CN110469467A - 用于发电环境的流体 - Google Patents
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Abstract
公开了用于电力生产的井和地热环境中的能量回收的流体类别。流体属于能够提高闭环地热系统的电力和/或热量生产的热力学效率的流体类别。公开了许多方法，其利用流体的热力学来获得最佳的能量回收。
Description
技术领域
本发明涉及用于在各种地热和井环境中发电的流体，更具体地，本发明涉及在用于发电的方法中使用的流体种类的用途。
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。传统的工业地热技术需要罕见的地质条件，导致该技术在全球范围内保持利基。
在现有技术的范围内，已经发布了提议以缓解该问题。其中没有从岩石中提取盐水的闭环地热系统已经被考虑，并且被系统测试以评估利用地热梯度的可行性。已经讨论过使用一系列管插入地下以便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相对于地球内部增加深度的温度增加速率。从数量上看，这表示每公里约25℃。因此，这种能量太大而不能使用。
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，其中提供了一种声波钻，用于将钻柱旋转和振动到地面中。在钻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。
尽管在某些情况下有用，但是这种布置的限制只是环的一小部分区域暴露于地热区。这固有地限制了有效的热传递。
Henderson在1976年3月2日公布的美国专利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。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能够流动。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管理的井的互连。
Chevron在未注明日期的视频披露中，教导了刚果河峡谷穿越管道项目(CongoRiver Canyon Crossing Pipeline Project)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环状地热能回收系统。不使用预先存在的气/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。该公开没有提及用于实现循环的技术，并且进一步没有考虑最大效率所必需的聚类和合并。此外，预期的工作流体由CO2和其他制冷剂组成，在与地热梯度的能量产生相关的压力和温度下，它们都没有表现出基本上非线性的温度-焓关系。
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设备。该专利专注于与发电机位置，水资源保护以及多回路的纯度和效率相关的益处。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，其中涡轮机转动发电机或由蒸汽提供电力的其他机构不需要位于用于将水接收到地下的输入井附近，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井钻井技术钻井。改进的地热发电系统使用简单。本发明的另一个目的是在不从地层中抽水来保持地层中的压力的情况下保持该系统。
Halff，大概讨论系统中的多个支路(leg)，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形。存在图1中所示的系统的所有元件。使用单个垂直井和一个或多个水平井完成相同的结果。水通过管子向井的水平范围返回，管子沿着外壳向下延伸并在外壳的末端排出。当水从单井流回到涡轮机时，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，其中一个热支路在操作，而其他支路加热直到其他支路准备就绪并且顺序投入使用。
这种过度简化没有解决这样的事实，即需要几个新井，这增加了成本并且没有提供关于多个馈送流的连接或热管理的指令。进一步Halff仅引用水作为工作流体并且引用水转变为蒸汽，这需要比本发明中目标高得多的温度。
