一种换热工质可回收式同井采热方法
阅读说明：本技术 一种换热工质可回收式同井采热方法 (Heat exchange working medium recyclable same-well heat recovery method ) 是由 雷宏武 蔡雨娜 白冰 崔银祥 于 2020-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明属于地热开发技术领域,具体涉及一种换热工质可回收式同井采热方法；其实施系统包括穿过盖层连通至目标热储层的井筒,用于开采的潜水泵和用于注入的增压泵、换热设备、缓冲储罐和井口密封法兰,可先根据需要设置对储层增渗改造的环节,如设置人工裂缝及其内填充的支撑剂；实施过程包括通过连通至目标热储层的井筒向目标热储层注入一定量低温换热工质后焖井,使注入的换热工质在地热储层中向外运移,并与储层充分换热,然后通过同一井筒回抽注入的换热工质实现地热采出；解决了现有地热能资源采热系统长期运行改变原地下水分布、换热效率低的问题。(The invention belongs to the technical field of geothermal development, and particularly relates to a heat exchange working medium recyclable same-well heat recovery method; the implementation system comprises a shaft penetrating through a cover layer and communicated to a target thermal reservoir, a submersible pump for mining, a booster pump for injection, heat exchange equipment, a buffer storage tank and a wellhead sealing flange, and links for enhancing and modifying the reservoir, such as setting artificial cracks and proppants filled in the artificial cracks, can be set according to needs; the implementation process comprises the steps of injecting a certain amount of low-temperature heat exchange working medium into a target thermal reservoir through a shaft communicated to the target thermal reservoir, stewing the well, enabling the injected heat exchange working medium to move outwards in the geothermal reservoir and fully exchange heat with the reservoir, and pumping the injected heat exchange working medium back through the same shaft to realize geothermal extraction; the problems that the existing geothermal energy resource heat collection system runs for a long time to change the original site water drainage distribution and the heat exchange efficiency is low are solved.)
技术领域
本发明属于地热开发技术领域，具体涉及一种换热工质可回收式同井采热方法。
背景技术
