CN114110725A - 一种地热能提取系统中强化地层热储供热效率的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地热能提取系统中强化地层热储供热效率的设备及方法，属于新能源领域。技术方案是：在地热井主井的取热地层（10）上方设置与地热井主井连通的分支井（7），分支井终点的目标层与地热井主井的取热环空（11‑1）位于同一取热地层；在地热井主井的完井套管二（22）与取热管柱（15）之间设置环形的上封隔器（12）和下封隔器（20），上封隔器和下封隔器分别位于地热井主井与分支井连接处（4）的上方和下方，以封隔取热管柱与完井套管二之间的地热井筒环空（11）；在下封隔器下方的取热环空内安装循环泵（8）。本发明不抽采地下水，不向地层注入外部流体，在满足绿色环保开发地热能的要求下，可以有效提高取热功率。

Description

一种地热能提取系统中强化地层热储供热效率的设备及方法

技术领域

本发明涉及一种地热能提取系统中强化地层热储供热效率的设备及方法，属于新能源领域。

背景技术

地热能在我国的储量十分丰富，是具有清洁性和可再生性的绿色新能源，大力发展地热能技术、实现地热能的高效环保开发对于调整我国能源结构、实现碳达峰碳中和目标具有重要的意义，目前，开采地热能的主要模式有采水取热模式和增强型地热开发模式。其中直接抽采地热水由于引发地面沉降、形成水位降落漏斗，国内已被限采、禁采甚至关停；增强型地热模式需要向地层加注高压水，存在污染地层、引发地裂缝等次生地质灾害的问题。建立全封闭的地热能提取系统、发展“取热不取水”的绿色开发地热能技术成为当务之急。

全封闭地热能提取技术是近年来研发的地热提取新技术，取热介质在全封闭的管路系统中循环完成取热和放热的过程，包括单井同心管换热器、水平井地埋管换热器、U型对接井换热器、热管等不同的形式。该技术是在井眼中安装密闭的取热管柱，该取热管柱的外壁与地下热储流体接触；取热管柱内的取热介质流经取热段时，通过管壁与热储流体进行热交换，吸收地热能后的取热介质通过内外管环空返出地面，地面换热器将取热介质所携带的热能释放给供热用户。

现有的全封闭地热能提取系统，热储地层孔隙内的地热水依靠自然对流与取热管柱进行换热。热储地层孔隙内地热水的自然对流流速缓慢，导致地热水与取热管柱之间的换热强度低、取热管柱邻近区域的地热水温度下降，而较远处的地热水来不及补充。取热介质不与热储地层接触是全封闭地热能提取技术的优点，但由于热储流体只能在地层孔隙中通过自然对流与取热管内介质换热，大大降低了换热效率，使得全封闭地热能提取技术的取热功率远低于大排量采水取热模式和增强型地热模式。全封闭地热能提取如何提高取热介质与热储地层之间的换热效率是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明目的是提供一种地热能提取系统中强化地层热储供热效率的设备及方法，大大提高热储地层的供热能力以及取热介质与热储流体之间的换热效率，解决已有技术存在的上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明技术方案是：

一种地热能提取系统中强化地层热储供热效率的设备，地热井主井的完井段中心设置取热管柱，取热管柱外设置完井套管二，取热管柱与完井套管二之间为地热井筒环空；完井段的下方为取热地层，取热地层设置与取热管柱连为一体的取热段，取热段尾端封闭，形成一个循环取热的全封闭系统；取热地层的取热环空与地热井筒环空连为一体，并在取热环空设置筛管二；其特别之处在于：在地热井主井的取热地层上方设置与地热井主井连通的分支井，分支井是斜井或水平井；分支井终点的目标层与地热井主井的取热环空位于同一取热地层，在分支井终点的目标层部位设置管壁有通孔的完井管柱；分支井的其他部分设置完井套管一，完井套管一与设置在地热井筒环空的完井套管二连接为一个整体；在地热井主井的完井套管二与取热管柱之间设置环形的上封隔器和下封隔器，上封隔器和下封隔器分别位于地热井主井与分支井连接处的上方和下方，以封隔取热管柱与完井套管二之间的地热井筒环空；其中上封隔器能够通过电缆，下封隔器能够通过电缆和过流短节，使地热井主井的筛管二、取热环空、过流短节、分支井和管壁有通孔的完井管柱形成一条连通的通道；在下封隔器下方的取热环空内安装循环泵，循环泵的出口连接过流短节，循环泵由电缆供电；过流短节和电缆均穿过下封隔器。

