地热能提取地下系统的制作方法

本发明涉及一种用于从地下地层提取热量的地热能提取地下系统。本发明还涉及一种用于借助根据本发明的地热能提取地下系统从地下地层中提取热量的地热能提取地下方法。

背景技术：

在地热系统中，工作流体被注入地下地层中，并且从生产井提取的加热的工作流体随后用于向社区提供加热流体，或者加热的工作流体被转换成电力。为了加热工作流体，在地层中形成裂缝，使得工作流体可以流经地层并由加热的地层加热。然而，在形成这种裂缝时，频繁发生地震活动，其在某些情况下可能会阻止进一步的压裂，甚至可能封堵地热系统。

技术实现要素：

本发明的一个目的是完全或部分地克服现有技术中的上述缺点和不足。更具体地，本发明的目的是提供一种改进的地热系统，其中地震活动被最小化到可接受水平以下的活动水平(如果未完全避免的话)。

从下面的描述中将变得显而易见的上述目的以及众多的其它目的、优点和特征由根据本发明的方案来实现，即通过用于从地下地层提取热量的地热能提取地下系统来实现，所述地热能提取地下系统包括：

-注入井，其包括布置在第一井孔中的第一金属井管结构，在该第一井孔与该第一金属井管结构之间提供第一环空，所述第一金属井管结构从地面延伸到地下地层中并且构造成使工作流体经第一注入开口离开而注入到在地下地层中限定的生产区域中并由此产生加热的工作流体，和

-第一生产井，其包括布置在第二井孔中的第二金属井管结构，在该第二井孔与该第二金属井管结构之间提供第二环空，所述第二金属井管结构从地面延伸到地下地层中进入生产区域并经第一生产开口提取所述加热的工作流体，

其中，注入井的第一金属井管结构包括第一环状屏障和第二环状屏障，这些环状屏障构造成在第一环空中膨胀以紧贴第一井孔的壁，从而隔离出生产区域中的生产区，每个环状屏障都包括：

-作为第一金属井管结构的一部分安装的管状金属部件，该管状金属部件具有第一膨胀开口和外表面，

-可膨胀金属套筒，其围绕管状金属部件并具有面向管状金属部件的内表面和面向井孔的壁的外表面，该可膨胀金属套筒的每个端部都与管状金属部件连接，和

-在可膨胀金属套筒的内表面与管状金属部件之间的环形空间，通过使加压流体经第一膨胀开口进入该环形空间中来使可膨胀金属套筒膨胀以紧贴第一井孔的壁，

第一注入开口在第一环状屏障与第二环状屏障之间布置在第一金属井管结构中，第一生产区位于第一金属井管结构与第二金属井管结构之间，使得加热的工作流体经第一生产开口在第二金属井管结构中被提取。

可膨胀金属套筒在膨胀期间可塑性变形。

此外，可膨胀金属套筒不可重复使用。

在环状屏障紧贴井孔壁的状态下，通过对金属井管结构加压并在不使用工具的情况下使可膨胀金属套筒膨胀，多个生产区基本上同时利用简单的方案隔离。

在一些现有技术方案中，将金属井管结构与井孔壁之间的环空注水泥，随后通过隔离金属井管结构内的一个区段并对该区段加压来形成裂缝以穿过水泥来形成裂缝。这是一种需要非常高的压力才能压裂水泥的操作，并且该过程是耗时的，因为在该区段中建立压力然后减压以将工具移动到下一个区段以对该下一个区段加压等需要一些时间。此外，注水泥操作也是耗时的，并非没有未填满整个环空的风险和因此没有充分密封环空的风险。如果注水泥操作失败，则压裂过程很有可能不成功，并且于是必须将整个井堵塞并放弃。通过使用具有在一次运行中膨胀的多个环状屏障的本方案，不存在注水泥作业失败和因此压裂不成功的风险。如果一个环状屏障无法膨胀，则可以用工具单独使环状屏障膨胀。此外，压裂过程不需要能量来也将水泥压裂，因为本方案不含水泥。

