一种羽流地热系统的制作方法

本发明涉及地热开采技术领域，更具体地说，涉及一种羽流地热系统。

背景技术：

以二氧化碳为主的温室气体的大量排放引发了全球变暖现象，进而造成了严重的环境问题。同时地热能是一种可再生的清洁能源，因其储量丰富、空间分布广泛已成为全球第三大能源。

如何提供一种能够采集地热能的开采系统，是目前本领域技术人员需要待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种羽流地热系统，能够对地热能进行开采。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种羽流地热系统，包括：

用于将载热工质注入至地下热储层的注入井；

底端位于地下热储层、以提取经地下热储层加热后的载热工质的生产井；

位于地面上方、用于收集所述载热工质热能的热量转换装置，所述热量转换装置与所述生产井上端出气口连接。

优选的，所述载热工质为超临界二氧化碳。

优选的，所述生产井和所述注入井按照五点布井法的规则分布，所述生产井的数量为四个，四个所述生产井呈正方形分布；所述注入井位于所述生产井的中部，且所述生产井与所述注入井的距离均为707.1m；所述注入井和所述生产井的深度均为2600m。

优选的，所述生产井的生产流量小于或等于126kg/s，以保障运行的稳定。

优选的，所述注入井与所述生产井井头的压力差值小于或等于3mpa。

优选的，所述注入井和所述生产井的井径大于或等于0.2m。

优选的，还包括用以测定水-岩-气相互作用对热储层矿物组份影响的测定装置，所述测定装置包括用于盛放样品的反应釜和控制所述反应釜工作状态的反应釜控制器，所述反应釜和所述反应釜控制器连接；所述反应釜设有气压表和永磁旋转搅拌仪，所述反应釜的进气口设有气-液增压泵，所述气-液增压泵的第一进气口与所述二氧化碳制取设备的出气口连接、第二进气口连接有空气压缩机。

优选的，所述热量转换装置包括换热器、涡轮机、发电机和供暖设备；所述换热器的热流体通道流通所述生产井排出的所述载热流体，冷流体通道的出口与所述涡轮机连接，所述涡轮机与所述发电机同轴连接；所述换热器的冷流体出口还与所述取暖设备连接；所述注入井的进气口和所述生产井的出气口之间设有压缩机。

本发明提供的羽流地热系统包括注入井、生产井和位于地面上方的热量转换装置，在使用过程中还需要利用地下热储层；其中，注入井用于将载热流体注入至地壳热储层；生产井提取经地下热储层加热后的载热工质，其底端位于地下热储层；热量转换装置与生产井上端出气口连接、用于收集载热工质的热能。

在工作过程中，载热流体通过注入井被注入至地壳的热储层，随着注入井内流体压力增加、地温梯度逐渐增高，同时在重力的作用下，载热流体的体积减小、温度增高。载热流体从注入井下端出口离开后，在压力梯度的驱动下、在热储层内流通，通过热传导和对流换热的方式与热储层进行热交换，使载热流体温度继续升高。当载热流体进入生产井下端的入口后，在循环压力及浮力的作用下沿生产井的井筒向上流动，此时载热流体体积增大、释放热量、温度降低，热量转换装置对载热流体的热能进行收集与利用。

本申请提供的羽流地热系统利用注入井、生产井使二氧化碳在地壳热储层中流通，并利用热量转换装置收集载热流体的热能，实现了开采地热能的效果。

在进一步的实施例中，采用超临界二氧化碳作为载热流体，二氧化碳流动于热储层的过程中，部分二氧化碳被地下的咸水层直接封存而无法再通过生产井回流至地面，实现了二氧化碳的永久封存，减少了环境中的二氧化碳含量，缓解了温室效应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的羽流地热系统的示意图；

图2为本发明所提供的测定装置的示意图。

图1～2中的附图标记为：

压缩机1、注入井2、生产井3、换热器4、涡轮机5、发电机6、热储层7、盖层8、咸水层9、二氧化碳气瓶10、空气压缩机11、阀门12、气-液增压泵13、进气阀14、放气阀15、液体取样阀16、永磁旋转搅拌仪17、样品筐18、反应釜19、反应釜控制器20、气压表21。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种羽流地热系统，能够利用二氧化碳采集地热能，同时减少环境中的二氧化碳。

