CN115900114A - 一种基于热管技术的u型地热井自主补热辅热系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于热管技术的U型地热井自主补热辅热系统及方法，属于一般热交换地热供暖的技术领域。本发明包括：分支小井眼、柔性热管和分支小井眼导向装置；分支小井眼导向装置位于下降段底部与水平段入口衔接的位置，所述柔性热管通过分支小井眼导向装置装入分支小井眼内后，关闭分支小井眼导向装置的通道；在所述U型井内充有循环的取暖低温工作介质，并依次沿下降段、水平段和上升段方向流动。本发明利用热管的工作特性，在不依靠人工从地面向井下补充外部能量的情况下，将深部储层的热量自主地传递到浅部储层，实现浅部储层不间断补热辅热。

Description

一种基于热管技术的U型地热井自主补热辅热系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于热管技术的U型地热井自主补热辅热系统及方法，属于一般热交换地热供暖的技术领域。

背景技术

在煤层气开发中常采用U型井来扩大单井控制面积、提高单井产能、减少征地面积，该技术近年来也被用于地热开发。U型地热井是利用直井和水平井在储层对接，形成连通的U型井筒，利用工质在井筒中的循环实现与储层换热，是一种有效的取热不取水技术。

中国专利文献公开了CN216897879U一种水井式螺旋地埋管含水层直接换热系统，采用螺旋铜管作为换热管道，提高了换热管的换热效率，同时螺旋式结构可以增加换热管的有效接触面积，可以使热交换进行的更加充分，从而大大提高系统的工作性能；采用“取热不取水”的设计理念，避免了一般地下水源热泵系统过量抽取地下水引起地面沉降等岩土工程问题，且能够有效的减少对地下水造成的污染。虽然选用了增加接触面积的螺旋铜管，但是该管路是通过浸润地下水井实现热交换，这对地层含水有特殊要求。无法在多种场景中低成本运行，更进一步，该方案没有考虑地层补热辅热的因素。

中国专利文献CN114427755A公开了一种岩溶热储U型换热器高效取热系统，包括注入井、水平井、采出井、换热器、采暖循环泵和用暖终端；注入井、水平井和采出井依次相连构成U型换热器，注入井和采出井的上部位于致密岩石中，注入井和采出井的下部以及水平井位于岩溶热储层中，采出井出口经换热器一次侧后接入注入井，采暖循环泵、换热器二次侧和用暖终端依次相连构成用暖回路。虽然该方案采用的U型管思路，还通过双管分别在致密岩石、岩溶热储层进行换热，但是该方案也没有考虑地层补热辅热的因素。

中国专利文献CN216244956U公开一种循环二氧化碳相变提取中深层地热能的装置，公开复合管系统位于地下完井套管(6)内，由井口装置悬挂在地面井口；复合管系统包含注入管单元(7)和排出管单元(3)，注入管单元和排出管单元之间为复合管环空(2)，注入管单元的直径小于排出管单元的直径且注入管单元与排出管单元同心布置于完井套管内；换热存储系统位于地面，包含绝热管路(21)、换热器一(10)、螺杆压缩机(11)、换热器二(12)、制冷机(13)、储罐(14)和增压泵(16)。该实用新型二氧化碳工质从单一直井或斜井内通过相变高效提取地热能，且二氧化碳工质封闭循环、不接触地层，满足取热不取水的要求，但是该方案也没有考虑地层补热辅热的因素。

中国专利文献CN215864110U公开了一种中深层地热能取热结构，包括第一外套竖管、第二外套竖管、内套管和多根横管，所述第一外套竖管、所述第二外套竖管和多根所述横管配合能够形成相对封闭的腔室，所述腔室内充满水，所述内套管由所述进水端至所述出水端依次穿过所述第一外套竖管、最上层的所述横管和所述第二外套竖管，所述内套管的进水端和出水端分别与所述热泵系统连通，所述内套管内填充有用于换热的介质，所述介质能够吸收所述腔室内的水的热量并将热量传递给所述热泵系统。利用该地热能取热结构可高效的利用地热资源，只取热不取水，不会产生因过量开采地热水造成地面塌陷和水资源的污染与浪费。值得注意的是，在该方案中“第二封堵块7和第三封堵块8能够使第一外套竖管1和第二外套竖管2内的水位产生高度差，当腔室5内的水存在温度差时，横管4的倾斜设置能够使温度高的水通过除最上层的横管4外其他的横管4向第二外套竖管2方向汇集，与内套管3内的介质进行换热后温度低的水通过最上层的横管4向第一外套竖管1正下方汇集，使腔室5内的水形成自发的流动，而最上层的横管4内的介质是由第一外套竖管1向第二外套竖管2方向流动，进而使腔室5内的水与内套管3内的介质形成逆流方式进行热交换，达到最佳的换热效果。”该方案利用横管4中水的自发流动将地层的热量传递给内套管3中的工作介质，但并未考虑地层补热辅热的因素。

