CN114658394A - 一种改造深部废弃矿井的地下循环采热系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种改造深部废弃矿井的地下循环采热系统及方法，该地下循环采热系统包括矿井水处理子系统、采热子系统和换热子系统，所述矿井水处理子系统为采热子系统提供采热工质，收集利用废弃矿井中矿井水用做循环采热工质进行整个地下的采热循环；所述换热子系统用于实现对采热工质的循环利用，包括热水仓、发电装置、冷凝换热装置、冷却换热装置，四者都布设在废弃矿井的巷道内；所述采热子系统用于对深部地热资源进行开采。不同以往单一的废弃矿井开发利用模式，不仅对矿井水进行了处理，降低了其对地层环境的破坏，而且将其作为循环采热工质，实现了资源的优化，更大程度地开发利用了地下矿井的空间及深部地层的地热资源。
Description
技术领域
本发明涉及深部废弃矿井的改造及深部地热资源的开发利用领域，具体涉及一种改造深部废弃矿井的地下循环采热系统及方法。
背景技术
由于长时间大规模地开采矿产资源，许多地方面临着矿产资源枯竭的问题,而全球对于环境问题的重视程度不断加深，经济效益与环境效益的矛盾日渐尖锐。随之产生的，由于资源枯竭、不符合绿色生产要求、开采技术落后、经济效益差等原因关闭的废弃矿井越来越多。据相关研究表明，在2016年间就关闭了约2000处地下矿井，到2030年这个数量估计会达到15000处。
大量地下矿井的关闭，不仅会对环境造成破坏，例如但不仅限于水质的污染、地质结构的扰动和次生灾害等；而且会造成许多资源的浪费，如大量的矿井水、广阔的地下空间及深部的地热资源等。矿井的深度一般在几百米到上千米，虽然地温梯度不一样，但是其巷道内的温度可达到20到30度，尤其更深处蕴藏着庞大的地热资源。但现有技术对于矿井水、空间资源及深部地热资源的整合利用不够全面，因此如何能更加经济、高效、合理地利用深部废弃矿井广阔的地下空间，将废弃矿井的热能、水能及深部地层的地热能都加以利用，实现资源利用的最优化是亟待解决的技术问题。
发明内容
鉴于上述开发模式的缺点，结合地热开发的技术，本发明提供了一种改造深部废弃矿井的地下循环采热系统及方法。
本发明为了解决相关问题所采用的技术方案是：提供一种改造深部废弃矿井的地下循环采热系统，该地下循环采热系统包括矿井水处理子系统、采热子系统和换热子系统，其特征在于：所述矿井水处理子系统为采热子系统提供采热工质，收集利用废弃矿井中矿井水用做循环采热工质进行整个地下的采热循环；
所述换热子系统用于实现对采热工质的循环利用，包括热水仓7、发电装置8、冷凝换热装置6、冷却换热装置5，四者都布设在废弃矿井的巷道内；
所述采热子系统用于对深部地热资源进行开采，包括水平井和垂直注水井、垂直采出井，所述水平井10具有水平段，所述水平段位于目标热储层DC3中，水平井10的水平段与所述垂直注水井4、垂直采出井9的底部相连通：所述垂直注水井的底部和垂直采出井9的底部均位于目标热储层DC3中；
所述矿井水处理子系统包括集水仓1、反应车间2和储水仓3，三者均布设在废弃矿井的巷道内，
收集矿井水的集水仓1，布设在垂直注水井4的一侧；
对矿井水进行处理的反应车间2，布设在垂直注水井4的一侧，且位于所述集水仓1的附近；
储存清水的储水仓3，内设换热管道，布设在垂直注水井4的一侧，且位于所述反应车间2的附近；
储水仓3的高温入口连接反应车间2处理后的矿井水，储水仓的低温进水口通过第一地表水输送管道14连接地表水，储水仓一出水口通过管道连接垂直注水井4；储水仓的另一出口连接冷却换热装置5的低温入水口；
所述冷却换热装置5的第一出水口再通过相应管道连接至地面，冷却换热装置5的高温入水口通过管道与热水仓7的一个出口相连，冷却换热装置5的第二出水口再连接至垂直注入井4；
