CN112502922B - 一种地下能源开发与回收利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地下能源开发与回收利用系统，其通过深水井设置，采用开采井与回灌井配合的方式实现地下热量的提取，提取的热水或蒸汽在地表的梯级利用后再通过回灌管将其导流至回灌井内，回灌管内设置有重力发电装置，通过重力发电装置与地表输电装置连接实现外部电力供应；当井深达到4000米以上或热储层段温度大于150摄氏度时，本系统将开采井与回灌井合二为一，通过将井体延伸至干热岩层，同时将回水管导入至干热岩层实现水体载热，水层与干热岩层接触后产生温度高、压力大的蒸汽，在蒸汽段上设置有导气管道将高温蒸汽载水体压力下，输送至地表实现热电使用、供暖以及温室采暖等使用。

Description

一种地下能源开发与回收利用系统
技术领域
本发明属于清洁能源开发利用领域，具体涉及一种可与目前的地热资源配合使用的地下能源开发与回收利用系统。
背景技术
目前已开发利用的地下清洁能为地热资源，在现有的地热能源利用系统中，均是通过抽取地下热水，通过提取高温热水热量后再回灌至地下，其通过水（或其他工作介质）将地下的热量提取至地面使用，但是在整个循环利用过程中，存在其他能量未被利用的工座步骤，在回灌过程中，低温尾水从地表回灌至地下的整个过程中，将重力势能浪费或未利用；再者，现有的干热岩井建井成本高，其在使用时，将水注入地下后，再以热水的形式将热量输送至地表，实现地热能摄取，在整个过程中，需将本身匮乏的水资源输送至地下，同时在向地下输送时并未将水源重力势能进行利用。
针对以上所述的现有技术上的不足，作为本行业技术人员，如何通过技术创新，设计一种新颖的地下能源开发与回收利用系统，可实现地下多种能源的提取并且在提取过程中实现可利用资源的最大幅度的收集是现有本行业技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为克服现有技术不足和提高地下能源的开发利用效果，本发明提供了一种地下能源开发与回收利用系统，可通过水或其他工作介质提取地热能，提取热量后再将水或其他工作介质回灌至地下，在向地下回灌的过程中实现重力势能的提取。
为实现上述技术目的，本发明采用以下方案：一种地下能源开发与回收利用系统，其包括地下结构，所述的地下结构内设置有输送管道，通过在输送管道将地下深井中的高温液体或者高温气体提取，地表设置有热电模块与输送管道连接，通过此种连接实现高温液体或者高温气体热能向电能的转变，所述的热电模块的后侧和建筑物连接将热电模块后的剩余温度利用，所述的建筑物的后端连接着深井内部的回灌管，所述的回灌管的内部设置有重力发电装置，所述的重力发电装置通过电缆与外部输电装置连接实现电力外送。
所述的建筑物上连接着采暖回水管，所述的采暖回水管连接至集水罐，集水罐的后侧连接着粗过滤罐以及精过滤罐，所述的精过滤罐的后侧连接着排气罐，所述的排气罐直接和深井内部的回灌管连接。
地下结构在设置时，在开采井深小于或者等于4000米深度或热储温度小于150摄氏度时，设置两口井相互配合使用，一口井为开采井另一口为回灌井，所述的开采井内设置有提水管，所述的提水管内设置有水泵；所述的回灌井内设置有回灌管，所述的回灌管内设置有重力发电装置。
所述的开采井以及回灌井在设置时，在开采井以及回灌井的底部的含水层区域设置有侧壁射孔将井内外实现贯通，所述的开采井以及回灌井的取水段为同一含水层组，通过地表管路以及地下含水层形成一个水循环结构。
所述的开采井的水面至地表的深度为H1，回灌井的水面至地表深为H2，H1≧H2。
热储层为砂岩热储时所述的开采井与回灌井之间的距离r T 设定为以下公式（1）：