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化以解决地层内的温度波动。文中指出：
“该实施例的新颖方面是它有机会使用各种各样的潜在流体作为生产流体，以及随着地下温度变化或发电设备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，使其适应地球地下的局部热条件，以及发电设备的热需求。例如，可以选择使用超临界流体(D.W.Brown于2003的美国专利No.6,668,554)或任何烃或制冷剂作为供给发电设备的生产流体。除了水作为生产流体之外，使用流体或气体作为生产流体的潜力将通过提供在较浅的深度钻较冷的地下岩石的潜力(这些地下岩石的孔隙度和渗透率较高)，并且通过减少人为地破坏地下岩层的需要来节省资金。
虽然该公开提到了石油工业中使用的技术，但没有关于重新利用现有油田或使用现有油井的讨论。该参考文献以广泛的方式讨论了用于地热环境的简单非反应流体。通过从根本上增加来自岩石的热传递来提高效率的教导不存在，因为是关于在井的横向部分内产生基本上非线性的温度分布的先进细节。
Mickelson在2007年10月25日公布的美国专利公开20070245729中教导了一种多支路地热回收系统。该公开表达了对地质流体损失和因此温度损失的关注，并且没有提供任何教导来减轻与定向钻井相关的问题，即尤其是地层中的磁干扰，鱼，重铁浓度。
在Goswami等人于2013年8月22日公布的美国专利公开号2013021304中，提供了一种用于从低温和中温热源产生电力的方法和系统。
作者教导了一种非共沸混合物作为通过从显热源交换热量而加热到超临界状态的工作流体。该教导结合了超临界朗肯循环和非共沸混合物。工作流体直接从液体加热到超临界状态，这改善了合理的热源和工作流体之间的热匹配。使用非共沸混合物作为工作流体，在工作流体和冷却剂之间产生更好的热匹配。本发明采用相反的方法，其中热源和流体之间的温度差最大化而不是匹配。
GreenFire Energy公司在2015年9月11日公开的WO 2015/134974中教导了用于产生地热能的过程和方法。
作者教导了一种闭环地热系统，其中：
“循环通过系统的传热流体可包括碳数为Ci至C6的二氧化碳，氮气，氨和/或胺，碳数为Ci至C8的碳氢化合物，碳数为Ci至Cio的碳氢化合物(其中一个或多个氢被氯或氟取代)中的一种或多种。在一些实施例中，循环流体是超临界二氧化碳。”通过从根本上增加来自岩石的热传递来提高效率的教导是不存在的。此外，所考虑的所有流体在与地热梯度的能量产生相关的压力和温度下(分别大于10MPa和小于180℃)不显示非线性温度-焓关系。
仅代表地热区域中相当大量的现有技术的样品，显然仍然需要在许多不同的地热和井环境中能够具有有利热力学的流体。这里将描述的本技术解决了这种需要。
本发明通过清楚地理解各种地热和井环境中涉及的热力学，提供新应用中的流体类别以利用集成循环和隔离循环产生电力。
从该技术中可以明显看出许多优点，包括例如：
A)一旦化石燃料燃烧逐步淘汰，该技术为能源生产提供了可行的替代方案；
B)该方法的地热驱动器可连续24小时使用而无论风速或阴天天气如何；
C)该技术避免了与太阳能和风能生产相关的间歇性供应；
D)地热梯度在广大地区基本均匀，因此可以将技术广泛应用于传统地热不可能的地区；
E)闭环系统允许使用本文所述的新型流体，其可以提高热力学效率。这些新型流体从根本上增加了从地热地层中回收的能量；
F)该技术完全避免了任何计算的环境违规行为；
G)可以对固结井进行卫星配置，以便允许在给定区域内使用最多数量的井；和
H)通过结合可能破损、泄漏或以其他方式使其具有危险性的现有井或井场，当用于实施该方法时，可以对这些井进行修改。
与穷举相反，这种优点的列举是说明性的。
发明内容
本发明的一个总目的是提供用于在各种井和地热环境中产生热量和电力的流体类别，以实现最大的能量回收。
本发明的一个实施例的另一个目的是提供一种用于井系统中的能量回收的流体，该井系统具有入口井、出口井和其间的横向互连，所述流体具有选自以下的至少一种性质：
a)在大于10MPa的压力和小于180℃的温度下所述横向互连内的基本非线性温度焓关系，以最大化流体与周围井下热源之间的温差和热传递；
b)能够进行压敏可逆反应，该反应在高压下吸热，在低于高压的压力下放热；
c)含有化学吸收反应的流体混合物，该反应在横向互连中是吸热的；
d)具有温度和压力依赖性溶解度的电解质水溶液，导致横向互连内的吸热效应；和