所述管壁有通孔的完井管柱包括筛管一或割缝衬管等。

所述过流短节穿过下封隔器，将下封隔器的上下两个空间连通。

所述循环泵为电潜泵离心泵。

所述地热井主井的地面设置供电设备，通过电缆与循环泵连接；所述地热井主井的地面设置水泵和换热机组，通过换热管路将水泵和换热机组与循环取热的全封闭系统连接，换热机组换热后连接供热用户。

所述取热管柱内部设置保温层。

一种地热能提取系统中强化地层热储供热效率的方法，当取热介质开始在全封闭系统循环取热时，开启循环泵，使得取热地层中的地热水由筛管二进入取热环空，然后通过循环泵和过流短节经地热井主井与分支井连接处进入分支井，之后地热水下行经分支井的筛管一流入取热地层，实现地热水在热储地层内的强化循环。

更具体的步骤：在取热地层上方的地热井主井内侧钻分支井，在地热井主井与分支井连接处的上方和下方分别设置上封隔器和下封隔器，上封隔器能够通过电缆，下封隔器能够通过电缆和过流短节，使地热井主井的筛管二、取热环空、过流短节、分支井和筛管一形成一条连通的通道，在循环泵的驱动下，地热水在该通道内流动，使得地热井主井取热环空内的地热水发生受迫对流；地热水的受迫对流一方面提高地热水与取热管柱之间的换热强度，另一方面调动大范围的地热水参与换热，以保持取热环空内的地热水温度基本恒定。

本发明构建在现有的循环取热的全封闭系统基础之上，适用于单井同心管换热器、水平井地埋管换热器、U型对接井地埋管换热器和热管等各种全封闭地热能提取系统。

本发明有益效果：本发明是在已有技术循环取热的全封闭系统的基础上实施的，通过地热水在取热地层范围内循环形成强迫对流，很好地弥补了已有技术的缺陷，大大提高地层热储的供热能力以及取热介质与热储之间的换热效率；相比于采水取热模式，本发明不抽采地下水；相比于增强型地热，本发明不向地层注入外部流体，不存在污染地层、压裂地层的问题。本发明在满足绿色环保开发地热能的要求下，可以有效提高取热功率。

附图说明

图1是本发明实施例一结构示意图；

图2是本发明实施例二的结构示意图；

图3是本发明实施例三结构示意图；

图中：地面1、供电设备2、电缆3、地热井主井与分支井连接处4、地热水5、完井套管一6、分支井7、循环泵8、筛管一9、取热地层10、地热井筒环空11、取热环空11-1、上封隔器12、保温层13、取热介质14、取热管柱15、取热段15-1、换热管路16、水泵17、换热机组18、供热用户19、下封隔器20、过流短节21、完井套管二22、筛管二23、取热管24、取热通道25。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明做进一步的说明。

