CN116368335A - 使用多种工作流体来生成地热能 - Google Patents

Abstract

一种方法包括：使第一传热工作流体在位于目标地下区域中的闭环地热井中流动，以及在所述地热井中使第二工作流体从地表入口流动到所述地热井的井下位置。所述第二工作流体位于所述第一传热工作流体的上游。所述第二工作流体的流体密度大于所述第一传热工作流体的流体密度。所述方法还包括使所述第二工作流体在所述地热井中循环，从而利用所述第二工作流体将所述第一传热工作流体推向所述地热井的地表出口。所述方法还包括从在所述地热井的地表出口处接收的流通的第一传热工作流体中收集能量。

Description

使用多种工作流体来生成地热能

技术领域

本公开涉及能量储存和生产，特别是涉及使用地热能回收系统和方法的能量储存和生产。

背景技术

地热能是使用地球的天然热量的热能形式。地热能是一种可再生能量源，并且不是像太阳能和风能一样依靠太阳或风来发电的间歇能量源。对可调度的可再生能量源和能量存储解决方案的需求日益增长。人们不断寻求用于生成可调度且可靠的可再生能量的方法和设备。

发明内容

本公开的实施方式包括一种方法，该方法包括在位于目标地下区域中的闭环地热井中，使第一传热工作流体从地热井的地表入口流到地热井的井下位置。该方法还包括在地热井中，使第二工作流体从地表入口流到地热井的井下位置。第二工作流体位于第一传热工作流体的上游。第二工作流体的流体密度大于第一传热工作流体的流体密度。该方法还包括使第二工作流体在地热井中循环，从而利用该第二工作流体将第一传热工作流体推向地热井的地表出口。该方法还包括从在地热井的地表出口处接收的流通的第一传热工作流体中收集能量。

在一些实施方式中，地热井包括：(i)地表入口井筒，该地表入口井筒从地表入口延伸到目标地下区域，(ii)地表出口井筒，该地表出口井筒从地表出口延伸到目标地下区域，以及(iii)偏离井筒，该偏离井筒流体地联接到地表入口井筒和地表出口井筒并将地表入口井筒与地表出口井筒互连。偏离井筒位于目标地下区域中，并且使第二工作流体循环包括使第二工作流体从地表入口井筒流动到偏离井筒并从偏离井筒流动到地表出口井筒，从而将第一传热工作流体从偏离井筒推向地热井的地表出口。

在一些实施方式中，第二工作流体的热膨胀系数等于或大于第一流体的热膨胀系数。在这种情况下，使第二工作流体流动包括使第二工作流体在地热井中流动，使得第二工作流体在从目标地下区域吸收热量时在地热井中膨胀，以增加地热井的地表出口处的第一传热工作流体的流量。

在一些实施方式中，第一传热工作流体是水，并且第二工作流体的热膨胀系数比水的热膨胀系数大一个或多个数量级。

在一些实施方式中，地热井还包括多个偏离井筒，该多个偏离井筒流体地联接到地表入口井筒的公共井下端和地表出口井筒的公共井下端并从地表入口井筒的公共井下端延伸到地表出口井筒的公共井下端。该多个偏离井筒中的每一个位于目标地下区域中并且各自包括：(i)第一横向井筒，该第一横向井筒从地表入口井筒的井下端延伸到井下结合部，以及(ii)第二横向井筒，该第二横向井筒从地表出口井筒的井下端延伸到井下结合部。在这种情况下，使第二工作流体循环包括使第二工作流体从地表入口流动到井下结合部并从井下结合部流动到地表出口。

在一些实施方式中，相应的第一横向井筒位于相应的第二横向井筒上方。相应的第一横向井筒和第二横向井筒中的每一个是倾斜的，使得井下结合部位于比地表入口井筒的井下端的深度更大的深度处。

在一些实施方式中，该方法还包括：在使第二工作流体流动之后，在闭环地热井中使第三传热工作流体从地表入口流动到井下位置，并且其中第三传热工作流体位于第二工作流体的上游。第三传热工作流体的流体密度大于第一传热工作流体的流体密度。该方法还包括使第三传热工作流体在闭环地热井中循环，从而利用该第三传热工作流体将第二传热工作流体和第一传热工作流体推向闭环地热井的地表出口。

在一些实施方式中，闭环地热井包括控制器，该控制器电联接泵，该泵被配置成使第一工作流体和第二工作流体在地热井中循环。控制器被配置成：基于与间歇能量源相关联的电网的能量需求来改变泵的流量；在填充周期与排放周期之间改变第一工作流体和第二工作流体的流量，其中该填充周期包括将第二工作流体从地热井的井下位置提升到地热井的地表，该排放周期包括使第二工作流体在地热井中循环，从而将第一传热工作流体推向地热井的地表出口，以从第一传热工作流体中收集能量。

在一些实施方式中，泵由间歇能量源提供电力，并且控制器被配置成当间歇能量源满足或超过电网的能量需求时启动填充周期。在这种情况下，控制器被配置成在排放周期期间向电网供应所收集的能量，以补充间歇能量源的能量输出。控制器还被配置成当间歇能量源不满足电网的能量需求时启动排放周期。

在一些实施方式中，补充间歇能量源的能量输出包括与间歇能量源一起为电网产生可调度的能量输出。

在一些实施方式中，使第二工作流体循环包括利用第一工作流体和第二工作流体从目标地下区域回收热能，并且收集能量包括从流通的第一传热工作流体生成液压能、热能或机械能中的至少一种。

在一些实施方式中，该方法还包括在闭环地热井的地表处改变第一传热工作流体或第二工作流体中的至少一种的温度、停留时间或流体密度中的至少一个，以改变在地表出口处的第一传热工作流体的指定能量输出。

在一些实施方式中，改变停留时间包括改变第二工作流体的流量，从而改变第二工作流体从地表入口流动到地表出口所需的时间，使得在基于与地热井相关联的间歇能量源的低能量输出的排放周期期间，第二工作流体将第一传热工作流体推向地表出口，而在基于与地热井相关联的间歇能量源的高能量输出的填充周期期间，通过由间歇能量源提供动力的泵将第二工作流体提升到地表出口。

在一些实施方式中，第一传热工作流体与第二工作流体不可混溶，或者地热井包括不可混溶的药片状物，该不可混溶的药片状物布置在第一传热工作流体与第二工作流体之间且与它们不可混溶。

在一些实施方式中，闭环地热井包括L型井筒、U型井筒或单井筒中的至少一个。L型井筒包括地表定向入口井筒和地表定向出口井筒。地表定向入口井筒包括布置在地下区域中的第一跟部和第一趾部，而地表定向出口井筒包括第二跟部和第二趾部。第二趾部在地热井的公共井下结合部处流体地联接到第一趾部，使得在侧视图中，这两个定向井筒形成L型井筒。U型井筒包括：地表入口井筒，该地表入口井筒从地表入口延伸到地下区域；地表出口井筒，该地表出口井筒与地表入口井筒间隔开并从地表出口延伸到地下区域；以及互连井筒，该互连井筒在地表入口与地表出口之间延伸并与它们流体地联接，并且在侧视图中与地表入口井筒和地表出口井筒形成U型井筒。单井筒包括井筒管柱，该井筒管柱布置在单井筒内并利用单井筒的壁限定环空。环空限定地表入口，并且井筒管柱限定地表出口。在一些实施方式中，地热井是L型井筒，且第一跟部和第二跟部是裸井，并且每个井筒的相应的跟部与相应的趾部之间的一段是裸井，并且包括在每个井筒与围绕每个井筒的地下区域的土壤之间的基本上不可渗透的界面。

在一些实施方式中，该方法还包括：在使第一传热工作流体流动之前，使闭环地热井中的密封剂在地热井中流动。该方法还包括通过使密封剂在地热井中循环，在地热井与围绕地热井的地下区域处的土壤之间形成导热界面。导热界面基本上不可渗透流体，同时井筒的至少一部分是裸井。使第二工作流体循环包括通过暴露、通过导热界面，将第二工作流体热填充到目标地下区域。

在一些实施方式中，该系统还包括位于目标地下区域或不同地下区域中的多个闭环地热井。该多个闭环地热井中的每一个均包括相应的地表入口和相应的地表出口。该方法还包括在每个地热井中，使相应的第一传热工作流体从每个地热井的地表入口流动到每个地热井的井下位置。该方法还包括在每个地热井中，使相应的第二工作流体从每个地热井的地表入口流动到每个地热井的井下位置。相应的第二工作流体位于相应的第一传热工作流体的上游。相应的第二工作流体的流体密度包括大于相应的第一传热工作流体的流体密度。该方法还包括使相应的第二工作流体在每个地热井中循环，从而利用相应的第二工作流体将相应的第一传热工作流体推向每个地热井的地表出口。该方法还包括从在每个地热井的地表出口处接收的相应的流通的第一传热工作流体中收集能量。