中国专利文献CN113279728A公开了一种中深层地热能封闭换热结构及其工艺方法，包括地热井地面管网布局模式和地热井井身结构及换热模式，每种模式均分别包括至少两组区块竖井，相邻两组所述区块竖井底部通过开设于热储层的水平井连通，所述区块竖井内铺设有能够与水平井形成闭合回路的管道，所述管道内用于通入换热介质，相邻两组所述区块竖井能够通过位于地面的换热装置对管道内的换热介质实现热交换。基于该发明的换热结构所提供的中深层地热能封闭换热工艺方法，可采用热传递性能较好的液体进行热交换，实现取热不取水，对地下空间的扰动小，安全环保。但是该方案也没有考虑地层补热辅热的因素。

U型地热井通常由下降段、水平段和上升段三部分组成，与上述专利文献中的注入井、水平井和采出井相对应，其中水平段是主要取热段。通常情况下，取暖低温工作介质从下降段吸收部分热量后进入水平段时，其温度仍低于水平段周围取热储层的温度，在水平段流动过程中会从周围取热储层中吸取大量热量，导致周围取热储层温度下降。结合实际情况，在水平段的取热范围主要集中在水平段入口附近的周围储层，并且温度影响的储层半径通常在井筒附近数十米范围内，在接近上升段的水平段出口附近的储层温度受到的影响很小，这导致取热储层温度沿着水平段方向的下降幅度存在较大差异。传统的地热开采过程中，通常在停暖季依靠自然的热传导方式恢复储层温度，这种方式下井筒周围储层的温度恢复速度慢，当温度还没有得到一定程度恢复的情况下又开始下一轮采暖过程，周而复始上述过程会导致井筒周围储层的温度越来越低，采暖时工作介质从井筒周围储层提取的热量越来越少、井口出水温度越来越低，极大地制约了地热的可持续开采。此外，在采暖过程中，采用一定辅热手段将井筒周围储层的温度保持在一个较高的温度，可以让取暖低温工作介质从井筒周围储层提取更多热量，同时也能缓解井筒周围储层的温度下降幅度，有利于停暖季井筒周围储层的温度快速恢复。因此，寻求一种快速、高效、持续的井筒周围储层补热辅热方式对地热的可持续开采具有重要意义。

热管是一种高效的传热元件，依靠自身内部循环工作介质相变来实现传热。当热管的一端受热时，毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端，放出热量凝结成液体，液体再靠毛细力(或重力)的作用，沿多孔材料流回蒸发段。如此循环不已，热量便从一端传到了另一端。热管在浅层地热能开发中被用于道路融雪、农业大棚升温等领域，一根4200米超长的重力热管已被成功应用雄安新区中深层地热开采。上述热管技术的应用主要集中在井筒取热方面。

迄今为止，还没有利用热管技术对U型地热井水平段进行自主补热辅热的应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开一种基于热管技术的U型地热井自主补热辅热系统。

本发明还公开上述系统的工作方法。

本发明还公开一种对现有U型地热井补热辅热系统改造方法。

本发明利用热管的工作特性，在不依靠人工从地面向井下补充外部能量的情况下，将深部储层的热量自主地传递到浅部储层，实现浅部储层不间断补热辅热。

本发明详细的技术方案如下：

一种基于热管技术的U型地热井自主补热辅热系统，包括：下降段101、水平段102和上升段103，所述下降段101通过水平段102与上升段103相连形成U型井，其特征在于，所述系统还包括分支小井眼201、柔性热管202和分支小井眼导向装置301；分支小井眼导向装置301位于下降段101底部与水平段102入口衔接的位置，为侧钻分支小井眼201和装入柔性热管202提供侧钻和进入通道；所述柔性热管202通过分支小井眼导向装置301装入分支小井眼201内后，关闭分支小井眼导向装置301的通道；在所述U型井内充有循环的取暖低温工作介质，并依次沿下降段101、水平段102和上升段103方向流动；采暖期间，分支小井眼导向装置301的通道处于关闭状态，取暖低温工作介质从下降段101进入水平段102，与周围储层换热后从上升段103流出地面，由于取暖低温工作介质在水平段102入口附近换热强度大，导致水平段102入口附近储层的温度降低幅度大，此时位于分支小井眼201中的柔性热管202内的循环工作介质将远离水平段102一定深度和距离的储层的热量带到水平段102附近储层中，实现采暖期间辅热；停暖期间，分支小井眼导向装置301的通道处于关闭状态，由于采暖期间水平段102入口附近储层的温度降低，与远离水平段102一定深度和距离的储层之间存在一定温差，分支小井眼201中的柔性热管202内的循环工作介质将远离水平段102一定深度和距离的储层的热量带到水平段102附近储层中，实现停暖期间补热。