所述热水仓7一侧连接发电装置8，热水仓上部出口通过管道与冷凝换热装置6的高温入口相连，热水仓下部的出口通过管道与冷却换热装置5相连，热水仓下部的入口连接垂直采出井9；发电装置8另一端通过管道连接至地面；
冷凝换热装置6的第一出口与垂直注入井4相连，冷凝换热装置的第二出口通过热水输送管道11连接至地面，冷凝换热装置6的低温入口连接第二地表水输送管道12。
储存热水和水蒸气的热水仓，布设在垂直采出井的一侧；
利用高温水蒸气发电的发电装置，布设在垂直采出井的一侧，且位于热水仓的一侧；
冷凝换热装置，布设在垂直注水井4、垂直采出井9之间；
冷却换热装置，布设在垂直注水井4、垂直采出井9之间。
本发明所述的集水仓、反应车间、储水仓都布设在废弃矿井的巷道内，形成一个收集处理矿井水的系统，并为采热子系统提供采热工质。
一口垂直注水井，所述注水井的底部位于目标热储层中；
一口水平井，所述水平井具有水平段，所述水平段位于目标热储层中；
一口垂直采出井，所述采出井的底部位于目标热储层中；
本发明所述的水平段与所述垂直注采井的底部相连通，形成采热子系统。
本发明所述的垂直注水井是在废弃矿井的生产井的基础上向下打至目标储热层，垂直采出井是在废弃矿井的通风井之下。
本发明所述的热水仓、发电装置、冷凝换热装置、冷却换热装置都布设在废弃矿井的巷道内，形成一个换热子系统，实现对采热工质的循环利用。
本发明所述的矿井水处理子系统、采热子系统、换热子系统共同形成整个地下循环采热系统。
本发明还提供一种改造深部废弃矿井的地下循环采热方法，该方法包括：
将废弃矿井中的矿井水收集到集水仓，通过反应车间对矿井水进行处理，将产生的废渣通过矿井运输到地面，将得到的清水储存到储水仓；
地表水从废旧矿井的生产井运输到储水仓换热管道中，与清水发生热量交换。储水仓中的清水降温之后，从垂直注水井进入采热子系统，到达热储层后，经过水平井的水平段与周围岩石交换热量，形成的高温水通过垂直采出井产出，储存到热水仓中；
热水仓中的高温水蒸气通过发电装置进行发电，通过运输管道从通风井输送到地面；
热水仓中的热水通过冷却换热装置与从储水仓换热管道中出来的水进行热量交换，降温之后继续进入循环系统进行下一轮采热，从储水仓换热管道中出来的水再次被加热后通过运输管道从生产井输送到地面；
地表水被收集之后通过运输管道从通风井输送至地下，由冷凝换热装置与高温水蒸气进行热量交换，加热后的水资源通过运输管道从矿井输送到地面，高温水蒸气降温冷凝后继续进入循环系统进行下一轮采热。
水平井的长度优选为800-1000M，垂直注水井深度为3-4KM(不包括原本构造的通风井深度)，垂直采出井深度在3-4KM。
如上所述，本发明的一种改造深部废弃矿井的地下循环采热系统及方法，具有以下优势：
本发明的一种改造深部废弃矿井的地下循环采热系统及方法，不同以往单一的废弃矿井开发利用模式，不仅对矿井水进行了处理，降低了其对地层环境的破坏，而且将其作为循环采热工质，实现了资源的优化。另外，本发明将整个循环采热系统布设在地下，利用废弃矿井的原有结构向地面源源不断地输送电能和热水资源，更大程度地开发利用了地下矿井的空间及深部地层的地热资源，具有节约空间，稳定性强，施工作业量小的优点。在技术方面，采用一注一采加一水平井的U型井进行采热，不同于使用水力压裂方式制造裂隙换热的方式，对深部地层的扰动更小，而且不易污染采热工质和堵塞管道，进一步提高了整个系统的稳定性。
本发明中不仅利用矿井水中的热能，而且降温后可用作采热工质开采更深处的地热能，不需要人工注水重新进行循环，能实现自热循环，利用深部废弃矿井广阔的地下空间，将整个系统布设在地下，以达到稳定性强、节约空间的优点；并且整个系统可以将废弃矿井的热能、水能及更深处地层的地热能都加以利用，以实现资源利用的最优化。这个创新是体现在整个系统的布设和运转上。
附图说明
图1是一种改造深部废弃矿井的地下循环采热系统的剖面示意图；