在一些实施方式中，收集能量包括从相应的流通的第一传热工作流体中的每一个收集选择性可变的能量。

在一些实施方式中，收集能量包括将来自相应的流通的第一传热工作流体中的每一个的收集能量合并以形成预定量的能量输出。

在一些实施方式中，使多个地热井中的一个地热井的相应的第二工作流体循环包括利用由该多个地热井中的另一个地热井的收集能量提供电力的泵来使相应的地热井中的相应的第二工作流体循环。

本公开的实施方式包括一种使来自电网的不规则电力供应和需求正常化的方法。该方法包括根据权利要求1的方法从所收集的能量中生成电能，以及在预定时间向电网供应所生成的电能以与电网上增加的需求的时期相一致。

本公开的实施方式包括一种地热系统，该地热系统包括闭环地热井、第一传热工作流体以及第二工作流体。闭环地热井包括地表入口井筒、地表出口井筒和互连井筒，该互连井筒流体地联接到地表入口井筒和地表出口井筒并使地表入口井筒与地表出口井筒互连。互连井筒位于目标地热地下区域中。第一传热工作流体位于地热井内部并被配置成在地热井中循环。第二工作流体被配置成在地热井中从地表入口井筒循环到地表出口井筒。第二工作流体位于第一传热工作流体的上游，并且第二工作流体的流体密度大于第一传热工作流体的流体密度。使第二工作流体循环包括利用第二工作流体将第一传热工作流体推向地表出口井筒的地表出口，以从在地表出口处接收的流通的第一传热工作流体中收集能量。

本公开的实施方式包括一种电力生产系统，该电力生产系统包括电网、电联接到该电网的间歇电力生产源、闭环地热系统以及控制器。闭环地热系统电联接到电网，并且包括地热井，该地热井包括地表入口和地表出口。热交换器流体地联接到地表出口并且电联接到电网。热交换器被配置成输出由第一传热工作流体的运动所生成的电力，其中该第一传热工作流体的运动由第二工作流体在地热井中向井下循环来推动，以将第二工作流体的重力势能转换成第一传热工作流体的动能。第二工作流体的密度大于第一传热工作流体的密度。第二工作流体位于第一传热工作流体的上游。控制器可操作地联接到电网、间歇电力生产源和闭环地热系统。控制器基于间歇电力生产源的功率输出来确定电网在选定时间段的功率要求，并被配置成在填充周期与排放周期之间切换闭环地热系统，以与间歇电力生产源一起向电网提供可调度的能量输出。

本公开的实施方式包括由控制器并从功率分配器接收能量需求信息。该方法还包括由控制器并基于能量输出要求来控制闭环地热井的阀或泵中的至少一个，以使第二工作流体在闭环地热井的井下方向上流动，从而利用第二工作流体将第一传热工作流体推向并通过能量转换设施。该方法还包括由控制器控制能量转换设施以从在闭环地热井的地表出口处接收的流通的第一传热工作流体中收集能量到功率分配单元。

本公开的实施方式提供了一种包括使用地热井的能量形成方法。该方法包括：提供流体组分以用于回路内的循环，其中该流体组分具有第一流体密度和第二流体密度，该第二流体密度大于第一流体密度；在具有第一流体密度的流体与具有第二流体密度的流体之间生成静压头差；通过排放具有第二流体密度的流体的势能来使具有第一流体密度的流体流通；以及收集从流通的流体产生的能量。

在一些实施方式中，流体的密度可以在操作期间动态地改变，这可以增加系统的效率。此外，具有第一流体密度的流体和具有第二流体密度的流体的流量和体积以及在回路中的停留时间可以改变。密度也可以通过引入时间释放组分而改变。

在一些实施方式中，所收集的能量可以转换成电能、机械能和热能中的至少一种，并且这可选地用于补充间歇能量源、电网源和/或地热能量源。

在一些实施方式中，当用作附加能量源的附属件时，可以改变流体的密度、流量、停留时间、温度、体积以及它们的组合中的至少一者，以从所收集的能量提供合成的能量输出分布曲线。

在一些实施方式中，第一流体或第二流体被配置成地热井中的超临界流体。

本公开的实施方式还包括一种重力能量产生方法，该重力能量产生方法包括：提供具有入口、出口的闭环以及可操作地连接到该闭环的能量转换装置；提供流体组分以用于回路内的循环，其中该流体组分具有第一流体密度和第二流体密度，该第二流体密度大于第一流体密度；通过增加具有第二流体密度的流体的高度来增加该具有第二流体密度的流体的重力势能；通过排放具有第二流体密度的流体的势能来使具有第一流体密度的流体流通；以及在能量转换装置中通过流通的流体的接触来选择性地形成能量。

在一些实施方式中，具有第一流体密度和第二流体密度的流体可以由单流体形成。在一些实施方式中，可以使用分别具有不同密度的至少两种流体。

在一些实施方式中，该方法还包括通过热能、电能、机械能以及它们的组合中的至少一种来增加所述重力能。具有增加的势能的流体可以被储存，且该方法可以在产热地质地层中进行。

在一些实施方式中，空隙或井筒部分可以被包括在地层中以与闭环选择性流体连通或与闭环相邻地定位以用于选择性间接热交换以及它们的组合。

在一些实施方式中，至少一种流体的重力势能通过从所述管道回收的热能热传递到该至少一种流体而增加。对该至少一种流体的热传递驱动热虹吸，该热虹吸将该至少一种流体朝向地表升高。

在一些实施方式中，该方法还包括在所述转换装置中，将具有第二流体密度的所述流体的重力势能转换成电能，该电能来自具有第一流体密度的流通的液体，具有第一流体密度的所述液体的流通是具有第二流体密度的所述流体给予的。

在一些实施方式中，为了提高效率，可以对液体进行调节，以增强热容和从地层的热能回收。

在一些实施方式中，如果存在液体混溶或混合的可能问题，则可以在回路内的第一密度的液体与第二密度的液体之间利用界面以防止混合。

本公开的实施方式还包括一种能量形成方法，该能量形成方法包括：提供流体组分以用于多个回环内的循环，其中该流体组分具有第一流体密度和第二流体密度，该第二流体密度大于第一流体密度，该回路中的每个回路具有不同的流体组分；对于该多个回路中的每个回路，在具有第一流体密度的流体与具有第二流体密度的液体之间生成静压头差；通过对该多个回路中的每个回路排放具有第二流体密度的流体的势能，来使具有第一流体密度的流体流通；以及将从回路中的流通的流体产生的能量合并。

在一些实施方式中，从每个回路产生的能量可以是可变的，并且可以选择性地合并以在预定时间段内合成预定量的能量输出。

在一些实施方式中，可以对不同回路内的不同密度流体的正时、流量、体积或路线中的至少一个进行定序，以实现从预定量的所述回路产生的净能量的叠加。

在一些实施方式中，从回路产生的能量的量子可以用于促进静压头差。此外，来自与回路集成的间歇能量源、电网源和/或地热源的能量的量子可以用于促进静压头差。

在一些实施方式中，取决于地层的性质，可以以预定量、模式或形状影响在热生产地层中定位回路。

本公开的实施方式还包括一种重力能量产生方法，该重力能量产生方法包括：提供具有入口、出口的闭环以及与该回路一起操作的能量转换装置，回路的至少一部分布置在具有预定潜在热输出能力的产热地层内；提供适于在回路内循环的具有第一流体密度的流体和具有第二流体密度的流体，其中该第二流体密度大于第一流体密度；通过暴露于产热地层，对回路中的流体进行热填充；在具有第一流体密度的流体与具有第二流体密度的流体之间生成静压头差；通过排放经热填充的流体的势能来使具有第一流体密度的流体流通；以及通过在能量转换装置中接触流通的流体来形成能量。

在一些实施方式中，所述回路在地热地层中。在一些实施方式中，所述回路内的液体的顺序、正时、流量、体积、路线、停留时间以及它们的组合的单元操作可以至少部分地基于地层岩石类型、地层岩石性质和回路几何形状。该操作可以调整成使热输出相对于预定潜在热输出能力振荡，以产生需求功率，其中，平均热输出等于预定的潜在热输出能力。

在一些实施方式中，可以控制输出，以产生作为基本载荷量的倍数的基本载荷功率或可调度的输出。

在一些实施方式中，该方法还包括合并多个回路布置并共同收集所形成的能量。

在一些实施方式中，该方法还包括选择单元操作，该单元操作包括在所述多个回路的每个回路内的所述液体的顺序、正时、流量、体积、路线、停留时间以及它们的组合中的至少一个。