本发明的地热能提取地下系统是一种金属系统，与橡胶、水泥、弹性体或聚合物材料相比，其非常容易导热并且不会随时间推移而劣化。

该地热能提取地下系统可与地面的区域供热系统流体连接。

此外，该地热能提取地下系统可以与热能发电设备流体连接。

此外，第二金属井管结构可包括第一环状屏障和第二环状屏障。

如上所述的地热能提取地下系统可包括具有第二金属井管结构和第一生产开口的第二生产井。

此外，第一金属井管结构可包括隔离生产区域中的第二生产区的另外的环状屏障。

此外，第一金属井管结构的内径可以大于第二金属井管结构的内径。

另外，注入井和生产井可具有竖向部分和水平部分。

此外，生产井可布置在距注入井预定距离处。

第一金属井管结构和/或第二金属井管结构可包括至少一个流量控制装置。

通过具有流量控制装置，在压裂生产区时一次可以打开一个流量控制装置，并且以这种方式可以将压裂压力保持在显著低的水平，从而避免严重的地震活动，因为压裂过程一次仅经由一个注入开口和/或经由一个生产开口发生。

如上所述的地热能提取地下系统还可包括控制第一金属井管结构中的工作流体的压力的泵。

因此，该泵可控制在地下系统中流动的工作流体的速度。

如上所述的地热能提取地下系统还可包括用于调节流量控制装置的机构，以便选择性地加热各生产区中的流体，以使得一次仅使用一部分生产区。

此外，注入井和/或生产井还可包括从井的主要部分延伸出的一个或多个侧井/横向井，该横向井包括与井的主要部分中的金属井管结构流体连接的侧金属井管结构/横向金属井管结构。

此外，该系统可包括注入井和围绕注入井的多个生产井。

此外，注入井和生产井可包括在地下地层中的不同深度处的多个横向井。

另外，注入井和生产井可在沿第一金属井管结构和第二金属井管结构的延伸方向的不同位置处包括多个横向井。

此外，第二金属井管结构可包括筛网，该筛网构造成在工作流体进入第二金属井管结构之前过滤加热的工作流体。

环状屏障可包括膨胀单元。

此外，膨胀单元可具有与膨胀开口流体连通的第一入口、与第一区流体连通的第二入口和与环形空间流体连通的出口，并且膨胀单元可包括至少可在第一位置与第二位置之间移动的元件，在第一位置，膨胀开口与出口流体连通并且管结构压力高于第一压力，在第二位置，出口与第一区流体连通并且第一压力高于管结构压力。

此外，管状金属部件可包括与第一入口流体连接的至少一个第二膨胀开口。

膨胀单元可包括梭阀/换向阀，并且所述元件可被包括在该换向阀中。

此外，膨胀单元可包括用于控制流体进出环形空间的、与膨胀开口流体连通的双向阀。

此外，环状屏障可包括在环形空间中的第二可膨胀金属套筒，该第二可膨胀金属套筒将环形空间分隔成第一空间部分和第二空间部分，第一空间部分与膨胀开口流体连通，第二空间部分与环空流体连通。

