CN113074463A - 一种适用于干热岩地层的取热装置及取热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适用于干热岩地层的取热装置及取热方法，涉及干热岩资源开采技术领域，包括开采井、开采井口装置、双壁钻杆、保温管、气液混合室、压缩气体供应部件、冷水供应部件和分离处理组件，开采井口装置设置于开采井的顶端，双壁钻杆包括钻杆内管和钻杆外管，保温管与钻杆内管连接，钻杆外管下端与气液混合室连接，钻杆内管下端的侧壁上设置有多个通孔，通孔与气液混合室位置相对应，压缩气体供应部件与钻杆外管连接，冷水供应部件与开采井口装置连接，分离处理组件的两端分别与钻杆内管和冷水供应部件连接，分离处理组件用于气液分离和热量吸收。该取热装置及取热方法降低了开发成本，避免大型压裂诱发地震风险，提高了采收率。

Description

一种适用于干热岩地层的取热装置及取热方法
技术领域
本发明涉及干热岩资源开采技术领域，特别是涉及一种适用于干热岩地层的取热装置及取热方法。
背景技术
目前普遍采用建立EGS工程的方法开采干热岩资源，即采用钻井的方法钻一口井作为注水井，钻一口或多口井作为生产井，采用水力压裂技术压通生产井和注入井形成循环系统，从注水井注入冷水，利用生产井开采蒸汽用于发电。然而，现有的开采方法需要施工多口井和大型压裂工程，开发成本高，大型压裂工程容易诱发地震，同时采收率较低。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种适用于干热岩地层的取热装置及取热方法，降低了开发成本，避免大型压裂诱发地震风险，提高了采收率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种适用于干热岩地层的取热装置，包括开采井、开采井口装置、双壁钻杆、保温管、气液混合室、压缩气体供应部件、冷水供应部件和分离处理组件，所述开采井口装置设置于所述开采井的顶端，所述双壁钻杆包括钻杆内管和钻杆外管，所述双壁钻杆和所述保温管分别设置于所述开采井中的上部和下部，所述保温管与所述钻杆内管连接，所述钻杆外管下端与所述气液混合室连接，所述钻杆内管下端的侧壁上设置有多个通孔，所述通孔与所述气液混合室位置相对应，所述气液混合室与所述钻杆外管和所述钻杆内管之间的环状间隙相连通；所述压缩气体供应部件与所述钻杆外管连接，所述冷水供应部件与所述开采井口装置连接，所述分离处理组件的两端分别与所述钻杆内管和所述冷水供应部件连接，所述分离处理组件用于气液分离和热量吸收。
优选地，所述分离处理组件包括气液分离器、汽轮机和ORC发电系统，所述钻杆内管与所述气液分离器连接，所述汽轮机和所述ORC发电系统均与所述气液分离器连接，所述ORC发电系统与所述冷水供应部件连接。
优选地，所述气液混合室相对于所述钻杆外管向外侧凸起设置。
优选地，所述开采井包括由上至下依次连接的竖直井段、弧形井段和水平井段，所述开采井口装置设置于所述竖直井段的顶端。
优选地，所述双壁钻杆设置于所述竖直井段的上部，所述保温管包括由上至下依次连接的竖直管、弧形管和水平管，所述竖直管与所述钻杆内管的下端连接，所述弧形管设置于所述弧形井段中，所述水平管设置于所述水平井段中。
优选地，所述压缩气体供应部件为空压机。
优选地，所述冷水供应部件为冷水箱。
本发明还提供一种基于适用于干热岩地层的取热装置的取热方法，包括以下步骤：所述压缩气体供应部件提供的压缩空气通过所述开采井口装置进入所述钻杆外管和所述钻杆内管之间的环状间隙，沿所述钻杆外管和所述钻杆内管之间的环状间隙下行进入所述气液混合室，压缩空气通过所述通孔进入所述钻杆内管并与所述钻杆内管中流动的高温流体混合形成高温气液混合物，使得所述双壁钻杆内外产生压差，高温气液混合物在压差作用下沿所述钻杆内管上返至地表；在地表高温气液混合物经由所述分离处理组件分离为高温蒸汽和高温流体，高温流体被所述分离处理组件提取热量后变为低温流体，低温流体经所述冷水供应部件再次进入所述开采井内，低温流体依次沿所述钻杆外管与所述开采井的井壁之间的环状间隙以及所述保温管与所述开采井的井壁之间的环状间隙下行；由于地层温度不断升高，低温流体下行过程中与所述开采井的井壁持续进行热交换，温度不断增高而成为高温流体，高温流体到达井底后，在所述保温管内外压差作用下进入所述保温管内部上返，高温流体上返至所述气液混合室与压缩空气混合形成高温气液混合物，从而实现了干热岩地层取热的闭式循环。