利用来自所述流体的热能和/或将来自所述流体的能量转换成电能。
符合上述特性的化合物类别增加了远场岩石温度和循环流体温度之间的温差，从而驱动来自地质构造的更高的热传递。
在较低压力(深度)下，沸腾成气体的液体呈现非线性温度-焓关系。然而，在与地热梯度的能量产生相关的压力和温度下(分别大于10MPa和小于180℃)，没有简单的液体/气体具有这种性质。
在一种形式中，流体可包括硫酸镁的水溶液。
本发明的一个实施例的又一个目的是提供一种发电方法，包括：
提供封闭的井回路环路，其具有与地质构造内的横向管道连接的入口和出口；
提供与所述井回路可操作连通的发电设备；
通过所述环路在大于10MPa的压力和低于180℃的温度下在所述横向管道内循环具有基本非线性温度焓关系的流体，以从所述地层回收热能，以最大化所述流体和周围井下热源之间的温差和热传递；
在入口处在所述回路中再循环之前冷却流体；和
将来自所述流体的能量转换成电能。
本发明的一个实施例的还一目的是提供一种重新利用在地层中具有间隔开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：
提供第一节点，其具有与发电设备流体连通的第一注入井和生产井；
提供与所述第一节点间隔开的第二节点，其具有与发电设备流体连通的第二注入井和生产井；
在地下水平连接中连接所述第一节点和所述第二节点；
利用地下连接将来自所述第一节点的所述发电设备的加热的输出流体循环到所述第二节点的所述发电设备的输入，所述流体在所述地下水平连接内在大于10MPa的压力和低于180℃的温度下具有基本非线性的温度焓关系，以从所述地层回收热能，以最大化所述流体和周围井下热源之间的温差和热传递；和
利用来自所述流体的热能和/或将来自所述流体的能量转换成电能。
本发明的一个实施例的又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油田；
在一个井对的生产井和地下回路中的相邻井对的注入井之间连接发电设备，所述回路在所述生产井和所述注入井之间具有至少一个横向互连；
使流体循环通过所述回路以回收地下热能，所述流体具有选自以下的至少一种性质，包括：
a)在大于10MPa的压力和小于180℃的温度下所述横向互连内的基本非线性温度焓关系，以最大化流体与周围井下热源之间的温差和热传递；
b)能够进行压敏可逆反应，该反应在高压下吸热，在低于高压的压力下放热；
c)含有化学吸收反应的流体混合物，该反应在横向互连中是吸热的；
d)具有温度和压力依赖性溶解度的电解质水溶液，导致横向互连内的吸热效应；和
利用来自所述流体的热能和/或将来自所述流体的能量转换成电能。
有利地，可以基于井的配置，热源质量，尤其是最大化效率来选择流体。
本发明的一个实施例的又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，并将第二大致U形钻孔与其间隔开钻入；
提供发电设备；
在地下位置连接所述设备到所述第一U形钻孔的输出和所述第二U形钻孔的入口；
使流体循环通过每个所述钻孔，所述流体具有选自以下的至少一种性质：
a)在大于10MPa的压力和小于180℃的温度下横向互连内的基本非线性温度焓关系，以最大化流体与周围井下热源之间的温差和热传递；
b)能够进行压敏可逆反应，该反应在高压下吸热，在低于高压的压力下放热；
c)含有化学吸收反应的流体混合物，该反应在横向互连中是吸热的；
d)具有温度和压力依赖性溶解度的电解质水溶液，导致横向互连内的吸热效应；和
将来自所述流体的能量转换成电能。
取决于实施该方法的环境的具体情况，可以从如前所述的类别所包括的那些中选择合适的流体。
本发明的一个实施例的还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，并将第二大致U形钻孔与其间隔开钻入；
提供发电设备；
在地下位置连接所述设备到所述第一U形钻孔的输出和所述第二U形钻孔的入口；
使流体循环通过每个钻孔；和
将来自所述流体的能量转换成电能。
作为本发明的一个实施例的又一个目的，提供了一种形成地热换热器的方法，包括：
提供未使用的钻井；
钻出与所述未使用的井间隔开的第二井；
将所述未使用的钻井和所述第二井在连续回路中的地热区域和与其间隔开的第二区域内连结，所述连续回路具有至少一个横向连结互连；
使工作液体循环通过所述回路，以在所述回路内进行热交换，所述流体具有选自以下的至少一种性质，包括：