另外，金属井管结构可包括与同一生产区流体连通的多个开口。

本发明还涉及一种用于借助如上所述的地热能提取地下系统从地下地层提取热量的地热能提取地下方法，该方法包括以下步骤：

-对注入井的第一金属井管结构加压以使环状屏障膨胀，

-经由第一金属井管结构中的注入开口提供流体连通，

-通过对第一金属井管结构中的流体如存在于第一金属井管结构中的流体或压裂流体进行加压来压裂生产区，

-将工作流体引入注入井的第一金属井管结构并进一步引入生产区，以及

-从生产区提取加热的工作流体。

此外，在经由第一金属井管结构中的注入开口提供流体连通的步骤之前，第一金属井管结构可以被穿孔以提供注入开口。

此外，在经由第一金属井管结构中的注入开口提供流体连通的步骤之前，可例如通过使滑动套筒滑动以露出注入开口来打开注入开口。

如上所述的地热能提取地下方法，其中第二金属井管结构可包括第一环状屏障，还可包括对第二金属井管结构加压以便使第二金属井管结构的环状屏障膨胀的步骤。

此外，在对第二金属井管结构加压以便使环状屏障膨胀的步骤之前，可以将第二金属井管结构穿孔，从而提供生产开口。

此外，在对第二金属井管结构加压以便使环状屏障膨胀的步骤之前，可例如通过使滑动套筒滑动以露出生产开口来打开第二金属井管结构的生产开口。

如上所述的地热能提取地下方法还可包括通过对第二金属井管结构中的流体加压来压裂生产区的步骤。

如上所述的地热能提取地下方法可进一步包括在从第二金属井管结构压裂期间停止从第一金属井管结构压裂生产区的步骤。

如上所述的地热能提取地下方法可进一步包括在从第二金属井管结构压裂生产区期间检测第一金属井管结构中的压力差的步骤。

此外，如上所述的地热能提取地下方法可进一步包括关闭第一注入开口和打开第二注入开口的步骤。

此外，如上所述的地热能提取地下方法可进一步包括经第二注入开口压裂的步骤。

最后，如上所述的地热能提取地下方法可进一步包括对第一金属井管结构和/或第二金属井管结构进行穿孔的步骤。

附图说明

下面将参考后附的示意图更详细地描述本发明及其许多优点，所述示意图出于示例目的仅示出了一些非限制性的实施例，其中：图1示出了地热能提取地下系统的局部剖视图，

图2示出了另一地热能提取地下系统的局部剖视图，

图3示出了又一地热能提取地下系统的局部剖视图，

图4示出了从上方看到的地热能提取地下系统的视图，

图5示出了图4所示的地热能提取地下系统的局部剖视图，

图6示出了从上方看到的地热能提取地下系统的概图，示出了注入井和生产井，

图7示出了从上方看到的另一地热能提取地下系统的概图，示出了注入井和生产井，

图8示出了从上方看到的另一地热能提取地下系统的概图，示出了注入井和生产井，

图9示出了环状屏障的剖视图，以及

图10示出了环状屏障的膨胀单元的剖视图。

所有的附图是高度示意性的，未必按比例绘制，并且它们仅示出了阐明本发明所必需的那些部件，省略或仅暗示了其它部件。

具体实施方式

图1示出了用于在具有一个或多个生产区101的生产区域100中从地下地层2提取热量的地热能提取地下系统1。该地热能提取地下系统包括注入井3，注入井3包括布置在第一井孔5中的第一金属井管结构4，从而在第一井孔5的壁与第一金属井管结构4之间提供第一环空6。注入井3从地面延伸到地下地层中并且构造成经第一注入开口7将工作流体注入到在地下地层中限定的生产区域100的生产区101中并由此产生加热的工作流体，该加热的工作流体然后进入第一生产井8、8a。第一生产井8包括布置在第二井孔10中的第二金属井管结构9，从而在第二金属井管结构9与第二井孔10的壁之间提供第二环空11。生产井8从地面延伸到地下地层中进入生产区域并且构造成经第一生产开口12提取加热的工作流体。注入井的第一金属井管结构包括第一环状屏障20、20a和第二环状屏障20、20b，第一环状屏障20、20a和第二环状屏障20、20b构造成膨胀以抵靠/紧贴第一环空中的井孔的壁，从而隔离该生产区域中的生产区101。每个环状屏障包括作为第一金属井管结构的一部分安装的管状金属部件21，并且该管状金属部件具有第一膨胀开口22和外表面23。环状屏障还包括可膨胀金属套筒24，该可膨胀金属套筒24围绕管状金属部件并且具有面向管状金属部件的内表面25和面向并紧贴第一井孔的壁的外表面26。因此，可膨胀金属套筒塑性变形并永久地安装在井孔且不能被取回和重复使用，因此不能在井内的另一个位置收缩和再膨胀。可膨胀金属套筒的每个端部27、28均与管状金属部件连接，从而在可膨胀金属套筒的内表面与管状金属部件之间限定出环形空间29。可膨胀金属套筒24构造成通过使加压流体经第一膨胀开口22进入环形空间而膨胀。第一注入开口在第一环状屏障20、20a与第二环状屏障20、20b之间布置在第一金属井管结构中，并且第一生产区位于在第一金属井管结构4与第二金属井管结构9之间，使得当工作流体在裂缝中流动时工作流体在地层中被加热，并且加热的工作流体经第一生产开口在第二金属井管结构中被提取。该地热能提取地下系统在地面上与区域供热系统51a(在图1中示出)流体连接，以用于将加热的流体分配给最终用户和/或将热量分配给发电厂51b(在图2中示出)以将热量转换成电力。

通过具有第一和第二环状屏障，可以使用压裂流体中的较小压力来执行压裂过程，并且因此压裂以更直接的方式执行，因为压裂流体仅被引向该区中的地层。此外，一次可以压裂一个生产区而不是同时压裂所有区。通过借助压裂流体的相当低的压裂压力进行压裂，只有在第一井孔与第二井孔之间的生产区中的地层被压裂，这与现有技术系统中的情况截然不同，在现有技术系统中压裂过程在除了朝向生产井的方向以外的其它方向上产生明显更大的压裂面积。这导致相当高的地震活动风险，并且地层也变得明显更加受损并且地层坍塌的风险增加。

