CN114151984B - 多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统 - Google Patents

Abstract

一种多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统，它包括主井、开采分支井、回灌分支井和循环系统,通过在主井内设置套管，开采分支井与主井内的保温管连通，回灌分支井与套管连通，循环系统与保温管和套管连通，构建成复合取热系统，将闭式单井换热系统与水热型地热取热系统复合在单口地热井中，避免干孔改造投资与风险，降低地热开发成本，同时水热型和单井换热型两种方式可以间歇在供暖季供暖，有利于大地热流对地层加热，使目的层热恢复，达到可持续利用的效果，对于水热型地热开发设计，该系统将开采和回灌井设置在单井中，基于斜井设置保证同层回灌距离，防止热突破。

Description

多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统

技术领域

本发明属于地热资源开发技术领域，涉及一种多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统。

背景技术

地热能是稳定连续的清洁可再生资源，其规模化、可持续化开发利用对于改善环境、缓解能源紧张意义重大。对于构建清洁低碳、安全高效的能源体系以及助力碳达峰、碳中和双碳目标的具有重要的意义。

现有地热田的开发方式主要分为两种：第一种是取热不取水的方式，以中深层地埋管的方式进行井下换热；第二种是直接开采地热流体的方式开发地热。

然而以直接开采热流体的方式开发地热时，有可能出现干孔无水或者经长时间开采流量减少无法进行地热供暖的情形，解决办法可以将地热流体开采井改造成单井换热井或对地热储层进行酸化压裂，这都极大提高了供热成本。单井换热取热不取水技术也面临着取热功率有限、岩层冷却等问题。综上所述，现有地热开发方式中存在干孔风险，单井产量低，不可持续等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统，采用在主井内设置套管，开采分支井与主井内的保温管连通，回灌分支井与套管连通，循环系统与保温管和套管连通，构建成复合取热系统，将闭式单井换热系统与水热型地热取热系统复合在单口地热井中，避免干孔改造投资与风险，降低地热开发成本，同时水热型和单井换热型两种方式可以间歇在供暖季供暖，有利于大地热流对地层加热，使目的层热恢复，达到可持续利用的效果，对于水热型地热开发设计，该系统将开采和回灌井设置在单井中，基于斜井设置保证同层回灌距离，防止热突破。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统，它包括主井、开采分支井、回灌分支井和循环系统；所述主井内置于有套管，开采分支井一端穿过套管与主井内的保温管连通，回灌分支井一端与套管连通，循环系统与保温管和套管连通，开采分支井和回灌分支井的另一端向套管下端两侧延伸。

所述开采分支井和回灌分支井下端皆设置有滤水管。

所述开采分支井与保温管连通处和回灌分支井与套管连通处分别设置有第一分隔器和第二分隔器。

所述保温管下端设置第三分隔器，第三分隔器位于第一分隔器和第二分隔器下部。

所述套管内设置止水系统，止水系统位于套管内和保温管之间靠近第三分隔器处的环形空间内；套管下端设置有井底封堵座。

所述循环系统中依次串联有回灌流体处理装置、第一地面热交换装置、三通阀、第二地面热交换装置和高压泵。

所述回灌流体处理装置和高压泵一侧与套管连通，三通阀与保温管上端连通。

如上所述的多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统的构建方法，它包括如下步骤：

S1，根据地热田物化探及地质探井资料，确定地热井的主井地面施工位置，并采集地下岩层的地温梯度、岩性、岩石热导率、孔隙度和含水层渗透率的信息；

S2，根据S1中采集的信息划分水热型热储开采层及单井换热目的层，确定主井和各分支井的钻遇目的层的深度与位置；此步骤中，将渗透率较高的含水层作为水热型地热流体开采目的层即热储层，将上部隔水层或弱透水层底部作为单井换热目的层的开采底界；

