水平井强制对流双循环换热取能系统

技术领域

本发明涉及一种水平井强制对流双循环换热取能系统，属于地热开发与石油工程交叉领域。

背景技术

地热能是一种绿色低碳的可再生能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特征，是现阶段及未来能源发展的主要方向之一，有着巨大的社会、经济效益和重要的战略意义。对于地热资源的开发方式，包括“取水取热”以及“取热不取水”两种，前者为从上水井中采出高温热储水，经地面换热取能后，再将换热后的水通过回灌井注入地层；后者则是以闭式循环的方式从井口注入换热工质，工质通过井下换热器与热储间接接触换热，并将所吸收的热量传至地面完成取能，之后再次被注入开始下次循环。

“取水取热”型开发必然会在一定程度上引起地下水环境的改变，特别是在非均质性较强或孔渗性较差的热储区块，回灌水中所富含的杂质很可能会堵塞地层孔隙，从而导致地层污染；回灌不充分时则会引起地下水位下降、地表下沉、土壤盐碱化等一系列问题。根据地热水同层回灌的要求，此开发方式就意味着同一热储层系至少要打两口井以分别实现上水及回灌，这无疑将大幅增加初期投资及运行维护成本。因此，“取水取热”型开发方式存在较大局限性，已无法满足现阶段我国对地热能的开发。

“取热不取水”型开发方式的本质为换热工质在井下换热器内内循环的同时与热储间接接触换热，但受限于热储流体自然对流的流速缓慢，井下换热的效率将受到一定影响。因此，在基于“取热不取水”的指导原则下，如何进一步提高井下换热效率，已成为目前地热能开发利用的主要攻关方向。为此，已有学者提出了优化换热器几何结构及尺寸以增加其与热储接触面积的举措，此类优化虽在生产初期的取热效率显著，但并未改变热储流体缓慢自然对流的本质，当生产运行时间较长或换热工质流量较大时，同样会产生因热储局部降温而引起取热效率骤减的问题。

鉴于此，加快热储的热补充速度已成为提高井下换热效率的关键，若能将热储流体原本微弱的自然对流改为可调节的强制对流，则将革命性的改善地热开发现状。与此同时，限于直井的换热井段较短，若以水平井取而代之则将大幅增加取热装置与热储的接触面积，从而大幅提高井下换热效率。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种水平井强制对流双循环换热取能系统，满足取热不取水的指导原则，通过热储流体的强制对流循环可实现其热补充的快速完成。

本发明提出了一种水平井强制对流双循环换热取能系统，包括：

水平井子系统，为生产运行的载体；

换热工质内循环子系统，通过换热工质在井筒内的循环流动及与热储的间接接触换热而将井下热量带至地面；

井下动力循环子系统，为热储流体井下强制对流提供驱动力；以及

地面换热子系统，接收换热工质循环到地面时所携带的地热能，即在地面完成取能，之后再将已完成换热的换热工质重新注入到井筒内开始下次循环。

本发明的进一步改进在于，所述水平井子系统包括生产套管，所述生产套管的水平井段上设置有第一完井段和第二完井段，所述井下动力循环子系统设置在所述第一完井段和所述第二完井段之间。

本发明的进一步改进在于，所述井下动力循环子系统驱动热储流体通过第一完井段进入生产套管，并通过第二完井段从生产套管排到地层中。

本发明的进一步改进在于，所述换热工质内循环子系统包括工质循环通道，所述工质循环通道的上端连接地面换热子系统，下端设置有井下换热器；

其中，所述换热工质内循环子系统中的换热工质在工质循环通道内循环流动，所述换热工质流过井下换热器时与井下的热储流体间接接触并吸收其热量。

本发明的进一步改进在于，所述工质循环通道由中心管、和中心管外部的中间管组成；

换热工质从地面井口通过中心管流入井下，在井下完成与热储流体的间接接触换热后，携带地热能的换热工质通过中间管与中心管的环空循环至地面；

或者，换热工质从地面井口通过中间管与中心管的环空流入井下，在井下完成与热储流体的间接接触换热后，携带地热能的换热工质通过中心管循环至地面。

本发明的进一步改进在于，所述井下动力循环子系统包括井下动力装置，所述井下动力装置的前部设置有第一封隔器，后部设置有第二封隔器；

其中，所述井下动力装置驱动热储流体进行强制对流循环，热储流体从第一完井段被吸入至水平井子系统，并与井下换热器内的换热工质间接接触换热，之后在井下动力装置的驱动下通过第二完井段流出。

