CN107940784A - 一种中深层地热能井下开放式换热***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种中深层地热能井下开放式换热***和方法，换热***包括分布式测温光纤、两个水位观测管、混合器、地热专用管、抽水泵、除砂泵，热交换器、调节水箱；将地热专用管、抽水泵室和混合器下入到技术套管和护壁管中，地热专用管底部连接混合器，上部连接抽水泵室，抽水泵通过管路依次与除砂泵、热交换器、调节水箱连接，调节水箱的出水口连接冷水注入管，分布式测温光纤、二号水位观测管设置在地热专用管与技术套管之间，一号水位观测管设置在地热专用管内。本***由于地热井热储层是开放的，通过地热专用管进行换热，不仅换热效率高，而且完全能够实现回水量等于抽水量，不消耗地下热水资源，不会因排放经利用的地下热水而导致环境污染。
Description
技术领域
本发明属于中深层地热能能量提取工艺及方法领域，尤其是涉及一种中深层地热能井下开放式换热***和方法。
背景技术
我国《地热能开发利用“十三五”规划》提出：在“十三五”时期，新增地热能供暖(制冷)面积11亿平方米，其中:新增浅层地热能供暖(制冷)面积7亿平方米；新增水热型地热供暖面积4亿平方米。新增地热发电装机容量500MW。到2020年地热能年利用量约当7000万吨标准煤。《规划》充分表明我国将在”十三五“期间要大力发展地热能开发利用。与此同时，由于受技术水平所限，地热能开发利用带来了资源破坏、环境污染、利用率低等一系列问题，为有效解决这些不利因素，广大科技工作者一方面借鉴国外一些先进经验和技术，另一方面开展了大量的实验和研究工作，取得了***的研究成果。目前我国的地热能开发利用主要有以下技术方法。
1、直接抽取地下热水技术
该技术是通过施工一眼或多眼地热井，利用水泵将地下热水抽至地表，直接或二次加热后用于洗浴、供暖、发电等。其优点是热能利用率高。缺点是大量消耗地下热水资源，造成资源减少、水位大幅度下降；由于地下热水普遍矿化度高、高硫、具有腐蚀性，利用过的地热水排放后将会导致环境污染。
2、对井回灌技术
该技术是施工一眼取水井，同时施工一眼(或两眼)回灌井。取水井是将地下热水抽取出来后，再通过回灌井把经过利用的地下热水回灌到地下。其优点是热能利用率高。缺点是增加了地热能开发利用成本。在有些地区由于受地质条件限制，不能全部回灌，也会导致资源消耗、环境污染问题。
3、对接井技术
该技术是指首先施工一眼直井，在其一定范围内再施工一眼斜井，并在井下一定深度(热储)通过水平井与直井对接。冷水从斜井灌入，经过热储加热后，从直井排出，达到携带地热能到地表的目的。其优点是热能利用率高，不破坏地下热水资源，不会造成环境污染。缺点是施工难度大，成本高，不利于大规模推广应用。
4、单井“U”型管或中心管井下换热技术
该技术是“取热不取水”的一种技术方法，首先在地热井内下入技术套管固井，以封闭地下热水，之后在技术套管内再下入“U”型管或中心管。一种是向“U”型管的一端注入冷水，在井内通过地温加热后，在动力作用下热水从“U”型管的另一端流出。另一种是向井内注入冷水，通过地温加热后，在压力作用下使加热后的热水从中心管中流出。这两种方法技术原理是基本相同的，目前在国内仅有少量的试验工程。其优点是不消耗地下热水资源，也不会对环境造成污染。缺点是换热效率比较低，长期使用会出现“冷堆积”效应，导致在井的周围地温下降，换热量减少。