在一些实施方式中，取决于地层，该回路可以可操作地连接到任何预先存在的空隙、管道、开口、未使用的井作为热储存库以储存热填充流体以供选择性需求使用。

本公开的实施方式还包括一种用于在填充周期与排放周期之间进行切换的电力生产切换系统，其包括以下至少一种：预先存在的电网电力生产源；间歇电力生产源；静水压头差电力生产源，该静水压头差电力生产源能够通过流体密度差操作以实现流体原动机的运动；或它们的组合，每个源被可操作地连接以用于选择性附属连接；以及控制装置，该控制装置可操作地连接到该源，以确定用于选定时间段的功率输出要求，并在静水压头差电力生产源的填充周期与排放周期之间进行切换。

本公开的实施方式还包括一种用于使来自电网的不规则电力供应和需求正常化的方法，该方法包括：提供根据权利要求1的方法形成的电能；以及在预定时间向电网供应所形成的电能，以与增加需求的时期相一致。

本公开的实施方式还包括一种用于使来自电网的不规则供应和需求电力供应正常化的方法，该方法包括：提供根据权利要求9的方法形成的电能；以及在预定时间向电网供应所形成的电能，以与增加需求的时期相一致。

本公开的实施方式还包括提供用于使来自电网的不规则供应和需求电力供应正常化的方法，该方法包括：提供根据权利要求15的方法形成的电能；以及在预定时间向电网提供所形成的电能，以与增加需求的时期相一致。

可以实现本说明书中描述的主题的特定实施方式，以便实现下列优点中的一个或多个。例如，地热井的输出能量可以在高需求或其它条件或时间不规则的时期期间补充间歇能量源、电网或其它地热井。地热井中的优化重力储存可以用于显著抵消太阳能和风能的间歇性。地热井筒的占地面积相对较小，从而增加其地理适用性。本文所描述的方法可以在无需任何或大量修改的情况下在现有井筒中使用。

附图说明

图1是根据本公开的第一实施方式的地热系统的立体示意图。

图2是图1中的地热系统在能量排放周期期间的侧视示意图。

图3是图1中的地热系统在能量填充周期期间的侧视示意图。

图4是图1中的地热系统的地表流体处理设施的示意图。

图5是根据本公开的第二实施方式的地热系统的侧视示意图。

图6是根据本公开的第三实施方式的地热系统的侧视示意图。

图7是根据本公开的第四实施方式的地热系统的立体示意图。

图8是根据本公开的第五实施方式的地热系统的立体示意图。

图9是根据本公开的第六实施方式的地热系统的立体示意图。

图10是根据本公开的第一实施方式的能量传递形貌的示意图。

图11是三个地热系统的功率随时间变化的曲线的图解表示。

图12是根据本公开的第七实施方式的地热系统的立体示意图。

图13是生成地热能的示例方法的流程图。

图14是根据本公开的实施方式的示例性控制器的视图。

具体实施方式

本公开描述了在闭环地热井或管道中使用多种流体来增加一种或多种流体的流量和/或所产生的流体压力，并由此增加地热井的能量输出。在某些情况下，流体可以具有不同的密度和组分。例如，可以在地热井中引入第一流体，然后可以在地热井中引入比第一流体密度更大的第二重流体，以将第一流体推动通过并离开井(例如，推向地球表面)。重流体的循环可以基于能量需求。例如，在能量需求相对低的时期期间，供应到井中的重流体可以通过泵提升到地球表面，从而在重流体中储存能量(例如，通过使用泵的能量来增加相对于井底的高度，并由此增加重流体的势能)。在能量需求相对高的时期期间，重流体可以被释放以落入井中，从而将更轻流体推动离开井以从流通的更轻流体中收集能量。

为了储存能量或增加井的能量输出，本公开的地热系统可以增加重流体相对于更轻流体的势能。例如，该系统可以通过进一步提高重流体的密度或通过将重流体提升到地表且使更轻流体流向井的井下位置，来增加重流体的势能。因此，该系统可以在两种流体之间增加“差分静压头”，以在该系统中储存能量。在一些实施方式中，差分静压头是指两种流体之间的高度差和密度差。

许多国家中的间歇性可再生能量源的增长已经导致对能量储存解决方案的需求越来越大。在一些情况下，为了在由间歇能量源供应的电网系统中维持不间断的能量供应，期望用大型能量储存解决方案来弥补间歇能量源无法满足电网能量需求的时期。例如，在风力涡轮机的情况下，在没有风的时期期间；或在太阳能板的情况下，在处于夜晚的时期期间，期望能量储存解决方案以供应能量。为了提供能量储存解决方案，本公开中描述的地热系统可以单独或与间歇能量源组合来提供可调度的能量输出。

图1示出了地热系统100，该地热系统100包括闭环地热井10和地表设备，该地表设备包括泵18、能量收集设施22和流体处理设施20。地热井10是闭环的，这意味着井中的流体不会流出井，并且这些流体可以在井与地球表面处的能量收集设施22之间持续循环。地表设备可以以不同的配置进行布置。例如，泵18可以处于井10的入口或出口处，而能量收集设施22可以处于井10的出口附近，以从直接离开井10的流体中收集能量。

地热井10布置在目标地热地下区域“Z”中或延伸穿过目标地热地下区域“Z”。目标地热地下区域“Z”是地球表面11以下的区域，该区域以地热能生产为目标。例如，通常选择这样一个区域是因为其热性质，例如，其温度和热梯度适合于地热能生产。目标地热地下区域“Z”可以包括一个产热地层或地下层、一个产热地层或地下层的一部分或多个产热地层或地下层。在一些实施方式中，井10可以是不位于目标地热地下区域中的闭环井。

地热井10包括地表入口21和地表出口24。地热井10还包括地表入口井筒12、地表出口井筒14以及互连井筒16，该互连井筒16流体地联接到地表入口井筒12与地表出口井筒14并使地表入口井筒12与地表出口井筒14互连。地表入口井筒12从地表入口21延伸到目标地下区域“Z”。地表出口井筒14从地表出口24延伸到目标地下区域“Z”。互连井筒16位于地下区域“Z”中。地表井筒12和14可以是现有井筒(例如，以前用于石油或天然气生产的井筒)或出于地热目的而钻出的井筒。

在某些情况下，井10为U型井筒，如图1所示，其中地表出口井筒14与地表入口井筒12间隔开，并且互连井筒16在地表入口井筒12与地表出口井筒14之间延伸以在侧视图中形成U型井。此外，井10可以具有一个第二互连井筒16′或多于两个互连井筒，这些互连井筒将入口井筒12连接到出口井筒14。

在某些情况下，地表入口井筒12和地表出口井筒14具有套管27，而互连井筒16是裸井。在某些情况下，互连井筒16中的一些或全部可以有套管或包括内衬(未示出)。互连井筒16在相应结合部13、15处连接到地表井筒12、14。每个结合部13、15类似于非竖直井筒的跟部，以将竖直地表井筒12、14流体地连接到互连井筒16。在某些情况下，结合部13、15可以留成裸井。

互连井筒16可以包括任何方向剖面或任何类型的非竖直、偏离或横向井筒，诸如水平井筒、倾斜井筒或弯曲井筒。例如，在某些情况下，互连井筒16是水平的，如图1所示；或者是倾斜的，其中结合部13、15中的一个位于结合部13、15中的另一个的下方；或者互连井筒16的中间点位于两个结合部13和15的下方。在某些情况下，互连井筒16可以遵循地下区域Z的下沉。互连井筒16可以使用定向钻井设备(诸如造斜器)、定向井底组件和旋转导向系统进行钻探。

系统100还包括第一传热工作流体28，该第一传热工作流体28位于地热井10内并在地热井10中循环。系统100还包括第二工作流体26，该第二工作流体26可以选择性地引入地热井10中并在地热井10中循环。第二工作流体26的流体密度可以大于第一传热工作流体28的流体密度。在某些情况下，第二流体也是指定在系统100中使用的传热流体，如第一传热流体，以用于从地下区域Z收集热能。第二工作流体26可以周期性地储存在位于地表11处或接近地表11的集装箱、容器、凹坑或地下腔体中，并在需要时循环，或者其可以在井10中连续循环。图1示出了第二工作流体26已被引入第一传热工作流体28的上游，以便将其势能(例如，来自其静水头)给予第一传热工作流体26。泵18可将包括第二工作流体26的流体从地下区域Z循环到地表出口井筒14以及在地表设备之间循环。在第一传热工作流体28的上游引入第二工作流体26，将第一传热工作流体28推向出口井筒14的地表出口24。在地表处，设施22从在地表出口24处接收的流通的第一传热工作流体中收集能量。

