CN112833573B - 一种中深层地热能同井均衡采灌换热系统及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中深层地热能同井均衡采灌换热系统，包括设置在地面的热泵机组及与该热泵机组联通使用的地下换热组件，地下换热组件包括内层套管和外层套管，内层套管安装在地热井中，贯穿浅层低温地热层、中层高温地热层及含水层至地热井底的深层高温地热层的上方，外层套管同轴套装在内层套管外，安装在地热井壁和内层套管之间，贯穿浅层低温地热层至中层高温地热层的上方。将本系统应用于冬季采暖和夏季排热模式中，创新冬季“内注外出”的取热模式，不需对地热井结构进行特殊设计，也不需改变已有地热井的井身结构，总体施工难度低，既适合新建地热井又可对已有地热井进行改造，同时适用于少水或无水的地热干井。

Description

一种中深层地热能同井均衡采灌换热系统及应用

技术领域

本发明属于地热资源开采利用领域，涉及中深层地热资源的开采利用技术，尤其是一种中深层地热能同井均衡采灌换热系统及应用。

背景技术

地热能虽然已经是人们普遍接受的环保经济的绿色能源，但在其应用过程中也存在一些技术难题：如某些地层条件下，地热水完全回灌较为困难；一采多灌的模式虽可解决回灌问题，但严重影响了地热供暖系统的经济性，只是权宜之计。

中深层地热能具有储量大、分布广、稳定可靠、可利用率高等特点，已成为当前地热开发的重点。但是长期以来的一采一灌、一采多灌的传统开发模式出现了因回灌不完全造成的热储层水位下降、地热井水量不足、资源浪费以及环境污染等问题，有些地方已关停不能完全回灌的地热井，造成目前我国中深层地热能开发中最大的瓶颈问题。

针对上述问题，业内提出了单井“取热不取水”的开发新技术。但是现有的对这种开发新技术的研究中，多用闭式或开式套管换热系统，闭式套管换热系统以单一导热型换热模式为主，只是单纯的利用井壁换热，换热面积偏小，导致系统的换热性能较低，不少实验和工程案例显示其平均的稳定换热负荷在100-250kW，这与该系统采用以导热为主的换热模式有关，也与只是单纯的利用井壁换热，换热面积偏小有关；开式套管换热系统虽实现了对流与导热相结合的换热过程，也扩展了换热面积，但是存在着回灌水与含水层内流体岩层等换热作用的时间、区域较少，换热效果提升小等问题。因此对该技术改进方向之一，是希望将换热过程发展到含水层或地层之中，变成对流与导热相结合的换热过程，同时扩展换热面积。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种高效“取热不取水”的中深层地热能同井均衡采灌换热系统，实现中深层地热能的高效利用，解决现有单井“取热不取水”中存在的换热能力差、取热量低等技术问题，该系统能够实现100％回灌，并且换热效果好、取热量高、对井身结构要求低、适用范围广。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种中深层地热能同井均衡采灌换热系统，包括设置在地面的热泵机组及与该热泵机组联通使用的地下换热组件，该地下换热组件包括内层套管和外层套管，内层套管安装在地热井中，贯穿浅层低温地热层、中层高温地热层及含水层至地热井底的深层高温地热层的上方，外层套管同轴套装在内层套管外，安装在地热井壁和内层套管之间，贯穿浅层低温地热层至中层高温地热层的上方。

而且，在浅层低温地热层和中层高温地热层的分界线处安装有单向阀，该单向阀内侧与内层套管的外壁紧密相连，外侧与地热井壁紧密相连,单向阀开闭方向由水流方向而定，水流自下而上为开启，水流自上而下为关闭。

而且，在含水层上分别设置有含水层入口和含水层出口，在含水层入口和含水层出口之间安装有阻力件。

而且，所述阻力件由中心套管变径形成两个分支端，在两个分支端侧可拆卸设置有带凹槽凸块，在带凹槽凸块和地热井壁之间安装有橡胶垫片。

而且，在外层套管与内层套管之间设置有潜水抽水泵。

而且，在热泵机组与地下换热组件之间设置有回灌增压泵和过滤器。

一种中深层地热能同井均衡采灌换热系统的应用，冬季“内注外出”的取热模式，夏季浅层放热模式，冬季“内注外出”的取热模式包括增压回灌型和自然回灌型。

而且，冬季“内注外出”的取热模式，增压回灌型其采热及利用过程为：放热后的循环水在热泵机组中流出后，经回灌增压泵加压后进入内层套管内直达地热井底部，与地热井底的深层高温地热层进行导热换热完成预热过程；充分换热后的循环水在潜水抽水泵的作用下经含水层出口流出含水层穿过单向阀后进入外层套管内，后经由过滤器进入热泵机组，完成采热过程。