请参考图1～2，图1为本发明所提供的羽流地热系统的示意图；图2为本发明所提供的测定装置的示意图。

本发明提供了一种羽流地热系统，包括注入井2、生产井3和位于地面上方的热量转换装置，在工作过程中还需要利用地下热储层7。其中，注入井2用于将载热工质注入至地下热储层7；生产井3的底端位于地下热储层7、以提取经地下热储层7加热后的载热工质；热量转换装置与生产井3上端出气口连接，主要用于收集载热工质热能。

羽流地热系统的总体运行方式为：载热工质通过注入井2注入到深部热储层7，注入到热储层7的载热工质在地层孔隙和裂隙介质中渗透运移，在与水的驱替过程中，被深部高温岩体加热，在空间上形成一种羽状的分布形态，被加热后的载热工质通过开采井输送到地表，用于发电或直接供热，然后将冷却降温后的载热工质再重新回注到地下提取热能。

对于载热工质，本申请优选采用超临界二氧化碳；其中，超临界状态具体指温度和压力在临界点(温度31.1℃，压力7.38mpa)之上时二氧化碳所处的状态。相比于传统载热工质水，二氧化碳具有诸多优点，例如二氧化碳的密度小、黏滞力小，使其产生较好的流动性和较大的浮力作用，降低了流体循环所消耗的驱动压力，甚至可在循环压差为负压的情况下通过温差环流现象实现自循环。另外，在工作过程中，超临界二氧化碳在地下循环过程中产生的流量损失还可实现二氧化碳的地质封存，达到二氧化碳减排的目的。因此本申请以低温超临界二氧化碳作为载热工质，在实现开采地热能的基础上，还能够将二氧化碳封存在地下，实现二氧化碳的减排，缓解温室效应。下文均以超临界二氧化碳为例进行说明。

对于热储层7，大型沉积盆地中的地热资源储集条件好、热储层7多、厚度大、分布广，热储温度随深度增加，地下1000m至3000m深度的空间为二氧化碳地质储存的主要场所。另外，沉积盆地深部还分布有大量不适于饮用的咸水层9，而咸水层9能够对二氧化碳进行长期封存。

对于开采设备，注入井2具有一定高度，垂直地表设置，其下端位于热储层7中，作用在于向热储层7注入二氧化碳。生产井3同样垂直地表设置、且分布在注入井2的周围，注入井2和生产井3的间距、长度、直径等参数需要结合实际需求进行选择，例如，注入井2和生产井均设置为2600m的深度。

对于热量转换装置，其作用为将载热流体的热能转换为供用户日常使用的能量。可选的，热量转换装置可以包括换热器4、涡轮机5、发电机6、供暖设备等。例如，换热器4的热流体通道流通生产井3排出的载热流体，冷流体通道的出口与涡轮机5连接，同时涡轮机5同轴连接发电机6进行发电；换热器4的冷流体出口也可以连接取暖设备，实现日常供暖。另外，为了循环利用二氧化碳，注入井2入口连接有压缩机1，且压缩机1的进气口与生产井3的出气口连接，可以理解的，压缩机1的气体来源不仅限于从生产井3排出的二氧化碳，还可以来源于环境中的二氧化碳。

羽流地热系统在工作过程中，载热流体二氧化碳在提取深部地热能过程中会经历三个热力学过程：

首先，低温二氧化碳的注入过程：伴随着二氧化碳的持续注入，注入井2中流体压力增加，超临界二氧化碳的可压缩性导致其体积减小，外界对二氧化碳所做的容积功转化为热量，二氧化碳吸收热量后温度增高；其次，由于可压缩流体的注入过程是在垂直井内进行的，重力做功后实现粘性加热；随地温梯度的变化，注入的二氧化碳通过井筒壁面与周围岩体发生热交换作用，也导致流体温度增高。此过程实现了二氧化碳的增温增压。

其次，二氧化碳在热储层7内的加热过程：注入到热储层7内的二氧化碳的在压力梯度驱动下流动。在气-水两相驱动过程中，二氧化碳损失压力，并通过传导和对流的传热方式与热储层7进行热交换，被高温热储层7加热温度增高，流入生产井3井底。因此，这个过程也实现了二氧化碳的增温降压。

最终，高温二氧化碳的提取过程如下：流入到生产井3井底的二氧化碳温度较高，在循环压力及浮力驱动下沿井筒向上流动。伴随流体上升过程中的压力降低，二氧化碳体积迅速膨胀，释放热量，温度降低；其次，流体需克服重力做功损失一部分能量，也造成温度降低；同时，与围岩间的热交换作用，使二氧化碳在上升过程中被冷却降温。因此，提取过程是二氧化碳的降温降压过程。

