CN112682974A - 一种开采干热岩地热的重力热管地下换热系统及施工方法 - Google Patents

一种开采干热岩地热的重力热管地下换热系统及施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种开采干热岩地热的换热水管重力热管地下换热系统及施工方法，换热系统包括人工热储、重力采热装置和换热装置，人工热储置于地下，用于吸收并存储地下岩石中的热量；所述重力采集装置包括重力热管，所述重力热管由置于地下的人工热储向地上延伸，所述重力热管内流通有换热流体介质，换热装置用于将重力采热装置内的热量传递出去，所述换热装置包括换热水管，所述换热水管缠绕在所述冷凝段外，所述换热水管内的水在冷凝段吸收所述换热流体介质内的热量。该换热系统采用流体自身重力实现循环吸热放热，并将热量上传，使地下数千米的热量输送至地上利用。

Description

一种开采干热岩地热的重力热管地下换热系统及施工方法
技术领域
本发明涉及一种换热系统及施工方法，尤其涉及一种开采干热岩地热的重力热管地下换热系统及施工方法。
背景技术
近年来，随着全球化石燃料总量的加速减少及其开发利用所带来的环境污染日益加剧，发展可再生清洁能源已迫在眉睫。以开采利用地下3公里~10公里低渗透性结晶质干热岩中热能为目标的增强型(或称工程型)地热系统（EGS）正逐渐成为世界各国新能源发展的重点关注方向之一。
常规的环境商品和服务系统通过水力压裂、化学腐蚀等方法增加地下深层岩石的渗透性，形成人工热储，然后建设流体循环系统经由注入井注入冷流体工质，其在人工热储被加热后由采出井输送至地面电厂，发电后的流体经进一步的梯级利用后再回灌到地下热储，从而实现深层地热能的开采和利用。这种流体循环采热方式不仅需要消耗大量的泵功，在实际应用中还可能存在着严重的流体工质损失现象，另一方面，由于循环中载热流体工质与深层岩石直接接触，当这些流体工质流入管道和换热设备时不仅会引起设备结垢，还有可能产生放射性污染等问题。
发明内容
本发明为了解决就目前干热岩地热能开采技术效率低，成本高，经济性低的问题，提供了一种开采干热岩地热的重力热管地下换热系统。该换热系统采用流体自身重力实现循环吸热放热，并将热量上传，使地下数千米的热量输送至地上利用。
本发明所采取的技术方案为：一种开采干热岩地热的超长弧形重力热管地下换热系统，包括
人工热储：置于地下，用于吸收并存储地下岩石中的热量；
重力采热装置：所述重力采集装置包括重力热管，所述重力热管由置于地下的人工热储向地上延伸，所述重力热管内流通有换热流体介质，所述重力热管包括蒸发段、绝热段和冷凝段；所述重力热管的蒸发段置于人工热储中，所述人工热储将吸收的岩石热量传递至重力热管的换热流体介质中，所述重力热管内的换热流体介质在蒸发段吸收人工热储的热量后蒸发为气体，经绝热段至冷凝段进行放热并冷凝，所述绝热段置于蒸发段和冷凝段之间，所述绝热段外设置有保温层；
换热装置：用于将重力采热装置内的热量传递出去，所述换热装置包括换热水管，所述换热水管缠绕在所述冷凝段外，所述换热水管内的冷却水在冷凝段吸收所述换热流体介质内的热量。
进一步的，所述重力热管的蒸发段水平设置，所述绝热段弧形向上延伸，所述冷凝段竖直设置。
进一步的，所述重力热管为两端封闭的管体，所述换热流体介质在所述冷凝段冷凝后在重力的作用下回流至蒸发段。
进一步的，所述换热水管在冷凝段和换热站之间形成循环吸热和放热系统，冷却水在冷凝段吸热后输送至换热站，在所述换热站放热后回流至冷凝段吸热。
进一步的，在所述冷凝段外还设置有与所述重力热管同轴设置的同心套管，在所述同心套管内置有液体和多孔介质，所述多孔介质浸渍在液体内，所述换热水管置于同心套管内，换热水管浸渍在所述同心套管内的液体内。
进一步的，保温层采用石墨烯涂层保温材料，由外向内依次包含第一铝膜反射层、阻燃体、第二铝膜反射层、生物质石墨烯抗菌抑菌层，所述生物质石墨烯抗菌抑菌层由聚氨醋树脂和在经高温碳化下由基团配位组装法制成的生物质石墨烯粉体组成。
进一步的，所述热工热储为CO2 流体工质。