地热能是一种绿色低碳、可持续再生能源，兼之其储量大、分布广、稳定可靠等特点，其开发日益受到世界各国的重视和支持。按照地热能赋存状态可将其分为水热型、干热岩型和浅层地温能地热资源。不同类型的地热能资源开发方式各不相同，对于地层连通性、渗透性好的地热储层，一般采用多井采热-回灌模式开采，而对于连通性、渗透率差地热储层，要么通过人工压裂等人工激发手段建立增强型地热系统进而实现地热开采(如干热岩型地热资源)，要么采用单井采热系统。无论何种采热方式，其最终目标都是高效率、低成本的实现地热能开采，且应尽量避免对原环境造成破坏。
上述单井采热系统可进一步分为开放式和封闭式两类，其中开放式单井采热系统通常直接通过开采井抽取目标热储中的换热介质但不注入，这种方式会对原地层造成诸如地下水位下降及由此导致的地面沉降等不利影响，另外，最近专利CN 110131781提出了一种利用封隔器使注入水从井筒上部筛管流入含水热储层然后通过下部筛管再次流入井筒的采热技术，试图通过人工设计改变地下水流向，可行性不高；封闭式单井采热系统则是一个相对孤立的系统，换热介质只在连续且封闭的井筒中运移，不与储层及储层水直接接触，仅通过井壁热传导汲取热量，其实施系统可再进一步细分为同轴封闭式采热系统、多管道封闭式采热系统及U型封闭式采热系统，这种采热方式虽然具有成本低、不对地下环境造成破坏等优点，但其换热效率却往往不尽人意。在此基础上，在不增加成本的前提下寻找既能规避部分因采热造成的不利影响又能提高采热效率的技术方法是有意义的。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供一种换热工质可回收式同井采热方法，解决了现有地热能资源采热系统长期运行改变原地下水分布、换热效率低的问题。
一种换热工质可回收式同井采热方法，包括如下步骤：
步骤一，设置单井系统
在岩石上建立井筒3，将潜水泵14设置在井筒3内，且将密封法兰6固定连接在井筒3的井口处，潜水泵14设置在井筒3内水位15以下；
步骤二，根据目标地热储层2的渗透率可选择的在目标地热储层2内设置人工裂缝4，若设置人工裂缝4，可选择的在其内部填充支撑剂5；
步骤三，设置地上换热供能部分
地上换热供能部分包括增压泵10、换热或发电设备8和缓冲储罐9，其中增压泵10与换热或发电设备8之间通过第一管道11相连，换热或发电设备8与缓冲储罐9之间通过第四管道(17)相连，增压泵10上还设有第二管道18，第二管道18穿过密封法兰6伸入井筒3内，同时换热或发电设备8还与潜水泵14通过第三管道19相连，且在第一管道11、第二管道18、第三管道19和第四管道17均设有阀门16；
步骤四，实施采热过程：
注入：打开第一管道11、第二管道18及第四管道17上的阀门16，启动增压泵10将换热或发电设备8和缓冲储罐9中的低温换热介质通过第一管道11和第二管道18经由井筒3注入目标地热储层2，当低温换热介质的注入量达到预设值后，停止注入并关闭上述阀门16，使得井筒3井口处于密封状态；
焖井：开始焖井，焖井时长达到预设值之后，打开第三管道19上的阀门16以解封井筒3；
回采：利用潜水泵14从目标地热储层2中经由井筒3抽取等量高温换热介质至换热或发电设备8中进行换热或发电。
将两套或两套以上的单井系统共用一套地上换热供能部分，使得两套或两套以上的单井系统对同一供能单元交替实行步骤四的注入-焖井-回采过程。
所述步骤一中井筒3穿过盖层1连通至目标地热储层2。
所述步骤一中井筒3为套管固井或非套管固井，其中井筒3为套管固井时井筒3与地层之间由高导热套管连接，井筒3与目标地热储层2之间的套管进行射孔处理。
所述步骤一中密封法兰6上设置连接管道的密封接头。
所述步骤二中岩石若为干热岩型地热资源赋存的致密岩浆岩，则需通过激发手段在目标地热储层2中形成人工裂缝4；岩石若为水热型地热资源赋存的较高渗透率沉积岩(如砂岩或灰岩等)，则不需要额外制造人工裂缝4，也就不需要填充支撑剂5。
所述步骤三中第三管道19一端与潜水泵14连通，另一端穿过密封法兰6与换热或发电设备8连通。
当采热用于供暖时换热或发电设备8为换热设备，当采热用于发电时换热或发电设备8为能够将热能转换成电能的发电设备。
所述步骤一中的井筒3为为竖井、水平井或任何角度井。
所述步骤四中的低温换热介质为水、CO2或其他换热工质。
本发明的有益效果：
本发明提出的换热工质可回收式同井采热方法具有多种优势：(1)与传统单井换热技术相比，换热范围不仅在井壁，而且扩大到井筒周围地层，显著扩大了热交换区；(2)通过焖井过程使得换热工质与地热储层充分换热，有效提高了换热效果；(3)控制注入量与采出量基本保持一致，极大程度上保证了取热过程中不对原地层造成诸如地下水位降低、地面沉降等破坏；(4)换热工质可回收，减少了其使用量；(5)通过多口单井交替采热，保证井口流量达到预设目标，实现供能稳定连续。