Figure 946904DEST_PATH_IMAGE001
式中：
r T ——合理井距，单位为米(m)；
c w ——地热水比热容，单位为焦[耳]每千克摄氏度(J/(kg·℃))；
Q——开采量，单位为千克每秒(kg/s)；
t——热突破时间，单位为秒(s)；
H——回灌层段砂岩层总厚度，单位为米(m)；
c h ——含水层单位体积热容量，单位为焦[耳]每立方米摄氏度(J/(m3·℃))，可用公式（2）计算：
c h =
Figure 201168DEST_PATH_IMAGE002
式中：
φ——砂岩孔隙度；
ρ r ——砂岩密度，单位为千克每立方米(kg/m3)；
c r ——砂岩比热容，单位为焦[耳]每千克摄氏度(J/(kg·℃))；
c w ——地热水比热容，单位为焦[耳]每千克摄氏度(J/(kg·℃))；
ρ w ——地热水密度，单位为千克每立方米(kg/m3)。
所述的地下结构在设置时，在井深大于4000米深度或热储层段温度大于150摄氏度时，开采井与回灌井合并为一口井，井体底部延伸至干热岩层，井体内部导入工作介质水，水体段上部为蒸汽段，所述的蒸汽段的上部设置有封隔器将蒸汽段与上部空气间隔；井体内部设置有导气管以及回灌管，所述的导气管的底部延伸至蒸汽段内，所述的回水管延伸至水体段内部，在回灌管的内部设置有重力发电装置。
所述的蒸汽段距离地表的深度为H蒸汽，重力发电装置距离水层顶部为H水，所述的重力发电装置的安装位置在设定时需满足ρ水gH水≧ρ 蒸气 gH蒸汽，通过此种结构设置可实现将干热岩井内蒸汽向地表的自动上升。
所述的地下结构的井深大于4000米深度或热储层段温度大于150摄氏度时，其在地表设置有热电模块，所述的热电模块的后侧设置有建筑物或者养殖种植棚，在建筑物或者养殖种植棚的后侧设置有集水罐，集水罐的后侧连接着粗过滤罐以及精过滤罐，所述的精过滤罐的后侧连接着排气罐，所述的排气罐通过循环泵和地下回水管连接，地下回水管与深井内部的回灌管连接。
本发明的有益效果为：本发明通过以上设置，其通过深水井设置，采用开采井与回灌井配合的方式实现地下热量的提取，提取的热水或蒸汽在地表的梯级利用后再通过回灌管将其导流至回灌井内，回灌管内设置有重力发电装置，通过重力发电装置与地表输电装置连接实现外部电力供应，同时本装置将开采井与回灌井的设置距离进行限定，同时对开采井与回灌井的底部井壁进行贯穿加工，开采井与回灌井通过地下含水层实现热水循环；当井深达到4000米以上或热储层段温度大于150摄氏度时，本系统将开采井与回灌井合二为一，通过将井体延伸至干热岩层，同时将回水管导入至干热岩层实现水体载热，水层与干热岩层接触后产生温度高、压力大的蒸汽，在蒸汽段上设置有导气管道，通过导气管道将高温蒸汽在水体压力下输送至地表实现热电使用、供暖以及温室采暖等使用，将蒸汽冷却后产生的液体再次导流至井底部的干热岩层实现高温蒸汽的生产，通过液态到气态的转变将地下热量输送至地表。总结：本发明系统实现地下水或者蒸汽的提取后在地表使用，将热利用后的液态水输送至地下，在输送过程中将其重力势能转变成电能，再通过井底循环将热量存储至水或者蒸汽中提取至地表使用，如此循环实现地下能源的利用，是一种理想的地下能源开发与回收利用系统。
附图说明
图1为本发明主视结构示意图Ⅰ；
图2为本发明主视结构示意图Ⅱ；
图3为图1中开采井内部结构示意图；
图4为图1中回灌井内部结构示意图；
图5为开采井与回灌井共用一井结构示意图；