泵18可以通过使流体26从地表入口21流动到互连井筒16并从互连井筒16流动到地表出口井筒14来循环第二工作流体26。在一些实施方式中，泵18仅将第二工作流体26从互连井筒16提升到地表，第二工作流体26向井下从入口21流动到互连井筒16，而不在泵18的作用下移动(例如，仅靠重力下落)。第二工作流体28落到井下位置17(例如，落到互连井筒16)，从而将第一传热工作流体28从互连井筒16推到地热井10的地表出口24。在一些情况下，泵18不提升任何流体，流体26、28可以通过热虹吸效应在井中循环，该热虹吸效应由互连井筒16中被加热的流体引起。

能量收集设施22可以在地球表面11处从第一传热工作流体28收集能量，并在一些情况下也从第二工作流体26收集能量。在某些情况下，能量收集设施22可以储存从流体或流体本身收集的能量。在某些情况下，能量收集设施22还可以转换和使用流体的热能和/或动能以发电、产生机械功、加热设施或地区和/或用于其它目的。例如，在某些情况下，能量收集设施22可以包括使用由所收集的热量生成的蒸汽的蒸汽涡轮发电机、兰金循环、有机兰金循环和/或由所收集的热量操作的另一热循环发电机和/或另一种过程。在某些情况下，设施22包括热交换器31，该热交换器联接到地表出口24以接收工作流体，以用于将工作流体的热量传递到相关过程。在某些情况下，设施22包括膨胀器和/或叶轮，该膨胀器和/或叶轮联接到地表出口24以接收工作流体并收集移动工作流体的动能。膨胀器和/或叶轮本身联接到发电机或其它过程以使用动能。设施22还可以包括其它方面，诸如过滤系统、阀、泵和其它流体处理设备。

为了促进推动第一传热工作流体28，第二工作流体26可以是与第一传热工作流体28不可混溶的。例如，尽管工作流体可以是许多不同类型的流体，但在某些情况下，第一传热工作流体28可以是水或其它含水流体，而第二工作流体26可以是油基流体(例如，含有重晶石的油基流体)。在一些实施方式中，两种流体26、28可以通过不可混溶的段塞、药片状物或通过界面23(诸如两种流体26、28之间的物理间隔件、塞子或分隔件)分离。在一些情况下，流体可以是可混溶的，使得井中的两种或更多种流体随着流体在井中循环而混合。

流体26、28的组分可以被选择成使得第二流体26的密度高于第一流体28。例如，如果第一流体28是水，则密度更大的第二流体26可以包括具有分散或悬浮固体颗粒(诸如重晶石、铁、粘土、膨润土或其它致密颗粒(相对于运载流体，水))的水，使得第二流体26的混合物密度高于第一流体28的密度。可替代地，可以使用含有溶解盐(诸如氯化钙或氯化钠)的水溶液来增加第二流体26的密度。另一替代方案是第一流体28使用比重小于1.0的油(例如，己烷或柴油或矿物油或合成传热油)，而第二流体使用水。可以选择包括固体、液体和气体的混合物的多种组合；用于选择流体的方法涉及计算或测量体相流体的密度，以及为第二流体26选择大于第一流体28的密度的流体组分。

第二工作流体26可以具有增加能量输出或以其它方式增加系统100的效率的不同特性。例如，第二工作流体26可以具有等于或大于第一传热工作流体28的热膨胀系数的热膨胀系数。例如，在某些情况下，第一传热工作流体28可以是水或其它含水流体，并且第二工作流体26可以具有比水的热膨胀系数大一个或多个数量级(例如，两个数量级)的热膨胀系数。例如，在某些情况下，如果第一传热工作流体28的热膨胀系数为0.0002568L/℃，则第二工作流体26的热膨胀系数可以为0.02568L/℃。此外，在示例中，第二工作流体26可以具有约2.67g/cc的密度和约12.18cP的粘度。用这样的配置，第二工作流体26可以在井10中循环，使得流体26通过吸收来自目标地下区域“Z”的热量(从而增加第二工作流体26的体积)而在互连井筒16中膨胀，并允许流体26主要在一个方向上向地表出口24膨胀。第二工作流体26的膨胀还推动第一传热工作流体28，并且在地热井10的地表出口24处增加第一传热工作流体28的流量。第一传热工作流体28的流量的增加可以增加能量收集设施22的能量输出。

此外，第一传热工作流体28和第二工作流体26可以是不可压缩的或是基本上不可压缩的，这可以允许压力从第二工作流体26传递到第一传热工作流体28而不发生其密度的实质性变化。换言之，第二工作流体26在下落到第一传热工作流体28时可以传递重力势能，而不会对流体26、28进行实质压缩。在一些情况下，传热工作流体26、28中的一者或两者可以被配置成在互连井筒16中超临界，在某些情况下，这些超临界的传热工作流体的热力学传热效率高于井筒16中非超临界的流体的热力学传热效率。在某些情况下，超临界流体可以是或包括二氧化碳(CO₂)。

工作流体中的一者或两者可以可替代地或附加地包括工程制冷剂、碳氢化合物、醇、有机流体以及它们的组合，并且可以附加地具有添加剂，诸如抗结垢剂、防锈剂和减摩剂。

第二工作流体26的密度和体积可以在地表11处改变。例如，流体处理设施20(或另一件地表设备)可以向第二工作流体28添加更多的流体或添加剂以增加其体积或密度或两者。在一些情况下，系统100可以使比第一传热工作流体28密度更大的相同或不同组分的多种流体或流体药片状物流动，以增加系统100的能量输出。例如，泵18或流体处理设施20可以在井10中引入第三工作流体25。工作流体25(在某些情况下其为传热工作流体)被引入第二工作流体26的上游，并且可以与第二工作流体26混合或不可混溶。第三工作流体25从地表入口21流动到井下位置17，从而将第二工作流体26和第一工作流体28推向地热井10的地表出口24。在某些情况下，可以将第四工作流体、第五工作流体和其它附加工作流体引入地热井10。

在工作流体26、28循环之前和/或期间，密封剂可以在井10中循环，以在井10的裸井部分与地下区域“Z”的周围土壤“E”之间形成密封界面。该界面可以形成在结合部13、15和互连井筒16中。

该界面可以是导热界面，例如，通过使用含有添加剂的密封剂以提高导热性，并且可以是流体不可渗透的。界面的导热性可以允许通过导热界面热填充第二工作流体26以促进第二工作流体26的热膨胀。该界面可以密封(例如，限制或完全阻止)井10与地下区域“Z”的周围土壤“E”之间的流体交换。密封剂可以包括支撑剂、密封剂颗粒(诸如膨润土(或其它密封剂))、润湿性剂和/或其它添加剂。润湿剂可以用于实现工作流体的相阻塞并防止流体从管道泄漏。支撑剂可以用于维持从互连井筒16延伸的管道或裂口敞开，其具有一定的渗透率。在一些实施方式中，界面的渗透率低于周围土壤“E”。例如，界面130可以具有10mD或更少的渗透率。

地热系统100可以是电力生产系统101的一部分，该电力生产系统包括电网38和一种或多种类型的间歇可再生能量源37，诸如太阳能板36和风力涡轮机35。例如，地热系统100包括控制器19，该控制器连接(例如，操作性和连通地连接)到能量收集设施22、间歇能量源37和电网38。能量收集设施22、间歇能量源37和电网38可以电互连以在这些部件之间传输电力。例如，控制器19可以在填充周期与排放周期之间改变地热系统，以基于电网38的能量需求向电网38供电。

在一些实施方式中，控制器19可以实现为一个或多个处理器、计算机、微控制器或它们的组合。控制器19可以是单个或单独的电气控制面板的一部分。在一些实施方式中，控制器19可以实现为分布式计算机系统，该分布式计算机系统部分地布置在能量收集设施22(或系统的一些其它设备)处并且部分地布置在与系统分离的电气控制面板处。计算机系统可以包括一个或多个处理器和计算机可读介质，该计算机可读介质存储由一个或多个处理器可执行的指令以执行在此描述操作。在一些实施方式中，控制器19可以实现为处理电路、固件、软件或它们的组合。

参考图2和图3，控制器19可以在排放周期(如图2所示)与填充周期(如图3所示)之间改变传热工作流体26、28的流量。例如，控制器19可以改变泵18的流量或打开和关闭井10的阀，以使流体在井10中循环。如图2所示，在排放周期期间，第二工作流体26在地热井10中循环，从而将第一传热工作流体28推向井10的地表出口24，以从第一传热工作流体28收集能量。如图3所示，在填充周期期间，第二工作流体26(且在一些情况下是第一传热工作流体28的一部分)从井10的井下位置17提升到地表11。

如图2所示，在排放周期期间，第二工作流体26通过泵(或通过打开阀)在地表管道41处或在入口井筒12处被输送到地表入口井筒12，以使流体在井中下沉或下落。例如，第二工作流体26可以储存在地表入口井筒12附近或上方，或者地表管道41可以倾斜，以促进第二工作流体26从地表出口24流动到地表入口21。在一些实施方式中，第二工作流体26储存在地表处，而不需要阀。