a)在大于10MPa的压力和小于180℃的温度下横向互连内的基本非线性温度焓关系，以最大化流体与周围井下热源之间的温差和热传递；
b)能够进行压敏可逆反应，该反应在高压下吸热，在低于高压的压力下放热；
c)含有化学吸收反应的流体混合物，该反应在横向互连中是吸热的；
d)具有温度和压力依赖性溶解度的电解质水溶液，导致横向互连内的吸热效应；和
利用来自所述流体的热能和/或将来自所述流体的能量转换成电能。
本发明的一个实施例的又一个目的是提供一种用于再循环利用未使用的钻井的方法，包括：
指定第一未使用的井作为接收毂；
在该毂附近钻第二新井；
钻出与所述毂和所述第二新井间隔开的至少第三新井；
将所述第二新井和所述第三井中的每一个与所述毂在各个封闭回路中流体连通地连接，每个封闭回路具有至少一个横向互连，每个回路的第一部分位于地热区域内，第二部分位于所述地热区域之上；
使工作流体在所述回路内循环，所述流体具有选自以下的至少一种性质：
a)在大于10MPa的压力和小于180℃的温度下横向互连内的基本非线性温度焓关系，以最大化流体与周围井下热源之间的温差和热传递；
b)能够进行压敏可逆反应，该反应在高压下吸热，在低于高压的压力下放热；
c)含有化学吸收反应的流体混合物，该反应在横向互连中是吸热的；
d)具有温度和压力依赖性溶解度的电解质水溶液，导致横向互连内的吸热效应；和
捕获从所述地热区域转移的热能。
本发明的一个实施例的还一个目的是提供一种发电方法，所述方法包括：
提供封闭的井回路环路，其具有与地质构造内的横向管道连接的入口和出口以及第一工作流体；
提供具有第二工作流体的发电电路，该电路与井回路环路热传递连通；
使第一工作流体和第二工作流体在相应的环路内循环；
将热量从第一工作流体传递到第二工作流体；和
从回收的热能发电。
通过了解流体的热力学性质，该技术在非常有益的发电和直接热使用环境中提供了广泛的适用性。
在进一步阅读该文本后，该技术的其他目的和特征将是显而易见的。
已经一般性地描述了本发明，现在将参考附图。
附图说明
图1是一个实施例中的隔离井回路和电力循环的示意图；
图2是隔离井回路和具有并联的电力环路的电力循环的示意图；
图3是隔离井回路和具有串联的电力环路的电力循环的示意图；
图4是多横向管道系统的示意图；
图5是井回路和多侧在地质构造内原位的横截面视图；
图6是一个实施例中的集成井回路电力循环的示意图。
图7是第二实施例中的集成井回路电力循环的示意图。
图8是对于现有技术中描述的简单流体，以及本文所述的新型流体(其表现出非线性温度-焓关系)，井回路的横向部分内的流体温度的一般示意图；
图9是第一实施例中菊花链井(daisy chained well)的顶视图；
图9A是该装置中采用的管道的多横向布置的放大视图；
图10是设置在一个井的入口和相邻井的输出之间的发电装置的放大视图；
图11是两个集成的菊花链井回路的顶视图；
图12是本发明另一实施例的顶视图；
图13是本发明的又一个实施例的顶视图；
图14是未使用的井阵列的示意图；
图15是类似于图14的视图，示出了设置在未使用的井内的新井的定位；
图16是本发明一个实施例的第一示意图，其中新井与未使用的井成群集；
图17是示意性表示本发明，其中群集被合并；
图18是在40MPa的高压下含有20％硫酸镁的含水电解质溶液的非线性温度-焓关系的图解示例。
附图中使用的类似标记表示类似的元件。
具体实施方式
在图1中，示出了本发明第一实施例的示意图。这被称为隔离井回路和电力循环。电力循环10与井回路循环12集成。电力循环10可以选自任何合适的和已知的电力循环，例如斯特林循环，碳载体循环，卡林纳循环，有机朗肯循环，二氧化碳跨临界电力循环等。
在图中，井回路12包括闭环系统，其具有入口井14和出口井16，通常设置在地质构造内，地质构造可以是例如地热地层，低渗透率地层，沉积地层，火山地层或“基底”地层，其更恰当地描述为沉积盆地下方发生的结晶岩(未示出)。
井回路12和电力循环10通过热交换器16热接触，热交换器16从在地层中的环路20中循环的工作流体回收热量，其随后用于在循环10中利用发电机22产生电力。例如，地层的温度可以在80℃至250℃的范围内。
在所示的布置中，使用两种不同的工作流体。通过修改井回路内使用的工作流体，系统的操作可以更有效。