本发明的进一步改进在于，所述井下动力装置为包括潜油电泵机组或潜油螺杆泵机组在内的任意可以提供驱动力且适于井下工况作业的动力机组。

本发明的进一步改进在于，所述井下动力循环子系统还包括第一打孔管和第二打孔管，所述井下动力装置设置在所述第一打孔管和所述第二打孔管之间；

其中，所述第一封隔器设置在所述第一打孔管与井下动力装置之间，所述第二封隔器设置在所述井下动力装置与第二打孔管之间。

本发明的进一步改进在于，所述第一封隔器为过电缆封隔器。

本发明的进一步改进在于，所述地面换热子系统包括注入装置和地面取能装置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明所述一种水平井强制对流双循环换热取能系统，满足取热不取水的指导原则，通过热储流体的强制对流循环可实现其热补充的快速完成。

本发明中水平井的应用保证了换热工质与热储的间接接触面积，是井下充分热交换的保障；双完井段的设计为热储流体流入流出中间管-套管环空提供了循环通道。本发明采用相互独立的双循环设计符合取热不取水的指导原则，在开发地热能的同时为环境保护提供了保障。

本发明中井下动力装置的设计及应用是热储流体强制对流循环的动力，是热储流体快速完成热补充的保障。本发明的各子系统相互配合完成取热换能，可大幅提高地热能的开发效率，为今后高效开发利用地热能提供了新的思路。

附图说明

下面将结合附图对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1所示为本发明的一个实施例的水平井强制对流双循环换热取能系统的结构示意图。

附图为示意图，并未按照实际的比例绘制。

在附图中各附图标记的含义如下：

1、水平井子系统，2、换热工质内循环子系统，3、井下动力循环子系统，4、地面换热子系统，11、生产套管，12、第一完井段，13、第二完井段，14、热储流体，21、换热工质，22、中心管，23、中间管，24、井下换热器，31、井下动力装置，32、过电缆封隔器，33、第二封隔器，34、第一打孔管，35、第二打孔管，36、电缆。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

在本发明中，上方为靠近井口的方向，下方为远离井口的方向；在水平井段，前方为靠近井口的方向，后方为远离井口的方向。

图1示意性地显示了根据本发明的一种水平井强制对流双循环换热取能系统，包括：水平井子系统1，为生产运行的载体。水平井子系统1内设置换热工质内循环子系统2，通过换热工质21在井筒内的循环流动及热储流体14的间接接触换热而将井下地热能带至地面。在水平井子系统1内设置有井下动力循环子系统，为热储流体14井下强制对流提供驱动力。在地面上还设置有地面换热子系统4，地面换热子系统4连接换热工质内循环子系统2的上端，接收换热工质内循环子系统2内的换热工质21循环到地面所携带的地热能，在地面完成取能。

在根据本实施例所述的水平井强制对流双循环换热取能系统中，水平井子系统1为生产运行的载体，水平井子系统1的长水平段能够保障换热工质21与热储的间接接触面积。井下动力循环子系统3提供热储流体14流入流出中间管-套管环空提供动力，即为井下强制对流循环提供了动力，是快速完成热补充的保障。换热工质内循环子系统2和井下动力循环子系统3共同构建成“双循环”的换热取能方式，两者相互独立，确保了生产过程中取热不取水。在本实施例中，“双循环”分别指换热工质内循环子系统2建立的“换热工质21内循环”，以及井下动力循环系统经泵加压驱动后的“地层流体强制对流循环”，两个循环系统之间发生热交换，而不发生流体交换，实现取热不取水。

在一个实施例中，所述水平井子系统包括生产套管11，所述生产套管11的水平井段上设置有第一完井段12和第二完井段13，所述井下动力循环子系统3设置在所述第一完井段12和所述第二完井段13之间。水平井子系统的第一完井段12和第二完井段13构成热储流体流入流出的循环通道。在保障地层井壁稳定、热储流体循环顺利的前提下，此两完井段可选用任意适合热储的完井方式。

优选地，所述井下动力循环子系统3驱动热储流体14通过第一完井段12进入生产套管11，并通过第二完井段13从生产套管11排到地层中。

这样，通过井下动力循环子系统3的驱动，热储流体14在中间管-套管环空和地层中循环流动，与此同时，换热工质内循环子系统2中的换热工质21在中心管22和中间管23循环流动，两种流体间接接触换热。

