一种高效开采地热资源的换热套管装置及地热单井系统

技术领域

本发明涉及地热开采技术领域，具体涉及一种高效开采地热资源的换热套管装置及地热单井系统。

背景技术

目前，在科技进步和环境需求的共同驱动下，能源结构正在向更洁净、更低碳的方向转型。地热能作为一种绿色清洁能源，在全球许多地区已经作为一种负担得起的消费能源开始投入使用，开采地热资源可以减少对化石燃料的过度依赖而导致全球变暖和公共卫生风险等问题。地热能是为数不多的可以提供持续性基载电力的可再生能源，在清洁、可持续的能源体系中占据重要地位，地热发电和地热区域供暖等规模化利用必须要钻成地热井，来实施可控制的开采。

其中，现有地热开采技术，如中国发明专利CN107144035A公开了一种工质循环流量可调控的回路热管式地热开采系统，其包括：套管式回路热管、地表换热器、蓄液箱、蒸发段、绝热段、冷凝段、回流段；蒸发段位于高温热储内，冷凝段与外界进行换热；蓄液箱的工质流体通过回流段，控制蒸发段液相回流模式及沸腾模式，实时调节地热热管有效充液率，从而实现稳定高效地提取地热能。中国发明专利CN105909214A公开了一种利用长水平井自循环开采致密干热岩地热的方法，该方法利用干热岩储层内单口长水平井，在不压裂干热岩储层条件下，采用其油管的环空循环结构，进行携热介质的循环注采，从而进行地热开采。中国实用新型专利CN207991010U公开了一种基于热储基岩层储集性能的大流量地热开采设备，其包括：地热收集管道、地热储存装置、两条地热传输管道、储热池、换热泵、换热液更换装置、安装杆；储热池外部设置有温度检测计，能够在热量的传输和储存两个反方面减少热量的流失，提高地热开采效率。

现有地热单井开采技术的缺点主要是：地下换热套管的换热效率低。现有地热单井开采技术严重忽略了地下换热套管换热效率低的问题，而地热井与热储层直接接触段的换热尤为重要，对于地热单井系统中的目标热储层段，目前仍采用导热系数较低的钢管作为与热储岩层直接接触的套管材料，其结构简单，换热系数低，不利于热传导，降低了地热采收效率，同等功率热源的情况下，采出井出口流体温度较低，热能利用率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的地下换热套管换热效率低的不足，提供一种高效开采地热资源的换热套管装置及地热单井系统，它能够大幅度增加地热资源开采的效率。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种高效开采地热资源的换热套管装置，所述换热套管装置设置在目标热储层段，包括钢材套管和高效换热部件，所述钢材套管为主体结构，钢材套管上设有换热部件原孔位用于安装所述高效换热部件；所述高效换热部件采用导热系数高于钢材的材料制成，与所述换热部件原孔位适配安装，并进行密封处理。

上述方案中，所述换热部件原孔位为均匀排列在所述钢材套管上的圆钻孔。

上述方案中，所述高效换热部件采用焊接的方式安装于所述换热部件原孔位内。

上述方案中，所述换热套管装置的底部设有底部剪切连接螺纹，顶部设有顶部拉伸连接螺纹，上一段换热套管装置的底部剪切连接螺纹与下一段换热套管装置的顶部拉伸连接螺纹相连接，从而实现多段换热套管装置的连接。

上述方案中，所述高效换热部件采用铜材、铝材或超导热材料。

相应的，本发明还包括一种地热单井系统，包括外层的套管和内层的油管，所述套管与油管之间形成的环空作为注入井，油管作为采出井，所述套管为分段结构，其位于非目标热储层上的区段采用钢材制成的普通套管，位于目标热储层上的区段采用上述换热套管装置；所述换热套管装置与油管之间设有管内封隔器，用于控制流体流动、固定油管。

上述方案中，所述普通套管与换热套管装置之间采用螺纹连接；所述油管采用多段式结构，相邻两段油管之间通过螺纹连接。

上述方案中，所述油管的外壁包裹着一层隔热层，隔热层与油管紧密接触。

上述方案中，所述套管的底部通过人工井密封，所述油管底部开口。

上述方案中，所述地热单井系统还包括设置于所述套管外圈的表层套管，所述表层套管与套管之间设有固井水泥，表层套管的下端通过设置管外封隔器进行密封。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的高效换热套管装置位于目标热储层区段，高效换热套管装置包括传统钢材套管和高效换热部件，传统钢材套管作为主体结构能够保证整体强度，高效换热部件使用常见的高导热材料，如合金铝材、铜材，成本降低后会考虑使用超热导材料，使其应用于地热资源开采时，增加换热效率，提高地热资源的利用率。

