CN105674608A - 一种提取利用地热能的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提取利用地热能的装置及方法。本发明提取利用地热能的装置包括：井筒、外管、进液管、出液管和换热装置；井筒的顶部和底部均开口并且井筒的底部深入地热源岩层，井筒及外管内装有第一液体介质；外管的顶部封闭底部开口；外管固定套设于井筒内，外管的上部为换热段，外管的中部为保温段，外管下部为吸热段，吸热段位于地热源岩层内；与外管的换热段的对应位置的外侧设有换热装置；出液管的一端与外管的出液口相连，另一端与外部的供热***的进液口连接；进液管的底部出液端穿过外管的顶部伸入至井筒内并与第一液体介质连通，进液管的顶部与外部的供热***的出液口连接。本发明具有热效率高、结构简单、成本低等优点。

Description

一种提取利用地热能的装置及方法

技术领域

本发明涉及新能源利用领域，尤其涉及一种提取利用地热能的装置及方法。

背景技术

目前，全世界都在寻找绿色能源。太阳能、风能已经较为普及，地热能也引起了人们的广泛关注。地热资源主要分为水热型和干热岩型，其中，中高温干热岩地层或高梯度地温地层，在地球上的蕴藏量非常丰富。然而，地热技术的开发却不尽人意。

因为干热岩不具有渗透性及没有孔隙，储层位置深等特性，目前的技术多为人为压裂制造地层裂缝，利用注水产出的方法。通常需要多口井配合使用，例如，在注入井高压注入温度较低的水，使水沿着岩石的人为裂缝流动；同时在另一位置钻一个或多个井用于回收高温水、汽等。耗费较多、并且存在着利用效率低、设备复杂、成本高等问题，具体表现在：地热提取效率一般在1-5％左右，地下换热损失流体率高(大约在7％-12％之间)。因此，急需一种效率高、结构简单、成本低的地热能提取技术。

发明内容

鉴于现有技术所存在的问题，本发明提供一种提取利用地热能的装置及方法，可以用于地下干热岩地区或者地温梯度较高的地区实现地热能的大面积开发，具有效率高、结构简单、成本低等优点。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种提取利用地热能的装置，包括：井筒、外管、进液管、出液管和换热装置；井筒的顶端和底端均开口，并且井筒的底部深入地热源岩层，所述井筒以及外管内装有第一液体介质；

外管的顶部封闭，底部开口；所述外管套设于井筒内，所述外管通过固井水泥环与井筒固定，所述外管的上部为换热段，所述外管的中部为保温段，所述外管的下部为吸热段，所述吸热段位于地热源岩层内；与外管换热段对应的位置的外侧设有换热装置，所述换热装置内装有第二液体介质；

所述出液管的一端与外管的内部连通，所述出液管的另一端与外部的供热***的进液口连接；

所述进液管的下端从外管的顶部伸入至外管底端或底端以下并和第一液体介质相连通，所述进液管的上端与外部的供热***的出液口连接。

本发明的有益效果是：在井筒内设置外管，外管中部为保温段，外管的上部为散热段，外管的下部为吸热段，外管的放置深度，可以根据地热源段地层井壁岩石的特性决定，如果地热源岩层是高密度致密岩层，井筒非常规则，外管的底部可以放置在地热源岩层的顶部下方。此种设计可以节约外管的用量，同时扩大了吸热段的井筒直径，吸热效率可以明显提高。井筒以及外管内的第一液体介质经地热源岩层高温加热后，部分液体发生相变，成为蒸汽分子，产生高温蒸汽气流，向井筒的顶部快速上升，由于蒸汽分子处于紊乱的热运动的状态，和外管的管壁以及第一液体介质的液面发生碰撞，部分蒸汽分子重新返回至第一液体介质中，随着蒸发的持续进行，外管内的蒸汽分子密度不断增大，最后达到饱和状态。外管的顶部封闭，使外管内的压力增大，温度上升。而由于保温段的设置，使得在蒸汽分子传递过程中热损失几乎为零。饱和蒸汽达到稳定状态后，井筒内第一液体介质的顶部和底部的温度基本接近。一部分饱和蒸汽的热量传递至散热段时，对换热装置中的第二液体介质进行加热，第二液体介质加热沸腾之后可用于发电、供热等一切用于需要热源的场合。还有一部分的饱和蒸汽通过出液管，输送至外部的供热***中用于供热。同时，进液管一端与外部的供热***连接，进液管的另一端与外管的内部连接，通过进液管的设置使供热***产生的相对温度较低的介质(例如水)，再进入至外管内，通过高压泵进行循环利用。