图2是一种改造深部废弃矿井的地下循环采热方法的流程图；
图3是反应车间内处理矿井水的工艺流程图；
图4是储水仓内换热管道的布设方式图；
图1中，集水仓1，反应车间2，储水仓3，垂直注水井4，冷却换热装置5，冷凝换热装置6，热水仓7，发电装置8，垂直采出井9，水平井10，热水输送管道11，第二地表水输送管道12，第一地表水输送管道14，电能输送管道13，浅地层DC1，中地层DC2，目标储热层DC3。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及方法和所具有的的优势更加明了，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种改造深部废弃矿井的地下循环采热系统及方法。如图1所示，该地下循环采热系统包括矿井水处理子系统、采热子系统和换热子系统，所述矿井水处理子系统为采热子系统提供采热工质，收集利用废弃矿井中矿井水，不仅能够减少矿井水给地下环境造成的危害，还可用做循环采热工质进行整个地下的采热循环；
所述换热子系统用于实现对采热工质的循环利用，包括热水仓7、发电装置8、冷凝换热装置6、冷却换热装置5，四者都布设在废弃矿井的巷道内；
所述采热子系统用于对深部地热资源进行开采，包括水平井和垂直注水井、垂直采出井，所述水平井10具有水平段，所述水平段位于目标热储层DC3中，水平井10的水平段与所述垂直注水井4、垂直采出井9的底部相连通：所述垂直注水井的底部和垂直采出井9的底部均位于目标热储层DC3中；
所述矿井水处理子系统包括集水仓1、反应车间2和储水仓3，三者均布设在废弃矿井的巷道内，
收集矿井水的集水仓1，布设在垂直注水井4的一侧；
对矿井水进行处理的反应车间2，布设在垂直注水井4的一侧，且位于所述集水仓1的附近；
储存清水的储水仓3，内设换热管道，布设在垂直注水井4的一侧，且位于所述反应车间2的附近。
储水仓3的高温入口连接反应车间2处理后的矿井水，储水仓的低温进水口通过第一地表水输送管道14连接地表水，矿井水和地表水经储水仓内的换热管道换热后，储水仓一出水口通过管道连接垂直注水井4，降温后的矿井水进入垂直注水井；储水仓的另一出口连接冷却换热装置5的低温入水口，地表水通过第一地表水输送管道14流入储水仓3中的换热管道，与矿井水发生热量交换之后流入冷却换热装置5，使得进入整个循环采热系统的采热工质温度更低，实现更高的采热效率。
所述冷却换热装置5的第一出水口再通过相应管道连接至地面，冷却换热装置5的高温入水口通过管道与热水仓7的一个出口相连，冷却换热装置5的第二出水口再连接至垂直注入井4，从储水仓进来的地表水经冷却换热装置换热后再次升温后，通过第一出水口返回至地面；
所述热水仓7一侧连接发电装置8，热水仓上部出口通过管道与冷凝换热装置6的高温入口相连，热水仓下部的出口通过管道与冷却换热装置5相连，热水仓下部的入口连接垂直采出井9；发电装置8另一端通过管道连接至地面；
冷凝换热装置6的第一出口与垂直注入井4相连，冷凝换热装置的第二出口通过热水输送管道11连接至地面，冷凝换热装置6的低温入口连接第二地表水输送管道12，地表水经第二地表水输送管道12进入冷凝换热装置6被热水仓出来的热水进行加热后，经热水输送管道11再送至地面，而经冷凝换热装置处理后的高温水降温后经冷凝换热装置6的第一出口进入垂直注水井4。
进一步地，垂直注水井4是在废弃矿井的生产井的基础上向下打至目标储热层DC3，垂直采出井9是在废弃矿井的通风井之下。
进一步地，垂直注水井4和水平井10采用高导热水泥材料(名称为高导热固井材料)固井，垂直采出井9采用保温隔热水泥浆固井。
储存热水和水蒸气的热水仓7，布设在垂直采出井9的一侧；
利用高温水蒸气发电的发电装置8，布设在垂直采出井9的一侧，且位于所述热水仓7的附近；
冷凝换热装置6，布设在垂直注水井4、垂直采出井9之间；
