CN109724275A - 用于再利用地热能生产井场的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于捕获地热能的方法和系统。地热区中注入和生产井对与地下封闭回路菊花链配置中的一个井对的生产井和相邻井对的注入井之间的发电装置相连接。循环通过回路和发电装置的流体回收地下热能。说明书还公开了关于应用该技术以重新利用未使用或悬浮的油田。

Description

用于再利用地热能生产井场的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种以经济和环保的方式再利用井场的方法和装置。

背景技术

地热能的好处是众所周知的，并且已成为许多出版物和专利的主题。一般概念是钻入地层以从中提取热量并将产生的蒸汽和水返回到蒸汽驱动例如发电装置的表面。从环境的角度来看，这需要侵入性操作，这最终会影响计划用于地热开发区域的景观。

现有的井场与地热场有一些共性，但在景观、经过处理的土地和井中提供了预先存在。考虑到清理成本，艾伯塔省(Alberta)仍然存在大量未使用或悬浮的井。已经提出，在没有影响或实施的情况下，从这些井中捕获地热。

在现有技术的范围内，已经颁布了提议以缓解该问题。已经考虑了地热能，并且正在测试系统以评估勘探地热梯度的可行性。已经讨论过使用一系列导管插入地下以便导管内的水吸收热量并将其再循环到表面并随后进入回收装置以利用热量。

地热梯度通常定义为在地球内部相对于增加的深度的温度增加速率。定量地，这表示每公里大约25℃。因此，这个数量的能量很大，也没有使用。如现有技术所示，这种能量与未使用的井的结合导致了对未使用的井的重新兴趣。

Roussy在2012年3月13日授权的美国专利No.8,132,631中教导了一种地热回路装置，其中提供了声波钻，用于将钻柱旋转和振动到地面中。在柱的内部容积内提供流体。地热传递回路定位在钻柱的内部容积内，并且钻柱从地面移除。

虽然在某些情况下是有用的，但是这种布置的限制涉及钻柱受限的内部容积，并且进一步只有小区域的回路暴露于地热区。这固有地限制了有效的热量传递。

Ramaswamy等人在2013年2月19日授权的美国专利No.8,375,716中公开了一种用于海底目的的发电方法和装置，并且包括位于压力容器内的有机朗肯(Rankin)循环。

这形成了一系列相连的容器，位于海床附近、海床上或海床中。流体循环通过容器以产生机械轴功率，随后将其转换为电功率。

Henderson在1976年3月2日授权的美国专利No.3,941,422中认识到井的互连。在该教导中，在盐床中钻出两个井，其中一个井基本上垂直布置并且从第一井向远侧钻出并朝向第一井偏转，使得偏转井的底部接近第一井底部的选定距离内。随后，通过在两个井中的一个或另一个或两个井中使用液体压裂技术使盐破裂，以使得两个井之间的流体流动。通过淡水注入开采盐，从另一个井中回收饱和盐溶液。

显然，Henderson教导了通常连接的成对井，但是该教导没有考虑由地热能驱动的能量回收或热量交换系统。

WellStar Energy在2016年12月1日的新闻稿中简要介绍了将未使用的井与地热回路结合用于能量回收的可能性，但是没有提到这方面的具体细节或用于热量管理的井的互连。

在一份未注明日期的视频披露中Chevron教导了在刚果河峡谷过境管道项目中的气井互连。从河的一侧到另一侧运行互连管道以供应气体。同样，这是井互连的特定用途。没有讨论地热回路中的良好循环和互连。

GreenFire Energy在2017年的一篇文章中讨论了一个回路地热能回收系统。不是使用预先存在的气/油井进行再利用，而是钻新井。这对控制未正确维护的未使用井没有任何作用，实际上可能导致新问题。本公开没有提及用于实现回路的技术，并且也没有考虑达到最大效率所必需的聚集和合并。

Halff在2001年10月16日授权的美国专利No.6,301,894中教导了一种通用闪蒸地热厂。该专利专注于与发电机位置、水节约和净化以及多回路效率相关的益处。专利权人指出：

“本发明克服了这些困难，并且其目的之一是提供一种改进的地热发电系统，其中从热岩层获得热量的水不会被污染，从而可以再循环，不需要超过标准锅炉水处理中使用的化学处理，并且使用的水量是经济的。本发明的另一个目的是提供一种改进的地热发电系统，其中将由蒸汽提供动力的发电机或其他机构转动的涡轮机不需要位于用于将水接收到地面的输入井附近，并且可以位于远离该井的位置。本发明的另一个目的是提供一种改进的地热发电系统，其中该系统更有效。本发明的另一个目的是提供一种改进的地热发电系统，其中该系统易于安装，因为井可以通过石油工业中常用的水平钻井技术钻井。改进的地热发电系统使用简单。本发明的另一个目的是保持系统而不从地层中抽水，从而保持地层中的压力。”

