CN110307658A - 封闭式深层地热能高效采集系统 - Google Patents

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陈军
于美丽
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/10—Geothermal energy

Abstract

本发明专利提供了一种从井深2000‑6000米地下高温岩体封闭式高效采集热能的系统。国内已建成的封闭式地热供热系统在技术上仍存在一定的局限性，比如在热能利用深度、钻完井技术、换热技术、保温技术等方面仍亟待进步。封闭式地热供热系统直接利用岩层热量，不受地下热水分布限制。在全段固井的条件下对含水层基本无干扰，不开采地下水，采集深层高品位热能，不需补充热量，环境效益好。运行成本较低，受场地条件制约较小。本发明消除了浅层水源热泵系统及水热型地热采灌系统存在的地面沉降、含水层污染、供暖功率低、回灌难等诸多问题，杜绝了二次加热补偿供暖的现象。

Description

封闭式深层地热能高效采集系统
技术领域
本发明技术领域是一种从井深2000-6000米地下高温岩体封闭式高效采集热能的系统，属于国家产业政策支持的地热开发，尤其对于深层地热能开发利用，是地热开发的难点，本发明采用封闭式高效采集系统，只采集地热能源，不抽取地下水，可以实现供暖、发电、热水、制冷四联供，应用前景广泛。
背景技术
我国地热能产业体系已显现雏形，浅层地热能利用快速发展，水热型地热能利用持续增长，干热岩型地热能资源勘查开发开始起步。我国地热能直接利用以供暖为主，其次为康养、种养殖等。近10年来，我国水热型地热能直接利用以年均10％的速度增长。我国地热能资源基础雄厚，市场空间广阔，是具有发展潜力的朝阳产业。
目前利用地热能供热所采用的主要技术有浅层地温能热泵系统、中深层水热型地下热水采灌系统、封闭式地热供热系统。综合对比，国内目前已实现利用的供热技术的特点如下：
(1)浅层水源热泵系统技术门槛较低，缺乏规范及监管，存在造成地面沉降、含水层污染等地质环境问题的隐患，其应用受限于可适应区域。浅层地埋管热泵系统对含水层影响不大，需大量场地布设埋管，对地层扰动明显，对于城市群、密集楼盘区域，其占地面积过大，初投资较大。热泵系统供暖能力受浅层地热储不足的先天条件制约，往往需要地面二次加热补偿供暖功率。
(2)水热型地热采灌系统依赖地下热水，地理位置受限，过量开采地下水造成地面沉降、热储寿命缩短，回灌率很难达到100％，尾水排放造成热污染，环保压力大。如果低品位地下水温度较低，需二次加热补偿供暖功率。
(3)封闭式地热供热系统直接利用岩层热量，不受地下热水分布限制。在全段固井的条件下对含水层基本无干扰，不开采地下水，采集深层高品位热能，不需补充热量，环境效益好。初期需要一定的投资，后期运行成本较低，受场地条件制约较小。目前，国内已建成的封闭式地热供热系统在各方面技术上仍存在一定局限，在热能利用深度、钻完井技术、换热技术、保温技术等方面亟待进步，提高深层地热能开发水平。本发明主要方法属于封闭式地热供热系统的一种类型。
目前已有的、与本发明最相似的专利为：封闭式深层地热能采集系统和方法，专利号CN201710773203.8。其主要内容如下：
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。
该现有技术的主要缺点是提及需要至少一口压裂井，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。压裂技术的应用改变了地下地应力场，地下岩石因应力场变化导致岩石破坏而引起的小型地震事件，即微地震。微地震频发，这属于地热开发中的不可控的因素。本发明不采用压裂技术建立热储。
封闭式深层地热能采集系统和方法(专利号CN201710773203.8) 里提及全封闭套管，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。这里没有明确提及井筒保温及中心管保温，本发明采用表层套管和技术套管用特种水泥封固(专利号ZL201820983382.8)、中心管采用地热专用管系列产品(专利号ZL201821024595.4)，大大提高了保温效果。
发明专利内容
本发明通过钻完井技术的设计，实施水平采热井，包括水平恒温热能采集段，一般水平恒温段大于1000米，同时，在水平段中打出数十个鱼骨状水平分支井，分支井里注入高效导热介质，形成高效人造热水库。不采用压裂技术，不存在微地震的问题。
对于井筒保温及中心管保温，本发明采用表层套管和技术套管用特种水泥封固(专利号ZL201820983382.8)、中心管采用地热专用管系列产品(专利号ZL201821024595.4)。
单井封闭取热，取热不取水，封闭式换热，与地层不直接接触。工作介质从井底换热后，高温介质与一级供热站换热器进行换热，冷却介质返回井内循环，封闭运行。
通过对换热管柱的保温设计，开发地热专用井管，减少井底到井口的热量损失，实现高效换热。单井供暖面积可达6-8万平方米。
上部保温固井技术，水泥环导热系统达到0.1w/m.k，下部换热段散热固井技术，水泥环导热系统达到10w/m.k以上。
附图说明
图1封闭式深层地热能采集系统示意图。
具体实施方式工艺
地质勘查后确定地面井位及靶点，实施钻完井工程，一般来说完钻垂深大于2000米的水平采热井，包括水平恒温热能采集段，一般水平恒温段大于1000米，同时，在水平段中打出数十个鱼骨状水平分支井，分支井里注入高效导热介质，形成高效人造热水库。完井工艺为水平采热井外层采用套管基材管柱，管柱分三到四层，表层套管为隔热套管，技术套管为保温套管或普通套管，储层套管为换热套管。
表层套管和技术套管用特种水泥封固(专利技术)，储层套管一般不固井，管柱内外注入不同换热介质。水平采热井内层采用地热专用管系列产品(专利技术)，换热管实现高效换热，绝热管实现高温介质的保温高效传输。
井下循环系统，从地面将低温换热介质泵入外层套管与地热专用管的环空中，沿环空进入人造热水库，换成高温介质后，通过地热专用管中心向上进行封闭循环到达地面换热装置。
地面换热装置，包括封闭式换热器，通过所述封闭式换热器和高温换热介质进行热交换来实现间接采集热能。
设计1口典型深层地热井井身结构图见图1(不含中心管)。
表1地热水平井井身结构设计表
开钻次序 井眼尺寸×井深 套管尺寸×下深 水泥返高
一开 Φ444.5mm×500m Φ339.7mm×498m 地面
二开 Φ311.2mm×2852m Φ244.5mm×2850m 地面
三开 Φ215.9mm×3652m Φ177.8mm×900m 挂尾管