根据本发明优选的，所述的分支小井眼201包括分支小井眼水平段201A和分支小井眼倾斜段201B，其分支小井眼水平段201A位于水平段102深度以下一定距离处且与水平段102相平行，其分支小井眼倾斜段201B从分支小井眼水平段201A末端向远处一定深度和距离的储层延伸。

根据本发明优选的，所述的柔性热管202包括柔性热管水平段202A和柔性热管倾斜段202B，其总长度与分支小井眼201长度相适应。

根据本发明优选的，所述的柔性热管水平段202A与所述分支小井眼水平段201A所处位置相对应、所述柔性热管倾斜段202B与所述分支小井眼倾斜段201B所处位置相对应。

根据本发明优选的，所述的分支小井眼水平段201A位于水平段102深度以下最大不超过2米的任意距离；优选的，所述距离为0.1米、1米或2米。

根据本发明优选的，所述的分支小井眼水平段201A的长度介于水平段102长度的0.2倍至0.6倍之间。

根据本发明优选的，所述的分支小井眼倾斜段201B的倾斜角为：与沿取暖低温工作介质水平流动方向呈0°-90°之间的任意角度。

根据本发明优选的，所述的分支小井眼倾斜段201B在远离水平段102一定深度和距离的储层中延伸的深度为：以使在采暖期间，所述分支小井眼倾斜段201B起点所在储层的最低温度与所述分支小井眼倾斜段201B终点所在储层的最高温度之间的差值不小于3℃。

根据本发明优选的，在所述柔性热管202内充有的循环工作介质为低沸点介质：氟利昂、液氨、酒精、丙酮、水中的任意一种；优选为液氨。

根据本发明优选的，在所述柔性热管202内充有的循环工作介质的充液率在70％～100％之间。所述充液率指的是柔性热管202内循环工作介质体积占柔性热管202内总体积的百分比。

根据本发明优选的，所述分支小井眼倾斜段201B在远离水平段102一定深度和距离的储层中延伸的最优深度和距离的确定，采用以下步骤：

S1：收集U型地热井所在地区的地质构造参数、热学参数、岩性参数，利用COMSOL多物理场数值模拟软件建立地质模型；

S2：选定U型地热井井筒半径、水平段长度、储层深度、分支小井眼井筒半径、分支小井眼倾斜段201B延伸深度、分支小井眼倾斜段201B延伸距离和分支小井眼倾斜段201B延伸倾斜角，利用COMSOL多物理场数值模拟软件建立U型地热井井筒物理模型、分支小井眼物理模型和柔性热管物理模型；

S3：利用COMSOL多物理场数值模拟软件自带的网格剖分工具所述对地质模型、U型地热井井筒物理模型、分支小井眼物理模型、柔性热管物理模型进行网格剖分；

S4：所述下降段101、水平段102和上升段103内的取暖低温工作介质为水；所述柔性热管202内的循环工作介质为液氨；设置边界条件和初始条件，模拟时间取固定值，水流量取固定值，同时运行地质模型、U型地热井井筒物理模型、分支小井眼物理模型、柔性热管物理模型，统计模拟时间末上升段103井口出水温度、水平段102周围一定半径范围内储层的平均温度；

S5：调整U型地热井井筒半径、水平段长度、储层深度、分支小井眼井筒半径、分支小井眼倾斜段201B延伸深度、分支小井眼倾斜段201B延伸距离和分支小井眼倾斜段201B延伸倾斜角，重复上述步骤S2-S4过程，分别对应形成多种方案；

S6：将上述多种方案中所述模拟时间末上升段井口出水温度、水平段周围一定半径范围内储层的平均温度分别设定为两类目标参数，对所述目标参数分别采用最大最小化归一化方法进行处理，得到每一个方案对应的井口出水温度的归一化结果Ti、水平段周围一定半径范围内储层的平均温度的归一化结果Ri；然后对井口出水温度、水平段周围一定半径范围内储层的平均温度这两类目标参数分别赋以权重值W1和W2；再根据加权求和公式计算每一个方案的综合得分；最后确定上述方案中对应综合得分最高的方案为最优方案。