S3，根据S1中采集的信息计算各分支井的距离，即开采分支井和回灌分支井的合理间距；

S4，根据单井换热目的层的深度与位置，设计钻井工程方案，钻取分支井眼的垂直主井眼至上部隔水层或弱透水层底部，底部下入井底封堵座；

S5，将套管置于垂直主井眼内，保温管置于套管内；

S6，开采分支井和回灌分支井延伸至热储层，开采分支井和回灌分支井下端设置滤水管；

S7，循环系统中的回灌流体处理装置和高压泵与套管连通，三通阀与保温管连通。

如上所述的多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统的单井换热提取热量方法，它包括如下步骤：

S1，在开采分支井与保温管连通处和回灌分支井与套管连通处分别设置有第一分隔器和第二分隔器，阻止开采分支井与保温管与主井连通，保证流体在地热主井内形成取热不取水的循环；此步骤中，取出第三分隔器和止水系统，第一分隔器和第二分隔器分别封闭开采分支井和回灌分支井；

S2，打开三通阀，导通保温管，从主井内出来的高温流体沿保温管流向循环系统；

S3，高温流体与循环系统中的第二地面热交换装置进行热量交换，交换后形成低温流体，高压泵将低温流体排入套管和保温管之间的环形腔内；

S4，环形腔内的低温流体从上部向主井底部流动，套管与岩层充分接触进行热交换，低温流体与套管接触进行热交换，转换成高温流体，回流至保温管内。

如上所述的多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统的水热型地热提取热量方法，它包括如下步骤：

S1，取出位于开采分支井内的第一分隔器，将第三分隔器置于套管内，使保温管与开采分支井连通；

S2，取出位于回灌分支井内的第二分隔器，将止水系统下放至套管内并靠近第三分隔器，向止水系统内冲入高压氮气，使其膨胀与套管和保温管紧密接触，使套管与保温管之间的环形空间只与回灌分支井连通；

S3，打开三通阀，导通保温管，热储层的地热流体通过开采分支井进入保温管内，保温管内的高温地热流体进入循环系统中；

S4，回灌流体处理装置启动，高温地热流体在循环系统中流动与第一地面热交换装置进行热交换后进入回灌流体处理装置，回灌流体处理装置对地热流体进行脱气扬沙处理，高温流体转换成低温流体流入套管和保温管之间的环形空间内，并沿回灌分支井返回至热储层；

或者，高压泵启动，高温地热流体在循环系统中流动与第二地面热交换装置进行热交换后转换成低温流体，流入套管和保温管之间的环形空间内，并沿回灌分支井返回至热储层；

S5，在S4中，若地热流体难以回灌，在循环系统中设置加压装置，进行加压回灌水。

本发明的主要有益效果在于：

单口地热井中复合单井循环换热及水热型地热，节省成本、不受储层条件限制。

将闭式单井换热系统与水热型地热取热系统复合在单口地热井中，避免干孔改造投资与风险，降低地热开发成本。

水热型和单井换热型两种方式间歇进行供暖季供暖，有利于大地热流对地层加热，使目的层热恢复，达到可持续利用的效果。

对于水热型地热开发设计为将开采和回灌井利设置在单井中，基于斜井设置保证同层回灌距离，防止热突破。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的系统图。

图2为本发明单井换热提取热量的状态图。

图3为本发明水热型地热提取热量的状态图。

图4为本发明水热型地热提取热量的另一种状态图。

图中：主井1，套管11，第三分隔器12，止水系统13，井底封堵座14，保温管15，开采分支井2，第一分隔器21，回灌分支井3，第二分隔器31，循环系统4，回灌流体处理装置41，第一地面热交换装置42，三通阀43，第二地面热交换装置44，高压泵45，滤水管5。

