一种水力驱动井下强制换热闭式循环系统及其换热方法

技术领域

本发明属于换热技术领域，更具体地，涉及一种水力驱动井下强制换热闭式循环系统及其换热方法。

背景技术

近年来，随着能源与环境问题的日益突出，地热资源因其清洁、环保、安全、可再生、分布广的特点，逐渐得到了广泛的开发利用。当前地热资源的开发利用主要采用对井注采、地面换热工艺，即在目标区域同时建设采水井与回灌井，由采水井中抽取地层热水，经地面换热装置提取热量后，将冷水输送至回灌井注入地层，该工艺单井开采资源范围大、换热效率高。

但是其仅适用于目的层位富水、物性条件优越的区域，且地热井建设费用高昂，同时由于地层热水被大量抽取经地面换热降温后回灌，难免会对目的层及地下水造成一定影响，并在生产过程中出现出砂、结垢，影响系统正常运行。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术不足提供一种水力驱动井下强制换热闭式循环系统及其换热方法，解决地热井建设费用高昂，同时由于地层热水被大量抽取经地面换热降温后回灌，难免会对目的层及地下水造成一定影响，并在生产过程中出现出砂、结垢，影响系统正常运行的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种水力驱动井下强制换热闭式循环系统，该闭式循环系统包括：

地热井筒；

套管，所述套管设置于所述地热井筒内；

换热管，所述换热管设置于所述套管内，所述换热管的顶端开放底端设有封堵部，所述换热管的顶端固接于所述套管的内侧壁，所述换热管的外侧壁与所述套管的内侧壁之间形成有换热腔，所述换热管浸入于所述地层热水内；

保温管，所述保温管设置于所述套管和换热管内，所述保温管的底端与所述封堵部之间设置有间隙，所述保温管与所述套管和所述换热管之间形成有注入腔，所述注入腔通过所述间隙与所述保温管内部连通；

水力驱动扰流件，所述水力驱动扰流件的水力驱动旋转部设置在所述间隙位置，所述水力驱动扰流件的扰流部设置在地层热水内，所述水力驱动旋转部能够带动扰流部扰动。

可选地，所述地热井筒为竖直井筒。

可选地，所述地热井筒包括由上至下依次设置的竖直部和倾斜部，所述倾斜部与所述竖直部的轴线形成夹角，一部分所述套管处于所述竖直部内，另一部分所述套管处于所述倾斜部内，一部分所述换热管处于所述竖直部内，另一部分所述换热管处于所述倾斜部内，一部分所述保温管处于所述竖直部内，另一部分所述保温管处于所述倾斜部内。

可选地，所述套管包括第一套管和第二套管，所述第一套管的直径大于所述第二套管，所述第一套管的底端固接在所述第一套管的顶端，所述换热管的顶端固接于所述第一套管的内侧壁。

可选地，所述水力驱动扰流件包括涡轮叶片和扰流泵，所述涡轮叶片设置于所述间隙位置，所述扰流泵设置于所述地层热水内，所述涡轮叶片的转动端穿过所述封堵部与所述扰流泵的转动端连接，所述涡轮叶片的转动端能够带动所述扰流泵的转动端转动。