附图说明
图1为本发明单井系统和地上换热供能部分垂直剖面图；
图2为本发明的注入过程示意图；
图3为本发明的焖井过程示意图；
图4为本发明的回采过程示意图；
图5为实施例2所述单井系统和地上换热供能部分水平剖面图；
图6为实施例2所述两井筒井口流量随时间变化示意图。
图中，1、盖层，2、目标热储层，3、井筒，31、注入状态井筒，32、回采状态井筒、4、人工裂缝，5、支撑剂，6、密封法兰，7、居民区，8、换热或发电设备，9、缓冲储罐，10、增压泵，11、第一管道，12、大地热流，13、换热介质流动方向，14、潜水泵，15、水位，16、阀门，17、第四管道，18、第二管道，19、第三管道，20、第五管道。
具体实施方式
一种换热工质可回收式同井采热方法，包括如下步骤：
步骤一，设置单井系统
在岩石上建立井筒3，将潜水泵14设置在井筒3内，且将密封法兰6固定连接在井筒3的井口处，潜水泵14设置在井筒3内的水位(15)以下；
步骤二，地热储层2的渗透率选择性的在目标地热储层2内设置人工裂缝4，若设置人工裂缝4，可选择的在其内部填充支撑剂5；
步骤三，设置地上换热供能部分
地上换热供能部分包括用于调控注入的增压泵10、换热或发电设备8(若地热能用于居民供暖则用换热设备，若用于发电则用发电设备)和缓冲储罐9，其中增压泵10与换热或发电设备8之间通过第一管道11相连，换热或发电设备8与缓冲储罐9之间通过第四管道17相连，增压泵10上还设有第二管道18，第二管道18穿过密封法兰6上的密封接头伸入井筒3内，同时换热或发电设备8还与潜水泵14通过第三管道19相连，且在第一管道11、第二管道18、第三管道19和第四管道17上均设有阀门16，由阀门16控制是否连通；
步骤四，实施采热过程：
注入：打开第一管道11第二管道18及第四管道17上的阀门16，启动增压泵10将换热或发电设备8和缓冲储罐9中的低温换热介质通过第一管道11和第二管道18经由井筒3注入目标地热储层2，当低温换热介质的注入量达到预设值后，停止注入并关闭上述阀门16，使得井筒3井口处于密封状态；通过计算或先导试验得到注入量的预设值，使得该换热介质注入量在某一工况下能够满足换热或发电需求；
焖井：根据目标地热储层2的渗透率、热能品位等实际情况确定焖井时长，开始焖井，焖井时长达到预设值之后，打开第三管道19上的阀门16以解封井筒3；其中当换热或发电需求一定时，地热储层渗透率和热能品位越高，焖井时长越短，反之亦然；
回采：利用潜水泵14从目标地热储层2中经由井筒3抽取基本等量高温换热介质至换热或发电设备8中进行换热或发电。
将两套或两套以上的单井系统共用一套地上换热供能部分，使得两套或两套以上的单井系统对同一供能单元交替实行步骤四的注入-焖井-回采过程。
所述步骤一中井筒3穿过盖层1连通至目标地热储层2。
所述步骤一中井筒3为套管固井或非套管固井，其中井筒3为套管固井时井筒3与地层之间由高导热套管连接，井筒3与目标地热储层2之间的套管进行射孔处理。
所述步骤一中密封法兰6上设置连接进出口管道的密封接头。
所述步骤二中岩石若为干热岩型地热资源赋存的致密岩浆岩，则需通过水力压裂等激发手段在地热储层——目标地热储层2中形成人工裂缝4，为防止人工裂缝4闭合可根据实际需求在其中填充支撑剂5；岩石若为水热型地热资源赋存的较高渗透率沉积岩(如砂岩或灰岩等)，则一般情况下不需要额外制造人工裂缝4，也就不需要填充支撑剂5。
所述步骤三中第三管道19一端与潜水泵14连通，另一端穿过密封法兰6上的密封接头与换热或发电设备8连通。
当采热用于供暖时换热或发电设备8为换热设备，具体为：山东环京新能源科技有限公司的板式换热机组、螺纹管换热机组或者德州利金节能科技有限公司的采暖供暖换热机组等；
当采热用于发电时换热或发电设备8为能够将热能转换成电能的发电设备。
所述步骤一中的井筒3可以为包括竖井和水平井在内的任何角度井。
所述步骤四中的换热介质可以为水也可以为CO2或其他换热工质。
所述步骤二中的缓冲储罐9用于调节注采过程中流量剩余或不足问题。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1
本实施例中采出热量用于居民供暖，故地面换热供能部分中的换热或发电设备8为换热设备。