一种地热能提取系统中强化地层热储供热效率的设备，地热井主井的完井段中心设置取热管柱15，取热管柱15外设置完井套管二22，取热管柱15与完井套管二22之间为地热井筒环空11；完井段的下方为取热地层10，取热地层10设置与取热管柱15连为一体的取热段15-1，取热段15-1尾端封闭，形成一个循环取热的全封闭系统；取热地层10的取热环空11-1与地热井筒环空11连为一体，并在取热环空11-1设置筛管二23；其特别之处在于：在地热井主井的取热地层10上方设置与地热井主井连通的分支井7，分支井7是斜井或水平井；分支井7终点的目标层与地热井主井的取热环空11-1位于同一取热地层，在分支井7终点的目标层部位设置管壁有通孔的完井管柱；分支井7的其他部分设置完井套管一6，完井套管一6与设置在地热井筒环空11的完井套管二22连接为一个整体；在地热井主井的完井套管二22与取热管柱15之间设置环形的上封隔器12和下封隔器20，上封隔器12和下封隔器20分别位于地热井主井与分支井连接处4的上方和下方，以封隔取热管柱15与完井套管二22之间的地热井筒环空11；其中上封隔器12能够通过电缆3，下封隔器能够通过电缆3和过流短节21，使地热井主井的筛管二23、取热环空11-1、过流短节21、分支井7和管壁有通孔的完井管柱形成一条连通的通道；在下封隔器20下方的取热环空11-1内安装循环泵8，循环泵8的出口连接过流短节21，循环泵8由电缆3供电；过流短节21和电缆3均穿过下封隔器20。

所述管壁有通孔的完井管柱包括筛管一9或割缝衬管等。

所述过流短节21穿过下封隔器20，将下封隔器20的上下两个空间连通。

所述循环泵8为电潜泵离心泵。

所述地热井主井的地面1设置供电设备2，通过电缆3与循环泵8连接；所述地热井主井的地面1设置水泵17和换热机组18，通过换热管路16将水泵17和换热机组18与循环取热的全封闭系统连接，换热机组18换热后连接供热用户19。

所述取热管柱15内部设置保温层13。

一种地热能提取系统中强化地层热储供热效率的方法，当取热介质14开始在全封闭系统循环取热时，开启循环泵8，使得取热地层10中的地热水5由筛管二23进入取热环空11-1，然后通过循环泵8和过流短节21经地热井主井与分支井连接处4进入分支井7，之后地热水5下行经分支井的筛管一9流入取热地层10，实现地热水在热储地层内的强化循环。

更具体的步骤：在取热地层10上方的地热井主井内侧钻分支井7，在地热井主井与分支井连接处4的上方和下方分别设置上封隔器12和下封隔器20，上封隔器12能够通过电缆3，下封隔器20能够通过电缆3和过流短节21，使地热井主井的筛管二23、取热环空11-1、过流短节21、分支井7和筛管一9形成一条连通的通道，在循环泵8的驱动下，地热水5在该通道内流动，使得地热井主井取热环空11-1内的地热水5发生受迫对流；地热水5的受迫对流一方面提高地热水5与取热管柱15之间的换热强度，另一方面调动大范围的地热水参与换热，以保持取热环空11-1内的地热水5温度基本恒定。

本发明构建在现有的循环取热的全封闭系统基础之上，适用于单井同心管换热器、水平井地埋管换热器、U型对接井地埋管换热器和热管等各种全封闭地热能提取系统。

本发明包含三个实施例。

实施例一，参照附图1，本发明用于单一直井同轴管闭式换热器的具体实施方式：

取热管柱15及取热段15-1内部设置取热管24，取热管柱15及取热段15-1与取热管24构成外筒尾端封闭的套筒结构，取热介质14从取热管24进入至取热段15-1尾端，通过取热管柱15及取热段15-1与取热管24之间的环形空间返回，形成一个循环取热的全封闭系统；

1）地热井主井完井后，在取热地层10的上方开窗侧钻斜分支井7，分支井7的目的层与地热井主井的取热环空11-1位于同一个取热地层，地热井主井与分支井连接处4位于取热地层10上方，分支井7向下倾斜进入取热地层10。分支井7的目的层部位下入筛管一9完井，分支井7的其他部分下入完井套管一6；

2）下入取热管柱15，并连接地面换热设备，形地热循环取热的全封闭系统；

3）将循环泵8的出口连接过流短节21后，下入地热井筒环空11内，至地热井筒环空11下方的完井套管一23，该循环泵8通过电缆3从地面供电设备2获得电能；

4）在地热井筒环空11内、地热井主井与分支井连接处4下方的完井套管二22段设置下封隔器20，下封隔器能够通过电缆3和过流短节21，以封隔地热井内取热管柱15与完井套管二22之间的取热环空11-1；

