从钻井内获取地热来发电的系统和方法技术方案

一种闭环固态系统通过热流从来自井的地热发电，而不需要大量的水从地下传导热量。本发明专利技术考虑到了使用枯竭的石油或天然气井和新钻的井以环境友好型方法发电。地热被从地球传导到热交换单元以加热管道的内容。在井底和地表之间管道是绝热的，以最小化当经加热的管道内容运动到地表时的热耗散。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求于2008年6月13日提交的申请号为61/131，967的美国临时专利申 请的优先权，在此通过引用并入其全部内容。
技术介绍
本专利技术总的来说涉及将地热能转换成电能的领域。更具体地说，本专利技术涉及从钻 井内深处获取地热，并将此地热携带到地球表面以通过环境友好型过程发电。已为石油和天然气勘探目的钻的井，或者枯竭了，或者从未产出石油或天然气，通 常被遗弃和/或不被使用，并可能最终被填充。这些井耗巨资建成，并且当它们不再依最初 的用途所需要时造成环境问题。也可以专门钻井以生产热能。虽然有公知的地热/电的方法和系统用于使用来自 井内深处的地热/能量(为了产生经加热的流体(液体或气体)和由此发电)，这些方法 具有明显的环境上的缺陷，并且在石油和天然气井中由于这些井的深度这些方法通常效率 低。更具体地说，地热泵(GHP)系统和增强的地热系统(EGQ在现有技术中是众所周 知的用于从地球取回能量的系统。在GHP系统中，来自地球的地热被用来加热流体比如水， 该流体然后被用来加热和冷却。该流体，通常是水，实际上被加热到临界点，在该临界点流 体在所谓闪蒸蒸汽转化的过程中被转化成蒸汽，该蒸汽然后用来发电。这些系统利用现有 的或人造贮水槽以将热量从深井携带到地表。这些系统所用的水对环境是极其有害的，因 为它充满矿物质、具有腐蚀性并可能污染含水层。此类深井的实现需要盐水贮槽的存在或 需要通过注入大量的水到注入井中以形成贮槽，实际上要求使用至少两个井。这两种方法 都需要将污染的脏水带到地表。在EGS系统的情况下，注入井中的水在地球表面下流经岩 石和其他物质时，渗透到地球，变成被污染的、有腐蚀性的和危险的。用于从井中产生热量的水基系统(基于水的系统)带来显著的和具体的问题。例 如，往往极其大量的水被注入井中。这些水被加热并且在井里面四处流动以变热，这些水然 后从井里被提取以发电。这些水变成被矿物质和其他有害物质污染的、往往极具腐蚀性并 造成比如抗震不稳定和自然热液现象的扰动等问题。此外，还有污染周围的含水层的高风 险。污染的水会导致其他问题，比如矿物沉积和管道严重结垢。地热能存在于地球表面下方的任何地方。一般来说，地球温度随深度的增加而升 高，从地壳基层的400° -1800° F到地球中心的估计温度6300° -8100° F。然而，为了成 为有用的能源，它必须是钻井可到达的。这增加了与地热系统相关联的钻井成本，且成本随 着随深度的增加而增加。在传统的地热系统中，比如作为例子，增强的地热系统(EGS)，水或流体(液体或 气体)经使用泵和管道系统被泵送入井中。水然后流经热岩到生产井，并且热的污水或流 体被转移到地表以发电。正如本文前面提到的，流体(水)实际上可能被加热到其中流体转化成气体/蒸汽的点。被加热的液体或气体/蒸气然后向上流到地表并流出井。当它到达地表时，被加 热的水和/或气体/蒸汽用于驱动热机(电涡轮机和发电机)，该热机把源自于被加热的水 或气体/蒸汽的热能转化为电能。出于几个原因，这类传统的地热系统对于非常深的井是极其低效的。首先，为了产 生有效驱动几个热机(电涡轮机和发电机)所需的经加热的流体，流体必须被加热至位于 190° F和1000° F之间的任何温度。因此流体必须从周围的热岩获取热量。当其获取热 量的同时也吸收矿物质、盐和酸，导致其极具腐蚀性。在缺乏浅深度地热资源的地区为了达 到这种所需温度(即为了加热流体到此所需温度)，所使用的井必须非常深。在这类现有技 术系统中，由于需要大量的水，所以可利用的地质条件非常有限。井越深，要实现水基系统就越具有挑战性。此外，当井变得更深时，气体或液体必 须流经更远以达到地表，使更多的热量耗散。因此，使用传统的地热发电系统可能是非常低 效的，因为井底与地表之间的长距离导致热损失得更快。这种热损失影响从这些类型的系 统发电的效能和经济性。还有，在这样的深井中需要更多的水，使地热发电系统在深井方面 具有挑战性。因此，现有技术地热系统包括泵、埋在地下的管道系统、地上的热转换装置和循环 穿过地球以从地球的热岩吸收热量的巨大数量的水。地面用来作为热源加热循环水。确定 这种现有技术地热系统的可行性的重要因素是井眼深度，该深度影响钻井成本、管道的成 本和泵的尺寸。如果井眼必须钻到太大深度，则水基地热系统可能不是实用的替代能源。此 外，由于地球内热岩渗透率不足，注入井中的水无法到达回收水的生产井，这些水基系统往 往不能工作。