而且，冬季“内注外出”的取热模式，自然回灌型循环水从热泵机组流出后直接进入内层套管，系统的回灌动力为循环水自身重力、潜水抽水泵的抽吸力和内外层水位之间压力。

而且，夏季浅层放热模式，吸热后的循环水从热泵机组中流出后，经回灌增压泵加压后进入内层套管中，由于单向阀中的水流方向为自下而上，故循环水不能继续向下流动，而是在回灌增压泵的作用下进入外层套管中，将循环水中携带的热量排放至浅层低温地热层中，接着循环水经由过滤器进入热泵机组中，完成循环。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明所提供的中深层地热能同井均衡采灌换热系统中增加了外层套管，冬季取热时外层套管与井壁之间的水静止不流动，可形成水域保温层，减少了换热后的循环水在出水过程中的热损失，提高了系统的取热量，同时增加外层套管，形成新的“内注外出”的取热模式。

2、本发明所提供的中深层地热能同井均衡采灌换热系统打破了现有的闭式或开式单井采热系统“外注内出”的冬季采热模式，采用“内注外出”改变了回灌循环水在地热井中的流向，低温回灌循环水通过内层套管直接到达井底，在回灌压力和阻力件的作用下浸入含水层中换热，受重力和地层压力的影响，回灌循环水的流速降低并且在含水层内的换热面积增大，换热效果得到较大提升。

3、本发明所提供的中深层地热能同井均衡采灌换热系统通过增加外层套管和单向阀，可根据用户需求改造为冬季采热、夏季排热的两用型地热换热系统，既能满足冬季供暖和夏季空调需求，又可以实现跨季节储热，提高单井换热系统的经济性和稳定性。

4、本发明系统中的阻力件由中心套管变径形成两个分支端，在两个分支端侧可拆卸设置有带凹槽凸块，在带凹槽凸块和地热井壁之间安装有橡胶垫片。本阻力件在下管之前在地面就完成了安装，无需在中心管和井壁内焊接或者用其他机械结构连接件，不影响管内水的流动，可行性高，有效节省操作成本，提高工作效率。

5、本发明所提供的中深层地热能同井均衡采灌换热系统在实施过程中，不需对地热井结构进行特殊设计，也不需改变已有地热井的井身结构，阻力件、单向阀设计也不需做到完全阻隔密封，通过简单的机械结构与内层套管连接，总体施工难度低，既适合新建地热井又可对已有地热井进行改造，同时适用于少水或无水的地热干井。

6、本发明所提供的中深层地热能同井均衡采灌换热系统，可根据地热井结构、回灌压力、热负荷需求等条件选择是否设置回灌增压泵。对于回灌条件好、热负荷需求低的地热井，可选择自然回灌型换热系统，可减少系统复杂性和经济成本；对于有回灌压力限制、热负荷需求高等条件要求的地热井，可选择增压回灌型换热系统，提高系统的回灌效果进而提高系统的换热量，具有较强的适用性。

7、本发明所提供的中深层地热能同井均衡采灌换热系统可在同一地热井内实现采灌均衡，符合目前地热开发的环保要求，对于因不能完全回灌的而面临关停的地热井，可以分别对生产井和回灌井进行技术改造得到重新使用。

附图说明

图1增压回灌型中深层地热能同井均衡采灌采热系统图；

图2自然回灌型中深层地热能同井均衡采灌采热系统图；

图3增压回灌型中深层地热能同井均衡采灌排热系统图；

图4为一种实施方式阻力件的放大结构示意图。

附图标记说明如下：

1、热泵机组 2、回灌增压泵 3、内层套管 4、抽水潜水泵 5、外层套管 6、地热井壁7、单向阀 8、中层高温地热层 9、含水层出口 10、阻力件 10-1、带凹槽凸块 10-2、橡胶垫片 11、含水层 12、含水层入口 13、深层高温地热层 14、浅层低温地热层 15、过滤器