根据本发明优选的，所述步骤S4中的模拟时间为大于1的任意多年，优选的，5年、10年或50年。

根据本发明优选的，所述步骤S4中的水平段102周围一定半径范围内储层是大于5米小于50米的任意尺寸；优选的，是20米。

根据本发明优选的，所述步骤S6中的对各类目标参数分别采用最大最小化归一化方法为：

在公式(E1)中，xmax为任一类目标参数的最大值，xmin为某一类目标参数的最小值，x(i)为任一类目标参数中第i个待处理参数的数值，X(i)为任一类目标参数中第i个待处理参数的归一化结果，其值在0到1范围内；

按照上述公式(E1)的计算方法，将第i个方案的井口出水温度的归一化结果表示为Ti、第i个方案的水平段周围一定半径范围内储层的平均温度的归一化结果表示为Ri。

根据本发明优选的，所述步骤S6中的两类目标参数分别赋以一定权重值是根据对井口出水温度和水平段周围一定半径范围内储层的平均温度的要求采用专家打分方法分别在0到1范围给出各自权重值W1和W2，井口出水温度、水平段周围一定半径范围内储层的平均温度两类目标参数的权重之和为1，即W1+W2＝1。

根据本发明优选的，所述步骤S6中的根据加权求和公式计算每一个方案的综合得分采用公式(E2)进行计算，根据综合得分最高来确定最优方案：

Si＝Ti×W1+Ri×W2   (E2)

公式(E2)中，Si为任一个方案的综合得分。

根据本发明优选的，所述的分支小井眼采用裸眼完井，以增强柔性热管202在储层中的换热效果。

一种实现安装上述系统的方法，其特征在于，包括：

步骤1：采用常用方法完成U型井建井；

步骤2：在所述水平段102入口处下入分支小井眼导向装置301；

步骤3：通过液控方式打开分支小井眼导向装置301上的滑套开关，露出侧钻孔，利用小井眼径向钻机通过分支小井眼导向装置301上的侧钻孔，钻穿分支小井眼导向装置301所在位置处的水平段102的套管，建成包括分支小井眼水平段201A和分支小井眼倾斜段201B在内的分支小井眼201；

步骤4：将充入循环工作介质的柔性热管202通过分支小井眼导向装置301上的侧钻孔送入分支小井眼201内；

步骤5：通过液控方式关闭分支小井眼导向装置301上的滑套开关，关闭侧钻孔，将U型井和分支小井眼201进行隔离，完成系统建造。

一种对现有U型地热井补热辅热系统改造方法，其特征在于，包括：

步骤1：在所述水平段102入口处下入分支小井眼导向装置301；

步骤2：通过液控方式打开分支小井眼导向装置301上的滑套开关，露出侧钻孔，利用小井眼径向钻机通过分支小井眼导向装置301上的侧钻孔，钻穿分支小井眼导向装置301所在位置处的水平段102的套管，建成包括分支小井眼水平段201A和分支小井眼倾斜段201B在内的分支小井眼201；

步骤3：将充入循环工作介质的柔性热管202通过分支小井眼导向装置301上的侧钻孔送入分支小井眼201内；

步骤4：通过液控方式关闭分支小井眼导向装置301上的滑套开关，关闭侧钻孔，将U型井和分支小井眼201进行隔离，完成系统建造。

利用上述系统在采暖季辅热的方法，其特征在于，包括：

取暖低温工作介质从下降段101进入水平段102，与周围储层换热后从上升段103流出地面；由于取暖低温工作介质在水平段102入口附近换热强度大，导致水平段102入口附近储层的温度降低幅度大，同时，位于分支小井眼201中的柔性热管202内的循环工作介质将远离水平段102一定深度和距离的储层的热量带到水平段102附近储层中，以实现采暖期间对水平段102附近储层的辅热。

利用上述系统在停暖季补热的方法，其特征在于，包括：

由于采暖期间水平段102入口附近储层的温度降低，与远离水平段102一定深度和距离的储层之间存在一定温差，分支小井眼201中的柔性热管202内的循环工作介质将远离水平段102一定深度和距离的储层的热量带到水平段102附近储层中，以实现停暖期间对水平段102附近储层的补热。

本发明的有益效果在于：

1、本发明将热管技术与U型井技术相结合，实现停暖季水平段附近储层自主补热，有利于储层温度恢复。

2、本发明应用在采暖季期间时，利用热管技术对水平段进行辅热，可以有效抑制水平段附近储层温度的下降幅度，同时增加了热储动用范围。

3、本发明依靠储层自身能量进行补热和辅热，无需外界干扰，有效避免人工地面补热所带来的额外的地面设施投资和操作成本，本征可靠。

4、本发明还提供一种分支小井眼倾斜段201B在远离水平段102一定深度和距离的储层中延伸的最优深度和距离的确定方法，该方案对现存的U型地热井提供了精准的改造方案。