5）在地热井筒环空内、地热井主井与分支井连接处4上方设置上封隔器12，上封隔器能够通过电缆3，以封隔地热井内取热管柱15与完井套管二22之间的取热环空11-1；

6）开启循环泵8，则取热地层10孔隙内的地热水5由地热井筒的筛管二23进入取热环空11-1，上行依次经循环泵8、过流短节21和地热井主井与分支井连接处4后进入分支井7，之后从分支井7的筛管一9流入取热地层10，使得地热水5在取热环空11-1形成强迫对流。

所述取热管柱15和取热管24内部均设置保温层13。

本发明充分调动地热井周围较大范围的地热水，一方面使取热环空11-1内的地热水5长时间保持基本恒定的温度，另一方面取热环空11-1内形成的强迫对流可以大大提高地热水5与取热管柱15之间的换热强度。

实施例二，参照附图2，本发明用于单一水平井同轴管闭式换热器。

所述取热主井垂直与地面达到取热地层10后，开始弯曲成水平布置的取热主井，下入的取热管柱15弯曲成与取热主井整体形状相同的形状。其余结构与实施例一相同。

实施例三，参照附图3。本发明用于U型对接井闭式换热器。

两个垂直于地面1的取热主井，进入取热地层10后底部连通，整体呈U型结构；两个取热主井分别下入与地面垂直的取热管柱15，两个取热管柱15的底部通过水平布置的取热通道25连通，取热通道25周围形成取热环空11-1；两个取热管柱15在地面上通过换热管路16连接水泵17和换热机组18，取热介质14通过一个取热管柱进入取热地层10的取热通道25换热后，通过另一个取热管柱回到地面，形成一个循环取热的全封闭系统。

在取热介质14进入的取热管柱的地热井主井内侧钻分支井7，地热井主井与分支井连接处4位于取热地层10上方，分支井7向下倾斜进入取热地层10，分支井7终点的目标层与地热井主井的取热环空11-1位于同一取热地层，在分支井7终点的目标层部位设置筛管一9；分支井7的其他部分设置完井套管一6，完井套管一6与设置在地热井筒环空11的完井套管二22连接为一个整体；在地热井主井的完井套管二22与取热管柱15之间设置环形的上封隔器12和下封隔器20，上封隔器12和下封隔器20分别位于地热井主井与分支井连接处4的上方和下方，以封隔取热管柱15与完井套管二22之间的地热井筒环空11；其中上封隔器12能够通过电缆3，下封隔器能够通过电缆3和过流短节21，使地热井主井的筛管二23、取热环空11-1、过流短节21、分支井7和筛管一9形成一条连通的通道；在下封隔器20下方的取热环空11-1内安装循环泵8，循环泵8的出口连接过流短节21，循环泵8由电缆3供电；过流短节21和电缆3均穿过下封隔器20。

当取热介质14开始在全封闭系统循环取热时，开启循环泵8，使得取热地层10中的地热水5由筛管二23进入取热环空11-1，然后通过循环泵8和过流短节21经地热井主井与分支井连接处4进入分支井7，之后地热水5下行经分支井的筛管一9流入取热地层10，实现地热水在热储地层内的强化循环，以保持取热环空11-1内的地热水5温度基本恒定。

Claims (8)

