CN111197871A - 取热不取水的井内循环地热开采系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种取热不取水的井内循环地热开采系统及方法，井内循环地热开采系统包括：第一和第二采热井，穿过第一和第二地热层；第一和第二换热机构，设于第一和第二采热井中，具有第一和第二换热空间、第一和第二输入端口、第一和第二输出端口；第一输入端口与第一地热层连通，第一输出端口通过第一管道与第二地热层的一端连通；第二输入端口与第二地热层的另一端连通，第二输出端口通过第二管道与第一地热层的另一端连通，第一和第二管道上分别设有第一和二增压泵；第一和第二导热管，下端分别与第一和第二换热空间连通，上端延伸至地面。本发明实施例的方案具有采热效率高、开采速率快、成本低、热能利用率高、耗能少的优点。

Description

取热不取水的井内循环地热开采系统及方法

技术领域

本发明涉及地热开采技术领域，尤其涉及一种无需注水井，携热流体在井内循环取热、可同时开发地热能且采热不采水、注采同井、在井网内循环的地热开采系统及方法。

背景技术

随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，人们对能源的需求量日益扩大，特别是以煤炭、石油和天然气等化石能源为主的能源消费急剧上升。而化石能源不仅不可再生，其燃烧排放的二氧化碳等温室气体还会导致全球气候变暖，造成严重的环境污染问题，威胁人类社会的可持续发展。因此，大力发展清洁可再生能源已成为世界各国的能源策略。地热能作为一种绿色低碳、可循环利用的可再生清洁能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，具有优化能源结构、节能减排和改善环境的重要作用。并且与太阳能、风能、水能、潮汐能和生物质能等可再生能源相比，地热能基本不受地理位置、气候和季节的影响，并具有分布广、储量大、产量稳定和有效工作时间长等优势。

我国从上个世纪70年代开始进行地热发电，但在后续40多年时间里，我国地热发电发展缓慢，始终停滞不前。究其原因，一方面，我国已探明的地热资源储量规模小、品质差，大型高温地热田少；另一方面，现有地热开发方式取热功率有限，开采效率低，极大限制了地热发电应用。

发明内容

基于前述的现有技术缺陷，本发明实施例提供了一种无需注水井，携热流体在井内循环取热、可同时开发地热能且采热不采水、注采同井、在井网内循环的地热开采系统及方法，可较佳的解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

一种取热不取水的井内循环地热开采系统，包括：

第一采热井和第二采热井，穿过第一地热层和第二地热层；

第一换热机构，设于所述第一采热井中，具有第一换热空间、与所述第一换热空间连通的第一输入端口和第一输出端口；所述第一输入端口与所述第一地热层的一端连通，所述第一输出端口通过第一管道与所述第二地热层的一端连通，所述第一管道上设有第一增压泵；

第二换热机构，设于所述第二采热井中，具有第二换热空间、与所述第二换热空间连通的第二输入端口和第二输出端口；所述第二输入端口与所述第二地热层的另一端连通，所述第二输出端口通过第二管道与所述第一地热层的另一端连通，所述第二管道上设有第二增压泵；

第一导热管，其下端与所述第一换热空间连通，上端延伸至地面；

第二导热管，其下端与所述第二换热空间连通，上端延伸至地面；

其中，所述第一地热层、第一换热空间、第一管道、第二地热层、第二换热空间、第二管道顺次连通形成换热循环通道，所述换热循环通道中容置有携热流体，所述携热流体在所述第一增压泵和第二增压泵的作用在于所述换热循环通道中循环流动。

一种利用上述实施例所述的地热开采系统进行地热开采的方法，包括：

开启所述第一增压泵和第二增压泵，使携热流体进入所述第二地热层取热，被加热后的携热流体进入所述第二换热机构进行热交换，热量通过所述第二导热管传输至地面；

降温后的携热流体通过所述第二增压泵的作用，进入所述第一地热层取热，被加热后的携热流体进入所述第一换热机构进行热交换，热量通过所述第一导热管传输至地面；

降温后的携热流体再次通过所述第一增压泵的作用继续进入所述第二地热层取热，如此循环。

本发明实施例提供的地热开采系统在开发地热能时，无需携热流体返回地面后再重新注入井中，其具有自循环功能，且可采热不采水，注采同井，无需单独设置注水井，采热效率较高，开采速率快、成本低，热能利用率高，耗能少。

简言之，本发明通过井网内携热流体循环利用储能，具有开采速度快、能量损失小、热能利用率高、减少携热流体返回地面重新注入等优点。

附图说明

图1为本发明一个非限制性实施例的井内循环地热开采系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种取热不取水的井内循环地热开采系统以及利用该地热开采系统进行地热开采的方法。如图1所示，该地热开采系统包括：