上述现有的电力循环需要井回路自身内的简单的水基流体，其从岩石吸收热量，然后将该热量传递到热交换器中的二次电力循环工作流体中。在传统的地热项目中，水化学由储层条件决定。在大多数情况下，水是重盐水，其中总溶解固体(TDS)含量高于10,000ppm，会导致两个问题，即腐蚀和结垢。井下管道，工具以及地面设施和地面流动线路中的腐蚀问题是常见的并且管理起来很昂贵。此外，在储层条件下溶液中通常存在显着的二氧化硅或其他沉淀物。当盐水到达表面并在主热交换器中冷却(将能量转移到电力循环的工作流体中)时，二氧化硅或其他矿物质从溶液中沉淀出来并粘附在管道，阀门，热交换器等的内表面上。这些水垢的管理成本非常高，并且通常限制从源水中提取多少热量。
因此，当前可用的发电模块通常将主热交换器中电力循环工作流体的输入温度限制在0℃以上。通过将工作流体温度降至零以下来实现更高的涡轮压力比。然而，传统的地热项目受到热交换器另一侧的地热流体的潜在冻结和结垢的限制。
通过实施与闭环井组合的隔离电力循环系统来遍历当前技术中的这些限制。井回路循环中的工作流体被配制成使其在0摄氏度以下不冻结，并且在本发明中具有至少一种选自下组的性质：
a)在大于10MPa的压力和小于180℃的温度下横向互连内的基本非线性温度焓关系，以最大化流体与周围井下热源之间的温差和热传递；
b)能够进行压敏可逆反应，该反应在高压下吸热，在低于高压的压力下放热；
c)含有化学吸收反应的流体混合物，该反应在横向互连中是吸热的；
d)具有温度和压力依赖性溶解度的电解质水溶液，导致横向互连内的吸热效应
可以用添加剂改性流体以提高效率和可靠性。合适的添加剂包括防垢剂，抗腐蚀剂，减摩剂和防冻化学品，制冷剂，杀生物剂，烃，醇，有机流体及其组合。
具有隔离环路的可选布置在图2和3中示出。
图2示出了隔离环路，其包括与两个不同的热交换器18热接触的井回路12，每个热交换器18与其自身的发电机22形成并联布置。类似地，图3示出了串联布置。
首先参考图4，示意性地示出了多横向井回路系统的局部剖视图，总体上由标记24表示。在这种布置中，多个水平井回路区段20以间隔开的大致平行关系设置在地层(未示出)内。每个区段20通常以闭环连接到入口井14和出口井16。
地质构造可以是，例如，地热地层，低渗透率地层，沉积地层，火山地层或“基底”地层，其更适当地描述为在沉积盆地下方发生的结晶岩(均未示出)。
图5示意性地示出了地质构造26内的元件的布置。
作为示例，水平区段20的长度可以是2000米至8000米或更长，并且距离表面28的深度可以是1000米至6000米。表面28上的发电电路22设置在入口井14和出口井16之间，以完成闭环系统。
本领域技术人员将理解，尺寸仅是示例性的，并且将根据地层的性质，面积，地热梯度，地表异常，构造等而变化。
显而易见的是，由于工程的进步，用于建立多横向布置的侵入性是最小化和简化的，以提供回路接触地层的表面积的显着增加。此外，对未使用或悬浮的油井进行改造应用是可能的，以使其具有可忽略的环境影响。
集成井回路电力循环是闭环系统，其中所选择的工作流体在井回路内循环，然后流入表面上的涡轮机中，如图6所示。标记30表示整个过程示意。在该过程中，使用单一流体而不是具有离散的井回路流体和二次电力循环工作流体。该闭环循环中的工作流体可以作为跨临界循环操作，其中流体在上工作压力下是超临界的，在下工作压力下是亚临界的，或者作为完全超临界循环，由此流体在下工作压力下保持超临界状态。
众所周知，跨临界循环是热力循环，其中工作流体经过亚临界和超临界状态。
该设备还包括冷却装置，在该示例中示为空中冷却器32和具有发电机36的涡轮34。空中冷却器32用于将工作流体冷却至高于环境温度1℃至15℃之间的温度。还应注意，工作流体可以冷却到零下的温度。
此外，用于本文所述技术的合适流体能够在膨胀和冷却后从出口井处的超临界状态转变为跨临界状态，其中离开出口井的流体具有足够高的熵以膨胀到温度-熵曲线图上两相区域右侧的过热蒸汽状态，并且在冷却时基本上低于其临界点。
该集成循环中的驱动机构是非常强的热虹吸管，其由于入口垂直井14和出口垂直井16之间的密度差异而产生。流体在入口井14中处于超临界液态，当其沿着横向部分12行进时加热并且在出口井16中以超临界状态离开，这产生显着的压力。
图7是图6中所示的流程图的变型，其中多个涡轮机34和发电机36以平行关系设置。本领域技术人员将理解包括串联和并联的组合的其他变型。
图8是对于现有技术中描述的简单流体，以及本文所述的新型流体(其表现出非线性温度-焓关系)，井回路的横向部分内的流体温度的一般示意图。从岩石传递的热量与岩石温度和流体温度之间的累积面积成比例。表1列出了数据。
表1用于增加井距的流体数据