在排放周期期间，来自地下区域“Z”的热量提高了第一工作流体26和第二工作流体28的温度，在某些情况下，这会生成热虹吸，该热虹吸将流体26、28从互连井筒16驱动或流通到井10的地表出口24。热虹吸可以增加动能，并因此增加第一传热工作流体28的能量输出，并且可以附加地沿地表出口井14提升第二工作流体26，以允许系统将填充周期中的热能转换为重力势能(例如，经由热虹吸以提升较重流体)。热虹吸效应可以通过经由井10下落的第二工作流体26的重量来补充。例如，在一些情况下，由第二工作流体26给予第一传热工作流体28的势能使第一传热工作流体28比在没有第二工作流体26的情况下的热虹吸的流体更快地流动。

第二工作流体26还可以从地下区域“Z”吸收热量以增加温度和膨胀。收集设施22从第一流体(并且在一些情况下从第二流体和其它流体)收集能量，以从流通的第一传热工作流体生成液压能、热能或机械能中的至少一种。例如，由第一流体(或第二流体)吸收的热量和移动流体的动能可以用于发电(例如，在涡轮机中)或做功(例如，在热机中)。

如图3所示，在填充周期期间，第二工作流体26通过泵18或通过由地下区域“Z”的热量产生的热虹吸效应而向井上从互连井筒16流动到地表管线41。随着第二工作流体26向井上流动，第一传热工作流体28可以流动到井10的井下位置17。例如，第一传热工作流体28可以流动到互连井筒16，使得第一传热工作流体28从入口井筒12延伸到出口井筒14。第二工作流体26的全部或部分可以储存在地表处或地表附近，以在排放周期期间向井下流动。

也参考图1，在某些情况下，控制器19可以基于间歇电源37的功率输出(或电网38的能量需求)来确定电网38的功率要求。例如，控制器19可以确定(例如，基于时间表或基于从间歇能量源接收的实时信息、天气信息或其它相关信息进行预测)何时间歇能量源37的功率输出不满足或将会不满足电网38的功率要求。这样的时间段可以例如是在太阳能板36不发电时的夜间期间或在风力涡轮机35不发电时的低风时期期间。基于间歇能量源37不能或将很快不能满足电网38的需求的确定，控制器19可以通过使第二工作流体26向井下流动而启动排放周期，并因此开始从收集设施22处的第一传热工作流体28发电。在某些情况下，控制器19可以接收来自外部系统101的信号并启动排放周期，该信号指示间歇能量源37不能或将会很快不能满足需求。

如本文所使用的，术语“实时”是指在给定系统的处理限制、准确获取数据所需的时间以及数据的变化率的情况下不故意延迟地传输或处理数据。尽管可能存在一些实际的延迟，但用户通常察觉不到这些延迟。

一旦电网38的功率要求变化(例如，通过电网的需求减少或间歇能量源37的能量输出增加)，控制器19可以通过将第二工作流体26从井下位置17提升到地表11，而将地热系统100切换到填充周期或模式。当间歇能量源37满足或超过电网38的能量需求时，控制器19可以启动填充周期。例如，泵18可以电连接到间歇能量源37并由其供电。泵18使用间歇能量源37和/或电网38的电力来提升第二流体28。因此，第二工作流体26可以以势能的形式储存来自间歇能量源37的能量。因此，控制器19可以在填充周期与排放周期之间切换闭环地热系统100，以与间歇性电力生产源37一起向电网38提供可调度的能量输出。在一些实施方式中，地热系统100可以与其它能量生产源结合使用，诸如核电站、天然气发电厂、燃煤发电厂或水力发电厂。

控制器19可以可操作地联接到泵18和流体处理设施20并被配置成控制泵18和流体处理设施20。例如，启动填充周期可以包括通过控制器19激活泵18以开始提升第二工作流体26。控制器19还可以增加或减少泵18的速度，以增加或减少传热工作流体26、28中的一者或两者的流量。控制器19可以在排放周期期间停止泵18。例如，在排放周期期间，控制器19停止泵18，并将在收集设施22处生成的电力引导到电网38，以补充间歇能量源37的能量输出。

此外，控制器19可以通过控制泵18或流体处理设施20来改变以下至少一项：温度、在地下区域“Z”内的停留时间、和/或第一传热工作流体28或第二工作流体26中的至少一种的流体密度，以改变第一传热工作流体28的指定能量输出。例如，流体处理设施20可以通过向流体添加添加剂来增加第二工作流体26的流体密度，或者流体处理设施20可以加热或冷却第二工作流体28以增加或降低其粘度。停留时间是指流体分子从地表入口21流动到地表出口24所花费的时间段。停留时间可以用体积除以流量来计算。控制器19可以通过改变井10中的第二工作流体26的流量来改变第二流体26的停留时间。改变停留时间(或流量)可以控制排放和填充周期时间，并形成系统的能量输出。例如，改变停留时间可以使系统(或聚合在一起的多个地热系统)向终端用户输送按需能量，或形成输出以满足终端用户的需求配置，或与间歇可再生能量源(诸如风能或太阳能)集成。

在一些实施方式中，如果由收集设施22产生多余的电力，则多余的电力可以储存在合适的储存装置(诸如电池或超级电容器)中，或用于在类似的地热井中提升另一流体。此外，尽管在向电网供电和基于产生电力的来自间歇能量源37的输出来控制地热井10方面进行了讨论，但这些相同的理念可以应用于其它能量域和/或混合能量域的系统。例如，在某些情况下，控制器19可以基于工业过程、城市地区或直接使用热量的其它系统的供热系统的热要求而在填充周期与排放周期之间进行改变。

图4示出了示例流体处理设施20的示意图。流体处理设施20可以控制或改变井10中的流体26、28(和其它工作流体)的顺序、正时、流量、体积和路线。示例流体处理设施20包括集装箱、储罐或分离容器40(以用于在一起流过井10之后分离流体26、28)、液位计60、两个或更多个流体入口管44和46、两个或更多个流体出口管54和56以及在相应入口管和出口管中的每一个中的相应阀48和58。入口管44和46流体地联接(例如，通过Y型管件或歧管)到地表管线41的供应管42，而出口管54和56流体地联接(例如，通过Y型管件或歧管)到地表管线41的回流管43。液位计60可以检测每种流体26、28的液位(以及界面23的液位，如果适用的话)，并且流体26、28可以通过打开和关闭阀来流入和流出储罐40，以启动系统的循环、分离流体、注入其它致密流体或用于其它相关目的。

值得注意的是，地热井还可以采用除了图1所示之外的许多其它配置。图5示出了另一示例地热系统200，该示例地热系统包括地热井210，在井210内部布置有井筒管柱50。地热井210可以是竖直的(如图所示)或非竖直的(例如，偏离的、倾斜的、水平的和/或以其它方式非竖直的)。井筒管柱50通过井壁210形成有环空211。井210的地表入口212可以是井筒管柱50的顶部流体入口，而井210的地表出口214可以是环空211的顶部流体出口。如图1所示，井210可以连接到泵、收集设施和流体处理设施，如图1所示，并且井210可以是电力生产系统101的一部分。

图6示出了另一示例地热系统300，该地热系统300包括地热井310，该地热井具有入口井筒312、出口井筒314以及在非竖直方向上与入口井筒312和出口井筒314偏离的互连井筒316。例如，入口井筒312和出口井筒314可以“共定位”或彼此相对靠近(例如，在同一垫上)定位，其中，在侧视图中，互连井筒316形成C型，而不是直接从入口井筒312延伸到出口井筒314。互连井筒316可以有套管或是裸井。

互连井筒316包括两个“堆叠的”横向部316a和316b。例如，互连井筒316包括第一横向井筒316a，该第一横向井筒316a流体地联接到地表入口井筒312的井下端并从地表入口井筒312的井下端延伸到第一横向井筒316a的趾部317。互连井筒316还包括第二横向井筒316b，该第二横向井筒流体地联接到地表出口井筒314的井下端并从地表出口井筒314的井下端延伸到第一横向井筒的趾部317。在一些实施方式中，井筒318可以连接横向井筒316a和316b的两端。第二横向井筒316b位于第一横向井筒316a的下方或旁边。例如，第一横向井筒316a可以位于第二横向井筒316b或相对于第二横向井筒316b竖直偏移。