1.一种地热能提取系统中强化地层热储供热效率的设备，地热井主井的完井段中心设置取热管柱（15），取热管柱（15）外设置完井套管二（22），取热管柱（15）与完井套管二（22）之间为地热井筒环空（11）；完井段的下方为取热地层（10），取热地层（10）设置与取热管柱（15）连为一体的取热段（15-1），取热段（15-1）尾端封闭，形成一个循环取热的全封闭系统；取热地层（10）的取热环空（11-1）与地热井筒环空（11）连为一体，并在取热环空（11-1）设置筛管二（23）；其特征在于：在地热井主井的取热地层（10）上方设置与地热井主井连通的分支井（7），分支井（7）是斜井或水平井；分支井（7）终点的目标层与地热井主井的取热环空（11-1）位于同一取热地层，在分支井（7）终点的目标层部位设置管壁有通孔的完井管柱；分支井（7）的其他部分设置完井套管一（6），完井套管一（6）与设置在地热井筒环空（11）的完井套管二（22）连接为一个整体；在地热井主井的完井套管二（22）与取热管柱（15）之间设置环形的上封隔器（12）和下封隔器（20），上封隔器（12）和下封隔器（20）分别位于地热井主井与分支井连接处（4）的上方和下方，以封隔取热管柱（15）与完井套管二（22）之间的地热井筒环空（11）；其中上封隔器（12）能够通过电缆（3），下封隔器能够通过电缆（3）和过流短节（21），使地热井主井的筛管二（23）、取热环空（11-1）、过流短节（21）、分支井（7）和管壁有通孔的完井管柱形成一条连通的通道；在下封隔器（20）下方的取热环空（11-1）内安装循环泵（8），循环泵（8）的出口连接过流短节（21），循环泵（8）由电缆（3）供电；过流短节（21）和电缆（3）均穿过下封隔器（20）。

2.根据权利要求1所述的一种地热能提取系统中强化地层热储供热效率的设备，其特征在于：所述管壁有通孔的完井管柱包括筛管一（9）或割缝衬管。

3.根据权利要求1或2所述的一种地热能提取系统中强化地层热储供热效率的设备，其特征在于：所述过流短节（21）穿过下封隔器（20），将下封隔器（20）的上下两个空间连通。

4.根据权利要求1或2所述的一种地热能提取系统中强化地层热储供热效率的设备，其特征在于：所述循环泵（8）为电潜泵离心泵。

5.根据权利要求1或2所述的一种地热能提取系统中强化地层热储供热效率的设备，其特征在于：所述地热井主井的地面（1）设置供电设备（2），通过电缆（3）与循环泵（8）连接；所述地热井主井的地面（1）设置水泵（17）和换热机组（18），通过换热管路（16）将水泵（17）和换热机组（18）与循环取热的全封闭系统连接，换热机组（18）换热后连接供热用户（19）。

6.根据权利要求1所述的一种地热能提取系统中强化地层热储供热效率的设备，其特征在于：所述取热管柱（15）内部设置保温层（13）。

7.一种地热能提取系统中强化地层热储供热效率的方法，使用权利要求1-6任意一项权利要求所限定的设备，其特征在于：当取热介质（14）开始在全封闭系统循环取热时，开启循环泵（8），使得取热地层（10）中的地热水（5）由筛管二（23）进入取热环空（11-1），然后通过循环泵（8）和过流短节（21）经地热井主井与分支井连接处（4）进入分支井（7），之后地热水（5）下行经分支井的筛管一（9）流入取热地层（10），实现地热水在热储地层内的强化循环。

8.根据权利要求7所述的一种地热能提取系统中强化地层热储供热效率的方法，其特征在于更具体的步骤：在取热地层（10）上方的地热井主井内侧钻分支井（7），在地热井主井与分支井连接处（4）的上方和下方分别设置上封隔器（12）和下封隔器（20），上封隔器（12）能够通过电缆（3），下封隔器（20）能够通过电缆（3）和过流短节（21），使地热井主井的筛管二（23）、取热环空（11-1）、过流短节（21）、分支井（7）和筛管一（9）形成一条连通的通道，在循环泵（8）的驱动下，地热水（5）在该通道内流动，使得地热井主井取热环空（11-1）内的地热水（5）发生受迫对流；地热水（5）的受迫对流一方面提高地热水（5）与取热管柱（15）之间的换热强度，另一方面调动大范围的地热水参与换热，以保持取热环空（11-1）内的地热水（5）温度基本恒定。

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