由此可以看出，现有技术方案虽然都能进行地热能开发，但都或多或少的存在不同程度的缺点和问题。因此，针对目前资源、环境保护、换热效率低、“冷堆积”等问题，研发一种成本低、换热效率高的中深层地热能井下开放式换热***和方法是个亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种中深层地热能井下开放式换热***和方法，本***“取热不取水”，不破坏地下热水资源，不产生环境污染；不仅可以提高换热效率，有效解决“冷堆积”效应问题，而且还有效降低地热能开发利用成本。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种中深层地热能井下开放式换热***，包括分布式测温光纤、两个水位观测管、混合器、地热专用管、抽水泵、除砂泵，热交换器、调节水箱；地热井的热储层由隔水层和含水层组成，下伏于盖层之下，在地热井内下入技术套管、护壁管，盖层与技术套管之间、隔水层与护壁管之间用固井材料固井，含水层与护壁管之间设有过滤管；将地热专用管、抽水泵室和混合器下入到技术套管和护壁管中，地热专用管底部连接混合器，上部连接抽水泵室，下入抽水泵到抽水泵室中，抽水泵通过管路依次与除砂泵、热交换器、调节水箱连接，调节水箱的出水口连接冷水注入管，通过冷水注入管将冷水回灌到地热井内，在抽水泵与除砂泵之间的管路上安装有流量计、弃水口(弃水口上安装有弃水阀门)、泵量控制阀，在冷水注入管上设有补水口，补水口上安装有补水阀门，分布式测温光纤、二号水位观测管设置在地热专用管与技术套管之间，一号水位观测管设置在地热专用管内。
进一步的，所述混合器长度为5～10米。
进一步的，所述地热专用管上部为抽水泵室，抽水泵室直径应满足抽水泵的要求。
进一步的，在所述热交换器与调节水箱之间的管路上设有弃水口，弃水口上安装有弃水阀门。
一种中深层地热能井下开放式换热方法，其过程如下：
第一步：根据地热储层的埋深、供热规划，设计地热井(深度、口径)；
第二步：在地热井内下入技术套管、护壁管，盖层与技术套管之间、隔水层与护壁管之间用固井材料固井，进行固井后检验固井效果；含水层与护壁管之间设有过滤管；
第三步：按设计将地热专用管、抽水泵室和混合器下入到技术套管和护壁管中，地热专用管底部连接混合器，上部连接抽水泵室；
第四步：下入抽水泵到抽水泵室中，抽水泵依次与除砂泵、热交换器、调节水箱连接，并通过冷水注入管将冷水回灌到地热井内，在此回路上还安装有流量计、弃水阀门、泵量控制阀和补水阀门；
第五步：将分布式测温光纤、二号水位观测管置于地热专用管与技术套管之间；将一号水位观测管置于地热专用管内；
第六步：启动抽水泵，将地热专用管内的热水抽到热交换器中，热交换器提取热水的热能之后，将冷水排出，通过冷水注入管回灌到地热井内，实现在单井内冷热水循环；
第七步：实时观测一号水位观测管和二号水位观测管的水位变化，使其基本与自然水位一致，或在自然水位上下小幅波动，此时抽水量等于回水量，不消耗地下水资源；
第八步：当一号水位观测管和二号水位观测管的水位低于自然水位时，说明会有热储中的地热水进入井内，此时可打开补水阀门，适当增大回水量；
第九步：当二号水位观测管的水位高于自然水位时，说明会有冷水进入热储，若长期处于这种状态，就有可能出现“冷堆积”现象，此时可打开弃水阀门，适当减少回水量，使一号水位观测管和二号水位观测管的水位下降，低于自然水位，“冷堆积”现象就会很快消除。
进一步的，所述技术套管之间、技术套管与护壁管之间为焊接或丝扣连接。
进一步的，所述地热专用管应下入到距离井底以上10M～15M。
进一步的，地热井深度至热储层的含水层之下不小于50m。
相对于现有技术，本发明所述的中深层地热能井下开放式换热***和方法具有以下优势：
1、本换热***由于地热井热储层是开放的，通过地热专用管进行换热，不仅换热效率高，而且完全能够实现回水量等于抽水量，不消耗地下热水资源，不会因排放经利用的地下热水而导致环境污染。
2、本换热***由于热储是完全开放的，可以使回灌的冷水与井内地热水充分进行热能交换，从而大幅度提高换热效率。
3、本换热方法通过适当增加或减少回水量，来控制地热水补给井水或井水补给热储，有效解决“冷堆积”问题。