上述过程中，如果加热时间较短，或者地热源岩层的温度不是特别高时，外管内部经加热后的第一液体介质，可以以液体的形式直接经出液管进入到供热***中。

本发明只需要一个井筒、一个进液管、一个出液管、一个外管就可以实现上述过程，占地面积小；采用外管或裸眼井筒直接使第一液体介质吸收地热，不需要其他导热物质传递热能，第一液体介质受热表面积大，吸热率明显增加。

本发明提取地热能的技术，提取地热能在百分之九十以上，热损失在百分之十以下。

因此，本发明所述的提取利用地热能的装置，具有结构简单、成本低、产热高等优点。无论是发电或供热，都无需地下水的产出和注入，真正实现了无污染和零排放。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述吸热段还包括与高致密热源层位置对应的井筒。

优选地，所述吸热段可以是外管的底部，也可以是高致密热源层的裸眼井段。

进一步，所述保温段的底部位于地热源岩层内，所述保温段的顶部位于换热装置的下方。

采用上述进一步方案的有益效果是：吸热段为裸眼井筒，可以更加节能增效，保温段的底部位于地热源岩层的顶部的下方，避免热量损失；所述保温段的顶部位于换热装置的下方，有利于加强换热。

进一步，所述换热装置中的第二液体介质被加热沸腾后供入发电设备和/或供热装置使用。

采用上述进一步方案的有益效果是：可以满足发电、供热等需求。

进一步，所述外管的顶部设有温度表。

采用上述进一步方案的有益效果是：便于随时监测外管内的温度。

进一步，所述地热源岩层为干热岩地层或高地温梯度地层。

采用上述进一步方案的有益效果是：干热岩或高梯度地温地层的温度较高，一般温度在150摄氏度至500摄氏度，并且在地球上的蕴藏量非常丰富。

进一步，所述第一液体介质的沸点高于第二液体介质的沸点。

采用上述进一步方案的有益效果是：有利于快速将第二液体介质加热至沸腾温度，甚至将第二液体介质加热成饱和蒸汽。

进一步，所述出液管和进液管均设有高压泵。

采用上述进一步方案的有益效果是：有利于加速整个体系中介质的循环。

进一步，所述进液管伸入第一液体介质的一端位于外管的底部的下方。

采用上述进一步方案的有益效果是：使温度较低的第一液体介质直接靠近地热源岩层的区域，便于快速的加热。

进一步，所述出液管与外管的内部顶端连通的一端位于换热装置的上方，避免影响发电换热装置的做功。

采用上述进一步方案的有益效果是：第一液体介质加热后产生的蒸汽，由于密度较高，会向外管的顶部扩散，在换热装置上方设置出液管的出液端，可以在保证发电热装置换热做功的前提下，将第一液体介质输送至外部的供热***。

进一步，所述进液管的管壁对应吸热段的部分设有多个出液孔。

优选地，所述进液管位于外管下部或地热源岩层高致密裸眼井筒部分，在管壁上设有多个出液孔。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过多个出液孔的设置，便于进液管的内部的液体介质，快速扩散至外管内部，有利于进一步提高热交换效率。

进一步，所述外管的保温段还包括包裹在外管外部的保温层。

对于保温层的材质，可以优先选择导热系数较低的保温材料，例如：聚氨酯等发泡材料等等。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过保温层的设置，可以减少热量的损失，提高地热的提取效率。