具体实施方式

如图1~图4中，一种多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统，它包括主井1、开采分支井2、回灌分支井3和循环系统4；所述主井1内置于有套管11，开采分支井2一端穿过套管11与主井1内的保温管15连通，回灌分支井3一端与套管11连通，循环系统4与保温管15和套管11连通，开采分支井2和回灌分支井3的另一端向套管11下端两侧延伸。使用时，取出第三分隔器12和止水系统13，第一分隔器21和第二分隔器31分别封闭开采分支井2和回灌分支井3，实现单井换热提取热量；取出位于开采分支井2内的第一分隔器21，将第三分隔器12置于套管11内，取出回灌分支井3内的第二分隔器31，将止水系统13下放至套管11内并靠近第三分隔器12，止水系统13膨胀与套管11和保温管15紧密接触密封，使套管11与保温管15之间的环形空间只与回灌分支井3连通，实现水热型地热提取热量。

优选地，套管11包括一开套管和二开套管组成，采用金属材质，保温管15采用PPR管。

优选的方案中，所述开采分支井2和回灌分支井3下端皆设置有滤水管5。

优选地，开采分支井2包括相连接的造斜井段和采热井段，造斜井段与主井内保温的侧壁连通，采热井段延伸至热储层。

优选地，回灌分支井3包括相连接的造斜井段和回灌井段，造斜井段与二开套管的侧壁连通，回灌井段与延伸至热储层，其中采热井段与回灌井段下入滤水管5，两者之间距离满足不被热突破的距离。

优选的方案中，所述开采分支井2与保温管15连通处和回灌分支井3与套管11连通处分别设置有第一分隔器21和第二分隔器31。

优选的方案中，所述保温管15下端设置第三分隔器12，第三分隔器12位于第一分隔器21和第二分隔器31下部。

优选的方案中，所述套管11内设置止水系统13，止水系统13位于套管11内和保温管15之间靠近第三分隔器12处的环形空间内；套管11下端设置有井底封堵座14。

优选地，止水系统13为钻孔中的止水设备，主要由充气系统及压力传感系统组成。使用时，将止水系统充入高压氮气，使其膨胀与井壁和管壁紧密接触，产生止水作用，防止水流通过。

优选地，第一分隔器21、第二分隔器31和第三分隔器12为可取式桥塞，用于临时封闭某一分支，通过单独控制各桥塞开闭，形成单井换热系统或者水热型地热利用系统。

优选的方案中，所述循环系统4中依次串联有回灌流体处理装置41、第一地面热交换装置42、三通阀43、第二地面热交换装置44和高压泵45。

优选地，单井循环换热包括高压泵45与套管11及三通阀43与保温管15连通的回路，该回路中设置有高压泵45。

优选地，水热型地热包括高压泵45和回灌流体处理装置41，第一地面热交换装置42和第二地面热交换装置44分别位于三通阀43两侧，通过三通阀43导通高压泵45一侧的回路，或者通过三通阀43导通回灌流体处理装置41一侧的回路。

优选的方案中，所述回灌流体处理装置41和高压泵45一侧与套管11连通，三通阀43与保温管15上端连通。

优选的方案中，如上所述的多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统的构建方法，它包括如下步骤：

S1，根据地热田物化探及地质探井资料，确定地热井的主井1地面施工位置，并采集地下岩层的地温梯度、岩性、岩石热导率、孔隙度和含水层渗透率的信息；

S2，根据S1中采集的信息划分水热型热储开采层及单井换热目的层，确定主井1和各分支井的钻遇目的层的深度与位置；此步骤中，将渗透率较高的含水层作为水热型地热流体开采目的层即热储层，将上部隔水层或弱透水层底部作为单井换热目的层的开采底界；

S3，根据S1中采集的信息计算各分支井的距离，即开采分支井2和回灌分支井3的合理间距；此步骤的目的在于，避免发生热突破。

S4，根据单井换热目的层的深度与位置，设计钻井工程方案，钻取分支井眼的垂直主井眼至上部隔水层或弱透水层底部，底部下入井底封堵座14；

S5，将套管11置于垂直主井眼内，保温管15置于套管11内；

S6，开采分支井2和回灌分支井3延伸至热储层，开采分支井2和回灌分支井3下端设置滤水管5；

S7，循环系统4中的回灌流体处理装置41和高压泵45与套管11连通，三通阀43与保温管15连通。

优选的方案中，如上所述的多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统的单井换热提取热量方法，它包括如下步骤：

