CN208901664U - 基于同井注采开发地热能的地热井系统 - Google Patents

基于同井注采开发地热能的地热井系统 Download PDF

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张召平
李瑞霞
王高升
金宇翔
郭啸峰
宋先知
黄劲
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    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/10Geothermal energy

Abstract

本实用新型公开一种基于同井注采开发地热能的地热井系统,包括:地热井从地表深至地热储层;密封固定结构设置于地热井内,将地热井封隔成上下设置的回水段和采水段;采水口设置于靠近地热储层底部的采水段侧壁上;多条注水分支井设置于靠近地热储层的顶部,并与地热井的回水段连通;热交换器设置于地面上,热交换器的进水口通过进水管与水泵连通,热交换器的出水口通过出水管与地热井的回水段连通。高温水通过采水口进入地热井,水泵将地热水通过进水管泵入至地面上的热交换器内,通过多条注水分支井将低温水有效补给地热井周围的地下水,提高同井注采开发地热能的换热效率降低成本,实现热水型地热资源的经济可持续开发,满足环保要求。

Description

基于同井注采开发地热能的地热井系统
技术领域
本实用新型属于地热能开发技术领域,更具体地,涉及一种基于同井注采开发地热能的地热井系统。
背景技术
随着经济全球化的进一步发展,全世界对资源的需求日益增加,能源消费中占主导地位的石油、煤炭等能源的需求量也逐渐增多,目前已探明的石油、煤炭等资源的储量非常有限,供需矛盾日趋紧张。同时传统化石能源带来的环境污染问题日益严重,节能减排逐渐成为各国的重要问题之一。另外,巴黎气候大会的成功召开以及《巴黎协定》的正式生效和实施表明世界各国在温室气体减排等重大问题上的认识和行动渐趋一致,需要新的能源来缓解世界的污染问题。
我国地热资源种类繁多,考虑地质构造特征、热流体传输方式、温度范围以及开发利用方式等因素,我国地热资源可分为干热岩资源、浅层地热能资源和水热型地热资源三种类型。当前干热岩资源储量丰富,但是开采技术仍处于探索阶段,而浅层地热的单井产能较低,因此最具开发价值的为水热型地热资源。
我国水热型地热资源量相对较为丰富,折合标准煤12500亿吨,每年可开采量折合标准煤18.65亿吨,但是目前其开采率仅为0.2%,地热资源的开发利用潜力巨大。直接采水取热是水热型地热资源最为普遍的一种开发方式,但是地下水的大量开采,容易引起的地下水位下降、地面沉降及地面塌陷等地质问题。
现有的多井注采系统,虽然能够补给地下水,但是由于钻井数量较多,占地面积大,管理不便,投资成本高等问题,限制了其大规模应用。
因此,有必要提供一种同井注采地热能的系统,在同一地热井实现采热和地下水的补给,降低初期成本,避免地下水位下降而导致地面塌陷等地质问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提出一种同井注采开发地热能的地热井系统,使其能够有效补给地下水,提高单井采热效率。
为了实现上述目的,本实用新型提出一种基于同井注采开发地热能的地热井系统,包括:
地热井,所述地热井从地表深至地热储层;
密封固定结构,所述密封固定结构设置于所述地热井内,将所述地热井封隔成上部的回水段和下部的采水段;
采水口,所述采水口设置于靠近所述地热储层底部的采水段侧壁上;
多条注水分支井,所述多条注水分支井设置于靠近所述地热储层的顶部,所述多条注水分支井以所述地热井为圆心呈辐射状分布,并与所述地热井的回水段连通;
水泵,所述水泵设置于所述地热井的采水段内;
热交换器,所述热交换器设置于地面上,所述热交换器的进水口通过进水管与所述水泵连通,所述热交换器的出水口通过出水管与所述地热井的回水段连通。
优选地,所述进水管位于所述地热井内的部分为保温管。
