CN109869936A - 非能动井下换热系统以及换热方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于开采地热能的换热系统(100)，所述换热系统包括从地面延伸至取热储层中的竖直井段(1)，所述换热系统还包括井下换热器(4)，并且所述井下换热器(4)被布置在取热储层中。本发明还提供了一种采用该换热系统的换热方法。根据本发明的用于开采地热能的换热系统和采用该换热系统的换热方法，避免了尾水回灌问题，实现真正的“取热不取水”，并且取热效率高。

Description

非能动井下换热系统以及换热方法

技术领域

本发明涉及地热能开发利用技术领域，具体地，涉及一种用于开采地热能的换热系统以及采用该换热系统的换热方法。

背景技术

换热技术被应用于地热能开发利用行业，包括地热能供暖、制冷、发电领域，以及地热能与种植养殖业结合领域。

目前，“取热不取水”利用地热能的主要实现方式有两种：经济回灌技术和井下换热技术，然而，它们存在诸多问题。例如，为使地下水循环而开凿有出水井和回水井，因此需要至少两眼地热直井，造价高，占地面积大；另外，井管与热储层间的液体作为二者的导热材料处于静止状态，热阻较大，换热效率低。

发明内容

本发明的目的在于至少部分地克服现有技术的缺陷，提供一种取热效率高的用于开采地热能的换热系统。

本发明的目的还在于提供一种用于开采地热能的换热系统，以避免尾水回灌问题。

本发明的目的还在于提供一种用于开采地热能的换热系统，其占地面积小，空间利用率高，凿井成本小。

本发明的目的还在于提供一种用于开采地热能的换热方法。

为达到上述目的或目的之一，本发明的技术解决方案如下：

一种用于开采地热能的换热系统，所述换热系统包括从地面延伸至取热储层中的竖直井段，所述换热系统还包括井下换热器，并且所述井下换热器被布置在取热储层中。

根据本发明的一个优选实施例，所述换热系统还包括第一附加井段和第二附加井段，所述第一附加井段的一端在竖直井段的第一位置处与竖直井段连通，第一附加井段与竖直井段不平行，所述第二附加井段的一端与所述第一附加井段的另一端连通，所述第二附加井段的另一端直接地或者通过额外的井段间接地在竖直井段的第二位置处与竖直井段连通，并且

其中所述第一位置与第二位置之间存在高度差，并且所述井下换热器在高度上位于第一位置与第二位置之间。

根据本发明的一个优选实施例，所述井下换热器被布置在第一位置与第二位置之间的竖直井段中。

根据本发明的一个优选实施例，所述井下换热器被布置在第一附加井段或第二附加井段中。

根据本发明的一个优选实施例，第二位置高于第一位置。

根据本发明的一个优选实施例，所述第二附加井段的所述另一端直接地与竖直井段连通，使得竖直井段、第一附加井段和第二附加井段形成回路。

根据本发明的一个优选实施例，所述第一附加井段被构造为水平井段，并且所述第二附加井段被构造为相对于水平方向和竖直方向均倾斜的倾斜井段。

根据本发明的一个优选实施例，所述第一附加井段从竖直井段上延伸出，和/或所述第二附加井段从竖直井段上延伸出，并且

所述第一附加井段和所述第二附加井段通过连接装置互连。

根据本发明的一个优选实施例，所述换热系统还包括进水管、出水管和井上换热器，所述进水管的一端与井下换热器连通，所述进水管的另一端与井上换热器连通，所述出水管的一端与井下换热器连通，所述出水管的另一端与井上换热器连通；进水管、出水管、井下换热器和井上换热器构成闭合循环回路，以将来自井下换热器的热量通过井上换热器传递给用户侧供热回路。

根据本发明的另一个方面，提供了一种换热方法，所述换热方法采用前述实施例所述的用于开采地热能的换热系统。

根据本发明的用于开采地热能的换热系统和采用该换热系统的换热方法，通过采用井下换热器，可以实现“取热不取水”地利用地热能，无需进行尾水回灌，因此避免了尾水回灌问题；进一步地，除竖直井段外，换热系统还包括第一附加井段(例如水平井段)和第二附加井段(例如倾斜井段)，使竖直井段、水平井段和倾斜井段形成回路，并且将井下换热器设置在该回路中，由于回路中换热器处和远离换热器处存在温度差，在换热器处竖直井段的温度下降，水的密度增大，而在远离换热器处竖直井段的温度相对较大，水的密度相对较小，因此能够形成回路内水介质的自然循环流动，借助于该介质的自然循环流动，能够更高效地开采取热储层内的地热能，因此本发明的用于开采地热能的换热系统和采用该换热系统的换热方法取热效率高。