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的适用于干热岩地层的取热装置及取热方法，包括开采井、开采井口装置、双壁钻杆、保温管、气液混合室、压缩气体供应部件、冷水供应部件和分离处理组件，本发明中采用单井开采的方式，只需要钻一口开采井，相比于常规EGS工程，不需要施工多口井和大型压裂工程，可显著降低开发成本，避免大型压裂诱发地震风险。本发明中采用闭式循环，相比于常规EGS工程，采收率接近100％；相比于地热开采，不抽取且不污染地下水，实现了“取热不取水”。本发明采用的是反循环取热方法，地层越深温度越高，从地表沿环状间隙注入的流体在下移过程中始终处于加热状态，环状间隙大，流速慢，加热时间长，可充分吸取地层的热量；加热后的流体沿保温管和双壁钻杆上返，过流面积小，流速快，以较高的速度运移至地表，降低热量损失。本发明中的开采方法采用气举反循环，空气沿双壁钻杆往下运移过程中体积压缩，为放热过程，释放的热量一部分传递给钻杆内管中的气液混合物，使得气液混合物没有热量损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的适用于干热岩地层的取热装置的结构及工作原理图。
附图标记说明：100、适用于干热岩地层的取热装置；1、压缩气体供应部件；2、开采井口装置；3、冷水供应部件；4、双壁钻杆；5、气液混合室；6、开采井；7、保温管；8、气液分离器；9、汽轮机；10、ORC发电系统。
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。
本发明的目的是提供一种适用于干热岩地层的取热装置及取热方法，降低了开发成本，避免大型压裂诱发地震风险，提高了采收率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本实施例提供一种适用于干热岩地层的取热装置100，包括开采井6、开采井口装置2、双壁钻杆4、保温管7、气液混合室5、压缩气体供应部件1、冷水供应部件3和分离处理组件，开采井口装置2设置于开采井6的顶端，双壁钻杆4包括钻杆内管和钻杆外管，双壁钻杆4和保温管7分别设置于开采井6中的上部和下部，保温管7与钻杆内管连接，钻杆外管下端与气液混合室5连接，钻杆内管下端的侧壁上设置有多个通孔，通孔与气液混合室5位置相对应，气液混合室5与钻杆外管和钻杆内管之间的环状间隙相连通，压缩气体供应部件1与钻杆外管连接，压缩气体供应部件1与钻杆外管和钻杆内管之间的环状间隙相连通，使得压缩气体能够经过钻杆外管和钻杆内管之间的环状间隙进入气液混合室5，并经由通孔进入钻杆内管；冷水供应部件3与开采井口装置2连接，冷水供应部件3与开采井6的井壁和钻杆外管之间的环状间隙相连通，使得冷却水能够进入开采井6的井壁和钻杆外管之间的环状间隙以及开采井6的井壁和保温管7之间的环状间隙；分离处理组件的两端分别与钻杆内管和冷水供应部件3连接，分离处理组件用于气液分离和热量吸收，高温气液混合物经过分离处理组件先分离为高温蒸汽和高温流体再分别被吸收利用热量，高温流体变为低温流体进入冷却水供应部件进行循环使用。
具体地，分离处理组件包括气液分离器8、汽轮机9和ORC发电系统10，钻杆内管与气液分离器8连接，汽轮机9和ORC发电系统10均与气液分离器8连接，ORC发电系统10与冷水供应部件3连接。高温气液混合物经过气液分离器8分离为高温蒸汽和高温流体，高温蒸汽可直接驱动汽轮机9发电，高温流体进入ORC发电系统10或直接供暖。于本具体实施例中，高温流体进入ORC发电系统10进行热能提取使用，变为低温流体再经过冷水供应部件3进入开采井6进行循环。
于本具体实施例中，气液混合室5相对于钻杆外管向外侧凸起设置，气液混合室5下端封闭，上端与钻杆外管和钻杆内管之间的环状间隙相连通。
具体地，开采井6包括由上至下依次连接的竖直井段、弧形井段和水平井段，开采井口装置2设置于竖直井段的顶端。
具体地，双壁钻杆4设置于竖直井段的上部，保温管7包括由上至下依次连接的竖直管、弧形管和水平管，竖直管与钻杆内管的下端连接，弧形管设置于弧形井段中，水平管设置于水平井段中。
于本具体实施例中，压缩气体供应部件1为空压机，工作时，空气经空压机做功形成压缩空气。冷水供应部件3为冷水箱。
本实施例还提供一种基于适用于干热岩地层的取热装置100的取热方法，包括以下步骤：压缩气体供应部件1提供的压缩空气通过开采井口装置2进入钻杆外管和钻杆内管之间的环状间隙，沿钻杆外管和钻杆内管之间的环状间隙下行进入气液混合室5，压缩空气通过通孔进入钻杆内管并与钻杆内管中流动的高温流体混合形成高温气液混合物，使得双壁钻杆4内外产生压差，高温气液混合物在压差作用下沿钻杆内管上返至地表；在地表高温气液混合物经由分离处理组件分离为高温蒸汽和高温流体，高温流体被分离处理组件提取热量后变为低温流体，低温流体经冷水供应部件3再次进入开采井6内，低温流体依次沿钻杆外管与开采井6的井壁之间的环状间隙以及保温管7与开采井6的井壁之间的环状间隙下行；由于地层温度不断升高，低温流体下行过程中与开采井6的井壁持续进行热交换，温度不断增高而成为高温流体，高温流体到达井底后，在保温管7内外压差作用下进入保温管7内部上返，高温流体上返至气液混合室5与压缩空气混合形成高温气液混合物，从而实现了干热岩地层取热的闭式循环。