优选地,所述保温管包括内管柱和套设于所述内管柱外层的外管柱,所述内管柱与所述外管柱之间设有真空层。
优选地,还包括循环泵,所述循环泵设置于所述出水管上,用于向所述地热井的回水段泵入回水。
优选地,所述多条注水分支井以所述地热井为圆心在水平方向呈辐射状分布。
优选地,所述采水口与所述采水段的连通处套设有筛管。
优选地,所述地热井的内壁设有沿井深方向设置的多段套管。
优选地,所述套管与所述地热井的内壁之间设有水泥层。
优选地,所述多条注水分支井为裸眼完井。
优选地,所述密封固定结构为封隔器。
本实用新型有益效果在于:密封固定结构将地热井封隔成上下设置的回水段和采水段,地热储层处的高温水通过采水口进入地热井,水泵将地热水通过进水管泵入至地面上的热交换器内,实现热交换后,将交换后的低温水通过出水管流至回水段,并通过多条注水分支井将低温水有效补给地热井周围的地热储层的地下水,有利于扩大换热面积,提高同井注采开发地热能的换热效率,减少作业量,降低成本,实现热水型地热资源的经济可持续开发,满足环保要求。
本实用新型的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
下面将参照附图更详细地描述本实用新型。虽然附图中显示了本实用新型的优选实施方式,然而应该理解,可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反,提供这些实施方式是为了使本实用新型更加透彻和完整,并且能够将本实用新型的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1示出了根据本实用新型一个实施例的基于同井注采开发地热能的地热井系统的结构示意图。
图2示出了根据本实用新型一个实施例的保温管的结构示意图。
附图标记说明:
1、地热井;2、盖层;3、套管;4、水泥层;5、注水分支井;6、采水口;7、筛管;8、保温管;9、地热储层;10、回水段;11、采水段;12、水泵;13、封隔器;14、电缆;15、循环泵;16、热交换器;17、出水管;18、进水管;19、内管柱;20、真空层;21、外管柱。
具体实施方式
下面将更详细地描述本实用新型的优选实施方式。虽然以下描述了本实用新型的优选实施方式,然而应该理解,可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反,提供这些实施方式是为了使本实用新型更加透彻和完整,并且能够将本实用新型的范围完整地传达给本领域的技术人员。
根据本实用新型实施例的一种基于同井注采开发地热能的地热井系统,包括:
地热井,所述地热井从地表深至地热储层;
密封固定结构,所述密封固定结构设置于所述地热井内,将所述地热井封隔成上部的回水段和下部的采水段;
采水口,所述采水口设置于靠近所述地热储层底部的采水段侧壁上;
多条注水分支井,所述多条注水分支井设置于靠近所述地热储层的顶部,所述多条注水分支井以所述地热井为圆心呈辐射状分布,并与所述地热井的回水段连通;
水泵,所述水泵设置于所述地热井的采水段内;
热交换器,所述热交换器设置于地面上,所述热交换器的进水口通过进水管与所述水泵连通,所述热交换器的出水口通过出水管与所述地热井的回水段连通。
作为优选方案,密封固定结构为封隔器。
更为优选的,封隔器为管内封隔器。
具体地,通过封隔器将地热井封隔成上下设置的回水段和采水段,采水段用于采集地热井周围的地热储层的高温水,高温水热交换后的低温水回流至地热井内的回水段,通过多条注水分支井将低温水补给到地热井周围的地热储层,有利于扩大低温水利用地热能的换热面积,实现水热型地热资源的经济可持续开发和利用。
地热井采集地热能的具体过程为:高温水从采水口进入地热井的采水段,水泵将地热水通过进水管泵入至地面的热交换器内,高温水与热交换器内的传热介质进行热交换,实现取热,将热交换后的低温水通过出水管回流至地热井内的回水段,并从多条注水分支井补给至地热井周围地热储层的地下水,提高单井采热的效率,满足环保要求。
具体地,地热井的建井的过程如下:
