CN110657594A - 一种闭式循环深地热能开采系统 - Google Patents

Abstract

一种闭式循环深地热能开采系统，其特征是：一种从井深3000‑6000米地下高温岩体封闭式高效采集热能的系统，其包括：采热井、地面换热装置(14)和井下循环系统，所述采热井包括水平恒温热能采集段(1)，所述水平恒温热能采集段(1)大于1000米，所述水平恒温热能采集段(1)中打出若干个鱼骨状分支井(2)，所述分支井(2)里注入高效导热介质(3)，形成高效人造热水库，所述采热井的垂直部分设有套管基材管柱(5)，所述套管基材管柱(5)分三层，表层套管为隔热套管(5‑1)，技术套管(5‑2)为保温套管或普通套管，储层套管(5‑3)为换热套管，所述表层套管(5‑1)和技术套管(5‑2)采用特种水泥封固，所述储层套管(5‑3)不固井。

Description

一种闭式循环深地热能开采系统

技术领域

本发明属于地热供热技术领域，具体涉及一种闭式循环深地热能开采系统。

背景技术

我国地热能产业体系已显现雏形，浅层地热能利用也得到了快速发展，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有以下缺点：

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虽然对含水层影响不大，但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，投资较大，运营成本较高，热泵系统供暖能力受浅层地热储备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。

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。

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。

另外，封闭式深层地热能采集系统和方法(专利号CN201710773203.8) 里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，这种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，消除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，其没有明确提及井筒保温及中心管保温方法。

因此发明一种闭式循环深地热能开采系统，以此来消除上述存在的问题，是具有很现实的意义，也是完全有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种闭式循环深地热能开采系统及其制作方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种闭式循环深地热能开采系统，其特征是：一种从井深3000-6000 米地下高温岩体封闭式高效采集热能的系统，其包括：采热井、地面换热装置(14)和井下循环系统，所述采热井包括水平恒温热能采集段(1)，所述水平恒温热能采集段(1)大于1000米，所述水平恒温热能采集段(1)中打出若干个鱼骨状分支井(2)，所述分支井(2)里注入高效导热介质(3)，形成高效人造热水库，所述采热井的垂直部分设有套管基材管柱(5)，所述套管基材管柱(5)分三层，表层套管为隔热套管(5-1)，技术套管(5-2)为保温套管或普通套管，储层套管(5-3)为换热套管，所述表层套管(5-1)和技术套管(5-2)采用特种水泥封固，所述储层套管(5-3)不固井，所述套管基材管柱(5)内外分别注入管柱内换热介质(6)和管柱外换热介质(7)，所述采热井水平部分设有地热专用管，所述地热专用管由换热管(9)和绝热管(8)组成，所述换热管能实现高效换热，所述绝热管实现高温介质的保温高效传输，所述地面换热装置(14)，包括封闭式换热器和封闭式换热器内的高温换热介质，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，所述井下循环系统，从地面将低温换热介质经泵(13)泵入表层套管(5-1)与地热专用管的环空(10)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(4)向上进行封闭循环到达地面换热装置 (14)。

优选的，所述高温岩体为3000-6000米深地下的砂岩、灰岩或干热岩。

优选的，所述采热井为水平井或者水平连通井。

优选的，所述套管基材管柱与地层全封闭，所述管柱内换热介质(6) 与管柱外热换介质(7)不联通。

优选的，所述环空(10)是用支撑装置(11)支撑形成的，所述环空(10)内注有换热工质。

优选的，所述换热管(9)底端敞开，在换热管(9)前端安装有单向阀(12)，并且通过单向阀将地热换热管和储层套管支撑起来。

一种闭式循环深地热能开采系统及其制作方法其有益效果如下：

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。

虽然投资较大，但是后期运行成本较低，受场地条件制约较小。

本发明不采用压裂技术建立热储，所以不改变地下地应力场，更不会造成地下岩石因应力场变化导致岩石破坏而引起小型地震事件的发生。

本发明闭式循环深地热能开采系统不依赖于地下热水，不受地理位置的限制，也不会因为过量开采而造成地面沉降，热储丰富，不存在回灌率问题，对环境不会造成污染，环保压力也不大，无需二次加热补偿供暖功率。

本发明闭式循环深地热能开采系统采用表层套管和技术套管用特种水泥封固，而专利号为ZL201820983382.8的封闭式深层地热能采集系统和方法中没有采用，同时本发明中涉及的中心管采用地热专用管系列产品，该产品的专利号为ZL201821024595.4，该产品的利用大大提高了保温效果。