4、本换热***相对于对井回灌或对接井技术，本方法可减少50％的地热井数量，从而有效降低地热资源利用成本。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的示意图。
附图标记说明：
1-冷水注入管，2-分布式测温光纤，3-固井材料，4-技术套管，5-井壁，6-护壁管，7-过滤管，8-混合器，9-地热专用管，10-抽水泵，11-抽水泵室，12-热水抽出管，13-一号水位观测管，14-流量计，15弃水阀门，16-泵量控制阀，17-除砂泵，18-热交换器，19-调节水箱，20-补水阀门，21-盖层，22-地下水水位，23-隔水层，24-热储层，25-含水层，26-二号水位观测管。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种中深层地热能井下开放式换热***，包括分布式测温光纤2、两个水位观测管、混合器8、地热专用管9、抽水泵10、除砂泵17，热交换器18、调节水箱19；地热井的热储层24由隔水层23和含水层25组成，下伏于盖层21之下，在地热井内下入技术套管4、护壁管6，盖层21与技术套管4之间、隔水层23与护壁管6之间用固井材料3固井，含水层25与护壁管6之间设有过滤管7；技术套管4之间、技术套管4与护壁管6之间为焊接或丝扣连接，将地热专用管9、抽水泵室11和混合器8下入到技术套管4和护壁管6中，地热专用管9底部连接混合器8，上部连接抽水泵室11，混合器8长度为5～10米，抽水泵室11直径应满足抽水泵10的要求，下入抽水泵10到抽水泵室11中，抽水泵10通过管路依次与除砂泵17、热交换器18、调节水箱19连接，调节水箱19的出水口连接冷水注入管1，通过冷水注入管1将冷水回灌到地热井内，在抽水泵10与除砂泵17之间的管路上安装有流量计14、弃水口(弃水口上安装有弃水阀门15)、泵量控制阀16，在所述热交换器18与调节水箱19之间的管路上设有弃水口，弃水口上安装有弃水阀门15，在冷水注入管1上设有补水口，补水口上安装有补水阀门20，分布式测温光纤2、二号水位观测管26设置在地热专用管9与技术套管4之间，一号水位观测管13设置在地热专用管9内。由于地热井热储层是开放的，本***采用地热专用管进行换热，能够实现回水量等于抽水量，不消耗地下热水资源，不会因排放经利用的地下热水而导致环境污染，同时可以使回灌的冷水与井内地热水充分进行热能交换，从而大幅度提高换热效率。
本中深层地热能井下开放式换热方法，其过程如下：
第一步：根据地热储层的埋深、供热规划，设计地热井(深度、口径)，按设计施工地热井深度至热储层的含水层之下不小于50m；
第二步：在地热井内下入技术套管4、护壁管6，盖层21与技术套管4之间、隔水层23与护壁管6之间用固井材料3固井，进行固井后检验固井效果；含水层25与护壁管6之间设有过滤管7；
第三步：按设计将地热专用管9、抽水泵室11和混合器8下入到技术套管4和护壁管6中，地热专用管9底部连接混合器8，上部连接抽水泵室11，地热专用管9应下入到距离井底以上10M～15M；
第四步：下入抽水泵10到抽水泵室11中，抽水泵10依次与除砂泵17、热交换器18、调节水箱19连接，并通过冷水注入管1将冷水回灌到地热井内，在此回路上还安装有流量计14、弃水阀门15、泵量控制阀16和补水阀门20；
第五步：将分布式测温光纤2、二号水位观测管26置于地热专用管9与技术套管4之间；将一号水位观测管13置于地热专用管9内；
第六步：启动抽水泵10，将地热专用管9内的热水抽到热交换器中，热交换器提取热水的热能之后，将冷水排出，通过冷水注入管1回灌到地热井内，实现在单井内冷热水循环；
第七步：实时观测一号水位观测管13和二号水位观测管26的水位变化，使其基本与自然水位一致，或在自然水位上下小幅波动，此时抽水量等于回水量，不消耗地下水资源；
第八步：当一号水位观测管13和二号水位观测管26的水位低于自然水位时，说明会有热储中的地热水进入井内，此时可打开补水阀门20，适当增大回水量；