为了形成地热井310，地表入口井筒312可以形成为定向井筒(例如，包括竖直段和非竖直段)，而地表出口井筒314可以形成为在相同方向上延伸的类似的定向井筒。地表定向入口井筒包括布置在地下区域“Z”中的第一跟部321和第一趾部317，而地表定向出口井筒包括第二跟部323和第二趾部325。在井310的公共井下结合部318处，第二趾部325流体地联接到第一趾部317，使得在侧视图中，两个定向井筒形成“L型”井筒。横向部316a、316b可以是水平的或倾斜的。包括收集设施22、泵18或流体处理设施20中的一个或多个的地表设备29使传热工作流体以类似于上文关于图1至图5描述的方式循环。井310可以是如图1所示的电力生产系统101的一部分。

在一些实施方式中，跟部321、323可以是裸井。此外，横向部316a和316b以及趾部317和325可以是裸井。井310的裸井段在井筒与地下区域“Z”的周围土壤或岩石之间可以具有基本上不可渗透的界面。

图7和图8示出了其它示例地热井410和510。井410和510可以是电力生产系统101的一部分，如图1所示。图7和图8分别示出了地热系统400、500，该地热系统分别包括地热井410、510和地表设备29，该地表设备包括图1所示的收集设施22、泵18或流体处理设施20中的至少一个。

图7示出了地热井410，该地热井410具有多个偏离井筒415，该偏离井筒415流体地联接到地表入口井筒414的公共井下端450和地表出口井筒416的公共井下端451并从地表入口井筒414的公共井下端450延伸到地表出口井筒416的公共井下端451。每个偏离井筒415均位于目标地下区域“Z”中。每个偏离井筒415包括第一横向井筒435，该第一横向井筒从地表入口井筒414的井下端450延伸到井下结合部438。每个偏离井筒415还包括第二横向井筒436，该第二横向井筒从地表出口井筒416的井下端451延伸到井下结合部438。两个横向井筒435、436在井下结合部438处流体地互连(例如，相交)。第一横向井筒435位于第二横向井筒436的竖直上方。

图8示出了地热井510，该地热井510与图8中的井410基本相似，主要区别在于偏离井筒515组是倾斜的，而不是水平的。每个偏离井筒515包括：第一横向井筒535，该第一横向井筒从入口井筒514的井下端550延伸；以及第二横向井筒536，该第二横向井筒从出口井筒516的井下端551延伸。横向部535、536在公共井下结合部538处连接。横向井筒535、536是倾斜的，使得井下结合部538所位于的深度比地表井筒514、516的井下端550、551的深度更深。

图9示出了地热系统600，该地热系统600包括多个井610，该多个井610具有不同的几何形状或配置，以适应地下区域“Z”内的梯度变化。例如，井610可以类似于图1至图8中所示的井中的任一个。地表入口井筒或管道612可以共同连接到第一地表歧管62。地表出口井筒或管道614可以共同连接到第二地表歧管64。地表设备29可以流体地联接到歧管62、64中的任一个。地热系统600可以收集不同量的能量，其中，在井610内存在可变性。地热系统600还可以具有如图1所示的控制器，以提供预定能量输出。例如，每个井610或一组井610的能量输出可以组合，从而为另一井610或电网提供电力。

每个井610均可以是闭环地热井，且每个井可以以类似于关于图1至图8描述的井进行操作。从这些井610收集的能量可以是选择性可变的能量，并且可以将能量合并以生成预定量的能量输出。

图10是图9中的地热系统600的可能路线配置的示意图。例如，每个井610均可以独立于相应入口井筒612和出口井筒614。电力线656可以在出口井筒614与入口井筒616之间(例如，在相应收集设施与泵之间)互连，使得出口井筒614可以为共同连接在地表处的入口井筒314(或另一出口井筒314)提供电力。此外，歧管64、62可以流体地联接以使流体在每个歧管之间流动。井610可以连接到与每个单独的井相关联的地表设备或连接到与多个井610相关联的公共设备。地热系统600可以从一个模块化操作(即，井筒、间歇源、电网)“可调”到另一模块化操作，以促进能量输出的正常化。集体输出或能量70可以转换成电能并输送到电力生产系统的任何部分。能量可以提供为作为基本载荷72或可调度的电能74，该可调度的电能74由控制器或功率分配器76取决于特定时间框架期间任何给定点处的特定参数而可切换。

图11描绘了说明聚合在一起的不同地热井回路的功率输出的图形数据。可以为每个回路控制操作参数，诸如流量、流体顺序、流体组分和填充/排放周期的正时，从而为聚合系统提供计划的成形功率输出。标记80表示需求，标记82表示来自第一回路的输出，标记84表示来自第二回路的输出，而标记86表示来自第三回路的输出。上文描述的参数被控制成使得三个回路的聚合输出成形为满足终端用户的需求配置。

图12示出了地热系统700，该地热系统700包括地热井710，该地热井710流体地联接到位于地下区域的热储存库88(例如，空隙或地下储存库)。储存库88可以包含现有地层流体或可以充满来自井710的工作流体。阀92可以在地表操作以关闭或打开井710与热储存库88之间的流体通路。类似地，井下井筒部分90可以储存流体并以类似的方式由阀94分离。地热系统700可以在需要时促进热虹吸的感应，并且可以集成在本文所讨论的任何实施例中。

图13是生成地热能的示例方法1300的流程图。该方法包括在位于目标地下区域中的闭环地热井中使第一传热工作流体从地热井的地表入口流动到地热井的井下位置(1305)。该方法还包括在地热井中使第二工作流体从地表入口流动到地热井的井下位置。第二工作流体位于第一传热工作流体的上游。第二工作流体的流体密度大于第一传热工作流体的流体密度(1310)。该方法还包括在地热井中循环第二工作流体，从而利用第二工作流体将第一传热工作流体推向地热井的地表出口(1315)。该方法还包括从在地热井的地表出口处接收的流通的第一传热工作流体中收集能量(1320)。

图15是根据本公开的示例控制器的示意图。例如，控制器1400可以包括图1所示的控制器19或是其一部分。控制器1400旨在包括各种形式的数字计算机，诸如印刷电路板(PCB)、处理器、数字电路等。此外，系统可以包括便携式存储介质，诸如闪存驱动器。例如，闪存驱动器可以存储操作系统和其它应用程序。闪存驱动器可以包括输入/输出部件，诸如可以插入到另一计算装置的端口中的无线发射器或连接器。

控制器1400包括处理器1410、存储器1420、存储装置1430和输入/输出装置1440。部件1410、1420、1430和1440中的每个使用系统总线1450互连。处理器1410可以包括图1至图4所示的处理装置120或是其一部分，并且能够在控制器1400内处理用于执行的指令。处理器可以使用多种架构中的任一种来设计。例如，处理器1410可以是CISC(复杂指令集计算机)处理器、RISC(简化指令集计算机)处理器或MISC(最小指令集计算机)处理器。

在一个实施方式中，处理器1410是单线程处理器或微处理器或参数控制器。在另一实施方式中，处理器1410是多线程处理器。处理器1410能够处理存储在存储器1420中或存储装置1430上的指令，以显示用于输入/输出装置1440上的用户界面的图形化信息。

存储器1420在控制器1400内存储信息。在一个实施方式中，存储器1420是计算机可读介质。在一个实施方式中，存储器1420是易失性存储单元。在另一实施方式中，存储器1420是非易失性存储单元。

存储装置1430能够为控制器1400提供大容量存储。在一个实施方式中，存储装置1430是计算机可读介质。在各种不同的实施方式中，存储装置1430可以是软盘装置、硬盘装置、光盘装置或磁带装置。

输入/输出装置1440为控制器1400提供输入/输出操作。在一个实施方式中，输入/输出装置1440包括键盘和/或指向装置。在另一实施方式中，输入/输出装置1440包括显示单元，以用于显示图形化用户界面(例如，手持装置)。

现在将参考在不同地热井筒中执行的多次测试或情况研究。测试或情况研究使用系统的瞬态热力学模型进行计算。示例1是在类似于图1的井筒的U型井筒中执行的测试，该井筒具有多个互连井筒。示例2是在类似于图7的井筒的L型井筒中执行的测试，其利用流涡轮将超压转换成电力。示例3是在类似于图7的井筒的L型井筒中执行的测试，其使用有机兰金循环(ORC)并将超压转换成更高的流量。示例4是在类似于图7的井筒的L型井筒中执行的测试，其使用具有第二工作流体的ORC，该第二工作流体具有高热膨胀系数。示例5是在类似于图8的井筒的L型井中执行的测试，其使用ORC。

示例1

参数：

-井几何形状：U型井筒，具有2个互连横向井筒

-总竖直深度(TVD)：2400米(m)