附图中，1、开采井，10、温室，11、侧壁射孔，12、热水区，13、冷水区，2、提水管，21、潜水泵，22、冷水集水罐，23、粗过滤罐，24、精过滤罐，25、排气罐，26、回水压力泵，27、旁通管，28、地下回水管，29、增压泵，3、隔水层，31、含水层，4、集水罐，5、建筑物，51、采暖末端，52、供暖管，53、采暖回水管，54、水源补充管，6、回灌井，61、导气管，62、封隔器支撑杆，63、封隔器，64、蒸汽段，65、水体段，7、回灌管，71、重力发电装置，8、外部输电装置,9、热电模块。
具体实施方式
参看附图所示，一种地下能源开发与回收利用系统，其包括地下结构，所述的地下结构内设置有输送管道，通过在输送管道将地下深井中的高温液体或者高温气体提取，地表设置有热电模块6与输送管道连接，通过此种连接实现高温液体或者高温气体热能向电能的转变，所述的热电模块6的后侧和建筑物连接将热电模块6后的剩余温度利用，所述的建筑物的后端连接着深井内部的回灌管7，所述的回灌管7的内部设置有重力发电装置71，所述的重力发电装置71通过电缆与外部输电装置71连接实现电力外接，其具体系统如下具体实施例所示。
实施例1：
如图1所示，所述的地下结构在设置时，在井深小于4000米深度或热储温度小于150摄氏度时，本系统设置为两口井相互配合使用，一口井为开采井1另一口为回灌井6，所述的开采井1内设置有提水管2，所述的提水管2内设置有取水泵，所述的取水泵为潜水泵21；所述的回灌井6内设置有回灌管7，所述的回灌管7内设置有管道内重力发电装置71。如图1中箭头所示，回灌井6和开采井1之间形成了由右侧冷水区13向左侧热水区12的水体移动，在移动的同时实现了热量向载体水的转换。
所述的开采井1以及回灌井6在设置时，在开采井1以及回灌井6的底部的含水层31区域设置有侧壁射孔11将井内外实现贯通，所述的开采井1以及回灌井6通过地表管路以及地下含水层形成一个水循环结构，其循环结构如图1所示，在地下的隔水层3与含水层31层叠交错的部位实现地下水的横向流通，通过此种结构设置，可实现水源由回灌井6向开采井1流动，在流动的过程中实现地下能量向液体的传递；本系统在地上设计使用端时，在地表设置一个集水罐4将地下热水收集，通过收集完毕后传导至热电模块9内进行热力发电，此处所述的热电模块为通用技术，在此不做具体赘述；所述的提水管2连接着供暖管52一直延伸至建筑物5内部的采暖末端51上进行室内供暖，此处的采暖末端为暖气片或者其它散热装置。
所述的建筑物5上连接着采暖回水管53，所述的采暖回水管53连接至冷水集水罐22，冷水集水罐22的后侧连接着粗过滤罐23以及精过滤罐24，所述的精过滤罐24的后侧连接着排气罐25将供暖冷却后的液体汇总，所述的排气罐25直接和回灌井6内部的回灌管7连接。
进一步的设定，所述的排气罐25的后侧设置有一个回水压力泵26，通过回水压力泵26实现地下回水的增压，为防止回水压力泵26出现故障，在回水压力泵26上设置有旁通管27实现旁通；通过以上结构设置，本系统设定时还需注意，如图1中，开采井的水面至地表深为H1，回灌井的水面至地表深为H2，H1≧H2，此种结构设置可保证回灌效果，因地表距离重力发电装置71的垂直高度为4000米左右时，加之建筑物高度，再通过回水压力泵26的增压，所述的回灌管7内下部压力较高，其可实现较大能源的转变，通过高水压将势能转换成电能后再导入至外部输电装置8内部后实现外部电力供应。
再进一步的，如以上结构设置，一口井为开采井1另一口为回灌井6，为确保两者之间能顺畅形成能量回路，需限定两口井之间的距离r T ，其限定为公式（1）：
Figure 405754DEST_PATH_IMAGE001
式中：
r T ——合理井距，单位为米(m)；
c w ——地热水比热容，单位为焦[耳]每千克摄氏度(J/(kg·℃))；
Q——开采量，单位为千克每秒(kg/s)；
t——热突破时间，单位为秒(s)；