如图1、图2、图3所示，一种换热工质可回收式同井采热技术，依托的实施系统包括地下采热部分即单井系统和地表换热供能部分，所述地下采热部分包括穿过盖层1连通至目标地热储层2的井筒3，密封法兰6，根据储层渗透率选择设置的人工裂缝4及其内部填充的支撑剂5，即如若为干热岩型地热资源赋存的致密岩浆岩，则需通过水力压裂等激发手段在地热储层中形成人工裂缝，为防止人工裂缝闭合需要在其中填充支撑剂，如若为水热型地热资源赋存的较高渗透率沉积岩(如砂岩或灰岩等)，则一般情况下不需要额外制造人工裂缝和填充支撑剂；密封法兰6固定在井筒3顶部的井口处；
所述地面换热供能部分包括用于调控注入的增压泵10、用于抽采的潜水泵14，换热设备8和缓冲储罐9，其中增压泵10与换热设备8之间通过第一管道11相连，换热设备8与缓冲储罐9之间通过第四管道17相连，潜水泵14与换热设备8之间通过第三管道19相连，增压泵10上还设有一第二管道18，第二管道18穿过密封法兰6上的密封接头伸入井筒3内，且在第一管道11、第二管道18、第三管道19和和第四管道17上均设有阀门16，由阀门16控制是否连通。
本实施例说明在一口井中实现所述换热工质可回收式同井采热方法的流程，如图1所示为所述回收式同井采热技术操作的注入过程，在所述注入过程中，打开第一管道11第二管道18及第四管道17上的阀门16换热或发电设备8换热或发电设备8，利用增压泵10将换热或发电设备8和缓冲储罐9中的低温换热介质通过井筒3注入目标地热储层2，注入的低温换热介质通过原生孔隙裂缝或人工裂缝4在目标地热储层2中进行有限的运移，流动主要方向如换热介质流动方向13所示，并与所述目标地热储层2进行换热，当低温换热介质注入量达到预设值之后，停止注入并关闭上述阀门16，根据实际地热储层渗透性及地热能品位等特征确定焖井时长，焖井过程如图2所示，在所述焖井过程中，注入的低温换热介质在井口高压下进一步在地热储层2中缓慢运移，获取更多热量，焖井结束后，如图3所示，打开第三管道19上的阀门16换热或发电设备8，通过潜水泵14将目标地热储层2中的高温换热介质回采至换热或发电设备8中进行换热供暖，换热之后的低温水或CO2储存在缓冲储罐9中以备下一个注入过程使用。
实施例2
本实施例中采出热量用于居民供暖。
在实施例1的基础上，本实施例说明在两口井中实现所述换热工质可回收式同井采热方法用于居民供暖的实施流程。如图4所示，为由两口井协调交替进行注入-焖井-回采过程以保证采出总热量稳定连续的换热工质可回收式同井采热方法，建立两个单井系统，两个单井系统中的井筒3分别为第一井筒31和第二井筒32，且第一井筒31和第二井筒32共用一套地面换热供暖部分；
假设两口井筒在每一个注入-焖井-回采循环中注入总量和采出总量相等，质量记为M。注入速率均为v，采出速率均为1/2v，注入时长为t＝M/v，采出时长为2t，焖井时长为t，则可以通过以下流程实现采出热量稳定连续：(1)缓冲储罐9容量为2M，首先通过增压泵10通过第二井筒32以速度v向第二井筒32下方的目标地热储层2内匀速注入总量为M的低温换热介质，耗时t；(2)封闭第二井筒32；(3)焖井t时长后，解封第二井筒32，以速率1/2v从第二井筒32下方的目标地热储层2内匀速抽取总量约为M的高温换热介质，耗时2t，同时，通过增压泵10通过第一井筒31以速度v向第一井筒31下方的目标地热储层2匀速注入总量为M的低温换热介质，耗时t，之后封闭第一井筒31，焖井t时长；(4)对第二井筒32重复过程(1)-(3)，同时解封第一井筒31，以速率1/2v从第一井筒31下方的目标地热储层2匀速抽取总量为M的高温换热介质，耗时2t；(5)对第一井筒31重复过程(3)-(4)。以上操作流程对应的流量-时间图如图5所示，图4所示工作状态处于图5中2t-3t之间。采出的热能经由换热设备8换热并通过第五管道20向居民区7供暖。
图4和图5更直观的体现了实施例2中所述两口井交替注焖采过程是如何实现井口连续采出的，与传统单井换热技术相比，换热范围不仅在井壁，而且扩大到井筒周围地层，显著扩大了热交换区；通过焖井过程使得换热工质与地热储层充分换热，有效提高了换热效果；
控制注入量与采出量基本保持一致，极大程度上保证了取热过程中不对原地层造成诸如地下水位降低、地面沉降等破坏；换热工质可回收，减少了其使用量；通过多口单井交替采热，保证井口流量达到预设目标，实现供能稳定连续。
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