在水平段中打出若干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，可源源不断提供热源。

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

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明提出的一种闭式循环深地热能开采系统截面结构示意图。

图2为本发明提出的一种闭式循环深地热能开采系统中所述的支撑装置(11)的正面示意图。

图3为本发明提出的一种闭式循环深地热能开采系统中所述的支撑装置(11)的侧剖面示意图。

图4为图1中A-A截面示意图。

图中：水平恒温热能采集段(1)，分支井(2)，高效导热介质(3)，地热专用管中心(4)，套管基材管柱(5)，隔热套管(5-1)，技术套管(5-2)，储层套管(5-3)，管柱内换热介质(6)，管柱外换热介质(7)，绝热管(8)，换热管(9)，环空(10)，支撑装置(11)，单向阀(12)，泵(13)，地面换热装置(14)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：

一种闭式循环深地热能开采系统，其特征是：一种从井深3000-6000 米地下高温岩体封闭式高效采集热能的系统，其包括：采热井、地面换热装置14和井下循环系统，所述采热井包括水平恒温热能采集段1，所述水平恒温热能采集段1大于1000米，所述水平恒温热能采集段1中打出若干个鱼骨状分支井2，所述分支井2里注入高效导热介质3，形成高效人造热水库，所述采热井的垂直部分设有套管基材管柱5，所述套管基材管柱5分三层，表层套管为隔热套管5-1，技术套管5-2为保温套管或普通套管，储层套管5-3为换热套管，所述表层套管5-1和技术套管5-2采用特种水泥封固，所述储层套管5-3不固井，所述套管基材管柱5内外分别注入管柱内换热介质6和管柱外换热介质7，所述采热井水平部分设有地热专用管，所述地热专用管由换热管9和绝热管8组成，所述换热管能实现高效换热，所述绝热管实现高温介质的保温高效传输，所述地面换热装置14，包括封闭式换热器和封闭式换热器内的高温换热介质，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，所述井下循环系统，从地面将低温换热介质经泵13泵入表层套管5-1与地热专用管的环空10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4向上进行封闭循环到达地面换热装置14。

本发明优选的，实施例中，所述高温岩体为3000-6000米深地下的砂岩、灰岩或干热岩。

本发明优选的，实施例中，所述采热井为水平井或者水平连通井。

本发明优选的，实施例中，所述套管基材管柱与地层全封闭，所述管柱内换热介质6与管柱外热换介质7不联通。

本发明优选的，实施例中，所述环空10是用支撑装置11支撑形成的，所述环空10内注有换热工质。

本发明优选的，实施例中，所述换热管9底端敞开，在换热管9前端安装有单向阀12，并且通过单向阀将地热换热管和储层套管支撑起来。

本发明的使用过程如下：

人造热水库内的热水将通过地热专用管中心4的交换介质进行热交换，经泵13向上抽取高温换热介质，并送达地面换热装置14，经地面换热装置14换热后再次进入地热专用管的环空10中，进入人造热水库内进行热交换，再进行下一个循环热交换。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种闭式循环深地热能开采系统，其特征是：一种从井深3000-6000米地下高温岩体封闭式高效采集热能的系统，其包括：采热井、地面换热装置(14)和井下循环系统，所述采热井包括水平恒温热能采集段(1)，所述水平恒温热能采集段(1)大于1000米，所述水平恒温热能采集段(1)中打出若干个鱼骨状分支井(2)，所述分支井(2)里注入高效导热介质(3)，形成高效人造热水库，所述采热井的垂直部分设有套管基材管柱(5)，所述套管基材管柱(5)分三层，表层套管为隔热套管(5-1)，技术套管(5-2)为保温套管或普通套管，储层套管(5-3)为换热套管，所述表层套管(5-1)和技术套管(5-2)采用特种水泥封固，所述储层套管(5-3)不固井，所述套管基材管柱(5)内外分别注入管柱内换热介质(6)和管柱外换热介质(7)，所述采热井水平部分设有地热专用管，所述地热专用管由换热管(9)和绝热管(8)组成，所述换热管能实现高效换热，所述绝热管实现高温介质的保温高效传输，所述地面换热装置(14)，包括封闭式换热器和封闭式换热器内的高温换热介质，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，所述井下循环系统，从地面将低温换热介质经泵(13)泵入表层套管(5-1)与地热专用管的环空(10)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(4)向上进行封闭循环到达地面换热装置(14)。

2.根据权利要求1所述的封闭式深地热能高效采集系统，其特征在于，所述高温岩体为3000-6000米深地下的砂岩、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，其特征在于，所述采热井为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，其特征在于，所述套管基材管柱与地层全封闭，所述管柱内换热介质(6)与管柱外热换介质(7)不联通。

5.根据权利要求1所述的封闭式深地热能高效采集系统，其特征在于，所述环空(10)是用支撑装置(11)支撑形成的，所述环空(10)内注有换热工质。

6.根据权利要求1所述的封闭式深地热能高效采集系统，其特征在于，所述换热管(9)底端敞开，在换热管(9)前端安装有单向阀(12)，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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