附图说明

图1为本发明所述系统的结构示意图；

在图1中：101、下降段；102、水平段；103、上升段；201、分支小井眼；201A、分支小井眼水平段；201B、分支小井眼倾斜段；202、柔性热管；202A、柔性热管水平段；202B、柔性热管倾斜段；301、分支小井眼导向装置。

图2为不采用热管技术情况下U型地热井井筒周围采暖期末的温度场分布图。

图3为本发明所述系统对应的U型地热井井筒周围采暖期末的温度场分布图。

图4为不采用热管技术情况下U型地热井井筒周围停暖期末的温度场分布图。

图5为本发明所述系统对应的U型地热井井筒周围停暖期末的温度场分布图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

如图1所示，一种基于热管技术的U型地热井自主补热辅热系统，包括：下降段101、水平段102和上升段103，所述下降段101通过水平段102与上升段103相连形成U型井，所述系统还包括分支小井眼201、柔性热管202和分支小井眼导向装置301；分支小井眼导向装置301位于下降段101底部与水平段102入口衔接的位置，为侧钻分支小井眼201和装入柔性热管202提供侧钻和进入通道；所述柔性热管202通过分支小井眼导向装置301装入分支小井眼201内后，关闭分支小井眼导向装置301的通道；在所述U型井内充有循环的取暖低温工作介质，并依次沿下降段101、水平段102和上升段103方向流动；采暖期间，分支小井眼导向装置301的通道处于关闭状态，取暖低温工作介质从下降段101进入水平段102，与周围储层换热后从上升段103流出地面，由于取暖低温工作介质在水平段102入口附近换热强度大，导致水平段102入口附近储层的温度降低幅度大，如图2所示，此时位于分支小井眼201中的柔性热管202内的循环工作介质将远离水平段102一定深度和距离的储层的热量带到水平段102附近储层中，实现采暖期间辅热，如图4所示；停暖期间，分支小井眼导向装置301的通道处于关闭状态，由于采暖期间水平段102入口附近储层的温度降低，与远离水平段102一定深度和距离的储层之间存在一定温差，分支小井眼201中的柔性热管202内的循环工作介质将远离水平段102一定深度和距离的储层的热量带到水平段102附近储层中，实现停暖期间补热，如图5所示。

所述的分支小井眼201包括分支小井眼水平段201A和分支小井眼倾斜段201B，其分支小井眼水平段201A位于水平段102深度以下一定距离处且与水平段102相平行，其分支小井眼倾斜段201B从分支小井眼水平段201A末端向远处一定深度和距离的储层延伸。

所述的柔性热管202包括柔性热管水平段202A和柔性热管倾斜段202B，其总长度与分支小井眼201长度相适应。

所述的柔性热管水平段202A与所述分支小井眼水平段201A所处位置相对应、所述柔性热管倾斜段202B与所述分支小井眼倾斜段201B所处位置相对应。

在所述柔性热管202内充有的循环工作介质为低沸点介质：氟利昂、液氨、酒精、丙酮、水中的任意一种；在本实施例中优选为液氨。

实施例2、

根据实施例1所述的基于热管技术的U型地热井自主补热辅热系统，所述的分支小井眼水平段201A位于水平段102深度以下最大不超过2米的任意距离；可以选择的距离为0.1米、1米或2米。

所述的分支小井眼水平段201A的长度介于水平段102长度的0.2倍至0.6倍之间。

所述的分支小井眼倾斜段201B的倾斜角为：与沿取暖低温工作介质水平流动方向呈0°-90°之间的任意角度，另外，所述的分支小井眼倾斜段201B在水平段102下部储层中延伸的垂向深度不低于10米，也可以是50米、100米，或是最小垂向深度不小于10米的任意多米，以保证垂向深度超过取暖低温工作介质工作时影响储层温度的最大半径范围。

实施例3、

根据实施例1、2所述的基于热管技术的U型地热井自主补热辅热系统，在所述柔性热管202内充有的循环工作介质的充液率在70％～100％之间。

实施例4、

根据实施例1所述的基于热管技术的U型地热井自主补热辅热系统，所述的分支小井眼倾斜段201B在远离水平段102一定深度和距离的储层中延伸的深度为：以使在采暖期间，所述分支小井眼倾斜段201B起点所在储层的最低温度与所述分支小井眼倾斜段201B终点所在储层的最高温度之间的差值不小于3℃。