技术实现思路
本专利技术总体而言公开了经济地从井到地球表面传导地热并于随后在闭环固态系 统中利用此热量来发电的系统和方法。称为GTherm的所述系统和方法是对环境负责的，因 为没有来自于地球的流体流。其完全是基于来自于井内深处岩石的热量流通过固态材料加 热管道的内容，其中所述管道的内容在从地球表面和到地球表面的闭环中被泵送。本专利技术公开了一种用于利用来自于钻井内的地热发电的系统，包括具有闭环固态 热提取系统的热利用组件。闭环固态热提取系统包括放置于井中热巢内的热交换单元和插 入井中的热传导材料以将地热从围绕热巢的岩石传导到热交换单元。围绕热巢的岩石将热 传导材料加热至由围绕热巢的岩石的表面区域所确定的平衡温度，平衡温度为，在所述平 衡温度，围绕热巢并产生地热的岩石不断补偿其正在向热传导材料传导的地热，以及高于 所述平衡温度的情况下，当热传导材料将热量从围绕热巢的岩石向热交换单元传导时，由 围绕热巢的岩石所产生的地热耗散。所述系统还包括包含热机的发电组件，发电组件从将 热利用组件耦合到发电组件的管道组件的内容接收地热，管道组件包括一组下流管和一组 上流管，上流管将由热交换单元加热的管道组件的内容输送到井的表面并送入发电组件。 所述系统还包括插入井中的并且在位于热巢和井的表面之间的至少一个位置基本上围绕 至少上流管的绝热物，以便当管道系统的内容被泵送到井的表面时维持管道系统的内容的 温度基本上恒定。所述闭环固态热提取系统从井中提取地热而没有将围绕热巢的岩石暴露 于液体流。在另一实施例中，本专利技术公开了一种用于从钻井内产生地热的热提取系统。所述 热提取系统包括热传导材料，热传导材料被插入位于热交换单元与围绕热巢的岩石之间 的、钻井底部附近热巢内的区域，以形成闭环固态热交换用于在平衡温度加热流进和流出 热交换单元的、管道系统的内容，其中在所述平衡温度，围绕热巢并产生地热的岩石不断补 偿其正在向热传导材料传导的地热，以及高于所述平衡温度的情况下，当热传导材料将热 量从围绕热巢的岩石向热交换单元传导时，由围绕热巢的岩石所产生的地热耗散。热传导 材料凝固以基本上填满热巢内的区域，以便从围绕热巢的岩石和热交换单元转移热量，管 道系统将管道系统的内容从井的表面输送到热巢中并将经加热的内容从热巢运送至井的 表面。所述闭环固态热提取系统从井中提取地热而没有将围绕热巢的岩石暴露于液体流。在另一实施例中，本专利技术公开了一种用于利用来自于钻井内的地热发电的方法。 所述方法包括通过将热传导材料注入热巢以包围热交换单元以形成闭环固态热提取系 统，从围绕位于井内位置的热巢的岩石提取地热，热传导材料从围绕热巢的岩石向热交换 单元交换地热以加热管道系统的内容，在热巢内被加热的内容处于平衡温度，本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于利用来自于钻井内的地热来发电的系统，包括：具有闭环固态热提取系统的热利用组件，所述闭环固态热提取系统包括放置于井中热巢内的热交换单元和插入所述井中的热传导材料以将地热从围绕所述热巢的岩石传导到所述热交换单元，其中围绕所述热巢的岩石将所述热传导材料加热至由围绕所述热巢的岩石的表面区域所确定的平衡温度，所述平衡温度为，在所述平衡温度，围绕所述热巢并产生地热的岩石不断补偿其正在向所述热传导材料传导的地热，以及高于所述平衡温度的情况下，当所述热传导材料将热量从围绕所述热巢的岩石向所述热交换单元传导时，由围绕所述热巢的岩石所产生的地热耗散；包括热机的发电组件，所述发电组件从将所述热利用组件耦合到所述发电组件的管道组件的内容接收地热，所述管道组件包括一组下流管和一组上流管，所述上流管将由所述热交换单元加热的、所述管道组件的内容输送到所述井的表面并送入所述发电组件；以及插入所述井中的并且在位于所述热巢和所述井的表面之间的至少一个位置基本上围绕至少所述上流管的绝热物，以便当所述管道系统的内容被泵送到所述井的表面时维持所述管道系统的内容的温度基本上恒定，其中所述闭环固态热提取系统从所述井中提取地热而没有将围绕所述热巢的岩石暴露于液体流。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·J·帕雷拉，
申请(专利权)人：迈克尔·J·帕雷拉，
类型：发明
国别省市：US