CN114508866A - 水热储层全封闭大尺度co2工质u型热管供暖系统 - Google Patents

水热储层全封闭大尺度co2工质u型热管供暖系统 Download PDF

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蒋坤卿
王令宝
李华山
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Abstract

本发明公开了一种水热储层全封闭大尺度CO2工质U型热管供暖系统，包括注入井、水平井、采出井一、采出井二、换热器一、换热器二、供暖循环泵、用暖终端一和用暖终端二；注入井、水平井、采出井一、采出井二、换热器一及换热器二构成以CO2为循环取热工质的全封闭U型热管；换热器二、换热器一、用暖终端一、供暖循环泵和用暖终端二构成地面供暖系统。本发明以CO2作为循环取热工质，U型热管无需安装工质循环泵，依靠热虹吸作用自动提取水热储层的热量给建筑供暖。

Description

水热储层全封闭大尺度CO2工质U型热管供暖系统
技术领域
本发明涉及地热开发利用技术领域，具体涉及一种利用U型热管提取水热储层地热能进行供暖的系统。
背景技术
我国北方地区雾霾严重，冬季的非清洁能源供暖进一步加剧了雾霾，目前市场对清洁能源供暖技术需求迫切。而我国特别是华北地区地热储量丰富，充分开发利用地热能对解决北方雾霾问题，达成碳中和目标和构建绿色低碳循环经济发展体系具有重要意义。目前我国的地热开发程度高，规模大，对环保和经济发展已经起到了巨大促进作用。但大规模的地热开发也面临两个紧迫问题，一是回灌难，二是地面沉降(地热开发与地面沉降的关系目前仍存在争议)。这两个问题严重掣肘了地热的更大规模开发，目前急需创新性的技术解决它们。
发明内容
为解决地热开采过程中面临的回灌难，造成地面沉降等问题，本发明提出了一种水热储层全封闭大尺度CO2工质U型热管供暖系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种水热储层全封闭大尺度CO2工质U型热管供暖系统，包括注入井、水平井、采出井一、采出井二、换热器一、换热器二、供暖循环泵、用暖终端一和用暖终端二；
注入井、水平井、采出井一、采出井二、换热器一及换热器二构成以CO2为循环取热工质的全封闭U型热管，采出井一、注入井和采出井二依次竖直间隔设置，上部位于致密岩石中，下部位于水热储层中，水平井位于水热储层中，并分别与采出井一、注入井、采出井二的底部相连通；
采出井一出口经换热器一一次侧后接入注入井，采暖循环泵、换热器一二次侧和用暖终端一依次相连构成供暖回路一，采出井二出口经换热器二一次侧后接入注入井，采暖循环泵、换热器二二次侧和用暖终端二依次相连构成供暖回路二。
作为本发明的一种改进，所述循环取热工质靠密度差自动运行，无需工质循环泵，可提高取热效率。
作为本发明的一种改进，所述水平井的安装位置位于水热储层厚度的1/5到2/5处，此处温度最高，换热量大。
作为本发明的一种改进，所述水平井的安装方向在水流垂直方向的±30°以内，可通过自然对流强化换热，提高U型热管的取热量。。
作为本发明的一种改进，所述注入井在致密岩石的井段采用高导热水泥固井，以便更多的岩石热量传导进井筒。
作为本发明的一种改进，所述采出井一和采出井二在致密岩石的井段采用保温水泥固井，以防止工质的热量散失到岩石中。
作为本发明的一种改进，所述采出井一、注入井、采出井二在水热储层的井段、以及水平井均不固井，直接让地热水和井管接触，形成自然对流，提高U型热管的取热量。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
(1)采用全封闭大尺度U型热管(地下换热器)取热技术，通过热管开发中深层地热能用于供暖，因系统全封闭，不采地下热水，因此不存在回灌和地面沉降问题。
(2)采用CO2作为循环取热工质，U型热管无需安装工质循环泵，依靠热虹吸作用自动提取水热储层的热量给建筑供暖。
附图说明
图1是本发明的水热储层全封闭大尺度CO2工质U型热管供暖系统的原理图。
附图标记说明：1-水热储层；2-水平井；3-致密岩石；4-采出井一；5-采出管；6-注入井；7-注入管；8-采出井二；9-换热器二；10-换热器一；11-热水管；12-建筑一；13-供暖循环泵；14-泵后冷水管；15-泵前冷水管；16-建筑二。
具体实施方式
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。
实施例
如图1所示，一种水热储层全封闭大尺度CO2工质U型热管供暖系统，主要包括水热储层1、水平井2、致密岩石3、采出井一4、采出管5、注入井6、注入管7、采出井二8、换热器二9、换热器一10、热水管11、建筑一12、供暖循环泵13、泵后冷水管14、泵前冷水管15和建筑二16。
其中，注入井6、采出井一4、采出井二8、水平井2、换热器一10和换热器二9构成全封闭U型热管。采出井一4、注入井6和采出井二8依次竖直间隔设置，上部位于致密岩石3中，下部位于水热储层1中，水平井2位于水热储层1中，并分别与采出井一4、注入井6、采出井二8的底部相连通。采出井一4的出口经采出管5与换热器一10的一次侧入口连接，换热器一10的一次侧出口经注入管7接入注入井6。采出井二8的出口经采出管与换热器二9的一次侧入口连接，换热器二9的一次侧出口经注入管7接入注入井6。
