CN113639304A - 一种强制对流换热型地热水平井单井供热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强制对流换热型地热水平井单井供热系统，包括：地上部分，包括热泵机组、取热工质循环泵和井口装置，取热工质循环泵分别与井口装置和热泵机组连接；单井取热部分，包括同轴井下换热器、套管和筛管，同轴井下换热器包括中心管柱和外层管柱，取热工质与地热水在单井取热部分进行热交换；强制对流部分，包括打孔筛管、封隔器、深井泵和输水管，强制对流部分排出换热后的地热水，并补充新的地热水。本发明通过设置水平井段增加取热工质在高温热储层的取热时间，在高温水平井段布置深井泵，增加区域内扰动和含水层流速，激发强制对流换热条件，从而强化井下换热效率，充分获取地层热量，增加地热井单井取热功率和供热能力。

Description

一种强制对流换热型地热水平井单井供热系统

技术领域

本发明属于地热能提取技术领域，具体涉及一种强制对流换热型地热水平井单井供热系统。

背景技术

地热能作为一种新能源，具有分布广、成本低、易于开采、洁净及可直接利用等优点。如能充分开发，则可节省大量的常规能源，并缓解经济、社会发展导致日益增长的清洁能源缺口。我国地热资源丰富，分布范围广，目前通过抽灌式系统开发和利用地热能的技术已经较为成熟，但限于部分孔隙性热储回灌效果不理想，长期开采会对地面环境和地下储层造成一定影响。此外，部分地区虽然地层温度较高，但地下水量较小或地层含有石油，无法直接通过抽取地热水的方式开发利用地热资源。

鉴于以上问题，地热井单井换热思路被提出。目前，单井换热包括同轴套管、超长重力热管、U型管井下换热技术。但是它们或通过全井段固井、与井壁围岩利用热传导的方式从地层进行取热，或通过裸眼或筛管段、利用含水层微弱的渗流和地下微弱的自然对流进行对流换热，从理论计算和实际应用效果看，单井取热量均有限。此外，目前单井换热系统以直井和具有一定角度的定向井为应用，虽然井底温度较高，但高温段较短，取热流体在高温段的换热时间有限，同样影响单井取热效果。

因此，特别需要一种取热量高的地热井单井换热。

发明内容

本发明的目的是提供取热量高的强制对流换热型地热水平井单井供热系统。

为了实现上述目的，本发明提供一种强制对流换热型地热水平井单井供热系统，包括：地上部分，所述地上部分包括热泵机组、取热工质循环泵和井口装置，所述取热工质循环泵分别与所述井口装置和所述热泵机组连接；单井取热部分，所述单井取热部分包括同轴井下换热器、套管和筛管，所述同轴井下换热器包括中心管柱和外层管柱，所述中心管柱套设在所述外层管柱内，所述外层管柱套设在所述套管和所述筛管内，所述套管与所述筛管连接，所述中心管柱和外层管柱均与所述井口装置连接，取热工质与地热水在所述单井取热部分进行热交换；强制对流部分，所述强制对流部分包括打孔筛管、封隔器、深井泵和输水管，所述打孔筛管的一端与所述同轴井下换热器的底部连接，另一端与所述深井泵的一端连接，所述深井泵的另一端与所述输水管连接，所述打孔筛管、封隔器、深井泵和输水管均设置在所述筛管内，所述强制对流部分排出换热后的地热水，并补充新的地热水。

可选的，所述中心管柱包括竖直中心管柱段、倾斜中心管柱段和水平中心管柱段，所述竖直中心管柱段、倾斜中心管柱段和水平中心管柱段依次连接；所述外层管柱包括竖直外层管柱段、倾斜外层管柱段和水平外层管柱段，所述竖直外层管柱段、倾斜外层管柱段和段水平外层管柱段依次连接。

可选的，所述外层管柱的底部为封闭结构，所述外层管柱的长度大于所述中心管柱的长度。

可选的，所述井口装置的进口分别与所述取热工质循环泵的出口和所述竖直外层管柱段的上端连接；所述井口装置的出口分别与所述热泵机组的进口和所述竖直中心管柱段的上端连接。

