一种中深层地热能井下开放式换热系统和方法技术方案

本发明专利技术提供一种中深层地热能井下开放式换热系统和方法，换热系统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。本系统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。

【技术实现步骤摘要】
一种中深层地热能井下开放式换热系统和方法
本专利技术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系统和方法。
技术介绍
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，取得了丰硕的研究成果。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系统和方法是个亟待解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提出一种中深层地热能井下开放式换热系统和方法，本系统“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，本专利技术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系统，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，本专利技术所述的中深层地热能井下开放式换热系统和方法具有以下优势：1、本换热系统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、本换热系统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、本换热系统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。附图说明构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术的示意图。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，1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中深层地热能井下开放式换热系统，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。

【技术特征摘要】
1.一种中深层地热能井下开放式换热系统，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系统，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系统，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系统，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系统的换热方法，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；...

【专利技术属性】
技术研发人员：任虎俊，蒋向明，沈智慧，王玉春，李曦滨，赵璞，
申请(专利权)人：中国煤炭地质总局水文地质局，
类型：发明
国别省市：河北,13