换热器二9、换热器一10、热水管11、建筑一12、供暖循环泵13、泵后冷水管14、泵前冷水管15和建筑二16构成地面供暖系统。供暖系统采用水作为载热介质。泵前冷水管15连接到供暖循环泵13，然后通过泵后冷水管14分别连接到换热器一10和换热器二9的二次侧入口，换热器一10的二次侧出口通过热水管11连接到建筑一12，释放热量后的热水变为冷水，经泵前冷水管15进入供暖循环泵13；换热器二9的二次侧出口通过热水管连接到建筑二16，释放热量后的热水变为冷水，经泵前冷水管15进入供暖循环泵13。
本申请采用CO2作为全封闭U型热管的循环取热工质，注入井6的CO2温度低，采出井一4和采出井二8的CO2温度高，由于CO2的密度随温度变化较大，注采井存在较大的压力差。因此，整个U型热管系统不用工质循环泵，靠CO2的密度差(也叫热虹吸效应)自动运行，没有泵耗，大幅提高了系统采热效率。
优选的，注入井6在致密岩石1的井段采用高导热水泥固井，采出井一4和采出井二8在致密岩石3的井段采用保温水泥固井，注入井6、采出井一4和采出井二8在水热储层1的井段、以及水平井2均不固井，直接让地热水和井管接触，通过水平向流动以及竖直向的自然对流强化换热，提高U型热管的取热量。
下面以井深3000米，地温梯度35℃，水热储层温度120℃，储层厚度20米，水平井长度1000米，供暖系统供水温度40℃，回水温度30℃为例阐述其具体实施过程：
水热储层1可以是砂岩储层，也可以是碳酸岩储层。U型热管从地下取热，在换热器散热；供暖系统从换热器取热，在建筑内散热。采用CO2作为U型热管取热循环工质，利用CO2密度随温度变化较大的特点，在注入和采出井实现大压差，推动热管工质自循环，无需工质循环泵。水平井2位于温度最高的储层内，换热量大，为节约投资，共用注入井6，采用一注多采的形式，可以是一注两采，或者一注三采，或者一注四采。本实施例采用一注两采，分别为采出井一4和采出井二8。为提高竖直井的换热效果，注入井6在致密岩石3中的井段采用高导热水泥固井。采出井一4和采出井二8在致密岩石3中的井段采用保温水泥固井。所有置于水热储层1的井段不固井。CO2进入注入井6后，吸收致密岩石3和水热储层1的热量，然后进入水平井2继续吸热。相比于水热储层，由于CO2的吸热，不论是注入，采出还是水平井，温度均较低，因此，在井的周围形成了低温区，造成水的密度变大，形成了自然对流现象。注入和采出井位于水热储层1的竖直井段，因自然对流的形成强化了热量的获取。同样，水热储层1内的水平井段，通过自然对流也强化了换热。另外，水热储层1内，含水层的水平向流动也强化了竖直井段和水平井的取热量。由于水平井段较长，换热量较大，因此，水平井2的安装方向最好垂直于地下水的水流方向，如果不具备垂直安装条件，安装方向最好在垂直方向±30°以内，以强化热量的获取。为了更好的获取水热储层1的热量，需要形成自然对流，而且需要自然对流更好的利用储层的厚度。以储层厚度20米为例，水平井应布置在厚度的1/5到2/5处为佳，也就是布置在距离储层最上部4米至8米处。CO2出水平井后，进入采出井，通过压力差驱动自动沿采出井上升。由于采出井口压力大于注入井口，CO2可以自动克服换热器的阻力而流动，无需工质循环泵。出采出井口的CO2温度为68℃。CO2在换热器内放热降温后，温度变为45℃，通过注入管7再次进入注入井6。供暖系统以水作为载热介质，通过供暖循环泵13驱动循环，冷水在换热器吸热后变为热水，进入建筑进行供暖。在建筑物内放热的热水变为冷水，通过供暖循环泵13再次进行循环。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种水热储层全封闭大尺度CO2工质U型热管供暖系统，其特征在于：包括注入井、水平井、采出井一、采出井二、换热器一、换热器二、供暖循环泵、用暖终端一和用暖终端二；
注入井、水平井、采出井一、采出井二、换热器一及换热器二构成以CO2为循环取热工质的全封闭U型热管，采出井一、注入井和采出井二依次竖直间隔设置，上部位于致密岩石中，下部位于水热储层中，水平井位于水热储层中，并分别与采出井一、注入井、采出井二的底部相连通；
采出井一出口经换热器一一次侧后接入注入井，采暖循环泵、换热器一二次侧和用暖终端一依次相连构成供暖回路一，采出井二出口经换热器二一次侧后接入注入井，采暖循环泵、换热器二二次侧和用暖终端二依次相连构成供暖回路二。
2.根据权利要求1所述的一种水热储层全封闭大尺度CO2工质U型热管供暖系统，其特征在于：所述循环取热工质靠密度差自动运行，无需工质循环泵。
3.根据权利要求1所述的一种水热储层全封闭大尺度CO2工质U型热管供暖系统，其特征在于：所述水平井的安装位置位于水热储层厚度的1/5到2/5处。
4.根据权利要求1所述的一种水热储层全封闭大尺度CO2工质U型热管供暖系统，其特征在于：所述水平井的安装方向在水流垂直方向的±30°以内。
5.根据权利要求1所述的一种水热储层全封闭大尺度CO2工质U型热管供暖系统，其特征在于：所述注入井在致密岩石的井段采用高导热水泥固井。
6.根据权利要求1所述的一种水热储层全封闭大尺度CO2工质U型热管供暖系统，其特征在于：所述采出井一和采出井二在致密岩石的井段采用保温水泥固井。
7.根据权利要求1所述的一种水热储层全封闭大尺度CO2工质U型热管供暖系统，其特征在于：所述采出井一、注入井、采出井二在水热储层的井段、以及水平井均不固井，直接让地热水和井管接触。
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