进一步，所述外管的保温段还包括内管，内管套设于外管内部，内管的顶部和底部分别通过记忆金属密封环与外管内壁密封，所述内管和外管之间形成密闭的真空腔。

采用上述进一步方案的有益效果是：在井筒内设置外管和内管，形成双层真空外管腔保温，外管放置的深度，可以根据井壁周围部分岩石的特性设置。井筒内的第一液体介质，经地热源岩层高温加热后，部分液体介质发生相变，成为蒸汽分子，产生高温蒸汽气流，向井筒的顶部快速上升，由于蒸汽分子处于紊乱的热运动状态，和外管的管壁以及第一液体介质的液面发生碰撞，部分蒸汽分子重新返回至第一液体介质中，随着蒸发的持续进行，外管内的蒸汽分子密度不断增大，最后达到饱和状态。外管内的压力增大，温度上升。而由于外管的外保温或真空腔保温的设置，使得保温效果很好，热损失几乎为零。饱和蒸汽达到稳定状态后，井筒内第一液体介质的顶部和底部的温度基本接近，进一步对换热装置中的第二液体介质进行加热，第二液体介质沸腾后用于发电、供热等一切用于需要热源的场合。

进一步，所述密封环的材质为记忆合金。

采用上述进一步方案的有益效果是：使用时，只需要将密封环分别置于内管的顶部和底部，，记忆合金受热后产生膨胀，形成密封，具有使用简单、密封效果好等优点。

本发明还提供一种提取利用地热能的方法，包括以下步骤：

1)由地面向地热源岩层钻井，形成井筒，井筒的底部深入地热源岩层；

2)将外管置于井筒内，所述外管的上部为换热段，外管的中部为保温段，外管的下部为吸热段，吸热段位于地热源岩层内；外管的顶部封闭，外管的底部开口；外管和井筒之间利用固井水泥环固定；

3)向外管内加入第一液体介质；

4)在外管的换热段处安装换热装置，换热装置内装有第二液体介质；

5)将换热装置的出口与发电设备和/或供热装置的入口连接；

6)安装进液管和出液管：在外管合理的位置设定出液口，出液口与外管的内部顶端连通，所述出液管的一端与外部的供热***的进液口连接，所述出液管的另一端与外管的出液口连接；所述进液管的一端穿过外管的顶部伸入至外管底端或底端以下并和第一液体介质相连通，所述进液管的另一端与外部的供热***的出液口连接。

采用上述进一步方案的有益效果是:本发明所述的提取利用地热能的方法操作简单，只需要一个井筒就可以完成上述过程，占地面积小；采用外管吸热段或高致密岩层的裸眼井段吸热，直接使第一液体介质接受地热，不需要其他导热物质传递热能，此环境下第一液体介质受热表面积大。因此，本发明所述的提取利用地热能的装置，具有结构简单、成本低、产热高等优点。无论是发电或供热，都无需地下水的产出和注入，真正实现了无污染和零排放。

附图说明

图1为本发明所述提取利用地热能的装置的纵剖面图(具有真空腔)；

图2为本发明所述提取利用地热能的装置在A-A处的剖视图(具有真空腔)；

图3为本发明所述提取利用地热能的装置的纵剖面图(具有保温层)；

图4为本发明所述提取利用地热能的装置在A-A处的剖视图(具有保温层)。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、温度表，2、外管，3、发电设备，4、固井水泥环，5、内管，6、密封环，7、井筒，8、供热***，9、换热装置，10、保温层，11、进液管，12、出液管，13、地表面，14、一般地层，15、地热源岩层，16、真空腔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-4所示，一种提取利用地热能的装置，包括：井筒7、外管2、进液管11、出液管12和换热装置9；井筒7的顶端和底端均开口，并且井筒7的底部深入地热源岩层15，所述井筒7内以及外管2内装有第一液体介质；

外管2的顶部封闭，底部开口；所述外管2套设于井筒7内，所述外管2通过固井水泥环4与井筒7固定，所述外管2的上部为换热段，所述外管2的中部为保温段，所述外管2的下部为吸热段，所述吸热段位于地热源岩层15内，用于吸收地热源岩层15的热量，如果地热源岩层15为高致密热源层，吸热段还包括高致密热源层对应的井筒；与外管2的换热段对应位置的外侧处设有换热装置9，所述换热装置9内装有第二液体介质。