除了在启动期间，热虹吸效应可完全消除在正常操作条件下对表面泵的需要。有利地，这消除了操作泵所需的功率并增加了净电功率输出。
与井环路协同工作的是使用针对井眼布局，深度，长度和环境温度定制的定制流体和混合物。在高于10MPa的高压和低于180℃的温度下相关的现有技术仅讨论了使用具有线性温度-焓关系的流体，例如水，二氧化碳，制冷剂或烃流体。对于诸如本文所讨论的闭环系统，流体混合物的初始成本和复杂性仅是整体经济性中的次要因素。因此可以使用其他流体，例如具有选自下组的至少一种性质的流体：
a)在大于10MPa的压力和小于180℃的温度下横向互连内的基本非线性温度焓关系，以最大化流体与周围井下热源之间的温差和热传递；
b)能够进行压敏可逆反应，该反应在高压下吸热，在低于高压的压力下放热；
c)含有化学吸收反应的流体混合物，该反应在横向互连中是吸热的；
d)具有温度和压力依赖性溶解度的电解质水溶液，导致横向互连内的吸热效应
已经发现，在井回路的横向部分内表现出基本上非线性的温度焓关系和/或表现出压力敏感的可逆效应(其在高压下是吸热的并且在低于高压的压力下放热)的流体可以大大增加发电量。这是因为远场岩石温度和循环流体温度之间的平均温差增加，从而驱动来自地质构造的热传递增加。
这种类型的流体的示例是具有温度依赖性溶解度的含水沉淀物/电解质溶液，其中水在入口井的顶部是超饱和的。固体颗粒用防垢剂(抗絮凝剂)和湍流(类似于钻井泥浆)保持在悬浮中。在横向部分中，温度升高，因此保持在悬浮中的固体的溶解度也增加。当固体颗粒溶解到水中时，这允许溶液吸收来自岩石的热量(基本上增加流体的有效热容量)。在分离的热电循环的热交换器中，温度降低，因此固体物质放热地沉淀。可以处理热交换器以避免沉淀物粘附到内表面上。
用于闭环地热系统的流体包括含有以下溶质的水溶液作为示例：溴化钾，硫酸镁。
使用单个涡轮机并且在整个环境条件范围内具有足够的效率是有问题的。已经发现，使用针对不同环境条件优化的两个或更多个串联或并联的涡轮机解决了该问题。在较冷的温度期间，控制逻辑(未示出)自动地将工作流体转移到适当的涡轮机以在整年中保持高效率。
现在共同参考图9，9A和10，示出了菊花链井的示意图，总体上用标记44表示。在该实施例中，通常由标记46表示的每个表面位置包括连接到横向井管道50的注入井48和生产井52。以这种方式，连续井结构符合大致U形结构。
如图9所示，每个位置46是离散的并且以优雅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5000米。当然，这将因情况而异。
在图10中，标记54代表发电设备。在此之后将讨论装置54的选择，但是出于讨论的目的，装置54负责将蒸汽转换成电能。在每个位置46处，存在注入井48和生产井52。多横向管道38类似地在地下，但也在地层48的地热区域46内。
对于操作，也可以参考图10。具有合适热容的流体在一个位置46的注入井48中循环，通过发电设备54处理以回收热能，并随后作为输出流传递为用于近端位置46的注入井48的入口馈送流。链线62示出了该中继或菊花链测序。由于不是所有的热量都被回收，因此近端位置的井48的入口馈送流被预热以注入横向管道50。然后该过程重置以在下一个位置46重复。为了便于维修、分析等，发电设备包括用于绕过装置54的旁路回路64。
为了适应诸如地质、环境、热等的可变条件，可以采用如图9A所示的管道阵列50。阵列将被称为多横向阵列66并且以与近端管道50间隔开的关系布置成环形图案。根据情况的具体情况，可以采用其他模式。阵列66的各个管道50之间的连接将简单地集成在以与单个管道50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46，这取决于上面引用的示例的条件。进一步预期，单个管道布置可与阵列66交替。阵列66增加了整体流速和电力产生。在一些位置46更靠近在一起的情况下，可以使用更多数量的阵列66来维持热回收平衡。图9中所示的布置是12,000kW至20,000kW系统的示例。
现在转向图11，示出了本发明的另一实施例，例如，8,000kW至12,000kW的系统。在该示例中，各个回路可以在集中位置68处连接，以便集中发电设备(未示出)以增加功率和效率。
图12和13示出了较小规模的操作，4,000kW-6,000kW(图12)和2,000kW-3,000kW(图13)。
采用菊花链实现的重要特征之一是缺乏对近表面返回管道的需要。当需要时，如在传统的井环布置中，资本成本超过项目总资本的10％，可能需要协商通行权，并且3-5℃的热损失和压力损失导致效率降低。