-点到点距离：2500m

-地层温度：78℃

-井直径：7”套管，6 1/8”横向部

-基本载荷操作：在处于基本载荷操作时，出口井压力为395kPag，并且温度为51℃。

步骤及结果：

在进行恒定流量的正常循环过程中，在入口井处添加更高密度的组分。更高密度的流体的段塞导致重力势能在出口井处转换成高达900KPag的超压，其可以用于机械功或经由涡轮机转换成电力。当更高密度的段塞沿出口井向上行进时，出口压力下降，并且需要泵来维持循环，因此将泵所需的电能存储为重力势能。在这种特定测试中，更高密度的流体与低密度流体可混溶，并且没有使用不可混溶的间隔件或分隔件或流体处理设备。流体在几个循环周期中缓慢混合，且两种流体之间的密度差最终相等。因此，随着时间的推移，效果会逐渐下降，但可以通过注入新的高密度段塞或药片状物或在地表处分离流体来缓解。

示例2

参数：

-井几何形状：L型井筒，具有水平横向部(相对于入口井筒竖直轴线成90°角)

-总竖直深度(TVD)：4500m

-横向井筒的长度：6000m

-横向部的数量：12

-温度梯度：30℃/km

-入口井温度：20℃

步骤及结果：

重流体(例如，第二工作流体)在井中循环。重流体增加了出口井压力。可以使用涡轮机将这种超压转换成有用功。培尔顿涡轮机将流体流(动能)和压力(压力势能)转换成涡轮机的旋转运动，并经由发电机转换成电力。为了估算由于重力储存的发电潜力，需要使用超压和基准情况流量计算功率生成。所生成的功率＝发电机效率×涡轮机效率×工作压力(MPa)×流量(kg/s)。所消耗的功率＝所需压力(MPa)×流量(kg/s)×1/泵效率。随着流量的增加，热虹吸的量减少。流量越高，从回路输送的热负荷的量越大。可以需要泵来提供足够的压力，以增加超过热虹吸能力的流量。

假设：

在排放期间，系统以基准情况的最大流量67.4kg/s(242.5m3/hr)进行操作。用于填充模式的流量与排放保持一致(67.4kg/s)。用于填充模式的流量可以被优化，以实现期望的回路运行时间。例如：如果添加17.6吨的重流体，则通过涡轮机附加生成的功率为169kW，而将重流体回流到地表所需的泵功率为225kW(相对于19.3MW连续热生成～3.85MW电功率，假设ORC效率为20％)。一旦第一批重流体进入横向井段，就可以通过添加另一批重流体来优化系统(以67.4kg/s在竖直部和横向部中的行进时间分别为0.7小时(hr)和10.9hr)。往返效率等于发电机、涡轮机和泵效率的乘积。如果所有单元都为100％效率，则储存将是无损的。

往返效率为75％，计算公式为：

示例3

参数：

-井几何形状：L型井筒，具有水平横向部(相对于入口井筒竖直轴线成90°角)

-总竖直深度(TVD)：4500m

-横向井筒的长度：6000m

-横向部的数量：12

-温度梯度：30℃/km

-入口井温度：20℃

步骤及结果：

利用重力储存的另一种方法是利用增加的热虹吸压力来增压排放周期期间的流量。泵的要求大致类似于示例2。利用热虹吸压力增压流量导致所产出的热负荷的显著提高(图6)。然而，随着流量的增加，循环时间减少，以减少整个流动周期持续时间(图7)。当第一批重流体以其方式通过(平坦)横向段时，可以添加附加批次重流体以延长排放周期的持续时间。只要前一批进入横向段后，就立即添加新一批(在假设的井结构设计中，在回路中可以同时存在最多达15个重力药片状物)。

操作性假设：

在排放周期期间，系统以最大热虹吸进行操作。在排放周期期间，系统以基准情况(最大，热虹吸)进行操作。例如：如果添加17.6吨重流体，则支持的最大流量增加到466.7m3/hr(对于基准情况高达242.5m3/hr)。这种流量的增加导致热负荷从19.3MWth增加到37.1MWth(分别为7.4和3.9MWe，假设ORC效率为20％)。将重流体以242.5m3/hr回流到地表所需的泵功率为225kW。一旦第一批重流体进入横向井段，就可以通过添加另一批重流体来优化系统(以466.7m3/hr在竖直部和横向部的行进时间分别为0.36hr和5.66hr)。由于由周围岩石添加了一定量的能量，所以往返效率数没有意义。

示例4

参数：

-井几何形状：L型井筒，具有水平横向部(相对于入口井筒竖直轴线成90°角)

-总竖直深度(TVD)：4500m

-横向井筒的长度：6000m

-横向部的数量：12

-温度梯度：30℃/km

-入口井温度：20℃

步骤及结果：

如果重流体的热膨胀系数高于水，则产生的效应增加。水在20℃时的热膨胀系数为210×10^-6℃^-1。例如，如果β可以比水增加2个数量级(例如，从约0.0002568增加到0.02568 1/℃)，则不需要泵就可以将重流体带回地表。

示例5

参数：

-井几何形状：L型井筒，具有斜向或倾斜的横向部(相对于入口井筒竖直轴线成20°角)

-总竖直深度(TVD)：7319m

-横向井筒的长度：6000m

-横向部的数量：12

-温度梯度：30℃/km

-入口井温度：20℃

步骤及结果：

当流体在横向部和竖直段向下行进时，重流体继续提供增加的压力。与先前情况中的一些一样，需要泵将重流体回流到地表。如图8所示的井筒的设计为基准情况热负荷的生产提供了显著提升，并允许以更高的入口温度操作。重力储存可以提高产量，并进一步提高热负荷的生成。

尽管为了说明目的，上文的详细描述包含许多具体细节，但可以理解，本领域普通技术人员将理解到以下细节的许多示例、变化和更改都在本公开的范围和精神之内。因此，在没有任何一般性损失且没有对所要求保护的实施方式施加限制的情况下，提出了在本公开中描述的和在所附附图中提供的示例性实施方式。

尽管已经详细描述了目前的实施方式，但应当理解，在不偏离本公开的原则和范围的情况下，可以在此基础上进行各种变更、替换和更改。因此，本公开的范围应由所附权利要求及其适当的法律等效形式确定。

除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代。

如在本公开和所附权利要求中使用的，词语“包括”、“具有”和“包含”及其所有语法变体均旨在具有不排除附加元件或步骤的开放式非限制性的含义。

如在本公开中使用的，诸如“第一”和“第二”的术语是任意分配的，并且仅用于区分设备的两个或更多个部件。可以理解，词语“第一”和“第二”不用于其它目的，也不是部件名称或描述的一部分，它们也不一定限定部件的相对定位或位置。此外，应当理解，仅使用术语“第一”和“第二”并不要求存在任何“第三”部件，但在本公开的范围内考虑了这种可能性。

Claims (24)

1.一种方法，包括：

在位于目标地下区域中的闭环地热井中，使第一传热工作流体从所述地热井的地表入口流到所述地热井的井下位置；

在所述地热井中，使第二工作流体从所述地表入口流到所述地热井的井下位置，所述第二工作流体位于所述第一传热工作流体的上游，所述第二工作流体的流体密度大于所述第一传热工作流体的流体密度；

使所述第二工作流体在所述地热井中循环，从而利用所述第二工作流体将所述第一传热工作流体推向所述地热井的地表出口；以及

从在所述地热井的地表出口处接收的流通的第一传热工作流体收集能量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述地热井包括：(i)地表入口井筒，所述地表入口井筒从所述地表入口延伸到所述目标地下区域，(ii)地表出口井筒，所述地表出口井筒从所述地表出口延伸到所述目标地下区域，以及(iii)偏离井筒，所述偏离井筒流体地联接到所述地表入口井筒和所述地表出口井筒并将所述地表入口井筒与所述地表出口井筒互连，所述偏离井筒位于所述目标地下区域中，并且使所述第二工作流体循环包括：使所述第二工作流体从所述地表入口井筒流到所述偏离井筒并从所述偏离井筒流到所述地表出口井筒，从而将所述第一传热工作流体从所述偏离井筒推向所述地热井的地表出口。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第二工作流体的热膨胀系数等于或大于所述第一流体的热膨胀系数，并且使所述第二工作流体流动包括使所述第二工作流体在所述地热井中流动，使得所述第二工作流体在从所述目标地下区域吸收热量时在所述地热井中膨胀，以增加所述地热井的地表出口处的所述第一传热工作流体的流量。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一传热工作流体是水，并且所述第二工作流体的热膨胀系数比水的热膨胀系数大一个或多个数量级。

5.根据权利要求2至4中的任一项所述的方法，其中，所述地热井还包括多个偏离井筒，所述多个偏离井筒流体地联接到所述地表入口井筒的公共井下端和所述地表出口井筒的公共井下端并从所述地表入口井筒的公共井下端延伸到所述地表出口井筒的公共井下端，所述多个偏离井筒中的每一个位于所述目标地下区域中并且所述多个偏离井筒中的每一个包括：(i)第一横向井筒，所述第一横向井筒从所述地表入口井筒的井下端延伸到井下结合部，以及(ii)第二横向井筒，所述第二横向井筒从所述地表出口井筒的井下端延伸到所述井下结合部，并且使所述第二工作流体循环包括使所述第二工作流体从所述地表入口流到所述井下结合部并从所述井下结合部流到所述地表出口。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，相应的第一横向井筒位于相应的第二横向井筒的上方，相应的第一横向井筒和相应的第二横向井筒中的每一个是倾斜的，使得所述井下结合部所在的深度比所述地表入口井筒的井下端的深度大。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括，在使所述第二工作流体流动之后：

