CN213208258U - 一种地热井取热结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种地热井取热结构，该地热井取热结构包括：固井套管和换热器；其中，固井套管沿地热井的内壁整周设置且沿地热井的长度方向延伸；换热器设置在固井套管的内部；固井套管沿地热井的长度方向分为若干段，包括：保温段、换热段；换热段设置在保温段的下方且与保温段相连通，并且，换热段的末端为封闭端，以使固井套管的内部与地热井的井壁相隔离。本实用新型通过设置在地热井上部的保温段减缓换热介质与地层之间换热，避免换热介质在近地表区域处热量的损失；通过设置在地热井下部的换热段，促进地层热量向换热介质传递，获得较多热能的换热介质通过换热器回流到地表。

Description

一种地热井取热结构

技术领域

本实用新型涉及新能源与节能环保技术领域，具体而言，涉及一种地热井取热结构。

背景技术

我国地域宽广，横跨多个气候带。在快速的经济社会发展中，随着人民对美好生活的追求越来越高，供热成为一个重要能源利用方向。供热的方式主要分为集中式供热和分布式供热。集中式供热一般指采用热电厂对一个较大的区域进行集中供热的方法，主要采用的一次能源是煤炭，但是随着我国环保形势的日益紧张，这种采用热电厂燃煤锅炉采暖的方式会排放大量的烟气，污染环境，使环境保护承压。另一种常见的方式为分布式供热，当前在我国“煤改气、煤改电”的统一指挥下，很多城市普遍采用的分布式供热的热源一般有燃气锅炉、燃气壁挂炉和电空气源热泵，然而这些技术在运行过程中暴露出了许多的问题。第一个问题是运行费用高，煤改后采暖运行费由二十多元猛增至三十多至六十多元；以燃气壁挂炉为例，普遍运行费在40~50多元。集中供暖的燃气锅炉采暖费也在三十多元；严重拖累供暖企业及政府，供暖企业入不敷出，政府为保民生项目推出补贴，拖累地方财政。第二个问题是排放高，根据国家燃气锅炉排放要求，燃气锅炉二氧化硫排放在50mg/m³，氮氧化物排放在150~200mg/m³，颗粒物排放浓度在20mg/m³，烟气黑度≤1，如全部煤改后其规模和体量也是不能回避的；电空气源热泵使用电为驱动能源，在采暖区域的华北及东北区域，普遍使用火力发电，电作为二次能源也是使用煤这种一次能源转换来，采暖更改后，增加电量使用，增加火电厂的污染，污染依旧存在。因此，在这种现实情况下，采用地热能作为供暖一次热源就是一种既环境友好而且运行费用还比较低的一种技术。

地热能的使用主要分为水热型地热和干热岩型地热，可以利用到采暖等各个需要中低温热源的行业。水热型地热原来发展较多，但是该技术是直接将地下水采至地面然后回注，受限于技术和底层结构的多样性，目前采出的地热水回注效果不好或者完全不能回注。

干热岩型地热是目前一种新型的采热方式，该方式将地面的水注入干热岩地热井，与井内高温岩层换热后抽至地面利用。该技术不采水，不破坏地层，是一种洁净绿色的环保供暖方式，受到了政府和企业的高度重视。干热岩地热井采用垂直井结构的较多。

垂直地热井是指中深层地热的垂直单井取热器，一般采用套管形式，环空进入地下，从内换热套管中间出，施工方便，隔热良好，取热量不高，平均单井一般供热能力能够达到10000-15000㎡，平均每平方米的初期投资达到180元以上。

地下温度可分三层：第一层叫外热层（变温层），该层温度主要来自太阳的辐射热能，它随纬度的高低、海陆分布、季节、昼夜、植被的变化而不同，一般在地下15-80米；第二层叫常温层（恒温层），该层为外热层的下部界面（即内、外热层的分界面），地下温度大致保持为当地年平均温度；第三层叫内热层（增温层），该层不受太阳辐射的影响，其热能来自地球内部，其中主要是来自放射性元素衰变产生的热能，其次是其他能量（如机械能、化学能、重力能、旋转能等）转化而来的热能，每深入100米，温度上升3度(海洋地区的岩石圈是每深入15米，上升1度)。