此外，本发明的用于开采地热能的换热系统只需一眼地热直井，占地面积小，空间利用率高，凿井成本小。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的用于开采地热能的换热系统的示意图；以及

图2为根据本发明的实施例的一种示例性的井下换热器的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的示例性的实施例，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

本发明旨在提出一种热输出功率高、经济性好、环保效果佳的新型井下换热技术，彻底解决尾水回灌困难的问题，并提高地热能利用的经济可行性。

根据本发明的总体构思，提供了一种用于开采地热能的换热系统，所述换热系统包括从地面延伸至取热储层中的竖直井段，所述换热系统还包括井下换热器，并且所述井下换热器被布置在取热储层中。进一步地，所述换热系统还包括第一附加井段和第二附加井段，所述第一附加井段的一端在竖直井段的第一位置处与竖直井段连通，第一附加井段与竖直井段不平行，所述第二附加井段的一端与所述第一附加井段的另一端连通，所述第二附加井段的另一端直接地或者通过额外的井段间接地在竖直井段的第二位置处与竖直井段连通，并且其中所述第一位置与第二位置之间存在高度差，并且所述井下换热器在高度上位于第一位置与第二位置之间。

根据本发明的用于开采地热能的换热系统和采用该换热系统的换热方法，通过采用井下换热器，可以实现“取热不取水”地利用地热能，无需进行尾水回灌，因此避免了尾水回灌问题；进一步地，除竖直井段外，换热系统还包括第一附加井段(例如水平井段)和第二附加井段(例如倾斜井段)，使竖直井段、水平井段和倾斜井段形成回路，并且将井下换热器设置在该回路中，由于回路中换热器处和远离换热器处存在温度差，在换热器处竖直井段的温度下降，水的密度增大，而在远离换热器处竖直井段的温度相对较大，水的密度相对较小，因此能够形成回路内水介质的自然循环流动，借助于该介质的自然循环流动，能够更高效地开采取热储层内的地热能，因此本发明的用于开采地热能的换热系统和采用该换热系统的换热方法取热效率高。

此外，本发明的用于开采地热能的换热系统只需一眼地热直井，占地面积小，空间利用率高，凿井成本小。

图1为根据本发明的实施例的用于开采地热能的换热系统的示意图，下面以图1为例详细说明本发明的总体构思。如图1所示，用于开采地热能的换热系统100包括从地面延伸至取热储层中的竖直井段1，其中取热储层为存储有地热能的岩层，岩层中含有水性介质，通过对岩层中的水性介质中的热量的提取可以利用地热能。竖直井段1例如被构造为伸入地下的金属套管，在金属套管的周壁上具有穿孔，以便岩层中的水性介质能够进入金属套管内部。竖直井段的非取热段应进行固井，例如在竖直井段的外周灌注水泥以与地层相对固定；竖直井段的取热段井管外可以填砾，即在金属套管和取热储层之间的空隙内填充石子，以防止岩层中的砂砾通过穿孔进入金属套管，而仅允许水性介质进入金属套管，因此起到过滤的作用。优选地，在竖直井段1的位于取热储层和地面之间的部分上设置有保温层9，保温层9可以被构造为保温套管，例如水泥套管，保温层9起到保温作用，避免热量在非取热段散热，以提高换热系统的换热效率。在地面处或竖直井段1中的液面高度附近进行适当的密封，以与外界隔离。

所述换热系统被设计为包括井下换热器4，并且所述井下换热器4被布置在取热储层中，如图1所示，井下换热器4位于竖直井段1的位于取热储层的部分中。所述换热系统还包括进水管5、出水管6和井上换热器 7，所述进水管5的一端与井下换热器4连通，所述进水管5的另一端与井上换热器7连通，所述出水管6的一端与井下换热器4连通，所述出水管6的另一端与井上换热器7连通；进水管5、出水管6、井下换热器4 和井上换热器7构成闭合循环回路，以将来自井下换热器4的热量通过井上换热器7传递给用户侧供热回路。所述换热系统还包括泵8，例如离心泵，用于向井下换热器4泵送流体，所述泵8优选地设置在进水管5上，替代地，其也可以设置在出水管6上。

