、 穿越封隔器，110、贯穿式油管堵头，111、井底，112、井筒，113、射孔段， 200、流体循环模块，201、冷流体注入管线，202、冷流体注入泵，203、冷流 体流出管线，204、冷流体储存容器，205、冷流体流入管线，206、热流体利 用模块，207、油套环空返出流体流动管线，208、油管返出流体流动管线，301、 驳接线缆，302、电能外输模块，401、油套环空流动通道，402、油管流动通 道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

实施例一

如图1所示的一种U型管换热闭式循环井下热电发电系统，包括：井筒 112、流体循环模块200和电能外输模块302。

进一步的，所述井筒112包括自上向下依次钻穿生产层上覆地层102和生 产层101的套管103、嵌入设置在套管103内的油管105、设置在油管105外 壁上的热电发电模块104、冷流体注入管106和嵌入设置在位于生产层范围内 的套管103中的U型管换热器107。所述套管103位于生产层101的部分上设 有射孔段113。所述油管105的顶部与套管103的顶部平齐，底部位于生产层 上覆地层102与生产层101的交界处。

具体地说，所述生产层101埋深数千米。所述生产层上覆地层102为生产 层101以上至地表所覆盖的沉积岩或土等隔热层，其地层温度从下至上呈逐渐 降低趋势，低于生产层101的储层温度。所述井筒112为钻穿地层的孔眼结构， 依次穿过生产层上覆地层102和生产层101，采用下套管103至井底1111注水 泥固井方式完成。所述套管103与生产层101和生产层上覆地层102紧密胶结， 与地层流体隔绝。处于生产层上覆地层102范围内的套管内壁表面涂敷绝热材 料，以减少生产层上覆地层102和处于生产层上覆地层102范围内的套管103 中的流体之间的热传递。处于生产层101范围内的套管103部分采用射孔完井 方式完成，形成射孔段113，为生产层101中流体进入井底111提供流动通道。 油管105下入生产层101正上方，通过穿越封隔器109坐封在套管103上。热 电发电模块104紧密固结在位于穿越封隔器109上方的油管105外壁上。油管 105外壁上紧固的热电发电模块104的外侧与生产层上覆地层102范围内的套 管103部分形成油套环空流动通道401。油管105内部空间形成油管流动通道 402。冷流体注入管106设置在油套环空流动通道401内，冷流体注入管106通过油套环空流动通道401下入井中，贯穿穿越封隔器109并与U型管换热器 107相连通。冷流体注入管106接近穿越封隔器109的位置处安装井下分流器 108，以便将从冷流体注入管106注入的部分冷流体分流后进入油套环空流动 通道401中。贯穿式油管堵头110位于油管105底部，U型管换热器107通过 贯穿式油管堵头110接入油管流动通道402中。具体地说，冷流体注入管106 的下端贯穿安装在穿越封隔器109中后与U型管换热器107的一端相连，U型管换热器107的另一端安装在贯穿式油管堵头110中，且U型管换热器107 的内腔分别与冷流体注入管106和油管流动通道402相连通。

进一步的，所述流体循环模块200包括冷流体注入管线201、冷流体注入 泵202、冷流体流出管线203、冷流体储存容器204、冷流体流入管线205、热 流体利用模块206、油套环空返出流体流动管线207和油管返出流体流动管线 208。所述冷流体注入泵202的出口通过冷流体注入管线201与冷流体注入管 106的上端开口相连，冷流体注入泵202的入口通过冷流体流出管线203与冷 流体储存容器204的出口相连；所述冷流体储存容器204的入口通过冷流体流 入管线205与热流体利用模块206的出口相连；所述热流体利用模块206的入 口通过油管返出流体流动管线208与油管流动通道402相连，热流体利用模块 206的入口还通过油套环空返出流体流动管线207与油套环空流动通道401相 连。