可选地，所述第二套管的侧壁且靠近换热腔的位置分布有多个射孔。

可选地，所述第二套管的侧壁且靠近换热腔的部分为筛管。

可选地，当地热井筒为竖直井筒时，第一套管的直径为20-30寸，第二套管的直径为13.2-20寸，换热管的直径为9.5-13.2寸，保温管的直径为7-9.5寸。

可选地，地热井筒包括由上至下依次设置的竖直部和倾斜部，第一套管的直径为20-30寸，第二套管的直径为13.2寸，换热管的直径为9.5寸，保温管的直径为7寸。

一种水力驱动井下强制换热方法，该方法包括：

将地面凉水送入注入腔内；

通过换热管完成换热腔内的地层热水与注入腔内的地面凉水换热；

换热后的地面凉水产生的流动力驱动涡轮叶片带动扰流部扰动地层热水；

换热后的地面凉水将由保温管返回至地面利用；

在地面完成利用的地面凉水再送入注入腔内以形成换热循环。

有益效果在于：该闭式循环系统在实际换热过程中，换热管完全浸泡在换热腔内的地层热水中，地面凉水由注入腔环空注入，经过换热管与地层热水换热后通过保温管返回地面，在地面完成利用后再通过闭式循环系统进行换热，在换热过程中，地层热水位于换热腔内完成换热后温度降低，在重力作用下向下流动，而没有换热的地层热水由于密度低向上移动，与换热后的地层热水形成微循环，由于温度变化也将带动周围地层的地层热水发生移动，进而实现在不开采地层热水的前提下高效换热，因此换热效率高于直接与地层接触的换热器，解决了现有的开采方式仅适用于目的层位富水、物性条件优越的区域，且地热井建设费用高昂，同时由于地层热水被大量抽取经地面换热降温后回灌，难免会对目的层及地下水造成一定影响，并在生产过程中出现出砂、结垢，影响系统正常运行的问题；

该闭式循环系统的水力驱动扰流件的水力驱动旋转部设置在间隙位置，水力驱动扰流件的扰流部设置在地层热水内，换热后的地面凉水在进入保温管时，其流动的动力将驱动水力驱动旋转部转动，水力驱动旋转部带动扰流部的转动端转动，从而扰动地层热水扰动循环，地层热水在循环过程中，能够将周围带有热量的地层热水及时补偿过来，实现温度场稳定，进一步提高换热效率。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的第一个实施例的一种水力驱动井下强制换热闭式循环系统的剖视结构示意图；

图2示出了根据本发明的第二个实施例的一种水力驱动井下强制换热闭式循环系统的剖视结构示意图一；

图3示出了根据本发明的第二个实施例的一种水力驱动井下强制换热闭式循环系统的剖视结构示意图二；

图4示出了根据本发明的第一个实施例或第二实施例的一种水力驱动井下强制换热方法的流程示意图。

附图标记说明：

1、第一套管；2、第二套管；3、换热管；4、保温管；5、悬挂器；6、地热井筒；7、换热腔；8、注入腔；9、地层热水；10、涡轮叶片；11、扰流泵。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

实施例一

如图1和图4所示，本发明提供一种水力驱动井下强制换热闭式循环系统，该闭式循环系统包括：

地热井筒6；

套管，套管设置于地热井筒6内；

换热管3，换热管3设置于套管内，换热管3的顶端开放底端设有封堵部，换热管3的顶端固接于套管的内侧壁，换热管3的外侧壁与套管的内侧壁之间形成有换热腔7，换热管3浸入于地层热水9内；

保温管4，保温管4设置于套管和换热管3内，保温管4的底端与封堵部之间设置有间隙，保温管4与套管和换热管3之间形成有注入腔8，注入腔通过间隙与保温管4内部连通；

水力驱动扰流件，水力驱动扰流件的水力驱动旋转部设置在间隙位置，水力驱动扰流件的扰流部设置在地层热水内；

水力驱动扰流泵包括涡轮叶片10和扰流泵11，涡轮叶片10设置于间隙位置，扰流泵11设置于地层热水内，涡轮叶片10的转动端穿过封堵部与扰流泵11的转动端连接，涡轮叶片10的转动端能够带动扰流泵11的转动端转动。

具体的，该闭式循环系统的换热管3完全浸泡在换热腔7内的地层热水9中，地面凉水由注入腔8环空注入，经过换热管3与地层热水9换热后通过保温管4返回地面，在地面完成利用后再通过闭式循环系统进行换热，地层热水9位于换热腔7内完成换热后温度降低，在重力作用下向下流动，而没有换热的地层热水9由于密度低向上移动，与换热后的地层热水9形成微循环，由于温度变化也将带动周围地层的地层热水9发生移动，进而实现在不开采地层热水9的前提下高效换热，因此换热效率高于直接与地层接触的换热器，降低了地热井建设的成本，不会对目的层及地下水造成一定影响，并在生产过程中不会出现出砂、结垢，使系统可以长时间的保持正常运行；