根据地质勘查,选取目标地热储层,确定目标地热储层的顶部和底部;根据目标地热储层渗流条件,确定目标地热储层的注水分支井和采水口的位置。注水分支井和采水口尽量分别靠近目标地热储层的顶部和底部,以便能够获取更多的热量。
具体地,在封隔器上设有电缆过孔,电泵的电缆穿过电缆过孔与地面的电源连接。
作为优选方案,进水管位于地热井内的部分为保温管。
具体地,保温管的下部伸入封隔器的下部,与水泵连接,保温管的上部与进水管连接,采水段的高温水通过水泵举升上行,保温管经过回水段处的低温水时,也能够保持保温管内高温水的温度,减少高温水在进入热交换器前的热量损失,提高取热效率。
作为优选方案,保温管包括内管柱和套设于内管柱外层的外管柱,内管柱与外管柱之间设有真空层,内管柱和外管柱的双层保温结构,真空层实现内管柱和外管柱之间的隔热,减少高温水在保温管内的热量损失。
作为优选方案,还包括循环泵,循环泵设置于出水管上,用于向地热井的回水段泵入回水。
具体地,若地层条件较好,如裂隙发育的灰岩储层,换热后的水压满足返排至多条注水分支井的要求,可以采用自然回注的方式实现换热后的低温水返排回注;当换热后的水压无法满足返排要求,为了使换热后的水能够顺利返流,在地面上的出水管上串接循环泵,循环泵实现换热后的补充水压。
作为优选方案,多条注水分支井以地热井为圆心在水平方向呈辐射状分布,增加了注水分支井和采水口之间的垂直距离,提高低温水从注水分支井向地热储层回渗过程的热交换面积。
在一个示例中,注水分支井水平段与采水口之间的垂直距离为400-600米。
作为优选方案,采水口与采水段的连通处套设有筛管,筛管能够过滤部分地热储层的岩砂。
作为优选方案,地热井的内壁设有沿井深方向设置的多段套管。
具体地,封隔器的内圈套设在保温管的外壁上,并与保温管的外壁密封连接,封隔器的外圈与套管的内壁密封连接。
作为优选方案,套管与地热井的内壁之间设有水泥层。
具体地,地热井的钻井和固井过程如下:
通过钻头钻取垂直井眼,钻头钻至目标地热储层的顶部上方第一距离处停钻,设定地面至目标地热储层的顶部上方第一距离的井段为一开段,下入套管,注入水泥浆进行一开段固井,在一开段的套管的外壁形成水泥层;再次开钻,钻至目标地热储层的底部下方第二距离处停钻,设定目标地热储层的顶部上方第一距离处至目标地热储层的底部下方第二距离处的井段为二开段;注入水泥浆进行二开段固井,在二开段的套管的外壁形成水泥层。
在一个示例中,第一距离为50米,第二距离为50米。
作为优选方案,多条注水分支井为裸眼完井。
具体地,分别在注水分支井位置处进行套管开窗,通过钻头在上部开窗位置钻取注水分支井的井眼,进行裸眼完井,有利于低温水沿注水分支井均匀的回渗至地热储层。
在一个示例中,注水分支井的长度为800-1200m。
实施例
图1示出了根据本实用新型一个实施例的基于同井注采开发地热能的地热井系统的结构示意图,图2示出了根据本实用新型一个实施例的保温管的结构示意图。
如图1所示,根据本实施例的一种基于同井注采开发地热能的地热井系统,包括:
地热井1,地热井1从地表深至地热储层9;密封固定结构,密封固定结构设置于地热井1内,将地热井1封隔成上下设置的回水段10和采水段11,密封固定结构为封隔器13;采水口6,采水口6设置于靠近地热储层1底部的采水段11侧壁上;多条注水分支井5,多条注水分支井5为裸眼完井,多条注水分支井5设置于靠近地热储层9的顶部,多条注水分支井9以地热井1为圆心,水平方向呈辐射状分布,并与地热井1的回水段10连通;水泵12,水泵12设置于地热井1的采水段11内,封隔器13开孔,连接水泵12的电缆14可以穿过封隔器13,与地面的电源连接;热交换器16,热交换器16设置于地面上,热交换器16的进水口通过进水管18与水泵12连通,热交换器16的出水口通过出水管17与地热井1的回水段10连通。
还包括保温管8,保温管8设置于地热井1内的进水管上,保温管8的下端与水泵12连接,保温管8的上端与进水管18连接。如图2所示,保温管8包括内管柱19和套设于内管柱19外层的外管柱20,内管柱19与外管柱20之间设有真空层21。