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种中深层地热能同井均衡采灌换热系统，如图1-3所示，包括设置在地面的热泵机组1及与该热泵机组联通使用的地下换热组件，该地下换热组件包括内层套管3和外层套管5，内层套管安装在地热井中，贯穿浅层低温地热层14、中层高温地热层8及含水层11至地热井底的深层高温地热层13的上方，外层套管同轴套装在内层套管外，安装在地热井壁6和内层套管之间，贯穿浅层低温地热层至中层高温地热层的上方。

在浅层低温地热层和中层高温地热层的分界线处安装有单向阀7，该单向阀内侧与内层套管的外壁紧密相连，外侧与地热井壁紧密相连。

在含水层上分别设置有含水层入口12和含水层出口9，在含水层入口和含水层出口之间安装有阻力件10，该阻力件内侧与内层套管的外壁相连，外侧与地热井壁相连。

在外层套管与内层套管之间设置有潜水抽水泵4。

在热泵机组与地下换热组件之间设置有回灌增压泵2和过滤器15。

如图4，一种阻力件的实施例结构，由中心套管变径形成两个分支端，在两个分支端侧可拆卸设置有带凹槽凸块10-1，在带凹槽凸块和地热井壁之间安装有橡胶垫片1-2。

实施例1

如图1所示，为增压回灌型中深层地热能同井均衡采灌采热循环，内层套管的内部为采热进水通道，内层套管与外层套管之间的环形空间为采热出水通道，外层套管与地热井壁之间的环形空间为水域保温层；潜水抽水泵安装在采热出水通道的出口处，并浸于采热出水通道内的静水位之下；单向阀安装在浅层低温地热层和中层高温地热层的分界线处，单向阀内侧与内层套管的外壁紧密相连，外侧与地热井壁紧密相连，单向阀中循环水的流向为自下而上；阻力件安装在含水层入口和含水层出口之间，阻力件内侧与内层套管的外壁相连，外侧与地热井壁相连。

增压回灌泵安装在连接热泵机组和内层套管内部的采热进水通道的回灌干路上，过滤器安装在热泵机组进水通道的干路上。

具体地，对于增压回灌型中深层地热能同井均衡采灌采热系统，其采热及利用过程为：放热后的循环水在热泵机组中流出后，经回灌增压泵加压后进入内层套管内的采热进水通道中直达地热井底部，与地热井底的深层高温地热层进行导热换热完成预热过程，因内层套管的下部与地热井壁之间装有阻力件，故循环水不会穿过阻力件经由内层套管的下部与地热井壁之间通道向上流动，而是在潜水抽水泵的抽吸作用下，由含水层入口进入含水层，因循环水在含水层中的流动方向为自下而上，需克服自身重力及地层内部阻力而流动，故循环水流动速度较慢，并且受回灌增压泵、潜水抽水泵和内、外层水位差的影响，循环水在含水层内的横向扩展面积增大，因此循环水在含水层的换热效果增强，取热量增大；充分换热后的循环水在潜水抽水泵的作用下经含水层出口流出含水层穿过单向阀后进入采热出水通道内，由于潜水抽水泵安装在采热出水通道的出口处，所以在水位压差保持恒定的情况下，由潜水抽水泵的进入地上供暖单元的循环水均来自于单向阀，而外层套管和地热井壁之间的水域将保持静止不流动，形成稳定的水域保温层，进而阻断循环水与浅层低温地热层的直接换热，减少采热过程中的热量损失，循环水离开采热出水通道后经由过滤器进入热泵机组，完成采热过程，过滤器的作用是防止杂质进入热泵机组，对热泵机组造成损坏。

对于图2自然回灌型中深层地热能同井均衡采灌采热循环，其相比增压回灌型中深层地热能同井均衡采灌采热系统的地上供暖单元减少了回灌增压泵，循环水从热泵机组流出后直接进入采热进水通道，系统的回灌动力为循环水自身重力、潜水抽水泵的抽吸力和内外层水位之间压力，采热过程与增压回灌型中深层地热能同井均衡采灌采热系统相似，此处不再赘述。