换热后的地面凉水在进入保温管4时，其流动的动力将驱动涡轮叶片10转动，涡轮叶片10带动扰流泵11的转动端转动，从而扰动地层热水9扰动循环，地层热水9在循环过程中，能够将周围带有热量的地层热水9及时补偿过来，实现温度场稳定，进一步提高换热效率。

在本实施例中，地热井筒6为竖直井筒。

具体的，根据实际情况，地热井筒6可以选择竖直井筒。

在本实施例中，套管包括第一套管1和第二套管2，第一套管1的直径大于第二套管2，第一套管1的底端固接在第一套管1的顶端，第二开口固接于第一套管1的内侧壁。

具体的，根据实际情况，采用二开井身结构，先钻进至一开结束深度，下第一套管1，在钻至井底，下第二套管2。

在本实施例中，第二套管2的内侧壁设有悬挂器5，换热管3的顶端通过悬挂器5悬挂于第二套管2的内侧壁。

具体的，悬挂器用于将换热管3的顶端悬挂于第二套管2的内侧壁，对换热管3起到支撑作用。

在本实施例中，第二套管2的侧壁且靠近换热腔的位置分布有多个射孔。

具体的，通过多个射孔可使周围地层的地层热水9流入到换热腔7内，进而提高换热效率。

在本实施例中，第二套管2的侧壁且靠近换热腔7的部分为筛管。

具体的，通过筛管也是为了可使周围地层的地层热水9流入到换热腔7内，进而提高换热效率。

在本实施例中，该闭式循环系统还包括密封轴承，封堵部的中间位置设有安装孔，密封轴承设置于安装孔内，涡轮叶片10的转动端穿过密封轴承的内圈与扰流泵11的转动端连接，地层热水涡轮叶片10的转动端能够带动地层热水9内的扰流泵11的转动端转动。

具体的，密封轴承起到密封作用，防止地层热水9与地面凉水直接接触。

在本实施例中，换热管3的长度为地热井筒6井深的0.6-0.9。

具体的，使换热管3完全浸泡在地层热水9中。

在本实施例中，第一套管1的直径为20-30寸，第二套管2的直径为13.2-20寸，换热管3的直径为9.5-13.2寸，保温管4的直径为7-9.5寸。

具体的，当第一套管1的直径选择30寸时，第二套管2的直径可以选择20寸，换热管3的直径可以选择13.2寸，保温管4的直径可以选择9.5寸，在施工过程中，将涡轮叶片10和扰流泵11连接在封堵部上，采用36寸钻头钻进至一开结束深度，下30寸的第一套管1，在选用26寸钻头钻井至井底，下20寸的第二套管2，并对处于换热腔7的第二套管2做多个射孔处理，或换热腔7部分的第二套管2换成筛管，然后在第二套管2的内侧壁且位于换热腔7的顶部利用悬挂器5下13.2寸换热管3，最后在下入9.5寸的保温管4，保温管4的顶端可以固定在第一套管1的顶端；

当第一套管1的直径选择30寸时，第二套管2的直径可以选择13.2寸，换热管3的直径可以选择9.5寸，保温管4的直径可以选择7寸，在施工过程中，将涡轮叶片10和扰流泵11连接在封堵部上，采用36寸钻头钻进至一开结束深度，下30寸的第一套管1，在选用17.5寸钻头钻井至井底，下13.2寸的第二套管2，并对处于换热腔7的第二套管2做多个射孔处理，或换热腔7部分的第二套管2换成筛管，然后在第二套管2的内侧壁且位于换热腔7的顶部利用悬挂器5下9.5寸换热管3，最后在下入7寸的保温管4，保温管4的顶端可以固定在第一套管1的顶端；

当第一套管2的直径选择20寸时，第二套管2的直径可以选择13.2寸，换热管3的直径可以选择9.5寸，保温管4的直径可以选择7寸，在施工过程中，将涡轮叶片10和扰流泵11连接在封堵部上，采用26寸钻头钻进至一开结束深度，下30寸的第一套管1，在选用17.5寸钻头钻井至井底，下13.2寸的第二套管2，并对处于换热腔7的第二套管2做多个射孔处理，或换热腔7部分的第二套管2换成筛管，然后在第二套管2的内侧壁且位于换热腔7的顶部利用悬挂器5下9.5寸换热管3，最后在下入7寸的保温管4，保温管4的顶端可以固定在第一套管1的顶端；