可选的，所述井口装置的出口与所述热泵机组的进口之间设有流量计和温度变送器。

可选的，所述输水管上与所述深井泵连接的的部分由所述封隔器支撑，所述封隔器固定在所述筛管内。

可选的，所述套管上部的外侧采用保温水泥进行固定，下部的外侧采用导热水泥进行固定。

可选的，所述取热工质包括无机工质、热物理性质适宜的单一有机工质或热物理性质适宜的多元有机工质。

可选的，所述中心管柱采用双层油管。

可选的，所述外层管柱采用套管、波纹管或翅片管。

本发明的有益效果在于：本发明的强制对流换热型地热水平井单井供热系统在单井取热部分中，下入同轴井下换热器实现井下换热，在强制对流部分中下入深井泵和输水管，同轴井下换热器包括竖直井段、倾斜井段和水平井段，通过设置水平井段增加取热工质在高温热储层的取热时间，在高温水平井段布置深井泵，增加区域内扰动和含水层流速，激发强制对流换热条件，从而强化井下换热效率，充分获取地层热量，增加地热井单井取热功率和供热能力。

本发明具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1是根据本发明的一个实施例的强制对流换热型地热水平井单井供热系统的结构连接图。

主要附图标记说明：

1、热泵机组；2、流量计；3、温度变送器；4、取热工质循环泵；5、同轴井下换热器；6、中心管柱；7、外层管柱；8、套管；9、封隔器；10、筛管；11、输水管；12、深井泵；13、打孔筛管；14、导热水泥；15、保温水泥；16、井口装置；17、旁通阀门组。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

根据本发明的一种强制对流换热型地热水平井单井供热系统，包括：地上部分，地上部分包括热泵机组、取热工质循环泵和井口装置，取热工质循环泵分别与井口装置和热泵机组连接；单井取热部分，单井取热部分包括同轴井下换热器、套管和筛管，同轴井下换热器包括中心管柱和外层管柱，中心管柱套设在外层管柱内，外层管柱套设在套管和筛管内，套管与筛管连接，中心管柱和外层管柱均与井口装置连接，取热工质与地热水在单井取热部分进行热交换；强制对流部分，强制对流部分包括打孔筛管、封隔器、深井泵和输水管，打孔筛管的一端与同轴井下换热器的底部连接，另一端与深井泵的一端连接，深井泵的另一端与输水管连接，打孔筛管、封隔器、深井泵和输水管均设置在筛管内，强制对流部分排出换热后的地热水，并补充新的地热水。

具体的，以地面为界，地上部分主要由井口装置、热泵机组、取热工质循环泵等组成，井口装置出口的与、热泵机组蒸发器的入口相连接；热泵机组蒸发器的出口与取热工质循环泵连接，取热工质循环泵与井口装置的入口连接；热泵机组的冷凝器与用热用户末端相连接；以上设备的连接方式均为管道连接，并在必要位置设置旁路和阀门。

以地面为界，地下部分主要由单井取热部分和强制对流部分构成。外层管柱底端前为单井取热部分，外层管柱底端后为强制对流部分。单井取热部分包括同轴井下换热器、套管、筛管。同轴井下换热器包括中心管柱和外层管柱，中心管柱设置在外层管柱内，两个管柱同轴，且两个管柱之间设有空隙，中心管柱和外层管柱均与井口装置连接；强制对流部分由打孔筛管、封隔器、深井泵和输水管组成；打孔筛管一端与同轴井下换热器的底部固定相连接，另一端与深井泵的一端连接，深井泵的另一端与输水管连接。

取热工质循环泵将热泵机组的蒸发器的取热介质送入至井口装置的入口，通过井口装置的入口进入外层管柱和中心管柱之间的空隙，一直流到外层管柱的底部，由于外层管柱的底部为封闭结构，再由外层管柱的底部流入至中心管柱，沿中心管柱流回至井口装置的出口，再经由井口装置的出口流回至热泵机组的蒸发器。通过筛管渗透进来的地热流体，在套管与外层管制和筛管与外层管柱之间流动，也叫作夹层水，夹层水为同轴换热器提供热能，使得取热工质在外层管柱和中心管柱之间流动时，由低温变为高温，进而从井口装置流出的为高温取热工质。水平段深井泵将套管与外层管柱和筛管与外层管柱之间的夹层水抽出之输水管中，通过输水管将换热后的夹层水排入底层中，水平段深井泵产生了压力差，在地层压力的共同作用下，将地层中的地热流渗过筛管的空隙补充进换热段中，即套管与外层管柱和筛管与外层管柱之间的夹层中，通过排出换热后的地热水，补充新的地热水，由此强化井下流动，增强换热效果，提高取热功率。