实施例2

如图3所示，为增压回灌型中深层地热能同井均衡采灌排热循环，其排热循环过程为：吸热后的循环水在热泵机组中流出后，经回灌增压泵加压后进入外层套管与内层套管形成的排热进水通道中，由于单向阀中的水流方向为自下而上，故循环水不能继续向下流动，而是在回灌增压泵的作用下进入外层套管和地热井壁形成的排热出水通道中，将循环水中携带的热量排放至浅层低温地热层中，接着循环水经由过滤器进入热泵机组中，完成循环，此时浅层低温地热层的温度上升，实现了系统的夏季储热过程，储存的热量可用于冬季采热时，减少与水域保温层之间的热量交换，进而提高采热量。

鉴于上述技术方案，将达到以下预期效果：

1、在同一地热井内实现采灌均衡，符合目前地热开发的环保要求。对于因不能完全回灌的地热井，可以分别对生产井和回灌井进行技术改造，使可能关闭的地热井得到重新使用。对于采用本技术的新建地热井，对井身结构要求降低，不必专门设置回灌井。

2、在同一地热井中实现高效换热，通过含水层内换热，提高了整体的换热系数与换热面积。保守预估换热能力比闭式套管式换热系统提高50％以上，单井稳定换热功率>240kW，如果原有井出水量及温度较高，换热功率会更高。

3、在同一地热井中可实现冬季取热和夏季排热，满足冬季供暖和夏季空调需求，同时可以实现跨季节储热，提高单井换热系统的经济性和稳定性。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例所公开的内容。

Claims (4)

1.一种中深层地热能同井均衡采灌换热系统，其特征在于：包括设置在地面的热泵机组及与该热泵机组联通使用的地下换热组件，该地下换热组件包括内层套管和外层套管，内层套管安装在地热井中，贯穿浅层低温地热层、中层高温地热层及含水层至地热井底的深层高温地热层的上方，外层套管同轴套装在内层套管外，安装在地热井壁和内层套管之间，贯穿浅层低温地热层至中层高温地热层的上方，在浅层低温地热层和中层高温地热层的分界线处安装有单向阀，该单向阀内侧与内层套管的外壁紧密相连，外侧与地热井壁紧密相连,单向阀开闭方向由水流方向而定，水流自下而上为开启，水流自上而下为关闭，在含水层上分别设置有含水层入口和含水层出口，在含水层入口和含水层出口之间安装有阻力件，所述阻力件由中心套管变径形成两个分支端，在两个分支端侧可拆卸设置有带凹槽凸块，在带凹槽凸块和地热井壁之间安装有橡胶垫片，将上述系统应用于冬季“内注外出”的取热模式，夏季浅层放热模式，冬季“内注外出”的取热模式包括增压回灌型和自然回灌型，“内注外出”的取热模式，增压回灌型其采热及利用过程为：放热后的循环水在热泵机组中流出后，经回灌增压泵加压后进入内层套管内直达地热井底部，与地热井底的深层高温地热层进行导热换热完成预热过程：充分换热后的循环水在潜水抽水泵的作用下经含水层出口流出含水层穿过单向阀后进入外层套管内，后经由过滤器进入热泵机组，完成采热过程；夏季浅层放热模式，吸热后的循环水从热泵机组中流出后，经回灌增压泵加压后进入内层套管中，由于单向阀中的水流方向为自下而上，故循环水不能继续向下流动，而是在回灌增压泵的作用下进入外层套管中，将循环水中携带的热量排放至浅层低温地热层中，接着循环水经由过滤器进入热泵机组中，完成循环。

2.根据权利要求1所述的一种中深层地热能同井均衡采灌换热系统，其特征在于：在外层套管与内层套管之间设置有潜水抽水泵。

3.根据权利要求1所述的一种中深层地热能同井均衡采灌换热系统，其特征在于：在热泵机组与地下换热组件之间设置有回灌增压泵和过滤器。

4.根据权利要求1所述的一种中深层地热能同井均衡采灌换热系统，其特征在于：冬季“内注外出”的取热模式，自然回灌型循环水从热泵机组流出后直接进入内层套管，系统的回灌动力为循环水自身重力、潜水抽水泵的抽吸力和内外层水位之间压力。

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