2、高效换热部件采用焊接的方式安装于换热部件原孔位内，并进行密封处理，保证套管的密封性。

3、本换热套管装置保有原有套管管径不变，对地热钻井、完井过程不会造成影响。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明地热单井系统的结构示意图；

图2是本发明换热套管装置的立体结构分解图；

图3是图2所示换热套管装置的A处局部结构放大示意图；

图4是图2所示换热套管装置的半剖示意图。

图中：100、地热单井系统；10、套管；20、油管；30、换热套管装置；31、钢材套管；311、换热部件原孔位；32、高效换热部件；33、底部剪切连接螺纹；34、顶部拉伸连接螺纹；35、管内封隔器；40、环空；50、表层套管；60、固井水泥；70、管外封隔器；80、人工井底；90、隔热层；200、地面地热利用系统；201、循环泵；202、冷凝器；203、涡轮机；204、蒸发器；300、热储层。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为本发明范围内，其中一种实施例中的地热单井系统100，包括外层的套管10和内层的油管20，套管10与油管20之间形成的环空40作为注入井，油管20作为采出井，油管20外壁包裹着一层隔热层90，隔热层90与油管20紧密接触。完井后套管10的底部形成人工井底80，油管20底部开口。套管10为分段结构，其位于非目标热储层300的区段采用钢材制成的普通套管，位于目标热储层300的区段采用换热套管装置30。

如图2-4所示，换热套管装置30包括钢材套管31和高效换热部件32，其中，钢材套管31为主体结构，保证套管10的强度。钢材套管31上设有换热部件原孔位311用于安装高效换热部件32。为了提高地下换热套管的换热效率，高效换热部件32采用导热系数高于钢材的材料制成，如铜材、铝材或超导热材料等。高效换热部件32采用焊接的方式安装于换热部件原孔位311内，并进行密封处理，保证套管的密封性。

往注入井注入的工质流体，通过换热套管装置30后到达人工井底80，再反向从采出井流出。工质流体可以通过换热套管装置30从目标热储层300中获取地热能，采出的高温流体流经地面地热利用系统200后温度降低，然后温度降低的工质流体再回灌至环空40，重复利用，整个开采地热、利用地热的过程是一个封闭的循环系统，符合新能源环保的技术理念，地面地热利用系统200可以为区域供暖、制冷、温泉理疗、农业利用、工业利用系统。工质流体在封闭循环系统流动的过程中，与热储层300完全隔绝，因此管道堵塞、管道腐蚀问题得到缓解；另一方面，与传统换热套管装置相比，换热套管装置30的换热能力增大，等功率热储层300热源的情况下，采出井采出的工质流体温度得到大幅度提高，地热能利用率增大。

地热单井系统100的采出井出液口与蒸发器204的进液口连通，循环工质的热量经蒸发器204带至涡轮机203；蒸发器204的出液口与地热单井系统100的注入井进液口连通，实现工质流体重新回灌至地热单井系统100中重复循环利用，并与地面循环水完全隔离，减少地面循环水混入对地热单井系统100的腐蚀损害。地面地热利用系统200包括涡轮机203、冷凝器202、循环泵201和蒸发器204，地面循环水流经蒸发器204后，携带热能成为气水混合物，推动涡轮机203做功产生电能，流经涡轮机203的地面循环水在冷凝器202中进一步降温，在循环泵201的泵压推动下重新泵入蒸发器204，形成循环回路。

进一步优化，本实施例中，换热套管装置30的底部设有底部剪切连接螺纹33，顶部设有顶部拉伸连接螺纹34，上一段换热套管装置30的底部剪切连接螺纹33与下一段换热套管装置30的顶部拉伸连接螺纹34相连接，从而实现多段换热套管装置30的连接。

进一步优化，本实施例中，普通套管与换热套管装置30之间采用螺纹连接。

进一步优化，本实施例中，换热部件原孔位311为均匀排列在钢材套管31上的圆钻孔。

进一步优化，本实施例中，换热套管装置30与油管20之间设有管内封隔器35，用于控制流体流动、固定油管20。

进一步优化，本实施例中，油管20采用多段式结构，相邻两段油管20之间通过螺纹连接。

进一步优化，本实施例中，地热单井系统100还包括设置于套管外圈的表层套管50，表层套管50与套管10之间设有固井水泥60，表层套管50的下端通过设置管外封隔器70进行密封。表层套管50、固井水泥60、管外封隔器70的作用是为了确保完井过程中井眼不会塌陷。

进一步优化，本实施例中，地热单井系统可以为竖直地热井(图1)、或水平地热井、地热井网。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。