Halff，通常讨论系统中的多个支路，但是在这个复杂的区域中没有提供任何细节。文中指出：

“图中示出了上述系统的变体。显示了图1中所示的系统的所有元素。使用单个垂直井和一个或多个水平井完成相同的结果。水通过管道向井的水平范围返回，管道沿着套管向下延伸并在套管的末端排出。当水从单个井流回到涡轮机时，水被转换成蒸汽。

在任一实施例中，处理过的水可以位于热水支路的任一端或沿着热水支路的全部或部分分布。

在附图中，将理解存在一个或多个热支路。热支路可以全部同时操作，或者它们可以按顺序使用，其中一条热支路在操作，而另一条支路加热直到其他支路准备就绪并且依次投入使用。”

这种过度简化并未解决这样的事实，即需要几个新井，这增加了成本并且没有提供关于多个进料流的连接或热量管理的指令。

2001年3月3日公布的美国专利公开20110048005，McHargue，提供了生产流体选择的变体以解决地层内的温度波动。文中指出：

“该实施方案的新颖方面是它提供了使用各种潜在流体作为生产流体的机会，以及随着地下温度变化或发电厂中的条件变化而快速和容易地改变生产流体的能力。用户可以选择使用除水之外的流体或气体作为生产流体，以优化生产流体的热性质，使其适应地下的局部热条件，以及发电厂的热需求。例如，可以选择使用超临界流体(D.W.Brown，2003的美国专利No.6,668,554)或任何碳氢化合物或制冷剂作为生产流体以供给发电厂。使用流体或气体而不是水作为生产流体的潜力将通过提供钻取在较浅的深度处(孔隙度和渗透率较高)的较冷地下岩石的潜力，并且通过减少人为地破坏地下岩层的需要来节省资金。”

虽然该出版物提到了石油工业中使用的技术，但没有关于再利用现有油田或使用现有油井的讨论。

Mickelson在2007年10月25日公开的美国专利公开20070245729中教导了一种多支路地热回收系统。该出版物表达了对地质流体损失和由此的温度损失的关注，但却没有提供任何减少与定向钻井相关东西问题的教导，即地层中的磁干扰、鱼、重铁浓度。