本发明对于外管的上部、中部以及下部并无具体参数的限制，具体使用时，可以根据实际的情况具体设置上部、中部以及下部的长度距离。

所述出液管12的一端与外管2的内部连通，所述出液管12的另一端与与外部的供热***的进液口连接；

所述进液管11的下端从外管2的顶部伸入至外管2底端或底端以下并和第一液体介质相连通，所述进液管11的上端与外部的供热***的出液口连接。

所述保温段的底部位于地热源岩层15的顶部的下方，所述保温段的顶部位于换热装置9的下方。

所述换热装置9中的第二液体介质被加热沸腾后供发电设备3/或供热装置使用。

所述外管2的顶部设有温度表1；所述地热源岩层15为干热岩层或高梯度地温地层；所述第一液体介质的沸点高于第二液体介质的沸点。

所述进液管11的出液口伸入第一液体介质的一端位于外管2的底端的下方；所述出液管12与外管2的内部连通的一端位于换热装置9的上方。

所述进液管的管壁对应吸热段的部分设有多个出液孔。

进液管11和出液管12均设有高压泵，用于加速介质的循环。

对于保温段有两种设置方式。

一种方式为，所述外管2的保温段还包括包裹在外管2外部的保温层10。

另一种方式为，所述外管2的保温段还包括内管5，内管5套设于外管2内部，内管5的顶部和底部分别通过密封环6与外管2密封，所述内管5和外管2之间形成密闭的真空腔16。所述密封环6的材质为记忆合金。

利用上述装置提取利用地热能的方法，包括以下步骤：

1)由地面向地热源岩层15钻井，形成井筒7，井筒7的底部深入地热源岩层15；

2)将外管2置于井筒7内，所述外管2的上部为换热段，外管2的中部为保温段，外管2的下部为吸热段，吸热段位于地热源岩层15内；

根据地热源岩层15的岩层性质来确定外管2在井筒的位置，当地热源岩层15为一般地热源岩层的情况下(指除致密地层以外的情况)，外管2的底部靠近井筒7的底部设置；当地热源岩层15为高致密地层，例如花岗岩时，外管2的底部与井筒7的底部留有一段距离，此时，吸热段还包括地热源岩层15对应的井筒部分；

外管2的顶部封闭，外管2的底部开口并位于地热源岩层15；外管2和井筒7之间利用固井水泥环4固定；

3)向井筒内的外管2内加入第一液体介质，第一液体介质的用量，根据吸热段的地层厚度及温度确定；具体的确定方法可以参照本领域的常规计算方法；

4)在外管2的换热段处安装换热装置9，换热装置9内装有第二液体介质；

5)将换热装置9的出口与发电设备3/或供热装置的入口连接；

6)安装进液管11和出液管12:所述出液管12的一端与外管2的内部顶端连通，所述出液管12的一端与与外部的供热***的进液口连接；所述进液管11的一端穿过外管2的顶部伸入至外管2底端并和第一液体介质连通，所述进液管11的另一端与外部的供热***的出液口连接。

本发明对于固井水泥环并没有特殊限制，只要能将外管固定在井筒内即可，具体实施时，可以采用油田固井水泥材质的固井水泥环。

本发明对于钻井技术无特殊限制，一般情况下，包括地质录井、岩层性质确认、地球物理测井、井下施工作业、外管、内管安装等。可以根据具体的实际情况选择合适的钻井技术。

本发明对于发电设备无特殊限制，可以为汽轮机发电机组、螺杆膨胀机发电机组。

本发明对于供暖、供热水设备无特殊的限制，可以根据具体的情况选择管路的连接方式，设置一个或多个相应的供暖、供热水设备，采取并联、串联以及其他连接方式，在管路设置各种控制部件、检测部件，例如：阀门、流量计等等。