下面首先介绍换热系统的工作过程。在工作过程中，泵8开启，在进水管5、出水管6、井下换热器4和井上换热器7构成的闭合循环回路内的介质(如水)可以在该闭合循环回路内流动，即通过进水管5流向井下换热器4；取热储层中含有的水性介质含有地热能量，其具有较高的温度，该水性介质穿过砂砾和金属套管上的穿孔进入竖直井段1中，与井下换热器4内流动的介质发生热量交换，即将热量传输给井下换热器4内流动的介质，因此该介质温度上升；温度上升的闭合循环回路内的介质通过出水管6流向井上换热器7，井上换热器7还连通在用户侧供热回路上，因此闭合循环回路内的介质将热量传递给用户侧供热回路，同时闭合循环回路内的介质的温度下降；该温度下降的介质通过泵8和进水管5再次被供应给井下换热器4；换热系统如此往复循环地工作，源源不断地开采地热能。

本发明提出的井下换热技术主要包括取热储层、1眼地热井、1台井下换热器、1支井下换热器进水管道和1支井下换热器出水管道。本发明所属的取热储层位于中深层，即位于地面1km以下。根据具体的目标应用领域，并按当地的储层温度，其深度或厚度不同。

进一步地，所述换热系统还包括第一附加井段和第二附加井段，所述第一附加井段的一端在竖直井段1的第一位置处与竖直井段1连通，第一附加井段与竖直井段1不平行，所述第二附加井段的一端与所述第一附加井段的另一端连通，所述第二附加井段的另一端直接地或者通过额外的井段间接地在竖直井段1的第二位置处与竖直井段1连通，并且其中所述第一位置与第二位置之间存在高度差，并且所述井下换热器4在高度上位于第一位置与第二位置之间。

优选地，所述井下换热器4被布置在第一位置与第二位置之间的竖直井段1中。然而，本发明并不限于此，所述井下换热器4可以被布置在第一附加井段或第二附加井段中。

以图1所示的实施例为例，所述换热系统100还包括水平井段2和倾斜井段3，所述水平井段2的一端在竖直井段1的底端处与竖直井段1连通，水平井段2垂直于竖直井段1，所述倾斜井段3的一端与所述水平井段2的另一端连通，所述倾斜井段3的另一端直接地在竖直井段1的中部处与竖直井段1连通，并且所述井下换热器4在竖直井段1的底端和中部之间。

由此可知，本发明所属的地热井包括一眼普通的中深层地热开采竖井 (竖直井段)，和扩展开凿的1组水平井(水平井段)和斜井(倾斜井段)。竖井与水平井、斜井相互连通，构成闭式回路，提供自然循环流动的场所。井下换热器外部为地热井取热储层的热水，换热器运行期间，由于闭式回路中换热器处和远离换热器处存在温度差，在换热器处竖直井段的温度下降，水的密度增大，而在远离换热器处竖直井段的温度相对较大，水的密度相对较小，驱动斜井中的热流体向上运动，建立自然循环(如图1的粗箭头所示)。自然循环流动的作用下，竖直井段内的热水与井下换热器、竖直井段内的热水与取热储层的换热系数远大于竖直井段内的热水处于静止状态下的导热系数，从而有效提高了取热效率。此外，由水平井、斜井和竖井构建的自然循环路径，也增加了换热系统与取热储层的换热面积，并且可以通过增加环路数量进一步扩展换热面积，实现热量的持久稳定供应。

如图1所示，第二位置高于第一位置。实际上，第一位置高于第二位置，也同样能够形成自然循环回路，因此，本发明不排除第一位置高于第二位置的技术方案，只要井下换热器4设置在第一位置和第二位置之间即可。

在本发明中，所述第二附加井段的所述另一端可以直接地与竖直井段1连通，使得竖直井段1、第一附加井段和第二附加井段形成回路。替代地，本发明的换热系统还可以包括第三附加井段，所述第二附加井段的所述另一端与第三附加井段连通，然后第三附加井段在竖直井段1的第二位置处与竖直井段1连通。依此类推，还可以包括第四附加井段、第五附加井段、……，只要竖直井段1与附加井段可以形成回路即可。

在图1所示的实施例中，所述第一附加井段被构造为水平井段2，并且所述第二附加井段被构造为相对于水平方向和竖直方向均倾斜的倾斜井段3。替代地，所述第一附加井段被构造为相对于水平方向和竖直方向均倾斜的倾斜井段，并且所述第二附加井段被构造为水平井段。或者替代地，所述第一附加井段被构造为相对于水平方向和竖直方向均倾斜的倾斜井段，并且所述第二附加井段被构造为相对于水平方向和竖直方向均倾斜的倾斜井段。