最理想的是具有一种方法和装置，其有效地将地热技术与现有油田统一起来以再利用油田的井。

本发明独特地关联有效回收地热能、减少维护不良的井和发电所需的热力学参数。

发明内容

本发明的一实施例的一个目的是提供一种改进的方法和装置，其适用于提高未使用井的效率和经济性。

本发明一实施例的另一个目的是提供一种地热方法，包括：

将第一大致U形钻孔钻入地层中，并在地层内的地热区中将第二大致U形钻孔与其间隔开；

提供发电装置；

将该装置连接到第一U形钻孔的输出端和第二U形钻孔的输入端；

使流体循环通过每个钻孔；以及

从流体中回收热量。

该回路允许废热更有目的地用作对再注入系统的进料流的预热处理。这对发电装置具有巨大的影响，并有助于减少资本支出。

本发明的一实施例的另一个目的是提供一种再利用具有在地层中以间隔关系的预先存在的生产井和注入井的油田以捕获热能的方法，包括：

提供具有生产井和第一注入井的第一节点，所述第一注入井与发电装置流体连通；

提供具有生产井和第二注入井的第二节点，所述第二注入井与第一节点间隔开的发电装置流体连通；

在地下水平连接中连接第一节点和第二节点；以及

将加热的输出流体从第一节点的发电装置的循环到具有地下连接的第二节点的发电装置的输入端。

作为明显的好处，该技术为政府和石油行业提供了降低废弃油井成本的机会。此外，由于井的所有水平段都是地下的，因此对环境的影响最小化。

本发明一实施例的另一个目的是提供一种能量产生方法，包括：

提供具有注入和生产井对的悬浮或未使用的油田；

在地下回路中的一个井对的生产井和相邻井对的注入井之间连接发电装置；以及

使流体循环通过回路以回收地下热能。

通过井的菊花链，在从一个操作位置到另一个操作位置的一系列传递之后，在所有发电位置处入口温度将逐渐增加。

因此，本发明的一实施例的另一个目的是提供一种具有井对的地热位置，每个井对具有用于接收热量回收流体的注入井和生产井以及发电装置，该改进包括：

在封闭回路中将一个井对的生产井和相邻井对的注入井之间的发电装置连接起来，以捕获在流体中回收的热量。

关于可归因于本文技术的直接优势，以下是显而易见的：

A)该技术为锂矿、石油和天然气、传统地热含水层和分布式二次热源提供基本上零成本的勘探；

B)与大多数地热系统、太阳能、风能、煤炭、核能和大多数天然气厂相比，加速增加；

C)供电与电力需求的相关性。

这种优点的列举是说明性的，而不是详尽的。

已经如此一般地描述了本发明，现在将参考附图。

附图说明

图1A是第一实施例中菊花链井的顶视图；

图1B是该装置中采用的管道的多边布置的放大视图；

图1C是类似于图1B的视图，示出了多边布置中的管道的环形图案以及各个管道之间的间隔关系。

图2是设置在一个井的输入端和相邻井的输出端之间的发电装置的放大图；

图3是两个集成的菊花链井回路的顶视图；

图4是本发明另一个实施例的顶视图；和

图5是本发明又一个实施例的顶视图。

图中使用的类似数字表示类似的元件。

具体实施方式

现在共同参考图1A、1B和1C所示的是菊花链井的示意图，其总体上用标号10表示。在该实施例中，一般由数字12表示的每个表面位置包括连接到侧井管道16的注入井14和生产井18。以这种方式，连续井结构接受大致U形结构，最好参考图1C。

如图1所示，每个位置12是离散的并且以简洁和有利的方式连接到近端位置。例如，位置之间的距离可以是3500米。当然，这将因情况而异。参考图1C描绘了链接规范。

在图2中，标号20代表发电装置。在此之后将讨论装置20的选择，但是出于讨论的目的，装置20负责将蒸汽转换成电能。在每个位置12处，存在注入井14和生产井18。如图3所示，这些是地下的，表面用标号22表示。多边管道16类似地下的，但也在地层26的地热区域24内。

对于操作，也可以参考图2。具有合适热容的流体在一个位置12的注入井14中循环，通过发电装置20处理以回收热能，并随后作为输出流传递为用于近端位置的注入井14的输入进料流。链线28示出了该传递或菊花链序列。由于不是所有的热量都被回收，因此近端位置的井14的输入进料流被预热以注入侧向管道16中。然后，该过程在下一个位置12重置以重复。为了便于修理、分析等，发电装置包括用于绕过装置20的旁路回路30。

关于发电装置20，不受限制的，该设备可以包括有机朗肯循环、卡林纳(Kalina)循环或碳载体(carbon carrier)循环。

为了适应诸如地质、环境、热等这样的可变条件，可以采用如图1B和1C所示的管道阵列16。阵列将被称为多边阵列32并且以与近端管道16间隔开的关系布置成环形图案。根据情况的具体细节，可以采用其他图案。阵列32的各个管道16之间的连接将简单地集成在以与单个管道16类似的方式起作用的合并中。可以以这种方式制造全部或一些位置12，这取决于上面引用的示例的条件。进一步考虑单个管道布置可以与阵列32交替。阵列32增加了整体流速和发电量。在一些位置12更靠近在一起的情况下，可以使用更多数量的阵列32来维持热量回收平衡。图1中所示的布置是12000kW至20000kW系统的示例。

现在转向图3，其示出了本发明的另一实施例，例如，8000kW至12000kW的系统。在该示例中，各个回路可以在集中位置C处汇集，以便集中发电设备20(未示出)以提高功率和效率。

图4和图5显示了较小规模的操作，4000kW至6000kW(图4)和2000kW至3000kW(图5)。

采用菊花链实施的一个重要特征是不需要对近表面返回管道。当需要时，如在传统的井回路布置中，资本成本超过10％，可能需要协商权利和3-5℃的热量损失以及压力损失导致设备问题。

在上文讨论的现有技术中表面上已经提出了地热回路，然而，模糊地，现有技术在表面能量回收、最小的地质侵入统一整合回收方面没有提供足够的指导。

如现有技术中所述，Halff参考文献(见上文)广泛涉及回路系统，但似乎没有提供经济上可行的解决方案。事实证明，尽管Halff技术自披露以来已有近二十年的历史，但并未实施。在此之后，Mickelson和McHargue(见上文)，在此领域的概念基础上发布。这些技术都没有实现并被抛弃。显然，这个技术领域是复杂的、累积的，教导，虽然很多时候是指导性的、单一的或模糊的，但不指向链接的回路、来自废热的预热流、截断的水平管道回路或地下封闭回路系统。

相比之下，菊花链，因为井环从前到后连接，消除了对近表面返回管道的需要。此外，成对的回路用作彼此的返回管道，该对回路使用废热作为输入以产生上述预热的流。

其他优点包括增加发电量而没有表面破坏(占地面积)，因为一切都在地下并且减少了位置12之间的距离。如果由于预热的进料流设计的温度升高可以使用较短的管道16，这相应地降低了成本。

Claims (42)