第一采热井1和第二采热井2，穿过第一地热层3和第二地热层4；

第一换热机构5，设于第一采热井1中，具有第一换热空间501、与第一换热空间501连通的第一输入端口502和第一输出端口503；第一输入端口502与第一地热层3的一端(如图1所示意的左端)连通，第一输出端口503通过第一管道6与第二地热层4的一端(如图1所示意的左端)连通，第一管道6上设有第一增压泵7；

第二换热机构8，设于第二采热井2中，具有第二换热空间801、与第二换热空间801连通的第二输入端口802和第二输出端口803；第二输入端口802与第二地热层4的另一端(如图1所示意的右端)连通，第二输出端口803通过第二管道9与第一地热层3的另一端(如图1所示意的右端)连通，第二管道9上设有第二增压泵10；

第一导热管11，其下端与第一换热空间501连通，上端延伸至地面；

第二导热管12，其下端与第二换热空间801连通，上端延伸至地面；

其中，第一地热层3、第一换热空间501、第一管道6、第二地热层4、第二换热空间801、第二管道9顺次连通形成换热循环通道，换热循环通道中容置有携热流体，携热流体在第一增压泵7和第二增压泵10的作用在于换热循环通道中循环流动。

第一换热机构5和第二换热机构8大体为筒状结构，具有空心内腔，分别形成第一换热空间501和第二换热空间801。第一换热空间501和第二换热空间801中可分别设有呈螺旋状的第一散热翅片504和第二散热翅片804，以提高换热效率，使流经第一换热空间501和第二换热空间801的携热流体向外散发热量。

第一输入端口502和第一输出端口503分别形成在第一换热机构5的侧面(如图1所示意的右侧面)和下端面，第二输入端口802和第二输出端口803分别形成在第二换热机构8的侧面(如图1所示意的左侧面)和上端面。第一导热管11和第二导热管12分别与第一换热机构5和第二换热机构8的上端连接。

第二导热管12可以与第二输出端口803连通，并且与第二管道9不干涉，即第二导热管12与第二管道9不连通，以避免第二增压泵10在工作过程中将携热流体泵入第二导热管12中并经第二导热管12排出至地面。

第一采热井1和第二采热井2均为竖直井，或均为水平井。第一地热层3位于第二地热层4的上方。携热流体可采用水、液氮、超临界流体，优选为如超临界二氧化碳。二氧化碳的热力学及化学特性使它具有优良的载热能力，且二氧化碳较低的运动黏度和较明显的热虹吸作用，使其在热提取能力上优于水，并具有比水更好的自增温作用，更适于中低温、低渗透性热储的热开采。

携热流体在换热循环通道中循环流动，并在流动过程中经过第一地热层3和第二地热层4时实现取热，无需携热流体上返地面。从而，实现采热不采水，采热效率较高，开采速率快、成本低，热能利用率高，耗能少。

在本发明实施例的地热开采系统在工作过程中，换热循环通道在携热流体循环流动的过程中优选处于真空状态，以降低携热流体在循环过程中的热损失。为实现携热流体的注入和补充，地热开采系统还可以包括注入管18，其下端与第一换热空间501连通，上端延伸至地面，通过注入管18可向换热循环通道中注入携热流体。在开启第一增压泵7和第二增压泵10进行地热开采之前，通过注入管18向换热循环通道注入的携热流体可将换热循环通道中的气体(空气)排出，直至换热循环通道中的气体被完全排出，停止注入携热流体。从而，换热循环通道的内部空间被携热流体占据，如此在携热流体后续循环取热的过程中，换热循环通道保持在真空状态，最大的限度的降低热量损失。

进一步地，第一导热管11、第二导热管12、第一输入端口502和第二输入端口802外均可包裹有保温套13，以降低携热流体在与第一换热机构5和第二换热机构8进行热交换的过程中的传热损失。

此外，为防止流体流通，第一管道6和第二管道9上分别连接有第一封隔器14和第二封隔器15，第一封隔器14和第二封隔器15均位于第一地热层3和第二地热层4之间，并分别坐封在第一采热井1和第二采热井2的井壁上。从而，第一封隔器14和第二封隔器15可分别将上下两层地热层3、4分隔开，防止流体流通。

由于第一地热层3位于第二地热层4的上方，因此与第一地热层3连通的第一换热机构5沿竖直方向位于与第二地热层4连通的第二换热机构8的上方。第二采热井2中下入有套管短节16，套管短节16的下端不高于第一地热层3。并且套管短节16连接有第三封隔器17，第三封隔器17坐封在第二采热井2的井壁上。其中，第二导管热可穿设在套管短节16中。从而，第三封隔器17可以将位于上层的第一地热层3与井口分隔开。

