CN117267968A - 一种干热岩单井开式强制循环高效取热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种干热岩单井开式强制循环高效取热系统，包括气举采热单元、采热介质换向单元、井底采热单元和热利用单元，气举采热单元设置在地表处，由气举泵组件、输气管道和集气管道组成；采热介质换向单元安装在裂隙热储层的上方，由换向装置组成；井底采热单元由套管和可调节封隔器组成，可调节封隔器安装在裂隙热储层中部并与套管相连，通过充放气管道与加压泵连接；热利用单元安装在地表处，由依次相连的储水箱、循环加压泵、热用户和井口装置组成；储水箱通过集气管道与气举泵组件相连，输气管道一端气举泵组件相连，另一端通入套管中；套管与干热岩井壁间形成有采热介质进出管路；套管分为两截，两截套管之间通过换向装置相连通。
Description
技术领域
本发明属于地热能资源开发利用技术领域，具体涉及一种干热岩单井开式强制循环高效取热系统。
背景技术
近年来，地热能因其储量大、分布广、稳定性强等优点，得到了社会各界的广泛重视。而干热岩作为地热能资源的一种，具有温度高、资源分布广、供能可持续、应用范围广、开发潜力大等特点。因此，加快技术创新，突破技术瓶颈，实现干热岩地热资源高效稳定开发利用。
现有的干热岩资源开发利用方式主要以传统的增强型地热系统(CN205939792U、CN206478884U、CN209355517U)为主，这种方式是通过大范围压裂获得裂隙的手段打造人工热储层，采热介质通过注入井进入裂隙储层与岩石换热后，再通过生产井流出进入地面利用系统。岩石压裂技术的裂隙生成与其走向，具有很大的不确定性，不仅投资高，也会存在采热介质流失严重、回采率低、且容易诱发地震等地质灾害，对环境有较大等问题，因此，近年来专家学者又提出了干热岩单井闭式循环采热系统(CN110863800A)，将同轴或者U型井换热器安装在井筒中，采热介质通过封闭的循环系统从热储层中提取热量，并且不与周围的地层接触，虽然该系统可以避免大型的水力压裂施工以及流动短路和流动死角导致的采热介质流失，但存在与周边热储换热面积小、取热功率低的缺陷；而在此基础上改进的干热岩单井多分支换热系统(CN110863800 A、CN205957523U)和多分支单水平井闭式循环换热系统(CN106948795A)，虽然在一定程度上增加了换热面积和取热功率但仍然有限，并且此类型的换热系统需定向钻分支水平井，钻井工艺复杂、钻井周期长，成本较高。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，解决上述取热功率低、钻井工艺复杂及成本高的问题，同时进一步提高干热岩取热系统的取热功率，提出了一种干热岩单井开式强制循环高效取热系统，该系统可降低干热岩资源的开发成本，降低大型压裂诱发地震的风险，提升采热介质的回收率，并且能有效提高干热岩取热系统的取热功率和可持续性，进而提高干热岩资源的利用率。该系统利用气举泵将取热后的高温采热介质提升至地面利用系统，充分利用采热介质在井筒和内管之间的自虹吸效应，减少了循环泵的功耗；同时，创新性的在裂隙热储层上方安装了换向装置，既能保证低温采热介质在回灌过程中充分吸收井筒周边裂隙岩层的热量，又能提高采热介质在裂隙热储层中的换热面积，进一步提高了取热功率；另外，在裂隙热储层周围安装了可调节的封隔器，可根据地面热利用系统的流量需求以及系统的回灌能力，动态调节封隔器的大小，在保证完全回灌的前提下，实现了高取热功率与最佳取热流量的匹配。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种干热岩单井开式强制循环高效取热系统，包括气举采热单元、采热介质换向单元、井底采热单元和热利用单元，所述气举采热单元设置在地表处，由气举泵组件、输气管道和集气管道组成；所述采热介质换向单元安装在裂隙热储层的上方，由换向装置组成；所述井底采热单元由套管和可调节封隔器组成，所述可调节封隔器安装在裂隙热储层中部并与套管相连，通过充放气管道与设置于地表的加压泵连接；所述热利用单元安装在地表处，由依次相连的储水箱、循环加压泵、热用户和井口装置组成；
所述储水箱通过集气管道与所述气举泵组件相连，所述输气管道一端气举泵组件相连，另一端通入所述套管中；