进一步的，所述重力热管的蒸发段设置有外螺纹。
本发明所产生的有益效果包括：1、本发明利用换热水装置和重力热管地下换热，减小重力热管单个循环工作时间和制作成本，大幅提高热管采热率，并避免出现液态工质不能及时回流到蒸发段引起重力热管干涸烧毁等风险；
2、本发明采用的大弧形水平蒸发段的热管避免了热管蒸发段沸腾极限的问题，且减小竖直方向传热温差，提高均温性，增加传热效率和传热量；
3、本发明采用热管冷凝段外设置填充多孔介质材料的竖直同心套管，多孔介质材料为玻璃珠多孔介质，套管内填充玻璃珠以强化换热；
4、本发明采用的保温层具有高反射、高绝热、保温且延缓老化等优点；
5、本发明利用重力热管内的工质相变作用，自发地实现干热岩地热资源的开采，不需要提供辅助动力来维持系统运行；
6、本发明中重力热管蒸发段水平安装，能够避免出现温度边界层的积累增厚现象，并提高热管蒸发段均温性，从而获得更高的采热率；
7、重力热管蒸发段制作成外螺纹形式，提高蒸发段的换热能力，以提高整个重力热管的采热能力；
8、采用重力热管开采干热岩地热资源只需要钻单井即可实现采热，节省钻井成本，也无需面对双井连通的技术难题；
9、本发明的内外螺纹重力热管的蒸发段布置与人工热储中，利用热储中注入的流体工质CO2的热对流效应，大幅强化重力热管的采热能力。
附图说明
图1为一种开采干热岩地热的超长弧形重力热管地下换热系统结构示意图；
图2 为热管冷凝段充满多孔质材料的竖直同心套管结构示意图；
图3 为石墨烯涂层保温层结构示意图；
图中：1-冷凝段，2-换热水管，3-绝热段，4-保温层，4-1第一铝膜反射层，4-2阻燃体，4-3第二铝膜反射层，4-4生物质石墨烯抗菌抑菌层，4-4.1聚氨醋树脂，4-4.2生物质石墨烯粉体，5-蒸发段，6-人工热储，7-套管，7-1玻璃珠多孔介质、7-2液体工质，8-固井水泥。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。
如图1所示，本发明的一种开采干热岩地热的超长弧形重力热管地下换热系统结构示意图，该系统由换热装置，重力采热装置和人工热储6三个部分组成。
其中，人工热储6为人工高渗透性热储，用于给重力热管蒸发段5提供热量。
重力采集装置包括重力热管，所述重力热管由置于地下的人工热储6向地上延伸，所述重力热管内流通有换热流体介质，重力热管包括三个依次连通的部分——冷凝段1、绝热段3和蒸发段5，工质在蒸发段5加热由液态变为气态，气态工质通过绝热段3到达冷凝段1，然后在冷凝段1冷却成液态，并在重力作用下沿管壁回流到蒸发段5，工质完成整个循环；所述重力热管的蒸发段5置于人工热储6中，所述人工热储6将吸收的岩石热量传递至重力热管的换热流体介质中，所述绝热段3外设置有保温层4；重力热管蒸发段5将热量通过管内工质的相变将热量传输到重力热管冷凝段1，换热装置将重力热管提供的热量带走提供给换热站进行供热。
重力热管内工质在气液状态间不断转换，热管冷凝段1中的液态工质如果不能及时回流到热管蒸发段5，不仅会影响热管的采热率，还有可能造成热管干涸烧毁的风险，本发明设置换热水系统与热管在地下进行换热不仅可以解决这一系列问题，而且减少重力热管制作成本，减小热管单个循环工作时间，提高热管采热率和各方面性能。为尽量避免重力热管的各类传热极限问题，将热管蒸发段5水平布置于人工热储6中，提高热管蒸发段5的均温性，提高蒸发段5换热系数。
重力热管冷凝段1外设置竖直的同心套管7，套管7内充满多孔介质材料，多孔介质材料为固体颗粒玻璃珠多孔介质，以强化换热，多孔介质材料对水的沸腾特性的影响比对其他常用工质的影响要大得多，故选用R11作为套管7内液体工质，换热水管2浸没在套管7液池中，保证其与热管冷凝段1的换热效果，R11比容小，升温快，加入多孔介质材料后，沸腾换热效果达到三倍。