本发明所述的提取利用地热能的装置及方法不仅限于上述的供暖、供热、发电等用途，适用于一切与热相关的场合。

可以选择耐高温、耐高压和耐腐蚀的材质作为外管的材质，例如J55特钢。

本发明的图1-4只用于说明本发明技术方案的结构，并不代表实际的比例关系与具体参数，本发明所述装置的规格、参数，可以根据实际情况进行适当的选择。

下面通过两个实施例对本发明的技术方案进行详细的介绍。

实施例1

如图1和图2所示，一种提取利用地热能的装置，包括：井筒7、外管2、进液管11、出液管12和换热装置9；井筒7的顶部和底部均开口，并且井筒7的底部深入地热源岩层15，所述井筒7以及外管2内装有第一液体介质；

外管2的顶部封闭，底部开口，所述外管2的顶部设有温度表1，用于方便观察外管2内部的温度；所述外管2套设于井筒7内，所述外管2与井筒7通过固井水泥环4固定，所述固井水泥环4的材质为油田固井水泥，所述外管2的上部为换热段，所述外管2的中部为保温段，所述外管2的下部为吸热段，如果地热源岩层15为高致密热源层，吸热段还包括高致密热源层对应的井筒，如果地热源岩层15为非高致密热源层，吸热段为外管2的下部；与外管2换热段的对应位置处设有换热装置9，所述换热装置9内装有第二液体介质。所述换热装置9中的第二液体介质，被加热沸腾后供发电设备3/或供热装置使用。第二液体介质的沸点低于第一液体介质的沸点，例如第一液体介质为水，第二液体介质为氟利昂等。

对于换热装置9与发电设备3或供热装置连接时，可以采用合适的管路进行连接，并可以进一步的在管路上，设置阀门等控制部件，方便打开或关闭。

换热装置9，也可以通过管道与发电设备3或供热装置连接，并形成循环的管路，换热装置9产生的热水或蒸汽，供发电设备或供热装置使用，发电设备或供热装置，产生的温度相对比较低的介质，再送入换热装置9中。

所述保温段的底部位于热源岩层的顶部的下方，所述保温段的顶部位于换热装置9的下方，通过这样的设置尽可能的减少热量的损失。所述外管2的保温段还包括内管5，内管5套设于外管2内部，内管5的顶部和底部分别通过记忆合金材质的密封环6与外管2密封，所述内管5和外管2之间，形成密闭的真空腔16。发明人在研究中意外的发现，当井筒的直径比外管的直径大10厘米左右，外管的直径比内管的直径大1-5厘米的时候，保温段保温的效果特别好。

所述出液管12的一端与外管2的内部连通，该端位于换热装置9的上方，靠近外管2的顶部处，并在出液管12与外管2的连接处设有过滤网用于过滤杂质；所述出液管12的另一端与外部的供热***8的进液口连接。

进液管11和出液管12均设有高压泵，用于加速介质的循环。

所述进液管11的下端从外管2的顶部穿过并伸入至井筒内的第一液体介质中，该端位于外管2的底端或底端以下；所述进液管11的另一端与外部的供热***8的出液口连接。所述进液管11的管壁与吸热段对应的位置处设有多个出液孔。出液孔为圆形，多个出液孔在管壁上均匀分布，发明人在研究中意外的发现，当孔径为1cm，相邻的孔之间的距离为2-10cm时，出水效果特别好，热量交换的效果也特别好。

利用上述装置提取利用地热能的方法，包括以下步骤：

1)由地表面12向地热源岩层15钻井，形成井筒7，井筒7由上到下对应的地层分别为地表面13、一般地层14、地热源岩层15(例如：干热岩地层或高梯度地温地层)，井筒7的底部深入地热源岩层15，井筒7的下部与地热源岩层15连通。