本申请提供的羽流地热系统利用注入井2、生产井3使二氧化碳在地壳热储层7中流通，获取地热能；同时利用热量转换装置收集二氧化碳的能量，实现对地热能的开采与利用。另外，在二氧化碳流经热储层7的过程中，部分二氧化碳能够被地壳中的咸水层9直接封存，而无法再次从盖层8和生产井3溢出，实现了减少环境中二氧化碳的效果。

进一步的，为了更好的研究羽流地热系统的运行过程，可以通过数值模拟的方式确定流畅对系统净热提取量的影响，确定数值模拟的具体方法如下：

依据井筒流中质量、能量及动量守恒方程，在漂移流模型(dfm)基础上建立井筒流的水-热耦合数学模型，并基于质量和能量守恒、以及达西定律、fick定律和质量作用定律，建立了热储层热-水动力-化学的数学模型。

采用五点式布井方式，即，注入井2与生产井3数量比为1:4，每口生产井3受四口注入井2影响；每口注入井2与周围四口生产井3相关联，形成强采强注的开发井网。该种井网在注入载热工质后热提取较快，采热速度高。

按照五点式布井方式建立三维井筒-耦合砂岩孔隙热储的二氧化碳羽流地热模型，在建立模型的过程中，基本模拟区域可以具体为1km×1km，注入井2与生产井3间距707.1m，达到简化模型的作用。

模型建立完成后进行网格划分以及边界条件的设定，利用相关软件进行模拟仿真。并根据仿真结果对系统的工作过程、初始温压沿地层深度的变化、注入井2及生产井3中二氧化碳的物性变化特征、热储层7中二氧化碳的流动及传热过程，以及系统的热提取能力进行分析。

通过数值模拟可以确定：

(1)二氧化碳在注入过程中温度大幅度增加，增温幅度达到25℃。同时，井筒内二氧化碳的压力也存在自增强的过程。

(2)在系统循环动力、浮力及重力综合作用下，二氧化碳在热储层7运移过程中形成羽状分布特征，在热储层7上部的气体饱和度相对较高，二氧化碳与热储层7水的驱替作用体现在热储层7内二氧化碳干区、二氧化碳-水两相及液相区的时空转化过程中。热储层7内的温度场也呈现出显著的羽状分布特征，生产井3附近的热储层7流体在运行过程中始终处于较高温度(100-110℃)，未发生热突破现象。

(3)二氧化碳流经热储层7时损失部分压力，温度升高后流入生产井3井底。二氧化碳在生产井3筒内上升过程中压力降低、体积膨胀，密度降低，温度降低，系统运行30年时降温幅度达到40％。在二氧化碳突破生产井3后，生产井3的井头压力均高出注入井2井头压力2.5mpa左右，而且注入井2井底密度高于生产井3井底二氧化碳密度，形成了密度差。因此，在温差环流作用下系统实现了流体自循环过程。

(4)二氧化碳在突破生产井3的时间节点，流速由零迅速增高，其中顶部二氧化碳流速最高，底部最低，井筒底部和中部二氧化碳流速随时间变化相对平稳，说明二氧化碳沿生产井3上升到地表的过程中，流速增高，动能增大。

(5)在系统提取的生产流量中，初始阶段生产井3提取的流体全部为热储层7水，二氧化碳突破生产井3后水流量迅速降低，二氧化碳流量迅速增高，30年时占系统提取总流量的98.6％。此外，在提取流体的总流量中还包含热储层7水通过蒸发作用形成的水蒸气流量，30年时约占总流量的0.03％。

(6)净热提取量是系统的产热能力的重要指标。在二氧化碳突破生产井3前，由于系统提取的流体为高温热储层7水，因此净热提取量较高，但此时的净热提取量并不稳定。由于超临界二氧化碳的驱替作用，热储层7水的流量急速降低，净热提取量也随之下降。在二氧化碳突破后，系统的净热提取量趋于稳定，并保持在10mw左右，可转化为6.31mw的净发电量。

(7)开采压力和流量显著影响二氧化碳羽流地热系统的稳定运行和产热能力。

进一步的，为了更好的研究羽流地热系统的运行过程，本申请提供了一套能够进行室内模拟实验的测定装置。参考图2，该测定装置的具体方式可以为：反应釜19内部盛装有样品筐18，反应釜控制器20与反应釜19连接，用于控制反应釜工作状态；反应釜19设有用于监测压力状态的气压表21和用于搅拌的永磁旋转搅拌仪17，反应釜19的进气口设有气-液增压泵13，气-液增压泵13的第一进气口与二氧化碳瓶10或其他种类的二氧化碳制取设备的出气口连接、第二进气口连接有空气压缩机11。可以理解的，气-液增压泵13的进气口可以设置阀门12、出气口可以设置进气阀14；另外，为了调节反应釜19内部压力，反应釜19出气口还设置有放气阀15；而为了方便对反应釜19内部的成分进行测定，反应釜19还会设置液体取样阀16。