第九步：当二号水位观测管26的水位高于自然水位时，说明会有冷水进入热储，若长期处于这种状态，就有可能出现“冷堆积”现象，此时可打开弃水阀门15，适当减少回水量，使一号水位观测管13和二号水位观测管26的水位下降，低于自然水位，“冷堆积”现象就会很快消除。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (8)
1.一种中深层地热能井下开放式换热***，其特征在于：包括分布式测温光纤、两个水位观测管、混合器、地热专用管、抽水泵、除砂泵，热交换器、调节水箱，在地热井内下入技术套管、护壁管，盖层与技术套管之间、隔水层与护壁管之间用固井材料固井，含水层与护壁管之间设有过滤管，将地热专用管、抽水泵室和混合器下入到技术套管和护壁管中，地热专用管底部连接混合器，上部连接抽水泵室，下入抽水泵到抽水泵室中，抽水泵通过管路依次与除砂泵、热交换器、调节水箱连接，调节水箱的出水口连接冷水注入管，通过冷水注入管将冷水回灌到地热井内，在抽水泵与除砂泵之间的管路上安装有流量计、弃水阀门、泵量控制阀，在冷水注入管上设有补水口，补水口上安装有补水阀门，分布式测温光纤、二号水位观测管设置在地热专用管与技术套管之间，一号水位观测管设置在地热专用管内。
2.根据权利要求1所述的一种中深层地热能井下开放式换热***，其特征在于：在所述热交换器与调节水箱之间的管路上设有弃水口，弃水口上安装有弃水阀门。
3.根据权利要求1或2所述的一种中深层地热能井下开放式换热***，其特征在于：所述混合器长度为5～10米。
4.根据权利要求3所述的一种中深层地热能井下开放式换热***，其特征在于：所述地热专用管上部为抽水泵室，抽水泵室直径应满足抽水泵的要求。
5.一种用于权利要求1所述的中深层地热能井下开放式换热***的换热方法，其特征在于，其过程如下：
第一步：根据地热储层的埋深、供热规划，设计地热井；
第二步：在地热井内下入技术套管、护壁管，盖层与技术套管之间、隔水层与护壁管之间用固井材料固井，进行固井后检验固井效果；含水层与护壁管之间设有过滤管；
第三步：按设计将地热专用管、抽水泵室和混合器下入到技术套管和护壁管中，地热专用管底部连接混合器，上部连接抽水泵室；
第四步：下入抽水泵到抽水泵室中，抽水泵依次与除砂泵、热交换器、调节水箱连接，并通过冷水注入管将冷水回灌到地热井内，在此回路上还安装有流量计、弃水阀门、泵量控制阀和补水阀门；
第五步：将分布式测温光纤、二号水位观测管置于地热专用管与技术套管之间；将一号水位观测管置于地热专用管内；
第六步：启动抽水泵，将地热专用管内的热水抽到热交换器中，热交换器提取热水的热能之后，将冷水排出，通过冷水注入管回灌到地热井内，实现在单井内冷热水循环；
第七步：实时观测一号水位观测管和二号水位观测管的水位变化，使其与自然水位一致，或在自然水位上下波动，此时抽水量等于回水量，不消耗地下水资源；
第八步：当一号水位观测管和二号水位观测管的水位低于自然水位时，说明会有热储中的地热水进入井内，此时可打开补水阀门，增大回水量；
第九步：当二号水位观测管的水位高于自然水位时，说明会有冷水进入热储，若长期处于这种状态，就会出现“冷堆积”现象，此时打开弃水阀门，减少回水量，使一号水位观测管和二号水位观测管的水位下降，低于自然水位，“冷堆积”现象就会很快消除。
6.根据权利要求5所述的中深层地热能井下开放式换热方法，其特征在于：所述技术套管之间、技术套管与护壁管之间为焊接或丝扣连接。
7.根据权利要求5所述的中深层地热能井下开放式换热方法，其特征在于：所述地热专用管应下入到距离井底以上10M～15M。
8.根据权利要求5所述的中深层地热能井下开放式换热方法，其特征在于：地热井深度至热储层的含水层之下不小于50m。
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