H——回灌层段砂岩层总厚度，单位为米(m)；
c h ——含水层单位体积热容量，单位为焦[耳]每立方米摄氏度(J/(m3·℃))，可用公式（2）计算：
c h =
Figure 352850DEST_PATH_IMAGE002
式中：
φ——砂岩孔隙度；
ρr——砂岩密度，单位为千克每立方米(kg/m3)；
cr——砂岩比热容，单位为焦[耳]每千克摄氏度(J/(kg·℃))；
cw——地热水比热容，单位为焦[耳]每千克摄氏度(J/(kg·℃))；
ρw——地热水密度，单位为千克每立方米(kg/m3)。
通过套用以上公式中的实测数据，可精准计算两井之间的距离；砂岩以外的热储所述的开采井与回灌井之间的距离rT，采用模拟法确定。
实施例2：
所述的地下结构在设置时，如图2所示，在井深大于4000米深度时或热储层段温度大于150摄氏度时，开采井1与回灌井6合为一口井，井体底部延伸至干热岩层32，井体内部为水体段65，水体段65上部为蒸汽段64，所述的蒸汽段64的上部设置有封隔器63将蒸汽段64与上部间隔，可通过横向水平支撑的方式采用封隔器支撑杆32将封隔器63支撑架设；井体内部设置有导气管61以及回灌管7，所述的导气管61的底部延伸至蒸汽段64内，所述的回灌管7延伸至水体段65内部，在回灌管7的内部设置有重力发电装置71。通过此种结构设置，在本系统设定时，地下高温蒸汽通过导气管61导入至地表，导出时靠冷水压力将其挤压至地表，为顺畅实现蒸汽上行，本系统在设定时需符合以下技术条件：如图2和图5所示，所述的蒸汽段64距离地表的深度为H蒸汽，重力发电装置71距离水体段65顶部为H水，所述的重力发电装置的安装位置在设定时需满足ρ水gH水≧ρ 蒸气 gH蒸汽，通过此种结构设置可实现井深大于4000米深度或热储层段温度大于180摄氏度时,通过冷水压力可实现蒸汽由井内向地表的自动上升。
进一步的，在地表设置时，导气管61直连地面热电模块9实现热电转换，所述的热电模块9的后侧设置有建筑物5或者养殖种植棚10，在建筑物5内部通过采暖末端51上进行室内供暖，此处的采暖末端为暖气片或者其它散热装置，
建筑物5以及养殖种植棚10的后侧通过采暖回水管53连接至冷水集水罐22，冷水集水罐22的后侧连接着粗过滤罐23以及精过滤罐24，所述的精过滤罐24的后侧连接着排气罐25将供暖冷却后的液体汇总，所述的排气罐25直接通过地下回水管28与回灌井6内部的回灌管7连接。进一步的设定，所述的排气罐25的后侧设置有一个回水压力泵26，通过回水压力泵26实现地下回水的增压。
通过以上结构设置，本系统将开采井与回灌井合二为一，通过将井体延伸至干热岩层32.干热岩层温度在180摄氏度以上，此时将回灌管7导入至干热岩层32实现水体段65成型，水体段65与干热岩层32接触后产生温度高、压力大的蒸汽段64，在蒸汽段64上设置有导气管61将高温蒸汽靠冷水压力输送至地表实现热电使用、供暖以及温室采暖使用，将蒸汽冷却后产生的液体再次导流至井底部的干热岩层实现高温蒸汽的产生，在此过程中，若产生水源消耗，可通过排气罐25上部的水源补充管54实现水源补充，通过此种液态到气态的循环转变将地下热量输送至地表。
总结：本发明系统实现地下水或者蒸汽的提取后在地表使用，同时从地表将液态水输送至地下，在输送过程中将其重力势能转变成电能，再通过井底循环将热量存储至水或者蒸汽中提取至地表使用，如此循环实现地下能源的利用，是一种理想的地下能源开发与回收利用系统。

Claims (7)