优选地，第一附加井段、第二附加井段和竖直井段1的位于第一位置和第二位置之间的部分形成等腰三角形。然而，本发明不限于此，第一附加井段、第二附加井段和竖直井段1的位于第一位置和第二位置之间的部分可以形成其它形状。

根据本发明的一个优选实施例，所述第一附加井段从竖直井段1上延伸出，和/或所述第二附加井段从竖直井段1上延伸出，并且所述第一附加井段和所述第二附加井段通过连接装置互连。替代地，所述第一附加井段通过连接装置与竖直井段1连接，和/或所述第二附加井段通过连接装置与竖直井段1连接。

有利地，第二附加井段与竖直井段1的夹角小于20度，并且第一附加井段与竖直井段1的夹角大于第二附加井段与竖直井段1的夹角，尤其是略大于第二附加井段与竖直井段1的夹角，可选地例如大于5度，这有利于第一附加井段和第二附加井段的形成。在一个优选的技术方案中，第一附加井段和第二附加井段都直接从竖直井段1上延伸出，这可以采用现有的分支井技术实现，第二附加井段与竖直井段1的夹角保持小角度有利于分支井技术的实施，并且第一附加井段与竖直井段1的夹角大于第二附加井段与竖直井段1的夹角可以使第一附加井段和第二附加井段自然相交，通过计算只要使第一附加井段和第二附加井段分别达到预期的长度即可使第一附加井段和第二附加井段相交，然后通过诸如螺栓的连接装置将第一附加井段和第二附加井段互连。

图1中的自然循环包括1支垂直井、1支水平井和1支斜井的布置，实际中采用1支垂直井、多支水平井和斜井组合而成的正伞状或倒伞状布置也属于本发明的范畴，且具有更好的热输出效率。在这种情况下，所述第一附加井段为多个，所述第二附加井段为多个，并且第一附加井段的数量与第二附加井段的数量相同，使得每一个第一附加井段对应于一个第二附加井段。并且有利地，多个第一附加井段沿竖直井段1的周向均匀分布，并且多个第二附加井段沿竖直井段1的周向均匀分布。

考虑分支井技术的实施，多个第一附加井段都位于竖直井段1的一侧，并且多个第二附加井段都位于竖直井段1的一侧，即形成半个“伞”的形状。每一个第二附加井段与竖直井段1的夹角都小于20度，并且每一个第一附加井段与竖直井段1的夹角大于每一个第二附加井段与竖直井段1 的夹角，尤其是略大于每一个第二附加井段与竖直井段1的夹角，可选地例如大于5度，由此形成的布置类似一个收起的半个“伞”的形状。需要说明的是第二附加井段与竖直井段1的夹角越小，伞被收起的越紧。

本发明所述的井下换热器可以为U型管或同心套管形式。图1所示的井下换热器4即为U型管形式，井下换热器4与对应的进水管5、出水管 6形成U型，它们与井上泵8、板式的井上换热器7共同组成地热能利用回路，该回路为闭式回路。

图2示出了根据本发明的实施例的一种同心套管式的井下换热器的示意图。如图2所示，井下换热器包括中心内管41和外管42，中心内管41 布置在外管42的中心，外管42的上端的外周壁上设置有进水口44，外管 42的下端封闭，中心内管41的下端设置有进口，中心内管41的上端设置有出水口43。进水口44与进水管5连接，出水口43与出水管6连接。该实施例的井下换热器结构简单，换热效率高。

前已述及，在竖直井段1上开有穿孔，以便于取热储层中的水性介质进入循环回路中，为增强前述自然循环，在竖直井段1上的穿孔位于井下换热器4处，并且在第一附加井段或第二附加井段上的远离井下换热器4 的位置处也开有穿孔。通过这样的设置，有利于增大在井下换热器4处和远离井下换热器4处的温度差，从而增大循环介质的密度差，增强自然循环。

进一步有利地，在第一附加井段的内壁面和第二附加井段的内壁面上形成有沟槽，以增大第一附加井段和第二附加井段的内外介质的换热面积，增强换热，充分提高换热效率。

根据本发明的另一个方面，提供了一种换热方法，所述换热方法采用前述实施例所述的用于开采地热能的换热系统100。

在所述换热方法中，附加井段可以按需增加若干分支，不同的附加井段长度、首尾高度按阻力分配原理进行设计，可以变化。

本发明的井下换热技术具有如下特点：

1)在开采井中构建井下非能动自然换热循环路径，提高了取热效率，而且没有增加额外的耗能元件。

2)采用单井结构，空间利用率高，凿井成本减小。

3)井下换热器为单侧循环，结构紧凑，井上换热系统得到简化，占地面积小。

4)不开采地下水，井下换热系统与井上换热系统完全隔离，避免环境污染。

5)井下换热系统不需要使用导热剂来增加换热效率。

本发明将非能动技术与井下换热技术结合，开发了一种新型、高效的中深层地热能非能动井下换热技术。自然循环驱动的非能动井下换热技术的基本原理是在开采井的井下构建非能动自然换热循环路径，通过自然循环把地热水的热能传递给井下换热器，再通过地面换热系统传递给热用户。