为保证保温绝热的效果，保温层4采用石墨烯涂层保温材料，利用第一铝膜反射层4-1和第二铝膜反射层4-3具有的高反射特点、阻燃体4-2具有的高热阻特点及生物质石墨烯抗菌抑菌层4-4具有超强抗菌抑菌性能特点,使得保温层4具有高反射、高绝热、保温又能抗菌抑菌、低温远红外等效果。整个系统中管道保温层4均采用石墨烯涂层的保温材料，石生物质墨烯粉体通过纯醋酸乙酯溶剂溶于所述聚氨醋树脂中，所述生物质石墨烯粉体的直径为30—60nm，生物质石墨烯粉体和聚氨醋树脂的比例为1:150到1:200之间，具有高反射、高绝热、保温且延缓老化等优点。进一步地，可通过减小泡孔大小和增加吸光系数来降低初始导热性辐射，采用石墨烯涂层可减缓其老化过程。
本发明涉及的超长重力热管是针对开采干热岩特别制作出来的热管，运用重力热管超强的换热能力开采干热岩热能，相比现有干热岩开采技术中的单井双管换热器来说，换热性能高出十余倍；整个采热换热过程管内工质只通过自身相变在管内循环，不与外界接触，无污染。
重力热管蒸发段5制作成外螺纹形式，增大热管与热储间的换热面积，提高蒸发段5换热系数，以提高重力热管的换热能力；为强化热管蒸发段5与周围岩石的传热，在岩石中人工建造一个高渗透热储，目标热储内填充CO2 流体工质、借助其自然对流强化干热岩热能的开采，超临界CO2采热能力强，对岩石矿物溶解度小，相比于水来说性能更高。重力热管蒸发段5位于冷凝段1下方，重力热管内的换热流体工质在蒸发段5加热由液态变为气态，气态工质在冷凝段1冷却成液态，并在重力作用下沿管壁回流到蒸发段5，工质完成整个循环。
具体地，重力热管蒸发段5从热储中吸收热量，热管的吸热过程会引起热管附近的热储工质温度下降，在重力的影响下，热管附近的高温热储工质会向热储底部低温区域流动，这种流动会在热管附近产生虹吸作用，使周围的高温热储工质不断地补充到热管附近，提升热管附近的岩石温度，从而提高热管的采热量；人工高渗透性热储在热管蒸发段5将热量带走后，热管蒸发段5附近温度降低，热储中的CO2工质在温差作用下自发的由高温区域流向低温区域，这种自然对流促进了热储中的整个循环。
重力热管蒸发段5采热主要是热管外壁面向内壁面的导热过程，将热管蒸发段5外壁面制作成外螺纹形式的壁面，达到微肋片的作用增大换热面积，同时增加热储内工质的扰动，提高换热系数，从而更大限度的提高热管的采热量。
使用竖直热管开采干热岩地热时，重力热管在热储顶部的热流密度要明显高于热管的其他区段。该现象的成因之一是热管附近的流体被冷却之后会向下流动，导致热管下部热储内流体温度下降，导致真正有效工作的只有蒸发段5上半部分，降低了热管下部区域的采热率。本发明将热管加热段水平布置，则能避免该现象的出现，提高蒸发段5均温性，从而获得更高的采热率。
综上，本发明的一种开采地热能的新型内外螺纹重力热管，不仅解决了传统干热岩地热能采热技术中双井连通技术难度大，成本高昂、效率低等突出问题，还解决了光滑热管采热性能方面采热率低，单井经济性低、热管烧毁风险等问题。一种开采地热能的新型内外螺纹重力热管，能够最大限度的提高干热岩地热资源的采热率，高效无污染、经济性高、并且长期持续运行，后期维护工作简单。较目前干热岩地热资源采热技术来说，本发明的一种开采干热岩地热的超长弧形重力热管地下换热系统是目前最高效、安全、可靠、无污染的方式。
本发明中一种开采干热岩地热的超长弧形重力热管地下换热系统的施工方法及工作步骤具体包括以下实施步骤：
步骤1：经地质勘察确定适合钻井的高温干热岩靶区，并钻井至高温干热岩靶区顶部。
步骤2：采用倾斜钻井的方式继续钻出大弧形井孔，再水平钻井出一定长度的井筒作为设置重力热管蒸发段5的区域；
步骤3：在设置重力热管蒸发段5区域附近人工分段压裂，形成多个高渗透性热储，并加入支撑剂以维持其渗透性；
步骤4：根据钻井孔设置重力热管，热管蒸发段5布置于高渗透性热储中，弧形井孔部分设置热管绝热段3；
步骤5：选择合适的热管工质，计算出管内气态工质传输最远距离，以此确定热管长度；具体为，根据不同的热管工质进行理论计算得出其携带传热极限，以确定热管蒸发段和冷凝段的最佳高度差，此差值即为热管绝热段长度。
步骤6：热管管内工质在热管蒸发段5与热储换热，管内工质在蒸发段5被加热由液态变为气态；
步骤7：气态工质通过绝热段3到达冷凝段1，然后在冷凝段1冷却成液态；
步骤8：液态工质在重力作用下沿管壁回流到蒸发段5，进行下一个循环。