S1，在开采分支井2与保温管15连通处和回灌分支井3与套管11连通处分别设置有第一分隔器21和第二分隔器31，阻止开采分支井2与保温管15与主井1连通，保证流体在地热主井内形成取热不取水的循环；此步骤中，取出第三分隔器12和止水系统13，第一分隔器21和第二分隔器31分别封闭开采分支井2和回灌分支井3；

S2，打开三通阀43，导通保温管15，从主井1内出来的高温流体沿保温管15流向循环系统4；

S3，高温流体与循环系统4中的第二地面热交换装置44进行热量交换，交换后形成低温流体，高压泵45将低温流体排入套管11和保温管15之间的环形腔内；

S4，环形腔内的低温流体从上部向主井1底部流动，套管11与岩层充分接触进行热交换，低温流体与套管11接触进行热交换，转换成高温流体，回流至保温管15内。

优选的方案中，如上所述的多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统的水热型地热提取热量方法，它包括如下步骤：

S1，取出位于开采分支井2内的第一分隔器21，将第三分隔器12置于套管11内，使保温管15与开采分支井2连通；

S2，取出位于回灌分支井3内的第二分隔器31，将止水系统13下放至套管11内并靠近第三分隔器12，向止水系统13内冲入高压氮气，使其膨胀与套管11和保温管15紧密接触，使套管11与保温管15之间的环形空间只与回灌分支井3连通；

S3，打开三通阀43，导通保温管15，热储层的地热流体通过开采分支井2进入保温管15内，保温管15内的高温地热流体进入循环系统4中；

S4，回灌流体处理装置41启动，高温地热流体在循环系统4中流动与第一地面热交换装置42进行热交换后进入回灌流体处理装置41，回灌流体处理装置41对地热流体进行脱气扬沙处理，高温流体转换成低温流体流入套管11和保温管15之间的环形空间内，并沿回灌分支井3返回至热储层；

或者，高压泵45启动，高温地热流体在循环系统4中流动与第二地面热交换装置44进行热交换后转换成低温流体，流入套管11和保温管15之间的环形空间内，并沿回灌分支井3返回至热储层；

S5，在S4中，若地热流体难以回灌，在循环系统4中设置加压装置，进行加压回灌水。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统，其特征是：它包括主井（1）、开采分支井（2）、回灌分支井（3）和循环系统（4）；所述主井（1）内置有套管（11），开采分支井（2）一端穿过套管（11）与主井（1）内的保温管（15）连通，回灌分支井（3）一端与套管（11）连通，循环系统（4）与保温管（15）和套管（11）连通，开采分支井（2）和回灌分支井（3）的另一端向套管（11）下端两侧延伸；

所述开采分支井（2）与保温管（15）连通处和回灌分支井（3）与套管（11）连通处分别设置有第一分隔器（21）和第二分隔器（31）；

所述保温管（15）下端设置第三分隔器（12），第三分隔器（12）位于第一分隔器（21）和第二分隔器（31）下部；

所述套管（11）内设置止水系统（13），止水系统（13）位于套管（11）内和保温管（15）之间靠近第三分隔器（12）处的环形空间内；套管（11）下端设置有井底封堵座（14）。

2.根据权利要求1所述的多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统，其特征是：所述开采分支井（2）和回灌分支井（3）下端皆设置有滤水管（5）。

3.根据权利要求1所述的多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统，其特征是：所述循环系统（4）中依次串联有回灌流体处理装置（41）、第一地面热交换装置（42）、三通阀（43）、第二地面热交换装置（44）和高压泵（45）。

4.根据权利要求3所述的多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统，其特征是：所述回灌流体处理装置（41）和高压泵（45）一侧与套管（11）连通，三通阀（43）与保温管（15）上端连通。

5.根据权利要求1~4任一项所述的多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统的构建方法，其特征是，它包括如下步骤：