进一步地，为平衡两个井筒中的压力，第一增压泵7和第二增压泵10的出口端分别设有第一压力传感器和第二传感器(未示出)，用于分别检测第一增压泵7和第二增压泵10的出口端压力。第一压力传感器和第二压力传感器与设在地面的控制器信号连接，控制器用于控制第一增压泵7和第二增压泵10的泵输功率。

具体的，第一增压泵7和第二增压泵10分别由对应的电机驱动运转，两个电机与控制器信号连接，其可以接收控制器提供的控制指令而改变输出速度，从而实现对增压泵的泵输功率的调节。

两个第一压力传感器实时向控制器反馈两个井筒中的压力，控制器基于两个传感器提供的压力值，选择是否调节两个增压泵的泵输功率，以及如何调节泵输功率，以使两个井筒中的压力趋于平衡。

根据伯努利原理，两个增压泵出口端压力不同，反映两个增压泵出口端流体(携热流体)流速是不同的。由于第一增压泵7和第二增压泵10构成换热循环通道的一部分，因此两个增压泵出口端流体流速不同，将造成换热循环通道内流体的流速不均，并最终导致两个增压泵进口端的流体供应出现差异。通常情况下，当两个增压泵出口端的压力差不大即不超过预设阈值时，增压泵的正常运转一般不受影响。反之，当两个增压泵出口端的压力差较大即不超过预设阈值时，增压泵的正常运转则会受到影响，则需要相应的调节。

预设阈值可根据实际情况进行设置，不同的增压泵，预设阈值是不同的，本实施例对此不作限定。

因此，在两个压力传感器将各自的增压泵出口端压力实时反馈给控制器后，控制器根据两个压力判定压差是否大于预设阈值。当判定结果为否，控制器不发送任何控制指令，驱动两个增压泵的电机维持当前的转速不变，也就是两个增压泵保持当前的泵输功率不变。

而一旦控制器的判定结果为是，即两个增压泵的出口端压力差值超过预设阈值，则控制器可控制两个增压泵中出口压力相对较大的增压泵的提高泵输功率，和/或，控制两个增压泵中出口压力相对较小的增压泵的降低泵输功率。

例如，第一压力传感器检测到的压力较大，而第二压力传感器检测到的压力较小，两个压力差值超过预设阈值。则控制器控制驱动第一增压泵7的电机提高转速，和/或，控制驱动第二增压泵10的电机降低转速，从而使第一增压泵7的泵输功率增大，和/或，第二增压泵10的泵输功率降低，以此使两个增压泵的出口端压力恢复或趋于一致。一旦两个增压泵的出口端压力恢复或趋于一致后，控制器即控制两个增压泵维持当前的泵输功率。

反之，当第一压力传感器检测到的压力较小，而第二压力传感器检测到的压力较大时的控制情况与上述相反，在此不作赘述。

在本实施例中，控制器可以按任何适当的方式实现。具体的，例如，控制器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该微处理器或处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器(Programmable LogicController，PLC)和嵌入微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)的形式，上述模块的例子包括但不限于以下微控制单元：ARC 625D、Atmel AT91SAM、Microchip PIC18F26K20以及Silicone Labs C8051F320。本领域技术人员也应当知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现所述控制器的功能以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制单元等形式来实现相同功能。

利用本发明实施例的地热开采系统进行地热开采时：

开启第一增压泵7和第二增压泵10，使携热流体进入第二地热层4取热，被加热后的携热流体进入第二换热机构8进行热交换，具体进入第二换热空间801中，携热流体流经第二散热翅片804，将热量散失出去，散失出去的热量通过第二导热管12传输至地面，携热流体的温度随之降低。

降温后的携热流体通过第二增压泵10的作用，进入第一地热层3进行二次取热，被加热后的携热流体进入第一换热机构5进行热交换。同样的，携热流体流经第一散热翅片504，将热量散失出去，散失出去的热量通过第一导热管11传输至地面，携热流体的温度随之降低。降温后的携热流体再次通过第一增压泵7的作用继续进入第二地热层4取热，如此循环。

传统的地热能开发方式，一般需先打至少一口注水井和至少一口采热井，一口注水井或几口注水井对应一口采热井。通过注水井注入冷水，冷水进入地热层后被加热变成热水后，进入采水井。随后，热水再被采出地面。这个传统的开发方式，既要打注水井和采水井，又要使用水作为热采和换热介质，工艺比较复杂。

而本发明中，作为热采的介质-携热流体可以一直在井下循环，不必采出地面，而是依靠换热机构将热量传递至地面。此外，本发明不需要单独设置注水井，仅需在某一口采热井注入携热流体，该携热流体可以在很多采热井中进行循环。籍此，实现采热不采水，提高开采效率，减少水循环的过程与能源消耗，不需要进行水的处理，减少资源消耗。