实施例5、

根据实施例4所述的基于热管技术的U型地热井自主补热辅热系统，在按照实施例4所述方法确认分支小井眼倾斜段201B后，再按照以下方法确认所述分支小井眼倾斜段201B在远离水平段102一定深度和距离的储层中延伸的最优深度和距离：

S1：收集U型地热井所在地区的地质构造参数、热学参数、岩性参数，利用COMSOL多物理场数值模拟软件建立地质模型；

S2：选定U型地热井井筒半径、水平段长度、储层深度、分支小井眼井筒半径、分支小井眼倾斜段201B延伸深度、分支小井眼倾斜段201B延伸距离和分支小井眼倾斜段201B延伸倾斜角，利用COMSOL多物理场数值模拟软件建立U型地热井井筒物理模型、分支小井眼物理模型和柔性热管物理模型；

S3：利用COMSOL多物理场数值模拟软件自带的网格剖分工具所述对地质模型、U型地热井井筒物理模型、分支小井眼物理模型、柔性热管物理模型进行网格剖分；

S4：所述下降段101、水平段102和上升段103内的取暖低温工作介质为水；所述柔性热管202内的循环工作介质为液氨；设置边界条件和初始条件，模拟时间取固定值，水流量取固定值，同时运行地质模型、U型地热井井筒物理模型、分支小井眼物理模型、柔性热管物理模型，统计模拟时间末上升段103井口出水温度、水平段102周围一定半径范围内储层的平均温度；

S5：调整U型地热井井筒半径、水平段长度、储层深度、分支小井眼井筒半径、分支小井眼倾斜段201B延伸深度、分支小井眼倾斜段201B延伸距离和分支小井眼倾斜段201B延伸倾斜角，重复上述步骤S2-S4过程，分别对应形成多种方案；

S6：将上述多种方案中所述模拟时间末上升段井口出水温度、水平段周围一定半径范围内储层的平均温度分别设定为两类目标参数，对所述目标参数分别采用最大最小化归一化方法进行处理，得到每一个方案对应的井口出水温度的归一化结果Ti、水平段周围一定半径范围内储层的平均温度的归一化结果Ri；然后对井口出水温度、水平段周围一定半径范围内储层的平均温度这两类目标参数分别赋以权重值W1和W2；再根据加权求和公式计算每一个方案的综合得分；最后确定上述方案中对应综合得分最高的方案为最优方案。

所述步骤S4中的模拟时间为大于1的任意多年，优选的，5年、10年或50年。

所述步骤S4中的水平段102周围一定半径范围内储层是大于5米小于50米的任意尺寸；优选的，是20米。

所述步骤S6中的对各类目标参数分别采用最大最小化归一化方法为：

在公式(E1)中，xmax为任一类目标参数的最大值，xmin为某一类目标参数的最小值，x(i)为任一类目标参数中第i个待处理参数的数值，X(i)为任一类目标参数中第i个待处理参数的归一化结果，其值在0到1范围内；

按照上述公式(E1)的计算方法，将第i个方案的井口出水温度的归一化结果表示为Ti、第i个方案的水平段周围一定半径范围内储层的平均温度的归一化结果表示为Ri。

所述步骤S6中的两类目标参数分别赋以一定权重值是根据对井口出水温度和水平段周围一定半径范围内储层的平均温度的要求采用专家打分方法分别在0到1范围给出各自权重值W1和W2，井口出水温度、水平段周围一定半径范围内储层的平均温度两类目标参数的权重之和为1，即W1+W2＝1。

所述步骤S6中的根据加权求和公式计算每一个方案的综合得分采用公式(E2)进行计算，根据综合得分最高来确定最优方案：

Si＝Ti×W1+Ri×W2(E2)

公式(E2)中，Si为任一个方案的综合得分。

实施例6、

根据实施例1-5所述的基于热管技术的U型地热井自主补热辅热系统，根据本发明优选的，所述的分支小井眼采用裸眼完井，以增强柔性热管202在储层中的换热效果。

实施例7、

一种实现安装如实施例1-6所述系统的方法，包括：

步骤1：采用常用方法完成U型井建井；

步骤2：在所述水平段102入口处下入分支小井眼导向装置301；

步骤3：通过液控方式打开分支小井眼导向装置301上的滑套开关，露出侧钻孔，利用小井眼径向钻机通过分支小井眼导向装置301上的侧钻孔，钻穿分支小井眼导向装置301所在位置处的水平段102的套管，建成包括分支小井眼水平段201A和分支小井眼倾斜段201B在内的分支小井眼201；