综上，本发明提供的一种水力驱动井下强制换热闭式循环系统在实际换热过程中，换热管3完全浸泡在换热腔7内的地层热水9中，地面凉水由注入腔8环空注入，经过换热管3与地层热水9换热后通过保温管4返回地面，在地面完成利用后再通过闭式循环系统进行换热，地层热水9位于换热腔7内完成换热后温度降低，在重力作用下向下流动，而没有换热的地层热水9由于密度低向上移动，与换热后的地层热水9形成微循环，由于温度变化也将带动周围地层的地层热水9发生移动，进而实现在不开采地层热水9的前提下高效换热，因此换热效率高于直接与地层接触的换热器，降低了地热井建设的成本，会对目的层及地下水造成一定影响，并在生产过程中不会出现出砂、结垢，使系统可以长时间的保持正常运行；

换热后的地面凉水在进入保温管4时，其流动的动力将驱动涡轮叶片10转动，涡轮叶片10带动扰流泵11的转动端转动，从而扰动地层热水9扰动循环，地层热水9在循环过程中，能够将周围带有热量的地层热水9及时补偿过来，实现温度场稳定，进一步提高换热效率。

本发明还提供一种水力驱动井下强制换热方法，该方法包括：

将地面凉水送入注入腔8内；

通过换热管3完成换热腔7内的地层热水9与注入腔8内的地面凉水换热；

换热后的地面凉水产生的流动力驱动涡轮叶片10带动扰流部扰动地层热水9；

换热后的地面凉水将由保温管4返回至地面利用；

在地面完成利用的地面凉水再送入注入腔8内以形成换热循环。

实施例二

如图2和图3所示，实施例二与实施例一的区别在于：

在本实施例中，地热井筒6包括由上至下依次设置的竖直部和倾斜部，倾斜部与竖直部的轴线形成夹角，一部分套管处于竖直部内，另一部分套管处于倾斜部内，一部分换热管3处于竖直部内，另一部分换热管3处于倾斜部内，一部分保温管4处于竖直部内，另一部分保温管4处于倾斜部内。

具体的，根据实际情况，地热井筒包括由上至下依次设置的竖直部和倾斜部，夹角可以为钝角，形成大位移井，夹角也可以为90度，形成水平井。

在本实施例中，第一套管1的直径为20-30寸，第二套管2的直径为13.2寸，换热管3的直径为9.5寸，保温管4的直径为7寸。

具体的，当第一套管1的直径选择30寸时，第二套管2的直径可以选择13.2寸，换热管3的直径可以选择9.5寸，保温管4的直径可以选择7寸，在施工过程中，将涡轮叶片10和扰流泵11连接在封堵部上，采用36寸钻头钻进至一开结束深度，下30寸的第一套管1，在选用17.5寸钻头钻井至井底，下13.2寸的第二套管2，并对处于换热腔7的第二套管2做多个射孔处理，或换热腔7部分的第二套管2换成筛管，然后在第二套管2的内侧壁且位于换热腔7的顶部利用悬挂器下9.5寸换热管3，最后在下入7寸的保温管4，保温管4的顶端可以固定在第一套管1的顶端；

当第一套管1的直径选择20寸时，第二套管2的直径可以选择13.2寸，换热管3的直径可以选择9.5寸，保温管4的直径可以选择7寸，在施工过程中，采用26寸钻头钻进至一开结束深度，下20寸的第一套管1，在选用17.5寸钻头钻井至井底，下13.2寸的第二套管2，并对处于换热腔7的第二套管2做多个射孔处理，或换热腔7部分的第二套管2换成筛管，然后在第二套管2的内侧壁且位于换热腔7的顶部利用悬挂器下9.5寸换热管3，最后在下入7寸的保温管4，保温管4的顶端可以固定在第一套管1的顶端。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。