本发明提出了在采用井下换热器取热并利用非能动技术提高井下换热效率的技术，其优点在于：(1)非能动井下换热技术只提取地下热资源，并不提取地下水，所以不产生换热尾水，也就从根本上回避了尾水回灌问题，实现了绝对清洁的地热利用，具有很重要的社会意义和经济价值；(2) 采用非能动井下换热技术，不依赖地下的水资源赋存量，可以提取少水甚至无水的中深层地热能，极大地扩展了可供利用的中深层地热资源；(3) 非能动技术能够提高井下换热的效率，而不增加其他设备，节约成本和空间，从而提高地热开采的经济性。

本发明的技术关键点是构建了井下自然循环路径，在井下实现了地热水的自然循环，提高了与井壁、换热器的换热效率，增大了与储层的换热面积。通过特殊的井身结构，构建了一个封闭式的自然循环通路，与换热器结合实现了提高热效率、扩散换热面积、增大了供热能力的效果。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。

附图标记列表：

100 换热系统

1 竖直井段

2 水平井段

3 倾斜井段

4 井下换热器

5 进水管

6 出水管

7 井上换热器

8 泵

9 保温层

41 中心内管

42 外管

43 出水口

44 进水口。

Claims (10)

1.一种用于开采地热能的换热系统(100)，所述换热系统包括从地面延伸至取热储层中的竖直井段(1)，其特征在于，所述换热系统还包括井下换热器(4)，并且所述井下换热器(4)被布置在取热储层中。

2.根据权利要求1所述的用于开采地热能的换热系统(100)，其特征在于，所述换热系统还包括第一附加井段和第二附加井段，所述第一附加井段的一端在竖直井段(1)的第一位置处与竖直井段(1)连通，第一附加井段与竖直井段(1)不平行，所述第二附加井段的一端与所述第一附加井段的另一端连通，所述第二附加井段的另一端直接地或者通过额外的井段间接地在竖直井段(1)的第二位置处与竖直井段(1)连通，并且

其中所述第一位置与第二位置之间存在高度差，并且所述井下换热器(4)在高度上位于第一位置与第二位置之间。

3.根据权利要求2所述的用于开采地热能的换热系统(100)，其特征在于，所述井下换热器(4)被布置在第一位置与第二位置之间的竖直井段(1)中。

4.根据权利要求2所述的用于开采地热能的换热系统(100)，其特征在于，所述井下换热器(4)被布置在第一附加井段或第二附加井段中。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的用于开采地热能的换热系统(100)，其特征在于，第二位置高于第一位置。

6.根据权利要求2所述的用于开采地热能的换热系统(100)，其特征在于，所述第二附加井段的所述另一端直接地与竖直井段(1)连通，使得竖直井段(1)、第一附加井段和第二附加井段形成回路。

7.根据权利要求2所述的用于开采地热能的换热系统(100)，其特征在于，所述第一附加井段被构造为水平井段(2)，并且所述第二附加井段被构造为相对于水平方向和竖直方向均倾斜的倾斜井段(3)。

8.根据权利要求2所述的用于开采地热能的换热系统(100)，其特征在于，所述第一附加井段从竖直井段(1)上延伸出，和/或所述第二附加井段从竖直井段(1)上延伸出，并且

所述第一附加井段和所述第二附加井段通过连接装置互连。

9.根据权利要求2所述的用于开采地热能的换热系统(100)，其特征在于，所述换热系统还包括进水管(5)、出水管(6)和井上换热器(7)，所述进水管(5)的一端与井下换热器(4)连通，所述进水管(5)的另一端与井上换热器(7)连通，所述出水管(6)的一端与井下换热器(4)连通，所述出水管(6)的另一端与井上换热器(7)连通；进水管(5)、出水管(6)、井下换热器(4)和井上换热器(7)构成闭合循环回路，以将来自井下换热器(4)的热量通过井上换热器(7)传递给用户侧供热回路。

10.一种换热方法，其特征在于，所述换热方法采用权利要求1-9中任一项所述的用于开采地热能的换热系统(100)。