本实施例中采用单井开采的方式，只需要钻一口开采井6，相比于常规EGS工程，不需要施工多口井和大型压裂工程，可显著降低开发成本，避免大型压裂诱发地震风险。本实施例中采用闭式循环，相比于常规EGS工程，采收率接近100％；相比于地热开采，不抽取且不污染地下水，实现了“取热不取水”。本实施例采用的是反循环取热方法，地层越深温度越高，从地表沿环状间隙注入的流体在下移过程中始终处于加热状态，环状间隙大，流速慢，加热时间长，可充分吸取地层的热量；加热后的流体沿保温管7和双壁钻杆4上返，过流面积小，流速快，以较高的速度运移至地表，降低热量损失。本实施例中的开采方法采用气举反循环，空气沿双壁钻杆4往下运移过程中体积压缩，为放热过程，释放的热量一部分传递给钻杆内管中的气液混合物，使得气液混合物没有热量损失；压缩空气进入钻杆内管，增加了高温蒸汽所占的比例，直接驱动汽轮机9发电，提高了热量利用率。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种适用于干热岩地层的取热装置，其特征在于，包括开采井、开采井口装置、双壁钻杆、保温管、气液混合室、压缩气体供应部件、冷水供应部件和分离处理组件，所述开采井口装置设置于所述开采井的顶端，所述双壁钻杆包括钻杆内管和钻杆外管，所述双壁钻杆和所述保温管分别设置于所述开采井中的上部和下部，所述保温管与所述钻杆内管连接，所述钻杆外管下端与所述气液混合室连接，所述钻杆内管下端的侧壁上设置有多个通孔，所述通孔与所述气液混合室位置相对应，所述气液混合室与所述钻杆外管和所述钻杆内管之间的环状间隙相连通；所述压缩气体供应部件与所述钻杆外管连接，所述冷水供应部件与所述开采井口装置连接，所述分离处理组件的两端分别与所述钻杆内管和所述冷水供应部件连接，所述分离处理组件用于气液分离和热量吸收。
2.根据权利要求1所述的适用于干热岩地层的取热装置，其特征在于，所述分离处理组件包括气液分离器、汽轮机和ORC发电系统，所述钻杆内管与所述气液分离器连接，所述汽轮机和所述ORC发电系统均与所述气液分离器连接，所述ORC发电系统与所述冷水供应部件连接。
3.根据权利要求1所述的适用于干热岩地层的取热装置，其特征在于，所述气液混合室相对于所述钻杆外管向外侧凸起设置。
4.根据权利要求1所述的适用于干热岩地层的取热装置，其特征在于，所述开采井包括由上至下依次连接的竖直井段、弧形井段和水平井段，所述开采井口装置设置于所述竖直井段的顶端。
5.根据权利要求4所述的适用于干热岩地层的取热装置，其特征在于，所述双壁钻杆设置于所述竖直井段的上部，所述保温管包括由上至下依次连接的竖直管、弧形管和水平管，所述竖直管与所述钻杆内管的下端连接，所述弧形管设置于所述弧形井段中，所述水平管设置于所述水平井段中。
6.根据权利要求1所述的适用于干热岩地层的取热装置，其特征在于，所述压缩气体供应部件为空压机。
7.根据权利要求1所述的适用于干热岩地层的取热装置，其特征在于，所述冷水供应部件为冷水箱。
8.一种基于如权利要求1-7中任一项所述的适用于干热岩地层的取热装置的取热方法，其特征在于，包括以下步骤：所述压缩气体供应部件提供的压缩空气通过所述开采井口装置进入所述钻杆外管和所述钻杆内管之间的环状间隙，沿所述钻杆外管和所述钻杆内管之间的环状间隙下行进入所述气液混合室，压缩空气通过所述通孔进入所述钻杆内管并与所述钻杆内管中流动的高温流体混合形成高温气液混合物，使得所述双壁钻杆内外产生压差，高温气液混合物在压差作用下沿所述钻杆内管上返至地表；在地表高温气液混合物经由所述分离处理组件分离为高温蒸汽和高温流体，高温流体被所述分离处理组件提取热量后变为低温流体，低温流体经所述冷水供应部件再次进入所述开采井内，低温流体依次沿所述钻杆外管与所述开采井的井壁之间的环状间隙以及所述保温管与所述开采井的井壁之间的环状间隙下行；由于地层温度不断升高，低温流体下行过程中与所述开采井的井壁持续进行热交换，温度不断增高而成为高温流体，高温流体到达井底后，在所述保温管内外压差作用下进入所述保温管内部上返，高温流体上返至所述气液混合室与压缩空气混合形成高温气液混合物，从而实现了干热岩地层取热的闭式循环。
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