步骤9：将换热水管2螺旋缠绕在重力热管冷凝段1，进行二次换热；
步骤10：换热水管2出口设置在近地面处，将高温水输送至换热站进行换热；
步骤11：将换热站换热过后的低温水注入换热水管2，继续进行地下换热，进行下一个循环。
钻孔通过三段进行，第一次竖直钻井到高温干热岩靶区，第二次从竖直井底部开始采用倾斜钻井的方式钻出大弧形井孔，第三次在弧形井孔底部开始采用水平钻井的方式钻出水平井孔，三次钻井方式不同，钻头不同，难度也不同，分三段循序渐进钻出完整的井孔
在井孔内壁上设置有固井水泥8，用于加固井孔。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种开采干热岩地热的换热水管重力热管地下换热系统，其特征在于：包括
人工热储：置于地下，用于吸收并存储地下岩石中的热量；
重力采热装置：所述重力采集装置包括重力热管，所述重力热管由置于地下的人工热储向地上延伸，所述重力热管内流通有换热流体介质，所述重力热管包括蒸发段、绝热段和冷凝段；所述重力热管的蒸发段置于人工热储中，所述人工热储将吸收的岩石热量传递至重力热管的换热流体介质中，所述重力热管内的换热流体介质在蒸发段吸收人工热储的热量后蒸发为气体，经绝热段至冷凝段进行放热并冷凝，所述绝热段置于蒸发段和冷凝段之间，所述绝热段外设置有保温层；
换热装置：用于将重力采热装置内的热量传递出去，所述换热装置包括换热水管，所述换热水管缠绕在所述冷凝段外，所述换热水管内的水在冷凝段吸收所述换热流体介质内的热量。
2.根据权利要求1所述的开采干热岩地热的换热水管重力热管地下换热系统，其特征在于：所述重力热管的蒸发段水平设置，所述绝热段弧形向上延伸，所述冷凝段竖直设置。
3.根据权利要求1所述的开采干热岩地热的换热水管重力热管地下换热系统，其特征在于：所述重力热管为两端封闭的管体，所述换热流体介质在所述冷凝段冷凝后在重力的作用下回流至蒸发段。
4.根据权利要求1所述的开采干热岩地热的换热水管重力热管地下换热系统，其特征在于：所述换热水管在冷凝段和换热站之间形成循环吸热和放热系统，换热水管内的冷却水在冷凝段吸热后输送至换热站，在所述换热站放热后回流至冷凝段吸热。
5.根据权利要求1所述的开采干热岩地热的换热水管重力热管地下换热系统，其特征在于：在所述冷凝段外还设置有与所述重力热管同轴设置的同心套管，在所述同心套管内置有液体工质和多孔介质，所述多孔介质浸渍在液体工质内，所述换热水管置于同心套管内，换热水管浸渍在所述同心套管内的液体工质内，所述多孔介质为玻璃球多孔介质，所述液体工质为水。
6.根据权利要求1所述的开采干热岩地热的换热水管重力热管地下换热系统，其特征在于：保温层采用石墨烯涂层保温材料，由外向内依次包含第一铝膜反射层、阻燃体、第二铝膜反射层、生物质石墨烯抗菌抑菌层，所述生物质石墨烯抗菌抑菌层由聚氨醋树脂和在经高温碳化下由基团配位组装法制成的生物质石墨烯粉体组成。
7.根据权利要求1所述的开采干热岩地热的换热水管重力热管地下换热系统，其特征在于：所述热工热储为CO2 流体工质。
8.根据权利要求1所述的开采干热岩地热的重力热管地下换热系统，其特征在于：所述重力热管的蒸发段设置有外螺纹。
9.一种权利要求1所述的开采干热岩地热的重力热管地下换热系统的施工方法，其特征在于：包括以下步骤
步骤1：经地质勘察确定钻井的高温干热岩靶区，并钻井至高温干热岩靶区；
步骤2：采用倾斜钻井的方式钻出弧形井孔，在水平方向钻井出水平井筒，水平井筒与弧形井孔连通，水平井筒置于高温干热岩靶区；
步骤3：在水平井筒区域附近人工分段压裂，形成人工热储，并加入支撑剂以维持人工热储的渗透性，所述人工热储为高渗透热储；
步骤4：根据钻井孔设置重力热管，重力热管蒸发段置于水平井筒中且置于所述高渗透性热储中，重力热管绝热段穿过弧形井孔向上延伸至冷凝段；
步骤5：将换热流体工质填充在重力热管内并调节充液量；
步骤6：将换热水管螺旋缠绕在重力热管冷凝段。
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