进一步的，所述热电发电模块104紧固在油管105外壁，随油管105下入 套管103内；所述的热电发电模块104产生的电能通过驳接线缆301与电能外 输模块302相连，通过电能外输模块302向用户提供电能。具体地说，所述的 热电发电模块104由若干组热电发电机串联而成；所述的若干组热电发电机可 以是1组、10组、100组，也可以是任意多组；所述的热电发电机由若干个N 型半导体和若干个P型半导体按照交替、成对排列方式组装而成；一个N型 半导体和一个P型半导体构成一个热电发电单元；所述的若干个N型半导体 和若干个P型半导体可以是1个、10个、100个，也可以是任意多个；N型半 导体数量和P型半导体数量相等。

进一步的，所述冷流体为水、液态二氧化碳或液态氮气。

进一步的，所述井下分流器108将从冷流体注入管6中注入的冷流体按照 一定的体积比例分流出一部分冷流体并导入油套环空流动通道401，另一部分 冷流体导入与之连接的位于穿越封隔器109下部的U型管换热器107中。所述 的一定的体积比例是指进入油套环空流动通道401中的冷流体的体积与地面注 入冷流体注入管6中的冷流体的总体积之比，该体积比例可以是0.1、0.2，0.5， 0.9，也可以是0到1之间除0和1以外的任何小数值。

进一步的，所述充满穿越封隔器109下部和井底111之间的井筒空间的地 层热流体，是在外界驱替压力作用下，通过射孔段113从生产层101的一侧流 入穿越封隔器109下部和井底111之间的井筒空间，并从另一侧流出穿越封隔 器109下部和井底111之间的井筒空间。生产过程中地层热流体不断流过U型 管换热器107将地层热流体的热量传递给U型管换热器107中的流体。

该系统的工作原理为：

冷流体注入泵202将来自冷流体储存容器204的冷流体增压后，通过冷流 体注入管线201注入位于油套环空流动通道401中的冷流体注入管6中。经增 压后的冷流体沿着冷流体注入管6向下流动，当流经井下分流器108时，在井 下分流器108的分流作用下，部分冷流体被分流进入油套环空流动通道401中 并沿着油套环空流动通道401向上流出地面，剩余部分冷流体被分流进入穿越 封隔器109下部的U型管换热器107中。进入油套环空流动通道401中的冷流 体，在沿着油套环空流动通道401向上流动过程中，不断从周围地层吸收热量， 温度逐渐增加，在进入油套环空流动通道401地面出口处达到最大温度，形成 热流体。进入穿越封隔器109下部U型管换热器107中的冷流体，在流经U 型管换热器107时，与充满穿越封隔器109下部和井底111之间的井筒空间的 地层热流体进行热交换，吸收热量被加热，温度升高，在U型管换热器107 底部温度达到最大值。冷流体在U型管换热器107中被加热后的变成高温热流 体，在地面注入压力作用下穿过贯穿式油管堵头110进入油管流动通道402中， 并沿着油管流动通道402向上流出地面。由于穿越封隔器109上部套管内部涂 敷有绝热材料，因此，从井下分流器108分流进入油套环空流动通道401中的 冷流体从周围地层吸收热量少，温度保持在较低水平；而流经穿越封隔器109 下部U型管换热器107中的冷流体被来自生产层101的高温流体加热而形成热 流体，进入油管流动通道402中后，这部分被加热后的热流体保持在较高的温 度水平。在同一深度处，油管流动通道402中的流体温度高于油套环空流动通 道401中的流体温度；油管流动通道402中的流体为热电发电模块104提供热 源，成为热电发电模块104的高温热端；油套环空流动通道401中的流体为热 电发电模块104提供冷源，成为热电发电模块104的低温冷端。热电发电模块 104在油套环空流动通道401中的流体温度和油管流动通道402中的流体温度 之间的温度差的作用下产生电能。从油管流动通道402中流出的热流体通过油 管返出流体流动管线208进入热流体利用模块206；从油套环空流动通道401 中流出的热流体通过油套环空返出流体流动管线207进入热流体利用模块 206。从油管流动通道402和油套环空流动通道401流出的热流体在热流体利 用模块206中经过充分热交换和利用后变成冷流体后，通过冷流体流入管线 205进入冷流体储存容器204中。冷流体储存容器204、冷流体流出管线203、 冷流体注入泵202、冷流体注入管线201、冷流体注入管106、井下分流器108、 油套环空流动通道401、U型管换热器107、油管流动通道402、油管返出流体 流动管线208、油套环空返出流体流动管线207、热流体利用模块206和冷流 体流入管线205构成一个闭式的流体循环系统，为热电发电模块104提供持续 的冷能和热能，实现井下热电发电。