地热井水向用户直供时回水温度约45℃，地热井水通过热泵利用，回水温度可以降低至15℃。用户回至地热井的水温高于冬季供热时地表温度，从地表至地下地温等于回水温度的某一深度，因回水的温度高于地温，水会被井壁冷却，从而产生大量的热量损失，即地表至地下地温等于回水温度的某一深度存在热量损失，最终导致单井供热能力偏低。

发明内容

鉴于此，本实用新型提出了一种地热井取热结构，旨在解决现有地热取暖由于回水的温度高于地温存在热量损失导致单井供热能力偏低的问题。

本实用新型提出了一种地热井取热结构，该地热井取热结构包括：固井套管和换热器；其中，所述固井套管沿地热井的内壁整周设置且沿所述地热井的长度方向延伸；所述换热器设置在所述固井套管的内部，用以通过换热介质与所述地热井周围的岩层换热，并抽至地面进行供暖；所述固井套管沿所述地热井的长度方向分为若干段，包括：用以减缓所述换热介质与所述地层之间换热的保温段、用以促使所述换热介质与所述岩层之间换热的换热段；所述换热段设置在所述保温段的下方且与所述保温段相连通，并且，所述换热段的末端为封闭端，以使所述固井套管的内部与所述地热井的井壁相隔离。

进一步地，上述地热井取热结构，所述换热器包括：取热管；其中，所述取热管沿所述固井套管的长度方向设置，并且，所述取热管与所述固井套管的内壁之间间隔设置，以使所述取热管与所述固井套管的内壁之间形成环形通道，换热介质通过所述环形通道流动，在所述换热段处与所述换热段四周的岩层进行换热，并在自所述取热管的末端流动至所述取热管内，且沿所述取热管抽至地面进行供暖。

进一步地，上述地热井取热结构，所述地热井包括：竖直井段和若干个水平井段，各所述水平井段与所述竖直井段均相连通；所述换热段设有多个与所述水平井段一一对应设置的换热分支，其分别设置在对应的所述水平井段内；所述地热井内的取热管为多个，其与所述换热分支一一对应设置，相对应的取热管沿其对应的水平井段的长度方向延设，以使各所述换热分支内的换热介质与其对应的水平井段周围的岩层进行换热。

进一步地，上述地热井取热结构，所述取热管的末端设有花管，其开孔率为3%~5%，并且，孔径为5~20mm。

进一步地，上述地热井取热结构，所述换热器包括：取热管；其中，所述取热管设置在所述固井套管内，并且，所述取热管和所述固井套管之间设有热交换介质，用以进行热传递；所述取热管的进口端和出口端均设置在所述固井套管的外部，并且，所述取热管的底部在所述固井套管的内部延伸至所述固井套管的末端，以使换热介质自所述进口端导入至所述取热管内，且沿所述取热管的长度方向流动，以在所述换热段通过热交换介质与所述换热段周围的岩层进行换热，并在所述取热管的出口端抽至地面进行供暖。

进一步地，上述地热井取热结构，所述取热管位于所述保温段的部分外壁设有保温层，并且，所述取热管位于所述换热段的部分外壁设有换热层或强化换热结构。

进一步地，上述地热井取热结构，所述保温段的末端与等温地层之间的间距在第一预设范围内，所述等温地层的地层温度等于所述换热器进口处换热介质的温度。

进一步地，上述地热井取热结构，所述换热段的首端位于地层温度大于阈值的位置处，并且，所述换热段和所述保温段之间设置且连接有固定段；所述阈值大于所述换热器进口处换热介质的温度。