所述套管设置于地层内的干热岩井中，套管与干热岩井壁间形成有采热介质进出管路；
所述套管分为两截，两截套管之间通过所述换向装置相连通。
进一步的，所述换向装置由内管、外管、内外管连接曲面、分隔段和挡板组成，所述分隔段设置于内管中部将内管分隔为互不连通的上、下两部分，上部为高温采热介质产出通道，下部为低温采热介质回流通道；所述换向装置以分隔段为中心呈中心对称；
所述分隔段上方和下方的内管上分别设有产出孔和回流孔，位于所述产出孔的上沿及回流孔的下沿位置的内管和外管之间均设有挡板，所述内管、外管、回流孔及挡板上方共同构成低温采热介质回流通道，所述内管、外管、产出孔及挡板下方共同构成高温采热介质产出通道；
所述内外管连接曲面上开有若干通孔，确保环形空间外流体流入，位于换向装置上部的内外管连接曲面上的通孔为低温采热介质流入换向装置的通道，位于换向装置下部的内外管连接曲面上的通孔为高温采热介质流入换向装置的通道。
进一步的，所述分隔段由绝热材料制成。
进一步的，所述换向装置通过法兰或丝扣与套管连接，换向装置外管与干热岩井壁之间通过密封圈完全密封，换向装置安装在井底部的裂隙热储层上方，具体安装位置由干热岩井的地温条件确定。
进一步的，所述气举采热单元的输气管道通至套管内部的高温采热介质产出通道中，气体在内管中能够形成气泡并在内管中上升，将采热介质带至储水箱中；所述输气管道在套管内的深度依据干热岩热储层温度、采热介质的种类和物性以及采热介质在井内的热虹吸效应强度进行调整，输气管道选用耐压耐高温材料制成，如硅胶管。
进一步的，所述井底采热单元指低温回流采热介质在循环加压泵、采热介质自虹吸效应和可调节封隔器的作用下从下部进入裂隙热储层中，充分换热后从裂隙热储层的上部流出。
进一步的，所述可调节封隔器由注入流体加压管道、耐高温膨胀橡胶圈和密封垫组成，所述注入流体加压管道上部与加压泵密封连接，下部穿过换向装置的密封圈与耐高温膨胀橡胶圈密封连接，注入流体加压管道与换向装置的密封圈接触位置完全密封；所述耐高温膨胀橡胶圈的流体注入压力由干热岩井的回灌条件和地面热利用单元对采热介质的流量需求决定；所述密封垫与套管的连接处完全密封。
进一步的，所述热利用单元指取热后由井口装置流出的高温采热介质在循环加压泵的作用下，从储水箱中流入热用户，经热用户充分利用后的低温采热介质再由井口装置进入低温采热介质回流通道，开始下一次取热过程；所述井口装置与采热介质进出管路、输气管道和充放气管道的连接处完全密封；所述储水箱用于将高温气体与采热介质分离，储水箱上部与气举泵组件通过集气管道连接，水箱上部的高温气体由此进入气举泵组件中循环使用；所述循环加压泵用于驱动高温采热介质在地面热利用单元循环，完成换热过程，并对放热后的低温采热介质加压，扩大采热介质在裂隙热储层中的换热范围。
进一步的，采热介质采用水或二氧化碳。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明取热系统相较于传统的增强型地热系统，不需要进行连通性质的大规模压裂，干热岩井底周边的储层进行小范围压裂，减小了投资成本及采热介质的流失率；而相较于干热岩闭式取热系统，本发明所提出的系统中采热介质既能充分吸地层热量，又能流入裂隙热储层内部进行换热，增加了换热面积，进而提高了系统的取热功率。
2.本发明取热系统创新性的将气举泵应用于干热岩取热系统中，把低密度的气体输送至套管内部用于将充分吸热后的高温采热介质排至地面热利用单元，既摆脱了因井径较小无法安装潜水泵的限制，减少了打井成本，又能激发采热介质取热时的热虹吸效应，减少了循环泵的耗功，节约了电能，进而又减少了系统的运行成本，经济性优于现有的干热岩取热系统。
3.本发明取热系统在裂隙热储层的上方创新性的安装了换向装置，在保证采热介质充分吸收地层热量的同时，又能通过套管从干热岩井的底部进入裂隙热储层，受采热介质自身重力和封隔器阻隔作用的影响，采热介质向裂隙热储层的远端流动，增加了换热面积，提高了换热量；同时，换热后的采热介质借助换向装置由环腔流入套管内，减少了产出过程中向地层的散热损失，进而提高了系统的取热功率。
4.本发明取热系统在裂隙热储层周围安装了可调节的封隔器，既能够防止回流的低温采热介质不进入裂隙热储层而直接向上流出形成“热短路”，又能够根据地面热利用系统的流量需求以及井的回灌能力，动态调节封隔器的大小，保证完全回灌，同时实现了高取热功率与最佳取热流量的匹配。
附图说明