如图2所示，所述冷流体注入管106、油管105和套管103的横截面均为 圆形。所述油管105与套管103同轴设置。所述热电发电模块104的横截面为 圆环形。

如图3所示，所述穿越封隔器109、贯穿式油管堵头110的横截面均为圆 形。所述U型管换热器107的端部的横截面为圆形。

本实施例中的热电发电系统为油套环空注入情况下的U型管换热闭式循 环井下热电发电系统，该系统的实现方法为：

(1)选定高温水热型地热井或高含水废弃油井，根据该井生产层101厚 度和生产层101深度，先将U型管换热器107的两端分别与贯穿式油管堵头 110和穿越封隔器109相连后，再连接在外壁固结有热电发电模块104的油管 105的底部，然后将油管105、贯穿式油管堵头110、穿越封隔器109和U型 管换热器107从套管103中下至生产层101上方，并利用穿越封隔器109将油 管105坐封在套管103上。U型管换热器107的延深不超过生产层101厚度。

(2)将带有井下分流器108的冷流体注入管6从油套环空流动通道401 下入井中，在穿越封隔器109处与U型管换热器107的接口对接。

(3)依次连接冷流体储存容器204、冷流体流出管线203、冷流体注入泵 202和冷流体注入管线201，并将冷流体注入管线201与冷流体注入管6相连； 将油管流动通道402通过油管返出流体流动管线208与热流体利用模块206相 连；将油套环空流动通道401通过油套环空返出流体流动管线207与热流体利 用模块206相连；热流体利用模块206通过冷流体流入管线205连接到冷流体 储存容器204，从而构成一个闭合的流体循环系统。

(4)将热电发电模块104通过驳接线缆301与电能外输模块302相连， 构成一个电路系统。

(5)存储在冷流体储存容器204中的冷流体，经冷流体流出管线203进 入冷流体注入泵202增压后，通过冷流体注入管线201进入冷流体注入管6。

(6)当冷流体注入管6中向下流动的冷流体流经冷流体注入管6底部的 井下分流器108时，冷流体注入管6中的一部分冷流体被分流进入油套环空流 动通道401，并沿着油套环空流动通道401向上流出地面，该部分冷流体在上 升过程中温度会逐渐升高，从油套环空流动通道401流出的时候为热流体；冷 流体注入管6中的另一部分冷流体在冷流体注入管6中继续向下流动，进入穿 越封隔器109和贯穿式油管堵头110下部的U型管换热器107中；在外界驱替 压力下，来自生产层101的地层热流体，不断通过射孔段进入套管内并流过U 型管换热器107外表面，将其携带的热量传递给U型管换热器107中注入的冷 流体；U型管换热器107中注入的冷流体吸收来自生产层101的地层热流体所 传递的热量后，温度升高，变成循环热流体，通过贯穿式油管堵头110进入油 管流动通道402中并沿着油管流动通道402向上流出地面。

(7)从油套环空流动通道401流出的热流体通过油套环空返出流体流动 管线207流入热流体利用模块206；从油管流动通道402流出的热流体通过油 管返出流体流动管线208流入热流体利用模块206。

(8)从油套环空流动通道401和油管流动通道402流出的热流体在热流 体利用模块206中经过热交换和利用后通过冷流体流入管线205返回冷流体储 存容器204中。

(9)热电发电模块104在油管流动通道402中的高温流体和油套环空流 动通道401中的低温流体之间的温度差的作用下产生电能，并通过驳接线缆 301将电能输入电能外输模块302。