进一步地，上述地热井取热结构，所述换热段的外壁设有加强换热件。

进一步地，上述地热井取热结构，所述保温段的壁厚为所述换热段壁厚的1.5~3倍。

本实用新型提供的地热井取热结构，通过设置在地热井上部的保温段减缓换热介质与地层之间换热，由于近地表的地层温度比较低，在保温段的保护下，换热介质不会通过保温段的管壁向地层散失大量热能即可流动至深部地层，进而避免换热介质在近地表区域处热量的损失，以提高地热井的供热能力；通过设置在地热井下部的换热段，由于换热介质进入换热段后，换热介质的温度低于地层温度，在岩层的热量将会通过换热段的管壁向换热介质传导，换热段具有良好的导热性，能够促进岩层热量向换热介质传递，获得较多热能的换热介质通过换热器回流到地表，换热介质产出为用户供热，既完成对目标地下热储层的只取热、不取水，同时提高了换热效率，提高了换热效果，进而提高了地热井的供热量和地热能的利用率。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本实用新型实施例提供的地热井取热结构的结构示意图；

图2为本实用新型第一实施例提供的地热井取热结构的结构示意图；

图3为本实用新型第二实施例提供的地热井取热结构的结构示意图；

图4为本实用新型第三实施例提供的地热井取热结构的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

参见图1至图4，其为本实用新型实施例提供的地热井取热结构的优选结构。如图所示，该地热井取热结构包括：固井套管1和换热器2；其中，

固井套管1沿地热井3的内壁设置且沿地热井3的长度方向（如图1所示的竖直方向）延伸。具体地，地热井3连通地表与地下热储层；固井套管1设置在通过钻机在地面向下钻出的地热井3内，且固井套管1沿地热井3的内壁套设在地热井3的内部，用以进行固井套管1内部和地热井3四周的地层之间的隔离，即地热井3的内壁全部被固井套管1覆盖。优选地，固井套管1的末端（如图1所示的底端）为封闭端，以阻止地层水进入固井套管1的内部。

换热器2设置在固井套管1的内部，用以通过换热介质与地热井3周围的岩层换热，并抽至地面进行供暖。具体地，换热器2设置在固井套管1的内部，以通过换热器2内流动的换热介质与地热井3四周的岩层进行换热，以便换热介质吸收地热能后升温并抽至地面进行供暖等充分利用地热能。本实施例中，换热介质可以为水，当然亦可为其他换热介质，本实施例中对其不作任何限定。

固井套管1沿地热井3的长度方向（如图1所示的竖直方向）分为若干段，包括：用以减缓换热介质与地层之间换热的保温段11、用以促使换热介质与岩层之间换热的换热段12。换热段12设置在保温段11的下方且与保温段11相连通，并且，换热段12的末端为封闭端，以使固井套管1的内部与地热井3的井壁相隔离。

具体地，由于靠近地表处温度较低，故换热段12设置在保温段11的下方，并且，换热段12与保温段11相连通，换热段12的首端（如图1所示的顶端）与保温端11的末端（如图1所示的底端）之间可拆卸地相连接，亦可为固定连接方式，本实施例中对其不作任何限定；换热段12的末端可以通过固井水泥进行封堵。优选地，保温段11的首端（如图1所示的顶端）可位于地表处，保温段11的末端与等温地层A-A之间的间距可以在第一预设范围之内，等温地层A-A的地层温度等于换热器2进口处换热介质的温度，第一预设范围可以为5米亦可为其他数值，本实施例中对其不做任何限定；本实施例中以换热介质为水为例进行说明，水导入至换热器2的温度为45℃，换热器2进口处为环形通道22的入口处，即环形通道22位于地表位置的入口，即换热器2进口处也就是说在地表处向环形通道22之间注入的换热介质的温度为45℃，则等温地层A-A为地层温度45℃的位置，当然，等温地层A-A即保温段11的末端位置可以根据实际情况确定，本实施例中对其不作任何限定。为提高换热段12处换热介质的换热效果，优选地，换热段12上设有加强换热件（图中未示出），用以对换热段12进行传热，以强化换热段12处换热介质和换热段12四周岩层之间的换热，进而提高换热效率，以充分利用岩层的地热能。优选地，保温段11的管壁厚度是换热段12的1.5~3倍，较厚的保温段11不仅可以增强保温效果，而且可以增强其机械强度，能够承受较大自重及拉力，相应地，薄的换热段12自重轻，换热效果好。其中，保温段11可以为PVC（Polyvinyl chloride，聚氯乙烯）管、PPR（polypropylene random，无规共聚聚丙烯）管、玻璃钢管、包裹有保温材料的碳钢管、或者具有保温涂层的铸铁管，为确保保温段11的保温效果，优选地，保温段11的导热系数小于或等于0.25W/(mK)。换热段12可以为PPR管、PVC管、碳钢管、铸铁管、或者不锈钢管等导热性能良好的耐温管道，优选导热系数大于或等于20 W/(mK)的管道材质；加强换热件可以为是各式翅片，亦可在换热段12的管壁上的压花结构或开槽结构等。