相比之下，菊花链，因为井环从前到后连结，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，其中该对使用废热作为输入以产生上述预热的流。
其他优点包括增加的功率产生而没有表面破坏(占地面积)，因为一切都在地下并且减少了位置46之间的距离。如果由于预热的馈送流设计的温度升高可以使用较短的管道50，则这相应地降低了成本。
现在参考图14，示出了通常由标记70表示的钻孔区域的示意图，其具有多个分散的未使用的井72。
现在参照图15，示出了与图14类似的图示，但是已经在相应的未使用井72附近钻出多个新井74至88。
转到图16，提供主毂90。尽管没有具体示出，但是毂90实际上是歧管布置，其中每个新井，例如74,76,78和80流体连通(在下文中更详细地讨论)。从毂90，每个新井74,76和78彼此间隔开，并且与和毂90相关联的未使用的井72间隔开。每个新井74,76和78与单个邻近的未使用井72流体连通。通过管道92和94实现流体连通。管道92设置在表面96下方，更具体地，设置在地热区域内，通常用标记98表示。如图所示，在该示例中，管道92设置在表面96上方，但是它可以设置在表面96下方，这将在前面的图中示出。
方便地，在该示例中具有新井74,76和78的毂90连接到相应的未使用井72，以形成再循环的未使用井的群集。
为清楚起见，图16和17可以一起引用，并且为了清楚起见，图17中没有回路92和94。可以在图16中参考由标记100表示的群集。聚集对于连结附加群集100是有效的，如图17所示。与给定轮毂90相关联的新井74,76和78通过来自相邻群集100的未使用井72连结其他群集100。出于解释的目的，这样的连结被引用为102。以这种方式，集群100被合并为能量收集系统，而不是图15中所示的随机未生产的未使用井阵列72。这为表面设计提供了用于在闭环表面中收集地热能的高效布置。
表面上已经在上文讨论的现有技术中提出了地热回路，然而，在马赛克中(inmosaic)，现有技术没有提供关于表面到表面能量回收、与合并的再循环统一的最小的地质和环境侵入性的最佳指导。
现在转到图18，显示了20％质量的硫酸镁在40MPa下的水溶液的非线性温度-焓关系。这显示为本发明中描述的流体热力学行为类型的示例。在实践中使用的特定流体化学取决于项目细节，例如岩石温度，直接热或电力施加，指定的入口/出口温度，井长度和配置以及其他因素。
总之，已经提出了新技术，用于使用独特的工作流体在各种地质构造内的独特闭环布置中产生电力。
已经描绘了具有改进的流体的集成和隔离回路，导致相对于现有技术的增强的热捕获。
通常连接到回路的入口和出口的回路中的多横向段已经在许多方面进行了讨论，其中最重要的是对现有回路布置的改进。
Claims (13)
1.一种流体，用于在封闭井系统中的能量回收，封闭井系统具有入口井、出口井和在所述入口井与所述出口井之间的横向互连，所述流体具有选自以下的至少一种性质：
a)在大于10MPa的压力和小于180℃的温度下在所述横向互连内的基本非线性温度焓关系，以最大化流体与周围井下热源之间的温差和热传递；
b)能够进行压敏可逆反应，该反应在高压下吸热，在低于高压的压力下放热；
c)含有化学吸收反应的流体混合物，该反应在所述横向互连中是吸热的；
d)具有温度和压力依赖性溶解度的电解质水溶液，导致横向互连内的吸热效应。
2.根据权利要求1所述的流体，其中，所述化学吸收反应涉及所述横向互连内的CO2的解吸附。
3.根据权利要求1所述的流体，其中，所述电解质水溶液包括硫酸镁。
4.一种发电方法，包括：
提供封闭的井回路环路，其具有与地质构造内的横向管道连接的入口和出口；
提供与所述井回路可操作连通的发电设备；
使在所述横向管道内具有基本非线性温度焓关系的工作流体在大于10MPa的压力和低于180℃的温度下循环通过所述回路，以从所述地层回收热能，以最大化所述流体和周围井下热源之间的温差和热传递；
在所述入口处在所述回路中再循环之前冷却所述工作流体；和
将来自所述流体的能量转换成电能。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述工作流体被冷却到零摄氏度以下的温度。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，循环由热虹吸作用驱动。