在所述闭环地热井中，使第三传热工作流体从所述地表入口流到所述井下位置，并且其中所述第三传热工作流体位于所述第二工作流体的上游，所述第三传热工作流体的流体密度大于所述第一传热工作流体的流体密度；以及

使所述第三传热工作流体在所述闭环地热井中循环，从而利用所述第三传热工作流体将所述第二传热工作流体和所述第一传热工作流体推向所述闭环地热井的地表出口。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述闭环地热井包括控制器，所述控制器电联接泵，所述泵被配置成使所述第一工作流体和所述第二工作流体在所述地热井中循环，所述控制器被配置成：基于与间歇能量源相关联的电网的能量需求来改变所述泵的流量，在填充周期与排放周期之间改变所述第一工作流体和所述第二工作流体的流量，其中所述填充周期包括将所述第二工作流体从所述地热井的井下位置提升到所述地热井的地表，所述排放周期包括使所述第二工作流体在所述地热井中循环，从而将所述第一传热工作流体推向所述地热井的地表出口，以从所述第一传热工作流体收集能量。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述泵由所述间歇能量源提供电力，并且所述控制器被配置成当所述间歇能量源满足或超过所述电网的能量需求时启动所述填充周期，并且所述控制器被配置成在所述排放周期期间向所述电网供应所收集的能量，以补充所述间歇能量源的能量输出，所述控制器被配置成当所述间歇能量源不满足所述电网的能量需求时启动所述排放周期。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，补充间歇能量源的能量输出包括与所述间歇能量源一起为所述电网产生可调度的能量输出。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，使所述第二工作流体循环包括利用所述第一工作流体和所述第二工作流体从所述目标地下区域回收热能，并且收集能量包括从流通的第一传热工作流体生成液压能、热能或机械能中的至少一种。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括在所述闭环地热井的地表处改变所述第一传热工作流体或所述第二工作流体中的至少一种的温度、停留时间或流体密度中的至少一个，以改变在所述地表出口处的所述第一传热工作流体的指定能量输出。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，改变所述停留时间包括改变所述第二工作流体的流量，以改变所述第二工作流体从所述地表入口流到所述地表出口所花费的时间，使得在基于与所述地热井相关联的间歇能量源的低能量输出的排放周期期间，所述第二工作流体将所述第一传热工作流体推向所述地表出口，而在基于与所述地热井相关联的所述间歇能量源的高能量输出的填充周期期间，通过由所述间歇能量源提供电力的泵将所述第二工作流体提升到所述地表出口。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一传热工作流体与所述第二工作流体不可混溶，或者所述地热井包括不可混溶的药片状物，所述不可混溶的药片状物布置在所述第一传热工作流体与所述第二工作流体之间并且与所述第一传热工作流体及所述第二工作流体不可混溶。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述闭环地热井包括以下中的至少一个：(i)L型井筒，所述L型井筒包括地表定向入口井筒和地表定向出口井筒，所述地表定向入口井筒包括布置在所述地下区域中的第一跟部和第一趾部，而所述地表定向出口井筒包括第二跟部和第二趾部，所述第二趾部在所述地热井的公共井下结合部处流体地联接到所述第一趾部，使得在侧视图中，所述两个定向井筒形成L型井筒；(ii)U型井筒，所述U型井筒包括：地表入口井筒，所述地表入口井筒从所述地表入口延伸到所述地下区域；地表出口井筒，所述地表出口井筒与所述地表入口井筒间隔开并从所述地表出口延伸到所述地下区域；以及互连井筒，所述互连井筒在所述地表入口和所述地表出口之间延伸并与所述地表入口和所述地表出口流体地联接，并且在侧视图中与所述地表入口井筒和所述地表出口井筒形成U型井筒；或者(iii)单井筒，所述单井筒包括井筒管柱，所述井筒管柱布置在所述单井筒内并利用所述单井筒的壁限定环空，所述环空限定所述地表入口，并且所述井筒管柱限定所述地表出口。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述地热井是L型井筒，所述第一跟部和所述第二跟部是裸井，并且每个井筒的在相应的跟部与相应的趾部之间的区段是裸井，并且包括在每个井筒与围绕每个井筒的所述地下区域的土壤之间的基本上不可渗透的界面。

17.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括，在使所述第一传热工作流体流动之前：

使所述闭环地热井中的密封剂在所述地热井中流动；以及

通过使所述密封剂在所述地热井中循环，在所述地热井与围绕所述地热井的所述地下区域处的土壤之间形成导热界面，所述导热界面基本不可渗透流体，同时所述井筒的至少一部分是裸井；

其中，使所述第二工作流体循环包括通过经由所述导热界面暴露到所述目标地下区域来热填充所述第二工作流体。

18.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括位于所述目标地下区域或不同的地下区域中的多个闭环地热井，所述多个闭环地热井中的每一个均包括相应的地表入口和相应的地表出口，所述方法还包括：

在每个地热井中，使相应的第一传热工作流体从每个地热井的地表入口流到每个地热井的井下位置；

在每个地热井中，使相应的第二工作流体从每个地热井的地表入口流到每个地热井的井下位置，相应的第二工作流体位于相应的第一传热工作流体的上游，相应的第二工作流体的流体密度大于相应的第一传热工作流体的流体密度；

使相应的第二工作流体在每个地热井中循环，从而利用相应的第二工作流体将相应的第一传热工作流体推向每个地热井的地表出口；以及

从在每个地热井的地表出口处接收的相应的流通的第一传热工作流体收集能量。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，收集能量包括从相应的流通的第一传热工作流体中的每一个收集有选择地可变的能量。

20.根据权利要求18至19中的任一项所述的方法，其中，收集能量包括将来自相应的流通的第一传热工作流体中的每一个的所收集的能量合并以形成预定量的能量输出。

21.根据权利要求18至20中的任一项所述的方法，其中，使所述多个地热井中的一个地热井的相应的第二工作流体循环包括：利用由所述多个地热井中的另一个地热井的所收集的能量提供电力的泵来使相应的地热井中的相应的第二工作流体循环。

22.一种使来自电网的不规则电力供应和需求正常化的方法，所述方法包括：

根据权利要求1所述的方法来生成电能；以及

在预定时间向所述电网供应所生成的电能，以与所述电网上的增加的需求的时期相一致。

23.一种地热系统，包括：

闭环地热井，所述闭环地热井包括：

地表入口井筒，

地表出口井筒，以及

互连井筒，所述互连井筒流体地联接到所述地表入口井筒和所述地表出口井筒并使所述地表入口井筒与所述地表出口井筒互连，所述互连井筒位于目标地热地下区域中；

第一传热工作流体，所述第一传热工作流体位于所述地热井的内部并被配置成在所述地热井中循环；以及

第二工作流体，所述第二工作流体被配置成在所述地热井中从所述地表入口井筒循环到所述地表出口井筒，所述第二工作流体位于所述第一传热工作流体的上游，并且所述第二工作流体的流体密度大于所述第一传热工作流体的流体密度；

其中，使所述第二工作流体循环包括：利用所述第二工作流体将所述第一传热工作流体推向所述地表出口井筒的地表出口，以从在所述地表出口处接收的流通的第一传热工作流体收集能量。

24.一种电力生产系统，包括：

电网；

间歇电力生产源，所述间歇电力生产源电联接到所述电网；

闭环地热系统，所述闭环地热系统电联接到所述电网，所述闭环地热系统包括：

地热井，所述地热井包括地表入口和地表出口，

热交换器，所述热交换器流体地联接到所述地表出口并且电联接到所述电网，所述热交换器被配置成输出由第一传热工作流体的运动所生成的电力，所述第一传热工作流体由第二工作流体在所述地热井中向井下循环来推动，从而将所述第二工作流体的重力势能转换成所述第一传热工作流体的动能，所述第二工作流体的密度大于所述第一传热工作流体的密度并且所述第二工作流体位于所述第一传热工作流体的上游；以及

控制器，所述控制器可操作地联接到所述电网、所述间歇电力生产源和所述闭环地热系统，所述控制器被配置成基于所述间歇电力生产源的功率输出来确定所述电网在选定时间段的功率要求，并被配置成在填充周期与排放周期之间切换所述闭环地热系统，以与所述间歇电力生产源一起向所述电网提供可调度的能量输出。

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