实施例二

如图4所示的油管注入情况下的U型管换热闭式循环井下热电发电系统， 与图1所示的实施例一中的油套环空注入情况下的U型管换热闭式循环井下热 电发电系统的区别在于：冷流体注入管106从油管105中下入，也就是冷流体 注入管106设置在油管流动通道402中。从井下分流器108分流出的部分冷流 体进入油管流动通道402，并沿油管流动通道402向上流出地面。U型管换热 器107通过贯穿式油管堵头110与冷流体注入管106相连通。U型管换热器107 穿过穿越封隔器109与油套环空流动通道401连通。具体地说，冷流体注入管 106的下端与U型管换热器107的一端相连，U型管换热器107的另一端贯穿 安装在穿越封隔器109中，且U型管换热器107的内腔分别与冷流体注入管 106和油套环空流动通道401相连通。经井下分流器108分流出的另一部分冷 流体，进入U型管换热器107中后，被充满在穿越封隔器109下部和井底111 之间的井筒空间的地层热流体加热后进入油套环空流动通道401中，并沿着油 套环空流动通道401向上流出至地面。油管流动通道402中的流体为热电发电 模块104提供冷源，成为热电发电模块104的低温冷端。油套环空流动通道401 中的流体为热电发电模块104提供热源，成为热电发电模块104的高温热端。 热电发电模块104在油套环空流动通道401中的流体温度和油管流动通道402 中的流体温度之间的温度差的作用下产生电能。

如图5所示，所述冷流体注入管106、油管105、套管103和热电发电模 块104的横截面均为圆形。所述油管105与套管103同轴设置。

如图6所示，所述穿越封隔器109和贯穿式油管堵头110的横截面均为圆 形。所述U型管换热器107端部的横截面为圆形。

本实施例中的热电发电系统为油管注入情况下的U型管换热闭式循环井 下热电发电系统，该系统的实现方法为：

(1)选定高温水热型地热井或高含水废弃油井；根据该井生产层101厚 度和生产层101深度，先将U型管换热器107的两端分别与贯穿式油管堵头 110和穿越封隔器109相连后，再连接在外壁固结有热电发电模块104的油管 105的底部，然后将油管105、贯穿式油管堵头110、穿越封隔器109和U型 管换热器107从套管103中下至生产层101上方，并利用穿越封隔器109将油 管105坐封在套管103上。U型管换热器107的延深不超过生产层101厚度。

(2)将带有井下分流器108的冷流体注入管6从油管流动通道402下入 油管105中，在贯穿式油管堵头110处与U型管换热器107的接口对接。

(3)依次连接冷流体储存容器204、冷流体流出管线203、冷流体注入泵 202和冷流体注入管线201，并将冷流体注入管线201与冷流体注入管6相连。 将油管流动通道402通过油管返出流体流动管线208与热流体利用模块206相 连；将油套环空流动通道401通过油套环空返出流体流动管线207与热流体利 用模块206相连。热流体利用模块206通过冷流体流入管线205连接到冷流体 储存容器204，从而构成一个闭合的流体循环系统。

(4)将热电发电模块104通过驳接线缆301与电能外输模块302相连， 构成一个电路系统。

(5)存储在冷流体储存容器204中的冷流体，经冷流体流出管线203进 入冷流体注入泵202增压后，通过冷流体注入管线201进入冷流体注入管6。

(6)当冷流体注入管6中向下流动的冷流体流经冷流体注入管6底部的 井下分流器108时，冷流体注入管6中的一部分冷流体被分流进入油管流动通 道402中，并沿着油管流动通道402向上流出地面，该部分冷流体在上升过程 中温度会逐渐升高，从油管流动通道402流出的时候为热流体；冷流体注入管 6中的另一部分冷流体在冷流体注入管6中继续向下流动，进入穿越封隔器109 和贯穿式油管堵头110下部的U型管换热器107中；在外界驱替压力下，来自 生产层101的地层热流体不断穿过射孔段后，进入套管内并流过U型管换热器 107外表面，将其携带的热量传递给U型管换热器107中注入的冷流体；U型 管换热器107中注入的冷流体吸收来自生产层101的地层热流体所传递的热量 后，温度升高，变成循环热流体，通过穿越封隔器109进入油套环空流动通道 401中，并沿着油套环空流动通道401向上流出地面。