S1，根据地热田物化探及地质探井资料，确定地热井的主井（1）地面施工位置，并采集地下岩层的地温梯度、岩性、岩石热导率、孔隙度和含水层渗透率的信息；

S2，根据S1中采集的信息划分水热型热储开采层及单井换热目的层，确定主井（1）和各分支井的钻遇目的层的深度与位置；此步骤中，将渗透率较高的含水层作为水热型地热流体开采目的层即热储层，将上部隔水层或弱透水层底部作为单井换热目的层的开采底界；

S3，根据S1中采集的信息计算各分支井的距离，即开采分支井（2）和回灌分支井（3）的合理间距；

S4，根据单井换热目的层的深度与位置，设计钻井工程方案，钻取分支井眼的垂直主井眼至上部隔水层或弱透水层底部，底部下入井底封堵座（14）；

S5，将套管（11）置于垂直主井眼内，保温管（15）置于套管（11）内；

S6，开采分支井（2）和回灌分支井（3）延伸至热储层，开采分支井（2）和回灌分支井（3）下端设置滤水管（5）；

S7，循环系统（4）中的回灌流体处理装置（41）和高压泵（45）与套管（11）连通，三通阀（43）与保温管（15）连通。

6.根据权利要求1~4任一项所述的多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统的单井换热提取热量方法，其特征是，它包括如下步骤：

S1，在开采分支井（2）与保温管（15）连通处和回灌分支井（3）与套管（11）连通处分别设置有第一分隔器（21）和第二分隔器（31），阻止开采分支井（2）与保温管（15）与主井（1）连通，保证流体在地热主井内形成取热不取水的循环；此步骤中，取出第三分隔器（12）和止水系统（13），第一分隔器（21）和第二分隔器（31）分别封闭开采分支井（2）和回灌分支井（3）；

S2，打开三通阀（43），导通保温管（15），从主井（1）内出来的高温流体沿保温管（15）流向循环系统（4）；

S3，高温流体与循环系统（4）中的第二地面热交换装置（44）进行热量交换，交换后形成低温流体，高压泵（45）将低温流体排入套管（11）和保温管（15）之间的环形腔内；

S4，环形腔内的低温流体从上部向主井（1）底部流动，套管（11）与岩层充分接触进行热交换，低温流体与套管（11）接触进行热交换，转换成高温流体，回流至保温管（15）内。

7.根据权利要求1~4任一项所述的多分支单井循环换热及水热型地热复合取热系统的水热型地热提取热量方法，其特征是，它包括如下步骤：

S1，取出位于开采分支井（2）内的第一分隔器（21），将第三分隔器（12）置于套管（11）内，使保温管（15）与开采分支井（2）连通；

S2，取出位于回灌分支井（3）内的第二分隔器（31），将止水系统（13）下放至套管（11）内并靠近第三分隔器（12），向止水系统（13）内冲入高压氮气，使其膨胀与套管（11）和保温管（15）紧密接触，使套管（11）与保温管（15）之间的环形空间只与回灌分支井（3）连通；

S3，打开三通阀（43），导通保温管（15），热储层的地热流体通过开采分支井（2）进入保温管（15）内，保温管（15）内的高温地热流体进入循环系统（4）中；

S4，回灌流体处理装置（41）启动，高温地热流体在循环系统（4）中流动与第一地面热交换装置（42）进行热交换后进入回灌流体处理装置（41），回灌流体处理装置（41）对地热流体进行脱气扬沙处理，高温流体转换成低温流体流入套管（11）和保温管（15）之间的环形空间内，并沿回灌分支井（3）返回至热储层；

或者，高压泵（45）启动，高温地热流体在循环系统（4）中流动与第二地面热交换装置（44）进行热交换后转换成低温流体，流入套管（11）和保温管（15）之间的环形空间内，并沿回灌分支井（3）返回至热储层；

S5，在S4中，若地热流体难以回灌，在循环系统（4）中设置加压装置，进行加压回灌。

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