本发明固井套管的一种实施方式，如图1所示，固井套管1为两段，即自地表至地下热储层依次为保温段11和换热段12，换热段12的首端（如图1所示的顶端）与保温端11的末端（如图1所示的底端）之间直接相连接。保温段11的首端可位于地表处，保温段11的末端和换热段12的首端可位于等温地层A-A；换热段12的末端位于地热井3的末端（如图1所示的底端）。

本发明固井套管的另一种实施方式，如图2所示，为提高固井套管1的稳定性，优选地，换热段12的首端（如图2所示的顶端）位于地层温度大于阈值的位置处，并且，换热段12和保温段11之间设置且连接有固定段13；阈值大于换热器2进口处换热介质的温度。具体地，保温段11的首端（如图2所示的顶端）可位于地表处，保温段11的末端（如图2所示的底端）可与等温地层A-A之间的间距在第一预设范围内；固定段13的首端（如图2所示的顶端）可位于等温地层A-A处且连接在保温段11的末端上，两者之间可通过法兰相连接；固定段13的末端（如图2所示的底端）和换热段12的首端（如图2所示的顶端）均位于地层温度大于阈值的位置B-B处且相连接，例如两者可通过螺纹连接，亦可为其他连接方式，本实施例中对其不做任何限定。其中，阈值可以为60℃，亦可为根据实际情况确定的其他数值例如50℃，本实施例中对其不做任何限定。固定段13可以为常规固井套管例如钢管，一方面能够满足抗压、防腐、耐/保温等要求，另一方面，相比于PVC管道，常规固井套管的成本更低，实现了经济化设计。

当然，固井套管1还可为四段或更多段，本实施例中对其不作任何限定。

继续参见图1至图3，换热器2的一种实施方式，其包括：取热管21；其中，取热管21沿固井套管1的长度方向设置，并且，取热管21与固井套管1的内壁之间间隔设置，以使取热管21与固井套管1的内壁之间形成环形通道22，换热介质通过环形通道22流动，在换热段12处与换热段12四周的岩层进行换热，并在自取热管21的末端（如图2所示的底端）流动至取热管21内，且沿取热管21抽至地面进行供暖。

具体地，取热管21与固井套管1之间形成内部中空的环形结构，以作为环形通道22，即构成换热介质的进口及下行通道，也就是说，环形通道22的顶端作为换热介质的入口，并且，换热介质沿环形通道22向取热管21的末端（如图2所示的底端）流动即如图2所示的沿环形通道22自上至下流动，以便在换热段12处与换热段12四周的岩层进行换热，使得换热介质吸收岩层的地热，并自取热管21的末端流动至取热管21内，以沿取热管21流动并抽至地面进行供暖，即沿取热管21自下至上流动以流动至地面对其进行利用。其中，取热管21的末端可为开口端，以使换热介质换热后流动至取热管21内；优选地，取热管21的末端设有花管23，即管壁上设有多个通孔，用以进行换热介质流入的过滤，以避免取热管21的堵塞；花管23的开孔率可以为3%~5%，并且，孔径可以为5~20mm。取热管21的首端（如图2所示的顶端）可作为换热介质的出口，其设置在地表的上方可连接有供暖设备，以进行供暖，花管23的长度可以根据实际情况确定，例如花管23可以为5-10米，其底端可抵压在固井套管1的封闭端上。其中，取热管21可以为多个，其沿垂直于固井套管1的长度方向并排设置在固井套管1的内部。