冷却换热装置5，布设在垂直注水井4、垂直采出井9之间；如此的布置方式能最大程度地利用地下空间，节约成本。
进一步地，本发明所述的矿井水处理子系统、采热子系统、换热子系统共同形成整个地下循环采热系统。
在本实施方式中，整个系统全部布设在地下，不仅具有较强的稳定性，而且充分利用了废弃矿井广阔的地下空间；所述垂直注水井4、垂直采出井9在废弃矿井的基础上进行施工，减小了工作量，降低了成本。
如图2所示，本发明还提供一种改造深部废弃矿井的地下循环采热方法，包括：
将废弃矿井中的矿井水收集到集水仓1，通过反应车间2对矿井水进行处理，将产生的废渣通过矿井运输到地面，将得到的清水储存到储水仓3；
储水仓3中的清水经过地表水的降温之后从垂直注水井4进入采热子系统，到达热储层后，经过水平井10的水平段与周围岩石交换热量，形成的高温水通过垂直采出井9产出，储存到热水仓7中；高温水从垂直采出井出来后由压强变化一部分水为蒸汽状态，一部分为高温热水，高温热水温度约为90℃以上，降温冷却后接近矿井本身温度约为20-30℃左右，可以作为循环采热工质；
热水仓7中的高温水蒸气通过发电装置8进行发电，通过电能输送管道13从通风井输送到地面；
热水仓7中的热水通过冷却换热装置5与储水仓3第一次升温后的地表水再次进行热量交换，热水仓的热水降温之后继续进入垂直注水井进行下一轮采热，储水仓3换热管道内的地表水被再次加热后通过热水输送管道11从生产井输送到地面；储水仓3换热管道内的地表水先对矿井水进行降温，地表水升温后对垂直采出井采出的热水进行降温，地表水经过两次加热之后已经达到可直接利用的温度(约40℃以上，优选40-50℃左右)，直接输送到地面，能够最大效率的利用热能，提高热利用率。
地表水被收集之后通过第二地表水输送管道12从通风井输送至地下，由冷凝换热装置6与高温水蒸气进行热量交换，加热后的水资源通过热水输送管道11从矿井输送到地面，高温水蒸气降温冷凝后继续进入垂直注水井进行下一轮采热。
在本实施方式中，该采热方法所使用的采热工质全部来自于处理后的矿井水。如图3所示，反应车间2包括沉砂池、混合反应池、沉淀池，沉砂池和沉淀池的沉淀即为废渣，沉淀池上部出水和经压滤机处理后的出水均为清水，产生的废渣可通过矿井运输到地面，不仅减少了矿井水对地质环境的破坏，还能转化为可供使用的热水资源，实现资源的优化。
进一步地，本采热子系统中不涉及传统的压裂工艺，减少了对深部地层的扰动，可最大程度做到取热不取水；并且采热工质可以循环使用，降低了对资源的消耗。
进一步地，整个系统可以稳定地向地面输送电能和热水资源，实现对地热资源的高效利用。
本发明改造深部废弃矿井的地下循环采热系统及方法，整个系统利用原有废弃矿井的部分构造，扩建了循环采热系统，垂直注水井在废旧矿井的生产井基础上往下打至目标储热层，水平井打在目标储热层中，垂直采出井在废旧矿井的通风井基础上往下打至目标储热层，垂直注采井底部与水平井相联通。利用废弃矿井地下空间，水处理装置，发电装置及换热装置布设在巷道内，与采热子系统形成整个地下循环系统。与传统地热循环系统相比，具有节约空间，稳定性强，施工作业量小，对深部地层扰动小，地热利用率高的优点。地下循环采热过程中所使用的的采热工质均由矿井水经过处理得到，不额外开采深部的地下水，真正实现取热不取水。收集利用废弃矿井中矿井水，不仅能够减少矿井水给地下环境造成的危害，还可用做循环采热工质进行整个地下的采热循环。
以上所述仅为本发明的实施例，为了说明本发明的目的、技术方案及方法，而非因此限制本发明的专利范围。相关领域的技术人员依据申请文件公开的内容，可对本发明实施例进行改进而不脱离本发明的技术思想和专利范围。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (5)