7.根据权利要求4所述的方法，还包括提供间隔开的多个横向管道，每个横向管道连接到所述入口和所述出口。
8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述工作流体被调节成在所述入口内保持液态或超临界液态并且在超临界状态下离开所述出口。
9.一种重新利用在地层中具有间隔开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：
提供第一节点，其具有与发电设备流体连通的第一注入井和生产井；
提供与所述第一节点间隔开的第二节点，其具有与发电设备流体连通的第二注入井和生产井；
在地下水平连接中连接所述第一节点和所述第二节点；
利用地下连接将来自所述第一节点的所述发电设备的加热的输出流体循环到所述第二节点的所述发电设备的输入，所述流体在所述地下水平连接内在大于10MPa的压力和低于180℃的温度下具有基本非线性的温度焓关系，以从所述地层回收热能，以最大化所述流体和周围井下热源之间的温差和热传递；和
将来自所述流体的能量转换成电能。
10.一种能量产生方法，包括：
提供具有注入和生产井对的悬浮油田；
在一个井对的生产井和地下回路中的相邻井对的注入井之间连接发电设备，所述回路在所述生产井和所述注入井之间具有至少一个横向互连；
使流体循环通过所述回路以回收地下热能，所述流体具有选自以下的至少一种性质，包括：
a)在大于10MPa的压力和小于180℃的温度下在所述横向互连内的基本非线性温度焓关系，以最大化流体与周围井下热源之间的温差和热传递；
b)能够进行压敏可逆反应，该反应在高压下吸热，在低于高压的压力下放热；
c)含有化学吸收反应的流体混合物，该反应在横向互连中是吸热的；
d)具有温度和压力依赖性溶解度的电解质水溶液，导致横向互连内的吸热效应；和
利用来自所述流体的热能和/或将来自所述流体的能量转换成电能。
11.一种地热方法，包括：
在地层中钻出第一大致U形钻孔和第二大致U形钻孔，第二大致U形钻孔与第一大致U形钻孔间隔开；
提供发电设备；
在地下位置连接所述设备到所述第一U形钻孔的输出和所述第二U形钻孔的入口；
使流体循环通过每个所述钻孔，所述流体具有选自以下的至少一种性质：
a)在大于10MPa的压力和小于180℃的温度下在所述U形钻孔的横向互连内的基本非线性温度焓关系，以最大化流体与周围井下热源之间的温差和热传递；
b)能够进行压敏可逆反应，该反应在高压下吸热，在低于高压的压力下放热；
c)含有化学吸收反应的流体混合物，该反应在横向互连中是吸热的；
d)具有温度和压力依赖性溶解度的电解质水溶液，导致横向互连内的吸热效应；和
将来自所述流体的能量转换成电能。
12.一种形成地热换热器的方法，包括：
提供未使用的钻井；
钻出与所述未使用的井间隔开的第二井；
将所述未使用的钻井和所述第二井在连续回路中的地热区域和与其间隔开的第二区域内连结，所述连续回路具有至少一个横向连结互连；
使工作液体循环通过所述回路，以在所述回路内进行热交换，所述流体具有选自以下的至少一种性质，包括：
a)在大于10MPa的压力和小于180℃的温度下在所述横向互连内的基本非线性温度焓关系，以最大化流体与周围井下热源之间的温差和热传递；
b)能够进行压敏可逆反应，该反应在高压下吸热，在低于高压的压力下放热；
c)含有化学吸收反应的流体混合物，该反应在横向互连中是吸热的；
d)具有温度和压力依赖性溶解度的电解质水溶液，导致横向互连内的吸热效应；和
回收热量。
13.一种用于再循环利用未使用的钻井的方法，包括：
指定第一未使用的井作为接收毂；
在该毂附近钻第二新井；
钻出与所述毂和所述第二新井间隔开的至少第三新井；
将所述第二新井和所述第三井中的每一个与所述毂在各个封闭回路中流体连通地连接，每个封闭回路具有至少一个横向互连，每个回路的第一部分位于地热区域内，第二部分位于所述地热区域之上；
使工作流体在所述回路内循环，所述流体具有选自以下的至少一种性质：
a)在大于10MPa的压力和小于180℃的温度下在所述横向互连内的基本非线性温度焓关系，以最大化流体与周围井下热源之间的温差和热传递；
b)能够进行压敏可逆反应，该反应在高压下吸热，在低于高压的压力下放热；
c)含有化学吸收反应的流体混合物，该反应在横向互连中是吸热的；
d)具有温度和压力依赖性溶解度的电解质水溶液，导致横向互连内的吸热效应；和
捕获从所述地热区域转移的热能。
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