如图1至图2所示，地热井3为垂直井为例进行说明：则取热管21可以为竖直管，优选地，取热管21可与地热井3同轴设置，以便确保环形通道22内换热介质分布的均匀性，进而确保地热能的充分吸收和利用。

如图3所示，地热井3还可包括：竖直井段31和若干个水平井段32，各水平井段32与竖直井段31均相连通，换热段12设有多个与水平井段32一一对应设置的换热分支121，其分别设置在对应的水平井段32内；地热井3内的取热管21为多个，其与换热分支121一一对应设置，相对应的取热管21沿其对应的水平井段32的长度方向延设，以使各换热分支121内的换热介质与其对应的水平井段32周围的岩层进行换热。

具体地，各个水平井段32内壁上均设有换热分支121，且各换热分支121内均设有取热管21，使得各个换热分支121和取热管21之间均设有环形结构以作为环形通道22，以便换热介质自地表处取热管21和保温段11之间导入，并沿竖直井段31流动至各个水平井段32内，并自各水平井段32内的取热管21的端部（如图3所示的向右延伸的取热管21的右端）流动至取热管21内，进而抽至地面进行供暖。

继续参见图4，换热器2的另一种实施方式，其包括取热管21；其中，取热管21设置在固井套管1内，并且，取热管21和固井套管1之间设有热交换介质，用以进行热传递；取热管21的进口端（如图4所示的右上端）和出口端（如图4所示的左上端）均设置在固井套管1的外部，并且，取热管21的底部在固井套管1的内部延伸至固井套管1的末端，以使换热介质自进口端导入至取热管21内，且沿取热管21的长度方向流动，以在换热段12通过热交换介质与换热段12周围的岩层进行换热，并在取热管21的出口端抽至地面进行供暖。

具体地，取热管21可以为U型结构，亦可在固井套管1内呈蛇形分布，取热管21的进口端和出口端开口，均位于地热井口。为进一步减少换热介质热量的浪费，优选地，取热管21位于保温段11的部分外壁设有保温层（图中未示出），以进一步减缓换热介质与保温段11四周地层的换热；为提高换热效率，优选地，取热管21位于换热段12的部分外壁设有换热层或强化换热结构（图中未示出），以促使换热介质与岩层之间换热；进一步优选地，取热管21位于换热段12的部分上设有翅片，以提高换热段12的换热效果，有利于地层中的热量向固井套管1内传导。其中，翅片可以为螺旋翅片。

图1至图4中的箭头方向表示换热介质的流动方向。

综上，本实施例提供的地热井取热结构，通过设置在地热井上部的保温段11减缓换热介质与地层之间换热，由于近地表的地层温度比较低，在保温段11的保护下，换热介质不会通过保温段11的管壁向地层散失大量热能即可流动至深部地层，进而避免换热介质在近地表区域处热量的损失，以提高地热井的供热能力；通过设置在地热井下部的换热段12，由于换热介质进入换热段12后，换热介质的温度低于地层温度，在岩层的热量将会通过换热段12的管壁向换热介质传导，换热段12具有良好的导热性，能够促进地层热量向换热介质传递，获得较多热能的换热介质通过换热器2回流到地表，换热介质产出为用户供热，既完成对目标地下热储层的只取热、不取水，同时提高了换热效率，提高了换热效果，进而提高了地热井的供热量和地热能的利用率。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种地热井取热结构，其特征在于，包括：固井套管（1）和换热器（2）；其中，