利用水平井与地层接触面积大有利于液体注入地层的特点，通过井下深井泵将同轴井下换热器与井壁间的夹层水注入水平管段下游地层，实现夹层水在地层中的快速流动，强化井下换热的效果。通过激发地热井井下强制对流换热条件，突破了现有技术仅能采用自然对流和热传导换热的限制，使得原来由于地热井中流体流动性差导致取热效果差的问题得以解决，增大了井下换热系统的取热量。同时，利用高温热储层内的水平井段，延长了取热流程，增加了换热时间，使得直井和定向井取热系统中高温段换热时间段，取热不充分的问题得以解决，增大了井下换热系统的取热量。

在一个示例中，水平地热井系统根据地质条件和工艺要求采用适当的井身结构。钻至目标深度以满足封隔表层松散地层的要求。

在一个示例中，所述换热器作为所述单井供热系统的取热设备，采用同轴套管井下换热结构。进一步的改进，中心管柱采用双层保温，能够有效减少取热工质上返时的散热损失，提高取热温度和能力。

在一个示例中，当取热工质与用户侧循环供热工质相同时，可在热泵机组两侧供回水管路及热泵机组冷凝器处设置旁通管路和阀门，用于当取热温度较高或供暖需求温度较低时将热泵旁路，进行直接供热，进一步降低能耗。

在一个示例中，若地层条件允许，可对水平段裸眼完钻，并取消紧邻地层的水平段大尺寸筛管以及竖直段和倾斜段套管，在竖直段和倾斜段直接对外层管柱实施固井，从而降低投资并进一步减小换热热阻。

根据示例性的实施方式，强制对流换热型地热水平井单井供热系统的同轴井下换热器包括竖直井段、倾斜井段和水平井段，通过设置水平井段增加取热工质在高温热储层的取热时间，在高温水平井段布置深井泵，增加区域内扰动和含水层流速，激发强制对流换热条件，从而强化井下换热效率，充分获取地层热量，增加地热井单井取热功率和供热能力。

作为可选方案，中心管柱包括竖直中心管柱段、倾斜中心管柱段和水平中心管柱段，竖直中心管柱段、倾斜中心管柱段和水平中心管柱段依次连接；外层管柱包括竖直外层管柱段、倾斜外层管柱段和水平外层管柱段，竖直外层管柱段、倾斜外层管柱段和段水平外层管柱段依次连接。

具体的，中心管柱包括竖直中心管柱段、倾斜中心管柱段和水平中心管柱段，外层管柱包括竖直外层管柱段、倾斜外层管柱段和水平外层管柱段，利用水平外层管柱段与水平管套之间的持续高温地热流体，延长了水平段取外层管柱段与水平段中心管柱段之间的取热工质的取热流程，增加了换热时间，使得直井和定向井取热系统中高温段换热时间段，

作为可选方案，外层管柱的底部为封闭结构，外层管柱的长度大于中心管柱的长度。

具体的，外层管柱底部为封闭的，取热工质由井口装置的入口进入外层管柱和中心管柱之间的空隙，一直流到外层管柱的底部，由于外层管柱的底部为封闭结构，再由外层管柱的底部流入至中心管柱，沿中心管柱流回至井口装置的出口，使同轴井下换热器成为一个独立的循环通道。

作为可选方案，井口装置的进口分别与取热工质循环泵的出口和竖直外层管柱段的上端连接；井口装置的出口分别与热泵机组的进口和竖直中心管柱段的上端连接。

具体的，取热工质循环泵将热泵机组的蒸发器的低温取热工介质送入至井口装置的入口，通过井口装置的入口进入竖直外层管柱段和竖直中心管柱段之间的空隙，低温取热工质在同轴井下换热器中变为高温取热介质。高温取热介质由竖直平中心管柱段流回至井口装置的出口，再经由井口装置的出口流回至热泵机组的蒸发器，在热泵机组中换热提温后加热用户侧供热回水，也就是说换热后的高温取热介质是热泵机组的热源。

作为可选方案，井口装置的出口与热泵机组的进口之间设有流量计和温度变送器。

具体的，根据取热工质流量、温度等参数控制取热工质循环泵，以调节取热工质循环量，保证热泵机组处于最优工况点运行。

作为可选方案，输水管上与深井泵连接的的部分由封隔器支撑，封隔器固定在筛管内。

具体的，封隔器设置在在筛管内，深井泵和输水管上与深井泵连接的的部分设有封隔器，封隔器起支撑作用，封隔器将输水管外部的环形区域和输水管内的区域分隔成互不联通的两个空间，外层管柱和套管之间的夹层水，在深井泵的抽吸作用下，经由打孔筛管和输水管被排向地层下游远处。地层中的高温热水透过大尺寸筛管补充进夹层，从而保障了热源的补给和激发了夹层水的流动，达到强制对流换热的目的。同时，封隔器封隔了下游夹层水向上游流动的通道，保证了抽吸作用尽可能作用于外层管柱和套管之间的夹层。