Claims (7)

1.一种从井深2000-6000米地下高温岩体封闭式高效采集热能的系统，包括：
垂深大于2000米的水平采热井，包括水平恒温热能采集段，一般水平恒温段大于1000米，同时，在水平段中打出数十个鱼骨状水平分支井，分支井里注入高效导热介质，形成高效人造热水库。
水平采热井外层采用套管基材管柱；管柱分三到四层，表层套管为隔热套管，技术套管为保温套管或普通套管，储层套管为换热套管。
表层套管和技术套管用特种水泥封固(专利技术)，储层套管一般不固井，管柱内外注入不同换热介质。
水平采热井内层采用地热专用管系列产品(专利技术)，换热管实现高效换热，绝热管实现高温介质的保温高效传输。
地面换热装置，包括封闭式换热器，通过所述封闭式换热器和高温换热介质进行热交换来实现间接采集热能；
井下循环系统，从地面将低温换热介质泵入外层套管与地热专用管的环空中，沿环空进入人造热水库，换成高温介质后，通过地热专用管中心向上进行封闭循环到达地面换热装置。
2.根据权利要求1所述的封闭式深地热能高效采集系统，其中所述的深层高温岩体一般在2000-6000米，主要类型为砂岩、灰岩或干热岩。
3.根据权利要求1所述的封闭式深地热能高效采集系统，其中所述的采热井一般是水平井或者水平连通井。
4.根据权利要求1所述的封闭式深地热能高效采集系统，其中所述的中心管为地热专用管(专利技术)。
5.根据权利要求1所述的封闭式深地热能高效采集系统，其中所述的外层采用套管基材管柱与地层全封闭，管柱内换热介质与管柱外热换介质不联通。
6.根据权利要求1所述的封闭式深地热能高效采集系统，其中所述地热专用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。
7.根据权利要求1所述的封闭式深地热能高效采集系统，其中所述地热换热管底端敞开，在换热管前端安装有单向阀，并且通过单向阀将地热换热管和储层套管支撑起来。
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