1.一种地热方法，包括：

将第一大致U形钻孔钻入地层中，并将第二大致U形钻孔与第一大致U形钻孔间隔开，每个钻孔在所述地层内的地热区中；

提供发电装置；

将所述装置连接到所述第一U形钻孔的输出端和所述第二U形钻孔的输入端；

使流体循环通过每个所述钻孔；以及

从所述流体中回收热量。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述地层是油田。

3.如权利要求1或2所述的方法，还包括，在引入所述第二U形钻孔的所述输入端之前，用所述装置从所述第一U形钻孔的所述输出端回收热量的步骤。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括，可选地绕过所述发电装置的步骤。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括将一系列的第一和第二U形钻孔与发电装置连接成回路构造的步骤。

6.如权利要求5所述的方法，还包括连接离散回路。

7.如权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，在所述油田中预先存在的具有注入井和生产井的相邻油井被改装，用于在地热区内与所述装置连接以进行热量回收。

8.如权利要求7所述的方法，还包括，钻出附加的U形井以便与所述预先存在的井相连接的步骤。

9.一种再利用在地层中具有间隔关系的预先存在的生产井和注入井的油田以捕获热能的方法，包括：

提供具有生产井和第一注入井的第一节点，所述第一注入井与发电装置流体连通；

提供具有生产井和第二注入井的第二节点，所述第二注入井与和所述第一节点间隔开的发电装置流体连通；

在地下水平连接中连接所述第一节点和所述第二节点；以及

将加热的输出流体从所述第一节点的所述发电装置循环到具有地下连接的所述第二节点的所述发电装置的输入端。

10.如权利要求9所述的方法，还包括连接多个附加节点的步骤。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述附加节点以连续回路形式连接。

12.如权利要求11所述的方法，还包括连接各个回路。

13.如权利要求12所述的方法，还包括将所述各个回路与共同发电装置连接。

14.如权利要求13所述的方法，还包括将连接的各个回路与各个回路交替连接。

15.如权利要求9至14中任一项所述的方法，还包括将所述第一节点和所述第二节点与多个水平地下连接相连接。

16.如权利要求11至15中任一项所述的方法，还包括将所述附加节点与多个水平地下连接相连接。

17.如权利要求16所述的方法，还包括将所述附加节点与多个水平地下连接相连接，所述多个水平地下连接和与单个地下水平连接相连的节点相交替。

18.如权利要求12至17中任一项所述的方法，还包括在所述各个回路中将节点与多个地下水平连接相连接。

19.如权利要求18所述的方法，还包括以间隔关系保持所述多个水平连接。

20.如权利要求19所述的方法，还包括将所述多个水平连接定位在大致环形结构中。

21.如权利要求9至20中任一项所述的方法，还包括在发电装置上的旁路连接。

22.如权利要求21所述的方法，还包括在地下定位所述旁路连接。

23.一种能量产生方法，包括：

提供具有注入和生产井对的悬浮油田；

在地下回路中在一个井对的生产井和的相邻井对的注入井之间连接发电装置；以及

使流体循环通过所述回路以回收地下热能。

24.如权利要求23所述的方法，还包括在地下回路中连接附加的井对。

25.如权利要求24所述的方法，还包括在地下连接中连接回路。

26.如权利要求23所述的方法，还包括绕过所述发电装置。

27.一种能量产生系统，包括：

在地层内的地热区中的注入和生产井对；

连接在一个井对的生产井和相邻井对的注入井之间形成封闭回路的发电装置；以及

用于循环通过所述回路和所述发电装置以回收地下热能的流体。

28.如权利要求27所述的系统，其中，所述注入和生产井对包括多个水平管道。

29.如权利要求28所述的系统，其中，所述水平管道以环形形式布置。

30.如权利要求29所述的系统，其中，所述管道处于间隔关系。

31.如权利要求27至30中任一项所述的系统，其中，所述发电装置包括有机朗肯循环。

32.如权利要求27至31中任一项所述的系统，其中，所述发电装置包括碳载体循环。

33.如权利要求27至32中任一项所述的系统，其中，所述发电装置包括卡里纳循环。

34.如权利要求27至33中任一项所述的系统，其中，所述地层是油田。

35.在具有井对的地热位置中，每个井对具有用于接收热量回收流体的注入井和生产井以及发电装置，改进包括：

在封闭回路中在一个井对的生产井和相邻井对的注入井之间连接所述发电装置，以捕获在所述流体中回收的热量。

36.如权利要求35所述的改进，其中，所述地热位置是地热田。

37.如权利要求36所述的改进，其中，所述地热位置是油田。

38.如权利要求35所述的改进，其中，多个生产井和注入井以权利要求35所述的方式连接。

39.如权利要求38所述的改进，其中，所述连接是菊花链连接。

40.如权利要求36所述的改进，其中，所述回路包括多个水平管道。

41.如权利要求36所述的改进，包括互连的多个离散回路。

42.如权利要求41所述的改进，其中，所述回路包括多个水平管道的交替部分。