2)将外管2置于井筒7内，外管2的底端伸入地热源岩层15，根据地热源岩层15的岩层性质，确定外管2的底端在井筒7中的深度，如果地热源岩层15为一般热源岩层的情况下(指除高致密地层以外的情况)，外管2的底端靠近井筒7的最底部，此时，吸热段为外管2的底部，即外管2从上到下依次为散热段、保温段、吸热段；当地热源岩层15为高致密地层，例如花岗岩，而且井壁非常规则时，此时，吸热段还包括位于地热源岩层15的井筒部分，外管2的底部与井筒7的底部留有一段距离，距离越大节能增效的程度越高。该距离的大小，取决于高致密热源地层的厚度，可以与高致密热源地层厚度等高。

3)向井筒7内的外管2加入第一液体介质。

4)将外管2和井筒7之间用固井水泥环密封，使外管2和井筒7固定。

5)将内管5置于外管2内，内管5底端位于吸热段的顶端下方，内管5与外管2的侧壁之间，形成密闭的真空腔16；内管5的顶部和底部分别通过环状的记忆合金密封环6与外管2的管壁密封。内管5的底部位于地热源岩层15顶部之下，或者内管5的底部与地热源岩层15顶部齐平。

6)将外管2的顶部封闭，在外管2的换热段处安装换热装置9，换热装置9内装有第二液体介质，换热装置9的换热面与外管2的换热段相对应；

7)将换热装置9的出口与发电设备3/或供热装置的入口连接。

8)安装进液管11和出液管12:所述出液管12的一端与外管2的内部顶端连通，所述出液管12的另一端与外部的供热***8的进液口连接；所述进液管11的一端穿过外管2的顶部伸入至井筒底端并与第一液体介质连通，所述进液管11的另一端与外部的供热***8的出液口连接。

工作原理：井筒内的第一液体介质，经地热源岩层15的高温加热沸腾后，部分液体发生相变，成为蒸汽分子，产生高温蒸汽气流。该气流向井筒的顶部快速上升，由于蒸汽分子处于紊乱的热运动状态，和外管的管壁以及第一液体介质的液面发生碰撞，部分蒸汽分子重新返回至第一液体介质中，随着蒸发的持续进行，套管内的蒸汽分子密度不断增大，最后达到饱和状态。套管的顶部封闭，使套管内的压力增大，温度上升。而由于保温段的设置，使得蒸汽分子在传递过程中的热损失几乎为零。饱和蒸汽达到稳定状态后，井筒内的第一液体介质的顶部和底部的温度基本接近，当热量传递至散热段时，进一步对换热装置中的第二液体介质进行加热，第二液体介质沸腾之后用于发电、供热等一切用于需要热源的场地。同时，加热后的蒸汽分子，经出液管用于外部的供热***中；供热***产生的温度较低的水，经进液管进入到外管内的底部，利用高压泵进行循环加热。

实施例2

如图3和图4所示，一种提取利用地热能的装置，包括：井筒7、外管2、进液管11、出液管12和换热装置9；井筒7的顶部和底部均开口，并且井筒7的底部深入地热源岩层15，所述井筒7内的外管2装有第一液体介质；

外管2的顶部封闭，底部开口，所述外管2的顶部设有温度表1，用于方便观察外管2内部的温度；所述外管2套设于井筒7内，所述外管2与井筒7通过固井水泥环4固定，所述固井水泥环4的材质为油田固井水泥，所述外管2的上部为换热段，所述外管2的中部为保温段，所述外管2的下部为吸热段，吸热段位于地热源岩层15内，如果地热源岩层15为高致密热源层，吸热段还包括高致密热源层对应的井筒，如果地热源岩层15为非高致密热源层，吸热段为外管2的下部，即外管由上到下依次为散热段、保温段和吸热段；与外管2的换热段的对应位置设有换热装置9，所述换热装置9内装有第二液体介质。所述换热装置9中的第二液体介质，被加热沸腾后供发电设备3/或供热装置使用。第二液体介质的沸点低于第一液体介质的沸点，例如第一液体介质为水，第二液体介质为氟利昂等。

对于换热装置9，与发电设备3或供热装置连接时，可以采用合适的管路进行连接，并可以进一步的在管路上设置阀门等控制部件，方便打开或关闭。

换热装置9，也可以通过管道与发电设备3或供热装置连接并形成循环的管路，换热装置9产生的热水或蒸汽，供发电设备或供热装置使用，发电设备或供热装置，产生的温度相对比较低的介质再送入换热装置9中。