(7)从油套环空流动通道401流出的热流体通过油套环空返出流体流动 管线207流入热流体利用模块206；从油管流动通道402流出的热流体通过油 管返出流体流动管线208流入热流体利用模块206。

(8)从油套环空流动通道401和油管流动通道402流出的热流体在热流 体利用模块206中经过热交换和利用后通过冷流体流入管线205返回冷流体储 存容器204中。

(9)热电发电模块104在油套环空流动通道401中的高温流体和油管流 动通道402中的低温流体之间的温度差的作用下产生电能，并通过驳接线缆 301将电能输入电能外输模块302。

Claims (8)

1.U型管换热闭式循环井下热电发电系统，其特征在于，包括：井筒、流体循环模块和电能外输模块；

所述井筒包括自上向下依次钻穿生产层上覆地层和生产层的套管、嵌入设置在套管内的油管、设置在油管外壁上的热电发电模块、冷流体注入管和嵌入设置在位于生产层范围内的套管中的U型管换热器；所述套管位于生产层的部分上设有射孔段；所述油管的顶部与套管的顶部平齐，底部位于生产层上覆地层与生产层的交界处；所述油管的下端外侧通过穿越封隔器坐封在套管内壁上，油管的底部内侧设有贯穿式油管堵头；所述热电发电模块设置在位于穿越封隔器上方的油管上，且热电发电模块通过驳接线缆与电能外输模块相连；所述套管内壁与热电发电模块外壁之间的空间形成油套环空流动通道；所述油管内部空间形成油管流动通道；

所述冷流体注入管设置在油套环空流动通道内或油管流动通道内；所述冷流体注入管内设有位于生产层上覆地层范围内的井下分流器；当冷流体注入管位于油套环空流动通道内时，冷流体注入管的下端贯穿安装在穿越封隔器中后与U型管换热器的一端相连，U型管换热器的另一端安装在贯穿式油管堵头中，且U型管换热器的内腔分别与冷流体注入管和油管流动通道相连通；当冷流体注入管位于油管流动通道内时，冷流体注入管的下端与U型管换热器的一端相连，U型管换热器的另一端贯穿安装在穿越封隔器中，且U型管换热器的内腔分别与冷流体注入管和油套环空流动通道相连通；

所述流体循环模块包括冷流体注入管线、冷流体注入泵、冷流体流出管线、冷流体储存容器、冷流体流入管线、热流体利用模块、油套环空返出流体流动管线和油管返出流体流动管线；所述冷流体注入泵的出口通过冷流体注入管线与冷流体注入管的上端开口相连，冷流体注入泵的入口通过冷流体流出管线与冷流体储存容器的出口相连；所述冷流体储存容器的入口通过冷流体流入管线与热流体利用模块的出口相连；所述热流体利用模块的入口通过油管返出流体流动管线与油管流动通道相连，热流体利用模块的入口还通过油套环空返出流体流动管线与油套环空流动通道相连。

2.根据权利要求1所述的U型管换热闭式循环井下热电发电系统，其特征在于，所述井筒为钻穿地层的孔眼结构，采用下套管至井底注水泥固井方式实现；所述套管与生产层及生产层上覆盖层均紧密胶结。

3.根据权利要求1所述的U型管换热闭式循环井下热电发电系统，其特征在于，所述处于生产层上覆地层范围内的套管内壁上涂敷有绝热材料。

4.根据权利要求1所述的U型管换热闭式循环井下热电发电系统，其特征在于，所述热电发电模块包括若干组相互串联的热电发电机；所述热电发电机包括若干组热电发电单元；所述热电发电单元包括一个N型半导体和一个P型半导体，相邻的热电发电单元之间N型半导体和P型半导体交替排列。

5.根据权利要求1所述的U型管换热闭式循环井下热电发电系统，其特征在于：所述套管、油管、冷流体注入管、穿越封隔器和贯穿式油管堵头的横截面均为圆形；所述U型管换热器端部的横截面为圆形；所述油管与套管同轴设置；所述热电发电模块的横截面为圆环形。