因此，本发明实施例的地热开采系统在开发地热能时，无需携热流体返回地面后再重新注入井中，其具有自循环功能，且可采热不采水，注采同井，无需单独设置注水井，采热效率较高，开采速率快，成本低，热能利用率高，耗能少。

简言之，本发明通过井网内携热流体循环利用储能，具有开采速度快、能量损失小、热能利用率高、减少携热流体返回地面重新注入等优点。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容，可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种取热不取水的井内循环地热开采系统，其特征在于，包括：

第一采热井和第二采热井，穿过第一地热层和第二地热层；

第一换热机构，设于所述第一采热井中，具有第一换热空间、与所述第一换热空间连通的第一输入端口、第一输出端口；所述第一输入端口与所述第一地热层的一端连通，所述第一输出端口通过第一管道与所述第二地热层的一端连通，所述第一管道上设有第一增压泵；

第二换热机构，设于所述第二采热井中，具有第二换热空间、与所述第二换热空间连通的第二输入端口和第二输出端口；所述第二输入端口与所述第二地热层的另一端连通，所述第二输出端口通过第二管道与所述第一地热层的另一端连通，所述第二管道上设有第二增压泵；

第一导热管，其下端与所述第一换热空间连通，上端延伸至地面；

第二导热管，其下端与所述第二换热空间连通，上端延伸至地面；

其中，所述第一地热层、第一换热空间、第一管道、第二地热层、第二换热空间、第二管道顺次连通形成换热循环通道，所述换热循环通道中容置有携热流体，所述携热流体在所述第一增压泵和第二增压泵的作用在于所述换热循环通道中循环流动。

2.如权利要求1所述的井内循环地热开采系统，其特征在于，所述换热循环通道在携热流体循环流动的过程中处于真空状态。

3.如权利要求1所述的井内循环地热开采系统，其特征在于，还包括：用于向所述换热循环通道注入携热流体的注入管，所述注入管的下端与所述第一换热空间连通，上端延伸至地面。

4.如权利要求1所述的井内循环地热开采系统，其特征在于，所述第一管道上连接有第一封隔器，所述第一封隔器位于所述第一地热层和第二地热层之间并坐封在所述第一采热井的井壁上。

5.如权利要求1所述的井内循环地热开采系统，其特征在于，所述第二管道上连接有第二封隔器，所述第二封隔器位于所述第一地热层和第二地热层之间并坐封在所述第二采热井的井壁上。

6.如权利要求1所述的井内循环地热开采系统，其特征在于，所述第一导热管、第二导热管及所述第一输入端口和第二输入端口外包裹有保温套。

7.如权利要求1所述的井内循环地热开采系统，其特征在于，所述第一增压泵和第二增压泵的出口端分别设有第一压力传感器和第二传感器，所述第一压力传感器和第二压力传感器与设在地面的控制器信号连接，所述控制器用于控制所述第一增压泵和第二增压泵的泵输功率；

当所述第一压力传感器和第二压力传感器检测到的压力的差值大于预设阈值时，所述控制器控制两个增压泵中出口压力相对较大的增压泵的提高泵输功率，和/或，控制两个增压泵中出口压力相对较小的增压泵的降低泵输功率。

8.如权利要求1所述的井内循环地热开采系统，其特征在于，所述第一地热层位于所述第二地热层的上方，所述第一换热机构沿竖直方向位于所述第二换热机构的上方；所述第二采热井中下入有套管短节，所述套管短节的下端不高于所述第一地热层；所述套管短节连接有第三封隔器，所述第三封隔器坐封在所述第二采热井的井壁上。

9.一种利用如权利要求1至8任意一项所述的井内循环地热开采系统进行地热开采的方法，其特征在于，包括：

开启所述第一增压泵和第二增压泵，使携热流体进入所述第二地热层取热，被加热后的携热流体进入所述第二换热机构进行热交换，热量通过所述第二导热管传输至地面；

降温后的携热流体通过所述第二增压泵的作用，进入所述第一地热层取热，被加热后的携热流体进入所述第一换热机构进行热交换，热量通过所述第一导热管传输至地面；

降温后的携热流体再次通过所述第一增压泵的作用继续进入所述第二地热层取热，如此循环。

10.如权利要求9所述的地热开采方法，其特征在于，所述第一换热空间连通有注入管，所述注入管的上端延伸至地面；

在开启所述第一增压泵和第二增压泵的步骤之前，所述地热开采方法还包括：

通过所述注入管向所述换热循环通道注入携热流体，至携热流体将所述换热循环通道中的气体完全排出，停止注入。

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