图1是本发明取热系统的结构示意图。
图2是换向装置的二维结构示意图。
图3是换向装置的三维结构示意图。
图4是可调节封隔器的结构示意图。
附图标记：1-储水箱，2-循环加压泵，3-热用户，4-井口装置，5-干热岩井壁，6-套管，7-换向装置，7-1-内管，7-2-通孔，7-3-外管，7-4-分隔段，7-5-回流孔，7-6-挡板，7-7-通孔，7-8-产出孔；8-可调节封隔器，8-1-注入流体加压管道，8-2-耐高温膨胀橡胶圈，8-3-密封垫；9-裂隙热储层，10-地层，11-加压泵，12-气举泵组件，12-1-输气管道，12-2-集气管道。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为干热岩单井开式强制循环高效取热系统图，由气举采热单元、采热介质换向单元、井底采热单元和热利用单元组成。
气举采热单元设置在地表处，由气举泵组件12、输气管道12-1和集气管道12-2组成；输气管道12-1一端连接气举泵组件12，另一端通入套管6内部的高温采热介质产出通道中，借助低密度的气体将高温采热介质提至储水箱1中；集气管道12-2连接储水箱1的上部和气举泵组件12，用于将储水箱1中的高温气体通入气举泵组件12中循环使用。
采热介质换向单元安装在裂隙热储层9的上方，其主体为流体换向装置7，见图2，换向装置7由内管7-1、外管7-3、内外管连接曲面、分隔段7-4和挡板7-6组成，换向装置7内部以分隔段7-4为中心呈中心对称；内管7-1中间位置设置分隔段7-4，将内管7-1分隔为不连通的上、下两部分，上部为高温采热介质产出通道，下部为低温采热介质回流通道，分隔段7-4由绝热材料制成；
分隔段上方和下方的内管上分别设有产出孔7-8和回流孔7-5，位于产出孔7-8的上沿及回流孔7-5的下沿位置的内管7-1和外管7-3之间均设有挡板7-6，内管7-1、外管7-3、回流孔7-5及挡板7-6上方共同构成低温采热介质回流通道，内管7-1、外管7-3、产出孔7-8及挡板7-6下方共同构成高温采热介质产出通道；
内外管连接曲面上开有若干通孔7-7，确保环形空间外流体流入，位于换向装置上部的内外管连接曲面上的通孔7-2为低温采热介质流入换向装置的通道，位于换向装置下部的内外管连接曲面上的通孔7-7为高温采热介质流入换向装置的通道。所有通孔7-2和通孔7-7的面积之和与内管流通面积相等。
井底采热单元由套管6和可调节封隔器8组成，可调节封隔器8安装在裂隙热储层9中部，可调节封隔器8通过注入流体加压管道8-1与加压泵11连接，可调节封隔器8由注入流体加压管道8-1、耐高温膨胀橡胶圈8-2和密封垫8-3组成，注入流体加压管道8-1上部与加压泵11连接，下部穿过换向装置7的密封圈与耐高温膨胀橡胶圈8-2连接，与换向装置7密封圈的接触位置完全密封，密封垫8-3与套管6的连接处完全密封。具体的，可调节封隔器8中的密封垫是内径略小于套管6外径的弹性橡胶圈，由于有直径差，密封垫8-3安装到指定位置后，不会上下移动。两个密封垫8-3中间的位置安装耐高温膨胀橡胶圈，同时可固定耐高温膨胀橡胶圈8-2的安装位置。
热利用单元安装在地表处，由井口装置4、储水箱1、循环加压泵2和热用户3组成。储水箱1、循环加压泵2、热用户3和井口装置4依次相连。所述井口装置4设置于地表并位于干热岩井顶部。
具体地，对于干热岩单井开式强制循环高效取热系统的应用，其工作过程如下：
在热用户3中充分放热后的低温采热介质由井口装置4进入到干热岩井壁5与套管6之间的低温采热介质回流通道中，充分吸收地层10中的热量后，由通孔7-2进入到换向装置7的内管7-1和外管7-3之间的低温采热介质回流通道，并在挡板7-6和回流孔7-5的作用下，进入内管7-1内部的低温采热介质回流通道，完成换向过程，接着从套管6内部流入裂隙热储层9的底部，由于可调节封隔器8的阻隔作用及循环加压泵提供的压力，低温采热介质在裂隙热储层9中向远端扩散，在充分换热后经由换向装置7底部的通孔7-7进入到换向装置7中，在挡板7-6和产出孔7-8的作用下进入高温采热介质产出通道，由内管7-1的内部流入到套管6的内部，之后在气举泵的作用下，利用低密度气体将高温采热介质流经井口装置4带至储水箱1中，在储水箱1中，高温气体通过集气管道12-2流回气举泵组件12用于循环利用，高温采热介质在循环加压泵2的作用下进入热用户3进行放热，放热后的低温采热介质再次干热岩取热系统内，依次循环。