作为可选方案，套管上部的外侧采用保温水泥进行固定，下部的外侧采用导热水泥进行固定。

地热井竖直段、及其和水平段之间的倾斜段的套管和地层、套管和外层管柱之间填充固井水泥；水平段采用大尺寸筛管，或根据需要采用大尺寸筛管和套管相结合的部分固井形式。

具体的，竖直井段上部由于温度较低，可采用保温水泥减少取热流体的热烈损失；在下部温度高于同轴换热器环空中取热流体温度的区域，可采用导热水泥增强取热流体的换热能力。

作为可选方案，取热工质包括无机工质、热物理性质适宜的单一有机工质或热物理性质适宜的多元有机工质。

具体的，取热工质可以采用水或二氧化碳等无机工质，也可采用热物理性质适宜的单一或多元有机工质，以进一步提高换热器出口温度。

作为可选方案，中心管柱采用双层油管。

作为可选方案，外层管柱采用套管、波纹管或翅片管。

在一个示例中，当初末寒期供热需求温度较低时，如果取热工质与供热工质相同，可调节热泵机组与用户之间的旁通阀门组，使热泵机组冷凝器的供热工质部分进入地热井单井取热系统，加热后再与剩余供热工质混合进行供热。

具体的，对项目所在地进行地质勘查，确定地面下方的目标取热热储位置，进而确定钻井垂深。根据目标地热储层地质条件和地面采暖需求确定地热井水平段长度，综合水平地热井地质条件和工艺要求，完成井身结构设计；一开设计深度根据保温需要进行计算和确定；为保证与地层的密合，一开和二开下套管，全井段根据设计条件选择固井水泥，一开使用保温水泥固井，二开使用导热水泥固井；三开由倾斜段和水平段构成，采用导热水泥部分固井，配合固井设计将大尺寸筛管和套管下至井底。至此，钻完井工作完成。

水平地热井完井后，依次下入输水管、深井泵、打孔筛管，使用封隔器悬挂于水平段套管壁上；再下入悬挂于井口装置的同轴井下换热器。

同轴井下换热器由外层管柱和中心管柱构成。外层管柱可采用波纹管、翅片管等有利于强化换热效果的构型。中心管柱可采用双层油管，中间充满空气方式进行保温,减少上返流体热量损失。

实施例

图1是根据本发明的一个实施例的强制对流换热型地热水平井单井供热系统的结构连接图。

如图1所示，该强制对流换热型地热水平井单井供热系统，包括：地上部分，地上部分包括热泵机组1、取热工质循环泵4和井口装置16，取热工质循环泵4分别与井口装置16和热泵机组1连接；单井取热部分，单井取热部分包括同轴井下换热器5、套管8和筛管10，同轴井下换热器5包括中心管柱6和外层管柱7，中心管柱6套设在外层管柱7内，外层管柱7套设在套管8和筛管10内，套管8与筛管10连接，中心管柱6和外层管柱7均与井口装置16连接，取热工质与地热水在单井取热部分进行热交换；强制对流部分，强制对流部分包括打孔筛管10、封隔器9、深井泵12和输水管11，打孔筛管13的一端与同轴井下换热器5的底部连接，另一端与深井泵12的一端连接，深井泵12的另一端与输水管11连接，打孔筛管13、封隔器9、深井泵12和输水管11均设置在筛管10内，强制对流部分排出换热后的地热水，并补充新的地热水。

其中，中心管柱6包括竖直中心管柱6段、倾斜中心管柱6段和水平中心管柱6段，竖直中心管柱6段、倾斜中心管柱6段和水平中心管柱6段依次连接；外层管柱7包括竖直外层管柱7段、倾斜外层管柱7段和水平外层管柱7段，竖直外层管柱7段、倾斜外层管柱7段和段水平外层管柱7段依次连接。