所述固井套管（1）沿地热井（3）的内壁设置且沿所述地热井（3）的长度方向延伸；

所述换热器（2）设置在所述固井套管（1）的内部，用以通过换热介质与所述地热井（3）周围的地层换热，并抽至地面进行供暖；

所述固井套管（1）沿所述地热井（3）的长度方向分为若干段，包括：用以减缓所述换热介质与岩层之间换热的保温段（11）、用以促使所述换热介质与所述岩层之间换热的换热段（12）；

所述换热段（12）设置在所述保温段（11）的下方且与所述保温段（11）相连通，并且，所述换热段（12）的末端为封闭端，以使所述固井套管（1）的内部与所述地热井（3）的井壁相隔离；

所述保温段（11）的末端与等温地层（A-A）之间的间距在第一预设范围内，所述等温地层（A-A）的地层温度等于所述换热器（2）进口处换热介质的温度。

2.根据权利要求1所述的地热井取热结构，其特征在于，所述换热器（2）包括：取热管（21）；其中，

所述取热管（21）沿所述固井套管（1）的长度方向设置，并且，所述取热管（21）与所述固井套管（1）的内壁之间间隔设置，以使所述取热管（21）与所述固井套管（1）的内壁之间形成环形通道（22），换热介质通过所述环形通道（22）流动，在所述换热段（12）处与所述换热段（12）四周的岩层进行换热，并在自所述取热管（21）的末端流动至所述取热管（21）内，且沿所述取热管（21）抽至地面进行供暖。

3.根据权利要求2所述的地热井取热结构，其特征在于，

所述地热井（3）包括：竖直井段（31）和若干个水平井段（32），各所述水平井段（32）与所述竖直井段（31）均相连通；

所述换热段（12）设有多个与所述水平井段（32）一一对应设置的换热分支（121），其分别设置在对应的所述水平井段（32）内；

所述地热井（3）内的取热管（21）为多个，其与所述换热分支（121）一一对应设置，相对应的取热管（21）沿其对应的水平井段（32）的长度方向延设，以使各所述换热分支（121）内的换热介质与其对应的水平井段（32）周围的岩层进行换热。

4.根据权利要求2所述的地热井取热结构，其特征在于，

所述取热管（21）的末端设有花管（23），其开孔率为3%~5%，并且，孔径为5~20mm。

5.根据权利要求1所述的地热井取热结构，其特征在于，所述换热器（2）包括：取热管（21）；其中，

所述取热管（21）设置在所述固井套管（1）内，并且，所述取热管（21）和所述固井套管（1）之间设有热交换介质，用以进行热传递；

所述取热管（21）的进口端和出口端均设置在所述固井套管（1）的外部，并且，所述取热管（21）的底部在所述固井套管（1）的内部延伸至所述固井套管（1）的末端，以使换热介质自所述取热管（21）的进口端导入至所述取热管（21）内，且沿所述取热管（21）的长度方向流动，以在所述换热段（12）通过热交换介质与所述换热段（12）周围的岩层进行换热，并在所述取热管（21）的出口端抽至地面进行供暖。

6.根据权利要求5所述的地热井取热结构，其特征在于，

所述取热管（21）位于所述保温段（11）的部分外壁设有保温层，并且，所述取热管（21）位于所述换热段（12）的部分外壁设有换热层或强化换热结构。

7.根据权利要求1至6任一项所述的地热井取热结构，其特征在于，

所述换热段（12）的首端位于地层温度大于阈值的位置处，并且，所述换热段（12）和所述保温段（11）之间设置且连接有固定段（13）。

8.根据权利要求1至6任一项所述的地热井取热结构，其特征在于，所述换热段（12）的外壁设有加强换热件。

9.根据权利要求1至6任一项所述的地热井取热结构，其特征在于，所述保温段（11）的壁厚为所述换热段（12）壁厚的1.5~3倍。

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