1.一种地下能源开发与回收利用系统，其特征在于：其包括地下结构，所述的地下结构内设置有输送管道，通过在输送管道将地下深井中的高温液体或者高温气体提取，地表设置有热电模块与输送管道连接，通过此种连接实现高温液体或者高温气体热能向电能的转变，所述的热电模块的后侧和建筑物连接将热电模块后的剩余温度利用，所述的建筑物的后端连接着深井内部的回灌管，所述的回灌管的内部设置有重力发电装置，所述的重力发电装置通过电缆与外部输电装置连接实现电力外送；
在开采井深小于或者等于4000米深度或热储温度小于150摄氏度时，设置两口井相互配合使用，一口井为开采井另一口为回灌井，所述的开采井内设置有提水管，所述的提水管内设置有水泵；所述的回灌井内设置有回灌管；
在井深大于4000米深度或热储层段温度大于150摄氏度时，开采井与回灌井合并为一口井，井体底部延伸至干热岩层，井体内部导入工作介质水，水体段上部为蒸汽段，所述的蒸汽段的上部设置有封隔器将蒸汽段与上部空气间隔；井体内部设置有导气管以及回灌管，所述的导气管的底部延伸至蒸汽段内，所述的回灌管延伸至水体段内部。
2.根据权利要求1所述的一种地下能源开发与回收利用系统，其特征在于：所述的建筑物上连接着采暖回水管，所述的采暖回水管连接至集水罐，集水罐的后侧连接着粗过滤罐以及精过滤罐，所述的精过滤罐的后侧连接着排气罐，所述的排气罐直接和深井内部的回灌管连接。
3.根据权利要求1所述的一种地下能源开发与回收利用系统，其特征在于：所述的开采井以及回灌井为设置两口井相互配合设置时，在开采井以及回灌井的底部的含水层区域设置有侧壁射孔将井内外实现贯通，所述的开采井以及回灌井的取水段为同一含水层组，通过地表管路以及地下含水层形成一个水循环结构。
4.根据权利要求3所述的一种地下能源开发与回收利用系统，其特征在于：所述的开采井的水面至地表的深度为H1，回灌井的水面至地表深为H2，H1≧H2。
5.根据权利要求3或4所述的一种地下能源开发与回收利用系统，其特征在于：热储层为砂岩热储时所述的开采井与回灌井之间的距离rT设定为以下公式(1)：
Figure FDA0003581639430000021
式中：
rT——合理井距，单位为米(m)；
cw——地热水比热容，单位为焦[耳]每千克摄氏度(J/(kg·℃))；
Q——开采量，单位为千克每秒(kg/s)；
t——热突破时间，单位为秒(s)；
H——回灌层段砂岩层总厚度，单位为米(m)；
ch——含水层单位体积热容量，单位为焦[耳]每立方米摄氏度(J/(m3·℃))，
可用公式(2)计算：
ch＝φcwρw+(1-φ)crρr
式中：
φ——砂岩孔隙度；
ρr——砂岩密度，单位为千克每立方米(kg/m3)；
cr——砂岩比热容，单位为焦[耳]每千克摄氏度(J/(kg·℃))；
cw——地热水比热容，单位为焦[耳]每千克摄氏度(J/(kg·℃))；
ρw——地热水密度，单位为千克每立方米(kg/m3)。
6.根据权利要求1所述的一种地下能源开发与回收利用系统，其特征在于：当开采井与回灌井合并为一口井设置时，所述的蒸汽段距离地表的深度为H蒸汽，重力发电装置距离水层顶部为H水，所述的重力发电装置的安装位置在设定时需满足ρ水gH水≧ρ蒸气gH蒸汽，通过此种结构设置可实现将干热岩井内蒸汽向地表的自动上升。
7.根据权利要求6所述的一种地下能源开发与回收利用系统，其特征在于：所述的地下结构的井深大于4000米深度或热储层段温度大于150摄氏度时，其在地表设置有热电模块，所述的热电模块的后侧设置有建筑物或者养殖种植棚，在建筑物或者养殖种植棚的后侧设置有集水罐，集水罐的后侧连接着粗过滤罐以及精过滤罐，所述的精过滤罐的后侧连接着排气罐，所述的排气罐通过循环泵和地下回水管连接，地下回水管与深井内部的回灌管连接。
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