其中，外层管柱7的底部为封闭结构，外层管柱7的长度大于中心管柱6的长度。

其中，井口装置16的进口分别与取热工质循环泵4的出口和竖直外层管柱7段的上端连接；井口装置16的出口分别与热泵机组1的进口和竖直中心管柱6段的上端连接。

其中，井口装置16的出口与热泵机组1的进口之间设有流量计2和温度变送器3。

其中，输水管11上与深井泵12连接的的部分由封隔器9支撑，封隔器9固定在筛管10内。

其中，套管8上部的外侧采用保温水泥15进行固定，下部的外侧采用导热水泥14进行固定。

其中，取热工质包括无机工质、热物理性质适宜的单一有机工质或热物理性质适宜的多元有机工质。

其中，中心管柱6采用双层油管。

其中，外层管柱7采用套管、波纹管或翅片管。

其中，热泵机组1和用户之间设有旁通阀门组17。

该强制对流换热型地热水平井单井供热系统的工作过程如下：取热工质循环泵4将热泵机组1的蒸发器的取热介质送入至井口装置16的入口，通过井口装置16的入口进入外层管柱7和中心管柱6之间的空隙，一直流到外层管柱7的底部，由于外层管柱7的底部为封闭结构，再由外层管柱7的底部流入至中心管柱6，沿中心管柱6流回至井口装置16的出口，再经由井口装置16的出口流回至热泵机组1的蒸发器。封隔器13将输水管11外部的环形区域和输水管11内的区域分隔成互不联通的两个空间，外层管柱7和套管9之间的夹层水，在深井泵12的抽吸作用下，经由打孔筛管13和输水管11被排向地层下游远处。地层中的高温热水透过筛管10补充进入外层管柱7和套管9之间的夹层，为同轴井下换热器5提供持续热能。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种强制对流换热型地热水平井单井供热系统，其特征在于，包括：

地上部分，所述地上部分包括热泵机组、取热工质循环泵和井口装置，所述取热工质循环泵分别与所述井口装置和所述热泵机组连接；

单井取热部分，所述单井取热部分包括同轴井下换热器、套管和筛管，所述同轴井下换热器包括中心管柱和外层管柱，所述中心管柱套设在所述外层管柱内，所述外层管柱套设在所述套管和所述筛管内，所述套管与所述筛管连接，所述中心管柱和外层管柱均与所述井口装置连接，取热工质与地热水在所述单井取热部分进行热交换；

强制对流部分，所述强制对流部分包括打孔筛管、封隔器、深井泵和输水管，所述打孔筛管的一端与所述同轴井下换热器的底部连接，另一端与所述深井泵的一端连接，所述深井泵的另一端与所述输水管连接，所述打孔筛管、封隔器、深井泵和输水管均设置在所述筛管内，所述强制对流部分排出换热后的地热水，并补充新的地热水。

2.根据权利要求1所述的强制对流换热型地热水平井单井供热系统，其特征在于，所述中心管柱包括竖直中心管柱段、倾斜中心管柱段和水平中心管柱段，所述竖直中心管柱段、倾斜中心管柱段和水平中心管柱段依次连接；所述外层管柱包括竖直外层管柱段、倾斜外层管柱段和水平外层管柱段，所述竖直外层管柱段、倾斜外层管柱段和段水平外层管柱段依次连接。

3.根据权利要求2所述的强制对流换热型地热水平井单井供热系统，其特征在于，所述外层管柱的底部为封闭结构，所述外层管柱的长度大于所述中心管柱的长度。

4.根据权利要求3所述的强制对流换热型地热水平井单井供热系统，其特征在于，所述井口装置的进口分别与所述取热工质循环泵的出口和所述竖直外层管柱段的上端连接；所述井口装置的出口分别与所述热泵机组的进口和所述竖直中心管柱段的上端连接。

5.根据权利要求4所述的强制对流换热型地热水平井单井供热系统，其特征在于，所述井口装置的出口与所述热泵机组的进口之间设有流量计和温度变送器。

6.根据权利要求1所述的强制对流换热型地热水平井单井供热系统，其特征在于，所述输水管上与所述深井泵连接的部分由所述封隔器支撑，所述封隔器固定在所述筛管内。

7.根据权利要求2所述的强制对流换热型地热水平井单井供热系统，其特征在于，所述套管上部的外侧采用保温水泥进行固定，下部的外侧采用导热水泥进行固定。

8.根据权利要求1所述的强制对流换热型地热水平井单井供热系统，其特征在于，所述取热工质包括无机工质、热物理性质适宜的单一有机工质或热物理性质适宜的多元有机工质。

9.根据权利要求1所述的强制对流换热型地热水平井单井供热系统，其特征在于，所述中心管柱采用双层油管。

10.根据权利要求1所述的强制对流换热型地热水平井单井供热系统，其特征在于，所述外层管柱采用套管、波纹管或翅片管。

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