步骤4：将充入循环工作介质的柔性热管202通过分支小井眼导向装置301上的侧钻孔送入分支小井眼201内；

步骤5：通过液控方式关闭分支小井眼导向装置301上的滑套开关，关闭侧钻孔，将U型井和分支小井眼201进行隔离，完成系统建造。

实施例8、

一种对现有U型地热井补热辅热系统改造方法，如实施例7所述的方法，其区别在于，不用步骤1，直接由步骤2开始。

实施例9、

利用如实施例1-6所述系统在采暖季辅热的方法，包括：

取暖低温工作介质从下降段101进入水平段102，与周围储层换热后从上升段103流出地面；由于取暖低温工作介质在水平段102入口附近换热强度大，导致水平段102入口附近储层的温度降低幅度大，如附图2所示，同时，位于分支小井眼201中的柔性热管202内的循环工作介质将远离水平段102一定深度和距离的储层的热量带到水平段102附近储层中，以实现采暖期间对水平段102附近储层的辅热，如附图3所示。

实施例10、

利用如实施例1-6所述系统在停暖季补热的方法，包括：

由于采暖期间水平段102入口附近储层的温度降低，与远离水平段102一定深度和距离的储层之间存在一定温差，如附图4所示，分支小井眼201中的柔性热管202内的循环工作介质将远离水平段102一定深度和距离的储层的热量带到水平段102附近储层中，以实现停暖期间对水平段102附近储层的补热，如附图5所示。

Claims (10)

1.一种基于热管技术的U型地热井自主补热辅热系统，包括：下降段、水平段和上升段，所述下降段通过水平段与上升段相连形成U型井，其特征在于，所述系统还包括分支小井眼、柔性热管和分支小井眼导向装置；分支小井眼导向装置位于下降段底部与水平段入口衔接的位置，所述柔性热管通过分支小井眼导向装置装入分支小井眼内后，关闭分支小井眼导向装置的通道；在所述U型井内充有循环的取暖低温工作介质，并依次沿下降段、水平段和上升段方向流动。

2.根据权利要求1所述一种基于热管技术的U型地热井自主补热辅热系统，其特征在于，所述的分支小井眼包括分支小井眼水平段和分支小井眼倾斜段；

所述的柔性热管包括柔性热管水平段和柔性热管倾斜段，其总长度与分支小井眼长度相适应。

3.根据权利要求2所述一种基于热管技术的U型地热井自主补热辅热系统，其特征在于，所述的柔性热管水平段与所述分支小井眼水平段所处位置相对应、所述柔性热管倾斜段与所述分支小井眼倾斜段所处位置相对应。

4.根据权利要求2所述一种基于热管技术的U型地热井自主补热辅热系统，其特征在于，所述的分支小井眼水平段位于水平段深度以下最大不超过2米的任意距离；进一步，所述距离为0.1米、1米或2米；

所述的分支小井眼水平段的长度介于水平段长度的0.2倍至0.6倍之间；

所述的分支小井眼倾斜段的倾斜角为：与沿取暖低温工作介质水平流动方向呈0°-90°之间的任意角度。

5.根据权利要求2所述一种基于热管技术的U型地热井自主补热辅热系统，其特征在于，所述的分支小井眼倾斜段在远离水平段一定深度和距离的储层中延伸的深度为：以使在采暖期间，所述分支小井眼倾斜段起点所在储层的最低温度与所述分支小井眼倾斜段终点所在储层的最高温度之间的差值不小于3℃。

6.根据权利要求1所述一种基于热管技术的U型地热井自主补热辅热系统，其特征在于，在所述柔性热管内充有的循环工作介质为低沸点介质：氟利昂、液氨、酒精、丙酮、水中的任意一种；进一步，所述循环工作介质为液氨；

在所述柔性热管内充有的循环工作介质的充液率在70％～100％之间。

7.根据权利要求5所述一种基于热管技术的U型地热井自主补热辅热系统，其特征在于，所述分支小井眼倾斜段在远离水平段一定深度和距离的储层中延伸的最优深度和距离的确定，采用以下步骤：

S1：收集U型地热井所在地区的地质构造参数、热学参数、岩性参数，利用COMSOL多物理场数值模拟软件建立地质模型；

S2：选定U型地热井井筒半径、水平段长度、储层深度、分支小井眼井筒半径、分支小井眼倾斜段延伸深度、分支小井眼倾斜段延伸距离和分支小井眼倾斜段延伸倾斜角，利用COMSOL多物理场数值模拟软件建立U型地热井井筒物理模型、分支小井眼物理模型和柔性热管物理模型；