所述吸热段位于井筒的地热源岩层15的全部，保温段的底部位于地热源岩层15的顶部的下方，所述保温段的顶部位于换热装置9的下方。所述外管2的保温段还包括包裹在外管2外部的保温层10，保温层10的材质为聚氨酯等发泡材料。

所述出液管12的一端与外管2的内部顶端连通，该端位于换热装置9的上方，靠近外管2的顶部处，并在出液管12与外管2的连接处设有过滤网用于过滤杂质；所述出液管12的另一端与外部的供热***8的进液口连接。

所述进液管11的一端穿过外管2的顶部伸入至外管的底端或底端以下并与第一液体介质连通，该端位于外管2的底部直至井底；所述进液管11的另一端与外部的供热***8的出液口连接。所述进液管11的管壁对应吸热段的部分设有多个出液孔。出液孔为圆形，多个出液孔在管壁上均匀分布，发明人在研究中意外的发现，当孔径为1cm，相邻的孔之间的距离为2-10cm时，出水效果特别好，热量交换的效果也特别好。

进液管11和出液管12均可以设有高压泵，用于加速介质的循环。

利用上述装置提取利用地热能的方法，包括以下步骤：

1)由地表面12向地热源岩层15(干热岩地层或高地温梯度地层)钻井，形成井筒7，井筒7由上到下对应的地层分别为地表面13、一般地层14和地热源岩层15，井筒7的底部深入地热源岩层15，井筒7的内部与地热源岩层15连通。

2)将外管2放置在井筒7中，外管2中部的外壁事先包裹一层保温层10，外管2的底部伸入地热源岩层15，根据地热源岩层15的岩层性质，确定外管2底部在井筒7中的深度，当地热源岩层15为一般地层时(指除高致密地层以外的情况)，外管2的底部靠近井筒7的底部，此时，外管2由上到下依次为散热段、保温段和吸热段；当地热源岩层15为高致密地层时，例如花岗岩时，此时，吸热段还包括地热源岩层15对应着井筒的部分，外管2的底部与井筒7的底部可以留有一段距离，该距离的长度可以等于高致密地层的厚度。

3)将外管2和井筒7之间用固井水泥密封，使外管2和井筒7固定。

4)向井筒7内的外管2中加入第一液体介质。

5)将外管2的顶部封闭，在外管2的换热段的外侧安装换热装置9，换热装置9内装有第二液体介质，换热装置9的换热面与外管2的换热段相对应；

6)将换热装置9的出口与发电设备3/或供热装置的入口连接。

7)安装进液管11和出液管12：所述出液管12的一端与外管2的内部顶端连通，所述出液管12的另一端与外部的供热***8的进液口连接；所述进液管11的一端穿过外管2的顶部伸入外管2底端或底端以下直至第一液体介质中，所述进液管11的另一端与外部的供热***8的出液口连接。

工作原理：井筒内的第一液体介质，经地热源岩层15的高温加热后沸腾，部分液体发生相变，成为蒸汽分子，产生高温蒸汽气流，向井筒的顶部快速上升，由于蒸汽分子处于紊乱的热运动的状态，和外管的管壁以及第一液体介质的液面发生碰撞，部分蒸汽分子重新返回至第一液体介质中，随着蒸发的持续进行，套管内的蒸汽分子密度不断增大，最后达到饱和状态。套管的顶部封闭，使套管内的压力增大，温度上升。而由于保温段的设置，使蒸汽分子在传递过程中，热损失几乎为零，最后达到饱和蒸汽状态。饱和蒸汽达到稳定状态后，井筒内第一液体介质的顶部和底部的温度基本接近，当热量传递至换热段时，进一步对换热装置中的第二液体介质进行加热，第二液体介质沸腾之后，用于发电、供热等一切用于需要热源的场合。同时，加热后的液体介质，可以经出液管直接用于外部的供热***中；供热***产生温度较低的水，经进液管进入到外管内，用高压泵进行循环加热。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提取利用地热能的装置，其特征在于，包括：井筒(7)、外管(2)、进液管(11)、出液管(12)和换热装置(9)；井筒(7)的顶端和底端均开口并且井筒(7)的底部深入地热源岩层(15)，所述井筒(7)内以及外管(2)内装有第一液体介质；