1.一种改造深部废弃矿井的地下循环采热系统，该地下循环采热系统包括矿井水处理子系统、采热子系统和换热子系统，其特征在于：所述矿井水处理子系统为采热子系统提供采热工质，收集利用废弃矿井中矿井水用做循环采热工质进行整个地下的采热循环；
所述换热子系统用于实现对采热工质的循环利用，包括热水仓、发电装置、冷凝换热装置、冷却换热装置，四者都布设在废弃矿井的巷道内；
所述采热子系统用于对深部地热资源进行开采，包括水平井和垂直注水井、垂直采出井，所述水平井具有水平段，所述水平段位于目标热储层中，水平井的水平段与所述垂直注水井、垂直采出井的底部相连通：所述垂直注水井的底部和垂直采出井的底部均位于目标热储层中；
所述矿井水处理子系统包括集水仓、反应车间和储水仓，三者均布设在废弃矿井的巷道内，
收集矿井水的集水仓，布设在垂直注水井的一侧；
对矿井水进行处理的反应车间，布设在垂直注水井的一侧，且位于所述集水仓的附近；
储存清水的储水仓，内设换热管道，布设在垂直注水井的一侧，且位于所述反应车间的附近；
储水仓的高温入口连接反应车间处理后的矿井水，储水仓的低温进水口通过第一地表水输送管道连接地表水，储水仓一出水口通过管道连接垂直注水井；储水仓的另一出口连接冷却换热装置的低温入水口；
所述冷却换热装置的第一出水口再通过相应管道连接至地面，冷却换热装置的高温入水口通过管道与热水仓的一个出口相连，冷却换热装置的第二出水口再连接至垂直注入井；
所述热水仓一侧连接发电装置，热水仓上部出口通过管道与冷凝换热装置的高温入口相连，热水仓下部的出口通过管道与冷却换热装置相连，热水仓下部的入口连接垂直采出井；发电装置另一端通过管道连接至地面；
冷凝换热装置的第一出口与垂直注入井相连，冷凝换热装置的第二出口通过热水输送管道连接至地面，冷凝换热装置的低温入口连接第二地表水输送管道。
2.根据权利要求1所述的改造深部废弃矿井的地下循环采热系统，其特征在于，
储存热水和水蒸气的热水仓，布设在垂直采出井的一侧；
利用高温水蒸气发电的发电装置，布设在垂直采出井的一侧，且位于热水仓的一侧；
冷凝换热装置，布设在垂直注水井、垂直采出井之间；
冷却换热装置，布设在垂直注水井、垂直采出井之间。
3.根据权利要求1所述的改造深部废弃矿井的地下循环采热系统，其特征在于，垂直注水井是在废弃矿井的生产井的基础上向下打至目标储热层，垂直采出井是在废弃矿井的通风井之下。
4.根据权利要求1所述的改造深部废弃矿井的地下循环采热系统，其特征在于，垂直注水井和水平井采用高导热水泥材料固井，垂直采出井采用保温隔热水泥浆固井。
5.一种改造深部废弃矿井的地下循环采热方法，采用权利要求1-4任一所述的改造深部废弃矿井的地下循环采热系统，其特征在于，该采热方法的具体过程是：
将废弃矿井中的矿井水收集到集水仓，通过反应车间对矿井水进行处理，将产生的废渣通过矿井运输到地面，将得到的清水储存到储水仓；
地表水从废旧矿井的生产井运输到储水仓的换热管道中，与清水发生热量交换；储水仓中的清水降温之后，从垂直注水井进入采热子系统，到达目标储热层后，经过水平井的水平段与周围岩石交换热量，形成的高温水通过垂直采出井产出，储存到热水仓中；
热水仓中的高温水蒸气通过发电装置进行发电，电能通过运输管道从通风井输送到地面；
热水仓中的热水通过冷却换热装置与从储水仓的换热管道中出来的水进行热量交换，降温之后继续进入垂直注水井进行下一轮采热，从储水仓的换热管道中出来的水再次被加热后通过运输管道从生产井输送到地面；
地表水被收集之后通过运输管道从通风井输送至地下，由冷凝换热装置与高温水蒸气进行热量交换，加热后的水资源通过运输管道从矿井输送到地面，高温水蒸气降温冷凝后继续进入垂直注水井进行下一轮采热。
矿井水作为采热工质只提供热量，地表水经升温之后作为热水资源输送至地面，两者运行路线各自独立，不会混合产生污染。
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