还包括循环泵15,循环泵15设置于出水管17上,用于向地热井1的回水段10泵入回水。
采水口6与采水段11的连通处套设有筛管7。地热井1的内壁设有沿井深方向设置的多段套管3,多段套管3的外壁上设有水泥层4。
本实施例的地热井的建井的过程如下:
步骤一:选择建井位置。根据地质勘查,选取目标地热储层9,确定目标地热储层9的顶部和底部的盖层2;根据目标地热储层9渗流条件,确定目标地热储层9采水口6和注水分支井5位置,注水分支井5和采水口6尽量分别靠近目标地热储层9的顶部和底部,以便能够获取更多的热量;注水分支井5水平方向呈辐射状分布,与采水口之间的垂直距离为400-600米。
步骤二:通过钻头钻取垂直井眼,钻头钻至目标地热储层9的顶部上方的第一距离处停钻,设定地面至目标地热储层9的顶部上方第一距离的井段为一开段,下入套管3,注入水泥浆构成水泥层4进行一开段固井;再次开钻,钻至目标地热储层9的底部下方的第二距离处停钻,设定目标地热储层9的顶部上方的第一距离处至目标地热储层9的底部下方的第二距离处的井段为二开段,其中第一距离为50米,第二距离为50米;注入水泥浆构成水泥层4进行二开段固井。
本实施例的地热井采集地热能的过程如下:
如图1的箭头方向所示,高温水从采水口6进入地热井1的采水段11,水泵12从采水段11抽取的高温水,并将高温水举升上行,高温水经保温管8流出后在热交换器16内进行换热,高温水与热交换器16内的传热介质进行热交换,实现取热;换热后的低温水经换热器16的出口、出水管17返排至地热井1内的回水段10,通过注水分支水平井眼5补给地热井1周围的地下水,实现了地热资源的高效环保提取。
上已经描述了本实用新型的实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种基于同井注采开发地热能的地热井系统,其特征在于,包括:
地热井,所述地热井从地表深至地热储层;
密封固定结构,所述密封固定结构设置于所述地热井内,将所述地热井封隔成上部的回水段和下部的采水段;
采水口,所述采水口设置于靠近所述地热储层底部的采水段侧壁上;
多条注水分支井,所述多条注水分支井设置于靠近所述地热储层的顶部,所述多条注水分支井以所述地热井为圆心呈辐射状分布,并与所述地热井的回水段连通;
水泵,所述水泵设置于所述地热井的采水段内;
热交换器,所述热交换器设置于地面上,所述热交换器的进水口通过进水管与所述水泵连通,所述热交换器的出水口通过出水管与所述地热井的回水段连通。
2.根据权利要求1所述的基于同井注采开发地热能的地热井系统,其特征在于,所述进水管位于所述地热井内的部分为保温管。
3.根据权利要求2所述的基于同井注采开发地热能的地热井系统,其特征在于,所述保温管包括内管柱和套设于所述内管柱外层的外管柱,所述内管柱与所述外管柱之间设有真空层。
4.根据权利要求1所述的基于同井注采开发地热能的地热井系统,其特征在于,还包括循环泵,所述循环泵设置于所述出水管上,用于向所述地热井的回水段泵入回水。
5.根据权利要求1所述的基于同井注采开发地热能的地热井系统,其特征在于,所述多条注水分支井以所述地热井为圆心在水平方向呈辐射状分布。
6.根据权利要求1所述的基于同井注采开发地热能的地热井系统,其特征在于,所述采水口与所述采水段的连通处套设有筛管。
7.根据权利要求1所述的基于同井注采开发地热能的地热井系统,其特征在于,所述地热井的内壁设有沿井深方向设置的多段套管。
8.根据权利要求7所述的基于同井注采开发地热能的地热井系统,其特征在于,所述套管与所述地热井的内壁之间设有水泥层。
9.根据权利要求1所述的基于同井注采开发地热能的地热井系统,其特征在于,所述多条注水分支井为裸眼完井。
10.根据权利要求1所述的基于同井注采开发地热能的地热井系统,其特征在于,所述密封固定结构为封隔器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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