S3：利用COMSOL多物理场数值模拟软件自带的网格剖分工具所述对地质模型、U型地热井井筒物理模型、分支小井眼物理模型、柔性热管物理模型进行网格剖分；

S4：所述下降段、水平段和上升段内的取暖低温工作介质为水；所述柔性热管内的循环工作介质为液氨；设置边界条件和初始条件，模拟时间取固定值，水流量取固定值，同时运行地质模型、U型地热井井筒物理模型、分支小井眼物理模型、柔性热管物理模型，统计模拟时间末上升段井口出水温度、水平段周围一定半径范围内储层的平均温度；

S5：调整U型地热井井筒半径、水平段长度、储层深度、分支小井眼井筒半径、分支小井眼倾斜段延伸深度、分支小井眼倾斜段延伸距离和分支小井眼倾斜段延伸倾斜角，重复上述步骤S2-S4过程，分别对应形成多种方案；

S6：将上述多种方案中所述模拟时间末上升段井口出水温度、水平段周围一定半径范围内储层的平均温度分别设定为两类目标参数，对所述目标参数分别采用最大最小化归一化方法进行处理，得到每一个方案对应的井口出水温度的归一化结果Ti、水平段周围一定半径范围内储层的平均温度的归一化结果Ri；然后对井口出水温度、水平段周围一定半径范围内储层的平均温度这两类目标参数分别赋以权重值W1和W2；再根据加权求和公式计算每一个方案的综合得分；最后确定上述方案中对应综合得分最高的方案为最优方案；

所述步骤S4中的模拟时间为大于1的任意多年；进一步，所述模拟时间为5年、10年或50年；

所述步骤S4中的水平段周围一定半径范围内储层是大于5米小于50米的任意尺寸；进一步，所述水平段周围一定半径范围内储层是20米；

所述步骤S6中的对各类目标参数分别采用最大最小化归一化方法为：

在公式(E1)中，xmax为任一类目标参数的最大值，xmin为某一类目标参数的最小值，x(i)为任一类目标参数中第i个待处理参数的数值，X(i)为任一类目标参数中第i个待处理参数的归一化结果，其值在0到1范围内；

按照上述公式(E1)的计算方法，将第i个方案的井口出水温度的归一化结果表示为Ti、第i个方案的水平段周围一定半径范围内储层的平均温度的归一化结果表示为Ri；

所述步骤S6中的两类目标参数分别赋以一定权重值是根据对井口出水温度和水平段周围一定半径范围内储层的平均温度的要求采用专家打分方法分别在0到1范围给出各自权重值W1和W2，井口出水温度、水平段周围一定半径范围内储层的平均温度两类目标参数的权重之和为1，即W1+W2＝1；

所述步骤S6中的根据加权求和公式计算每一个方案的综合得分采用公式(E2)进行计算，根据综合得分最高来确定最优方案：

Si＝Ti×W1+Ri×W2  (E2)

公式(E2)中，Si为任一个方案的综合得分；

所述的分支小井眼采用裸眼完井。

8.如权利要求1-7任意一项所述系统的安装方法，其特征在于，包括：

步骤1：完成U型井建井；

步骤2：在所述水平段入口处下入分支小井眼导向装置；

步骤3：钻穿分支小井眼导向装置所在位置处的水平段的套管，建成包括分支小井眼水平段和分支小井眼倾斜段在内的分支小井眼；

步骤4：将充入循环工作介质的柔性热管通过分支小井眼导向装置上的侧钻孔送入分支小井眼内；

步骤5：将U型井和分支小井眼进行隔离，完成系统建造。

9.一种利用如权利要求1-7任意一项所述系统对现有U型地热井补热辅热改造的方法，其特征在于，包括：

步骤1：在所述水平段入口处下入分支小井眼导向装置；

步骤2：钻穿分支小井眼导向装置所在位置处的水平段的套管，建成包括分支小井眼水平段和分支小井眼倾斜段在内的分支小井眼；

步骤3：将充入循环工作介质的柔性热管通过分支小井眼导向装置上的侧钻孔送入分支小井眼内；

步骤4：将U型井和分支小井眼进行隔离，完成系统建造。

10.一种利用如权利要求1-7任意一项所述系统在辅热、补热的方法，其特征在于，包括：

辅热时，取暖低温工作介质从下降段进入水平段，与周围储层换热后从上升段流出地面；同时，位于分支小井眼中的柔性热管内的循环工作介质将远离水平段一定深度和距离的储层的热量带到水平段附近储层中，以实现采暖期间对水平段附近储层的辅热；

补热时，分支小井眼中的柔性热管内的循环工作介质将远离水平段一定深度和距离的储层的热量带到水平段附近储层中，以实现停暖期间对水平段附近储层的补热。

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