在一些现有技术的解决方案中，将金属井管结构与井孔壁之间的环空注水泥，随后通过隔离金属井管结构内的一个区段并对该区段加压以穿过水泥形成裂缝来形成裂缝。这是一种需要非常高的压力才能压裂水泥的操作，并且该过程是耗时的，因为在该区段中建立压力然后减压以将工具移动到下一个区段以对该下一个区段加压等需要一些时间。此外，注水泥操作也是耗时的，并非没有未填满整个环空的风险和因此没有充分密封环空的风险。如果注水泥操作失败，则压裂过程很有可能不成功，并且于是必须将整个井堵塞并放弃。通过使用具有在一次运行中膨胀的多个环状屏障的本方案，不存在注水泥作业失败和因此压裂不成功的风险。如果一个环状屏障无法膨胀，则可以用工具单独使环状屏障膨胀。此外，压裂过程不需要能量来也将水泥压裂，因为本方案不含水泥。因此，利用无水泥方案，本发明的压裂压力低于使用水泥的现有技术方案，因此水泥方案产生过多地震活动的风险更大。

本发明的地热能提取地下系统是一种金属系统，与橡胶、水泥、弹性体或聚合物材料相比，其非常容易导热并且不会随时间推移而劣化。

在环状屏障紧贴井孔壁的状态下，通过对金属井管结构加压并基本上同时在不使用工具的情况下使环状屏障的可膨胀金属套筒膨胀，多个生产区利用简单方案基本上同时被隔离。随后可以打开和/或通过穿孔形成生产开口和/或注入开口。

环状屏障布置在金属井管结构的外部，因此使金属井管结构在井孔中居中。

在图2中，地热能提取地下系统的第二金属井管结构包括第一环状屏障20、20a和第二环状屏障20、20b。然后，压裂过程也可以部分地从生产井进行，例如，与从注入井压裂同时或在其之后进行。通过从注入井3和生产井8两者压裂，压裂过程可以更加“平缓”，因为压裂可以直接针对另一个井。与其它已知的方案相比，仅一个明显更小的区域被压裂，因为当压裂流体只需要行进通过一半的地层/生产区路径时，压裂压力甚至可以更低，因此与仅从注入井进行压裂相比可以显著降低压力。

在图3中，地热能提取地下系统包括第二生产井8b，第二生产井8b具有第二金属井管结构9b和第一生产开口12b。以这种方式，使用一个注入井将工作流体注入两个生产井，这大大增加了加热的工作流体的产量。因此，生产区域大于图1的系统。可以看出，金属井管结构包括第二环状屏障20、20c，其隔离生产区域中的第二生产区102。以这种方式，每个金属井管结构可包括多个环状屏障，该多个环状屏障构造成隔离出多个生产区101、102、103，如图5所示。在图5中，注入井3布置在第一生产井8a与第二生产井8b之间。注入井和生产井具有竖向部分14和水平部分15。各注入井和/或生产井还包括从井的主要部分40延伸出的一个或多个横向井16，并且该横向井包括与井的主要部分40中的金属井管结构流体连接的横向金属井管结构17。在地下地层中的不同深度处设置有多个注入井和生产井的横向井，使得生产区域在竖向方向上具有比图3的系统更大的延伸范围。

在图4中，该系统包括一个注入井3和围绕该注入井的多个生产井8。当具有包括一个注入井和多个生产井的地热能提取地下系统时，第一金属井管结构的内径大于第二金属井管结构的内径，如图4所示。如图4和5所示，生产井8布置在距注入井3预定距离处。然而，在图5中，该系统包括多个注入井和多个生产井。

如图3所示，第一金属井管结构和/或第二金属井管结构可包括流量控制装置42。通过具有流量控制装置42，在压裂生产区时一次可以打开一个流量控制装置42，并且以这种方式可以将压裂压力保持在显著低的水平，以避免严重的地震活动，因为在每个井内压裂过程一次仅通过一个注入开口和/或通过一个生产开口发生。该地热能提取地下系统还包括用于控制压裂流体和第一金属井管结构中的工作流体的压力的泵50。因此，泵控制在地下系统中流动的工作流体的速度。

从图3中可以看出，地热能提取地下系统还包括用于调节流量控制装置的机构53，以便例如在压裂期间而且在生产中选择性地打开或关闭生产区，使得仅各生产区中的流体被加热以便一次仅使用一部分生产区。第二金属井管结构包括筛网54，该筛网54构造成在加热的工作流体进入第二金属井管结构9之前过滤加热的工作流体。机构53可以是自推进驱动单元并且还可以用于使套筒61(在图9中示出)滑动以露出注入开口7和/或生产开口12。