在一个实施例中，所述换热工质内循环子系统2包括工质循环通道，所述工质循环通道的上端连接地面换热子系统4，下端设置有井下换热器24，井下换热器24位于所述井下动力循环子系统3的前方。

其中，所述换热工质内循环子系统2中的换热工质21在工质循环通道内循环流动，所述换热工质21流过井下换热器24时与井下热储流体14间接接触并吸收其热量。

在根据本实施例所述的水平井强制对流双循环换热取能系统中，井下换热器24的内部流动换热工质21，外部流动热储流体14，在发生热交换时，不会发生流体的交换，实现生产过程中取热不取水的目的。

在一个实施例中，所述工质循环通道包括中心管22，所述中心管22的外部设置有中间管23；即井筒管柱组成由外至内分别为生产套管11、中间管23和中心管22。

换热工质的循环方式有两种：

一种是：换热工质21从地面井口通过中心管22流入井下，在井下完成与热储流体的间接接触换热后，携带地热能的换热工质21通过中间管23与中心管22的环空循环至地面。

另一种是：或者，换热工质21从地面井口通过中间管23与中心管22的环空流入井下，在井下完成与热储流体的间接接触换热后，携带地热能的换热工质21通过中心管22循环至地面。

在根据本实施例所述的水平井强制对流双循环换热取能系统中，工质循环通道是由中心管22和中间管23组成的换热工质21内循环通道。循环方式有两种，在施工时，可以根据实际情况进行选取。

在一个实施例中，所述井下动力循环子系统3包括井下动力装置31，在本实施例中，井下动力装置31包括任意可提供动力的机组。

所述井下动力装置31的前部设置有第一封隔器32，后部设置有第二封隔器33。

其中，所述井下动力装置31驱动热储流体的发生强制对流循环，热储流体14从第一完井段12被吸入至水平井子系统1，并与井下换热器内的换热工质间接接触换热，之后在井下动力装置的驱动下通过第二完井段13流出。

优选地，所述井下动力装置31包括潜油电泵机组或潜油螺杆泵机组，当然也可以是其他可实现“提供驱动力且适于井下工况作业”这一效果的任意装置。

在一个实施例中，所述井下动力循环子系统3还包括第一打孔管34和第二打孔管35，所述井下动力装置31设置在所述第一打孔管34和所述第二打孔管35之间；

其中，所述第一封隔器32设置在所述第一打孔管34与井下动力装置31之间，所述第二封隔器33设置在所述井下动力装置31与第二打孔管35之间。

其中，所述第一封隔器32为过电缆封隔器。

生产过程中，换热工质21由井口注入中间管23并沿中间管23下行至位于水平井水平段内的井下换热器24，在井下换热器24内与热储间接接触换热，随后流入中心管22并沿中心管22上行流出井口至地面。也可以是换热工质21由井口注入中心管22并沿中心管22下行至位于水平井水平段内的井下换热器24，在井下换热器24内与热储间接接触换热，随后流入中间管23并沿中间管23上行流出井口至地面。

在中间管-套管环空中的热储流体14与换热工质21发生间接热交换后，已完成热交换的热储流体14在井下动力装置31的前部被抽离环空，经井下动力装置31加压并通过后部的第二打孔管35和第二完井段13排出至地层。同时，井下动力装置31前部的环空因其内部的流体被抽出而形成低压区，随之该低压区附近的热储流体又经第一完井段12被吸入至环空，从而形成地层强制对流循环，即快速热补充的循环流动。生产运行过程包括“换热工质21内循环”与“热储流体强制对流循环”两个相互独立的循环，符合取热不取水的指导原则。

在一个实施例中，所述地面换热子系统4包括注入装置和取能装置，地面换热子系统4与换热工质内循环子系统2的连接方式有两种，第一种是所述注入装5置连接所述中间管23并将换热工质21注入所述中间管23内，所述取能装置连接所述中心管22，中心管22上返的带有热量的换热工质21进入取能装置进行取能，取能后的换热工质21再次进入注入装置中被循环利用。第二种是所述注入装置连接所述中心管22并将换热工质21注入所述中心管22内，所述取能装置连接所述中间管23。

0尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。