6.根据权利要求1所述的U型管换热闭式循环井下热电发电系统，其特征在于，所述冷流体注入泵和冷流体储存容器均位于地面上。

7.一种采用权利要求1～6任意一项所述的U型管换热闭式循环井下热电发电系统的热电发电方法，其特征在于，

S1、当冷流体注入管位于油套环空流动通道中时，该方法包括以下步骤：

S11、存储在冷流体储存容器中的冷流体，经冷流体流出管线进入冷流体注入泵增压后，通过冷流体注入管线进入冷流体注入管；

S12、当冷流体注入管中向下流动的冷流体流经冷流体注入管底部的井下分流器时，在井下分流器的分流作用下，冷流体注入管中的一部分冷流体被分流进入油套环空流动通道并沿着油套环空流动通道向上流出地面，该部分冷流体在上升过程中温度会逐渐升高，从油套环空流动通道流出的时候为热流体；冷流体注入管中的另一部分冷流体在冷流体注入管中继续向下流动进入穿越封隔器和贯穿式油管堵头下部的U型管换热器中；在外界驱替压力下，来自生产层的地层热流体通过套管上的射孔段进入套管内，并且不断流过U型管换热器外表面，将其携带的热量传递给U型管换热器中注入的冷流体；U型管换热器中注入的冷流体吸收来自生产层的地层热流体所传递的热量后，温度升高，变成循环热流体，通过贯穿式油管堵头进入油管流动通道中并沿着油管流动通道向上流出地面；

S13、从油套环空流动通道流出的热流体通过油套环空返出流体流动管线流入热流体利用模块；从油管流动通道流出的热流体通过油管返出流体流动管线流入热流体利用模块；

S14、从油套环空流动通道和油管流动通道流出的热流体在热流体利用模块中经过热交换和利用后通过冷流体流入管线返回冷流体储存容器中；

S15、热电发电模块在油管流动通道中的高温流体和油套环空流动通道中的低温流体之间的温度差的作用下产生电能，并通过驳接线缆将电能输入电能外输模块；

S2、当冷流体注入管位于油管流动通道中时，该方法包括以下步骤：

S21、存储在冷流体储存容器中的冷流体，经冷流体流出管线进入冷流体注入泵增压后，通过冷流体注入管线进入冷流体注入管；

S22、当冷流体注入管中向下流动的冷流体流经冷流体注入管底部的井下分流器时，在井下分流器的分流作用下，冷流体注入管中的一部分冷流体被分流进入油管流动通道并沿着油管流动通道向上流出地面，该部分冷流体在上升过程中温度会逐渐升高，从油管流动通道流出的时候为热流体；冷流体注入管中的另一部分冷流体在冷流体注入管中继续向下流动进入穿越封隔器和贯穿式油管堵头下部的U型管换热器中；在外界驱替压力下，来自生产层的地层热流体通过套管上的射孔段进入套管内，并且不断流过U型管换热器外表面，将其携带的热量传递给U型管换热器中注入的冷流体；U型管换热器中注入的冷流体吸收来自生产层的地层热流体所传递的热量后，温度升高，变成循环热流体，通过穿越封隔器进入油套环空流动通道中并沿着油套环空流动通道向上流出地面；

S23、从油套环空流动通道流出的热流体通过油套环空返出流体流动管线流入热流体利用模块；从油管流动通道流出的热流体通过油管返出流体流动管线流入热流体利用模块；

S24、从油套环空流动通道和油管流动通道流出的热流体在热流体利用模块中经过热交换和利用后通过冷流体流入管线返回冷流体储存容器中；

S25、热电发电模块在油套环空流动通道中的高温流体和油管流动通道中的低温流体之间的温度差的作用下产生电能，并通过驳接线缆将电能输入电能外输模块。

8.根据权利要求7所述的热电发电方法，其特征在于：所述冷流体为水、液态二氧化碳、液态氮气中的任意一种。