外管(2)的顶部封闭，底部开口；所述外管(2)套设于井筒(7)内，所述外管(2)通过固井水泥环(4)与井筒(7)固定，所述外管(2)的上部为换热段，所述外管(2)的中部为保温段，所述外管(2)的下部为吸热段，所述吸热段位于地热源岩层(15)；与外管(2)换热段的对应位置的外侧设有换热装置(9)，所述换热装置(9)内装有第二液体介质；

所述出液管(12)的一端与外管(2)的内部连通，所述出液管(12)的另一端与与外部的供热***的进液口连接；

所述进液管(11)的下端从外管(2)的顶部伸入至外管(2)底端或底端以下并和第一液体介质相连通，所述进液管(11)的上端与外部的供热***的出液口连接。

2.根据权利要求1所述一种提取利用地热能的装置，其特征在于，所述吸热段还包括与高致密热源层位置对应的井筒。

3.根据权利要求1所述一种提取利用地热能的装置，其特征在于，所述保温段的底部位于地热源岩层(15)内，所述保温段的顶部位于换热装置(9)的下方。

4.根据权利要求1所述一种提取利用地热能的装置，其特征在于，所述换热装置(9)中的第二液体介质被加热沸腾后供发电设备(3)和/或供热装置使用；所述外管(2)的顶部设有温度表(1)；所述地热源岩层(15)为干热岩层或者高地温梯度地层；所述第一液体介质的沸点高于第二液体介质的沸点；所述出液管(12)和进液管(11)均设有高压泵。

5.根据权利要求1所述一种提取利用地热能的装置，其特征在于，所述出液管(12)与外管(2)的内部连通的一端位于换热装置(9)的上方。

6.根据权利要求1所述一种提取利用地热能的装置，其特征在于，所述进液管(11)的管壁对应吸热段的部分设有多个出液孔。

7.根据权利要求1-6任一项所述一种提取利用地热能的装置，其特征在于，所述外管(2)的保温段还包括包裹在外管(2)外部的保温层(10)。

8.根据权利要求1-6任一项所述一种提取利用地热能的装置，其特征在于，所述外管(2)的保温段还包括内管(5)，内管(5)套设于外管(2)内部，内管(5)的顶部和底部分别通过密封环(6)与外管(2)的内壁密封，所述内管(5)和外管(2)之间形成密闭的真空腔(16)。

9.根据权利要求8所述一种提取利用地热能的装置，其特征在于，所述密封环(6)的材质为记忆合金。

10.一种提取利用地热能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)由地面向地热源岩层(15)钻井，形成井筒(7)，井筒(7)的底部深入地热源岩层(15)；

2)将外管(2)置于井筒(7)内，所述外管(2)的上部为换热段，外管(2)的中部为保温段，外管(2)的下部为为吸热段，吸热段位于地热源岩层(15)内；将外管(2)的顶部封闭，外管(2)的底部开口；外管(2)和井筒(7)之间利用固井水泥环(4)固定；

3)向外管(2)内加入第一液体介质；

4)在外管(2)的换热段处安装换热装置(9)，换热装置(9)内装有第二液体介质；

5)将换热装置(9)的出口与发电设备(3)和/或供热装置的入口连接；

6)安装进液管(11)和出液管(12)：在外管(2)合理的位置处设定出液口，所述出液管(12)的一端与与外部的供热***的进液口连接，所述出液管(12)的另一端与外管(2)的出液口连接；所述进液管(11)的一端穿过外管(2)的顶部伸入至外管(2)底端或底端以下并和第一液体介质相连通，所述进液管(11)的另一端与外部的供热***的出液口连接。