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种干热岩单井开式强制循环高效取热系统，其特征在于，包括气举采热单元、采热介质换向单元、井底采热单元和热利用单元，所述气举采热单元设置在地表处，由气举泵组件、输气管道和集气管道组成；所述采热介质换向单元安装在裂隙热储层的上方，由换向装置组成；所述井底采热单元由套管和可调节封隔器组成，所述可调节封隔器安装在裂隙热储层中部并与套管相连，通过充放气管道与设置于地表的加压泵连接；所述热利用单元安装在地表处，由依次相连的储水箱、循环加压泵、热用户和井口装置组成；
所述储水箱通过集气管道与所述气举泵组件相连，所述输气管道一端气举泵组件相连，另一端通入所述套管中；
所述套管设置于地层内的干热岩井中，套管与干热岩井壁间形成有采热介质进出管路；
所述套管分为两截，两截套管之间通过所述换向装置相连通。
2.根据权利要求1所述一种干热岩单井开式强制循环高效取热系统，其特征在于，所述换向装置由内管、外管、内外管连接曲面、分隔段和挡板组成，所述分隔段设置于内管中部将内管分隔为互不连通的上、下两部分，上部为高温采热介质产出通道，下部为低温采热介质回流通道；所述换向装置以分隔段为中心呈中心对称；
所述分隔段上方和下方的内管上分别设有产出孔和回流孔，位于所述产出孔的上沿及回流孔的下沿位置的内管和外管之间均设有挡板，所述内管、外管、回流孔及挡板上方共同构成低温采热介质回流通道，所述内管、外管、产出孔及挡板下方共同构成高温采热介质产出通道；
所述内外管连接曲面上开有若干通孔，确保环形空间外流体流入，位于换向装置上部的内外管连接曲面上的通孔为低温采热介质流入换向装置的通道，位于换向装置下部的内外管连接曲面上的通孔为高温采热介质流入换向装置的通道。
3.根据权利要求2所述一种干热岩单井开式强制循环高效取热系统，其特征在于，所述分隔段由绝热材料制成。
4.根据权利要求1或2所述一种干热岩单井开式强制循环高效取热系统，其特征在于，所述换向装置通过法兰或丝扣与套管连接，换向装置外管与干热岩井壁之间通过密封圈完全密封，换向装置安装在井底部的裂隙热储层上方，具体安装位置由干热岩井的地温条件确定。
5.根据权利要求1所述一种干热岩单井开式强制循环高效取热系统，其特征在于，所述气举采热单元的输气管道通至套管内部的高温采热介质产出通道中，气体在内管中能够形成气泡并在内管中上升，将采热介质带至储水箱中；所述输气管道在套管内的深度依据干热岩热储层温度、采热介质的种类和物性以及采热介质在井内的热虹吸效应强度进行调整，输气管道选用硅胶管。
6.根据权利要求1所述一种干热岩单井开式强制循环高效取热系统，其特征在于，所述井底采热单元指低温回流采热介质在循环加压泵、采热介质自虹吸效应和可调节封隔器的作用下从下部进入裂隙热储层中，充分换热后从裂隙热储层的上部流出。
7.根据权利要求1所述一种干热岩单井开式强制循环高效取热系统，其特征在于，所述可调节封隔器由注入流体加压管道、耐高温膨胀橡胶圈和密封垫组成，所述注入流体加压管道上部与加压泵密封连接，下部穿过换向装置的密封圈与耐高温膨胀橡胶圈密封连接，注入流体加压管道与换向装置的密封圈接触位置完全密封；所述耐高温膨胀橡胶圈的流体注入压力由干热岩井的回灌条件和地面热利用单元对采热介质的流量需求决定；所述密封垫与套管的连接处完全密封。
8.根据权利要求1所述一种干热岩单井开式强制循环高效取热系统，其特征在于，所述热利用单元指取热后由井口装置流出的高温采热介质在循环加压泵的作用下，从储水箱中流入热用户，经热用户充分利用后的低温采热介质再由井口装置进入低温采热介质回流通道，开始下一次取热过程；所述井口装置与采热介质进出管路、输气管道和充放气管道的连接处完全密封；所述储水箱用于将高温气体与采热介质分离，储水箱上部与气举泵组件通过集气管道连接，水箱上部的高温气体由此进入气举泵组件中循环使用；所述循环加压泵用于驱动高温采热介质在地面热利用单元循环，完成换热过程，并对放热后的低温采热介质加压，扩大采热介质在裂隙热储层中的换热范围。
9.根据权利要求1所述一种干热岩单井开式强制循环高效取热系统，其特征在于，采热介质采用水或二氧化碳。
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