注入井3和生产井8还可在沿第一金属井管结构和第二金属井管结构的延伸方向的不同位置处包括多个横向井16，如图6所示。生产井8用虚线示出，注入井3用实线示出。注入井3和生产井8还可以在沿井的竖向延伸方向的不同位置处包括多个横向井16，如图5所示。

环状屏障可包括与膨胀开口22流体连通的阀36，如图9所示。阀36可以是二通阀或三通阀。当使环状屏障膨胀时，阀36提供来自金属井管结构和空间29的流体连通，并且在膨胀之后阀36提供空间与环空之间的流体连通。当通过对金属井管结构加压来使环状屏障膨胀时，开口7因套筒61滑动而覆盖了该开口而被关闭。套筒61滑动到所示的位置，在该位置，套筒在压裂发生之前不再覆盖开口。当压裂地层时，由环状屏障限制的环空中的压力可能高于空间29中的压力，并且环状屏障包括膨胀单元31，该膨胀单元31包括阀。膨胀单元31具有与膨胀开口流体连通的第一入口32、与第一区流体连通的第二入口33和与环形空间流体连通的出口34。图9和10的膨胀单元31包括至少可在第一位置与第二位置之间移动的元件35。在第一位置，膨胀开口与出口流体连通且管结构压力高于第一压力，而在第二位置，出口与第一生产区101流体连通且第一压力p1高于管结构压力tp。膨胀单元31可包括换向阀，如图10所示，其中元件35被包括于该换向阀中。

从地下地层提取热量，以便向例如建筑物供热，或将热量转化为诸如电力的另一种能量形式。通过对注入井的第一金属井管结构加压以使环状屏障膨胀并由此提供隔离区来借助地热能提取地下系统从地下地层提取热量。然后，例如通过打开阀或通过借助穿孔枪对金属井管结构进行穿孔来提供经由第一金属井管结构中的注入开口的流体连通。然后通过例如借助包含支撑剂的压裂流体对第一金属井管结构加压来压裂生产区，所述压裂流体进入并保留在所形成的裂缝中以保持裂缝打开。随后，将工作流体引入注入井的第一金属井管结构中并进一步引入生产区。在工作流体经过生产区之后，从生产区提取加热的工作流体。

在其中第二金属井管结构包括环状屏障的系统中，第二金属井管结构也被加压以便使环状屏障膨胀。

为了进一步降低压裂压力，也可以通过对第二金属井管结构中的流体加压来从生产井压裂生产区。在从生产井开始压裂过程之前，在从第二金属井管结构压裂期间可以停止从第一金属井管结构的压裂过程，使得当检测到注入井中的压力差时，裂缝延伸穿过生产区和可以终止压裂过程。

当具有多个生产区时并且在压裂第一生产区之后，关闭第一注入开口并打开第二注入开口，并且开始通过第二注入开口的压裂。

图7的地热能提取地下系统1包括多个注入井3和多个生产井8，这些井平行布置并从设备51延伸入地下地层。该设备是用于将加热的流体分配给最终用户的区域供热系统51a(在图1中示出)和/或将热量分配给用于将热量转化为电力的发电设备51b(在图2中示出)。这些井全都从设备51延伸入地层并且因此与图1相比可以制造得很长并覆盖很大的生产区域。井可以在同一的水平面上制造并且垂直于最大应力平面钻井，使得裂缝垂直于井的延伸方向形成，并且因此在最大应力平面中形成裂缝，这引起更可控的压裂。通过将地热能提取地下系统设计成使得多个井的水平部分在相同的垂向高度和因此同一平面中形成，裂缝在相同类型的地层的层中形成，因此可以以更可控的方式形成裂缝，因为产生裂缝所需的能量将大致相同。此外，具有从设备延伸出的所有井的系统设计使得可以覆盖1000km²的地层，从而在没有非常大的设备51的情况下形成具有非常大容量的地热能量提取地下系统。生产井布置成具有位于其间并具有相同的相互距离d的注入井。

在图8中，地热能提取地下系统包括两个注入设备51c和位于其间的生产设备51，使得注入发生在远离生产之处，并且未加热的工作流体被输送到注入设备，但加热的工作流体在同一设备处被提取，在此其转化为电力或被分配给最终用户。

金属井管结构是指在地表下用于地热能提取地下生产的任何类型的管、管道、管结构、衬管、金属管柱等。

尽管上面已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但在不背离如下面的权利要求所限定的本发明的情况下可想到的若干变型对本领域技术人员来说将是显而易见的。