实验过程中，将35g直径约0.5-1.0cm的岩石薄片与直径约2-3mm的岩石颗粒与反应液共同放入反应釜19内，然后对密闭的反应釜19进行加热。待达到预设温度后，向反应釜19内通入二氧化碳进行加压，使其压力稳定到设置值。由于本实验的实验过程是逐渐稳定并达到平衡的，因此，取样时间从24h开始，每隔48h取一次反应液150ml，取样时间分别为1、3、5和7天。水样测量指标包括：ph、hco3^-、ca²⁺、mg²⁺、tfe及sio2。7天后取出反应釜19中的岩样，进行xrd分析。

另外，实验所用的样品具体为8组，在进行分组实验的过程中，需要采用控制变量的方式控制8组样品处于不同的温度、盐度和压力下，从而确定不同因素对实验结果的影响。

通过提供的测定装置并进行分组试验可以确定：

(1)发生溶解的矿物主要包括长石类和方解石，发生沉淀的矿物主要包括石英和黏土类矿物。

(2)盐度对水-岩-气作用的影响弱于温度、同时强于压力。

(3)长时间，大空间尺度的场地数值模拟结果表明方解石是此类岩性地层中主要的固碳矿物，此外仍有片钠铝石等碳酸盐矿物沉积。

(4)孔渗在整个区域上的变化规律大致呈现中间注入井2附近保持略增或不变，从注入井2向外呈辐射状逐渐减小的变化特点。流场改变致使生产井3总流量及净热量提取有微弱变化，平均净热提取量降低4.1％。

进一步的，为了优化羽流地热系统的使用效果，获取较高的经热提取量，提高羽流地热系统的生产价值，需要选取适宜的参数。具体的，净热提取量和生产流量、生产压力、注入压力、注入温度、井径、井孔绝对当量粗糙度和布井方式有关，在实际工作时可以综合考虑各个因素的影响，使羽流地热系统具有较高的净热提取量。

为了获取各影响因素与净热提取量的关系，可以通过软件对多组控制变量的实验进行模拟仿真。其中，仿真过程所需的建模方式、网格划分等均可参照前文。实验后可得到如下结果：

(1)对于生产流量：生产流量增高，生产流体的温降幅度增大，净热提取量会增高，系统循环的压力损失增大，cpgs(以二氧化碳为载热流体的羽流地热系统)的稳定运行需在一定生产流量区间内(不大于126kg/s)实现。在稳定运行基础上，系统可获得最高14.32mw的净热提取量，循环压力损失最高为2.3mpa。同时，在一定的生产流量区间内(不大于104kg/s)循环压差为负值，二氧化碳可以通过温差环流作用实现流体自循环过程。water-pgs(以水为载热流体的羽流地热系统)稳定运行的生产流量区间约为20-66kg/s，在稳定运行区间内获得的最高净热提取量比二氧化碳高出6.64mw，需提供的最大循环压差比二氧化碳高出3.6mpa，说明水的载热循环需外在设备提供更高的循环压差。

(2)对于生产压力：提高cpgs的生产压力(即循环压差减小)，导致系统运行20年时生产流体的温度增高、温降幅度减小，生产流量降低，净热提取量也随之下降。cpgs稳定运行的循环压差范围在2.6mpa以内，在系统稳定运行区间内，可获得最高15.2mw的净热提取量。生产压力的增高有利于提高二氧化碳在热储层7流动时的增温效果。提高water-pgs的生产压力，造成提取水温增高、温降幅度减小，系统净热提取量降低。water-pgs稳定运行循环压差为不大于5mpa，可获得最高17.49mw的净热提取率，比二氧化碳高2.29mw。生产压力的提高，增强了水在热储层7中的增温。

(3)对于注入压力：提高cpgs的注入压力(即系统的循环压差增大)，提取的二氧化碳温度降低、温降幅度增大、流量增大，系统的净热提取量在受流量及流体温度的共同影响下先增高后降低。cpgs稳定运行的循环压差为不大于3mpa，在系统稳定运行区间内，可获得最高16mw的净热提取量。同样，二氧化碳可以在一定注入压力范围内通过温差环流作用实现负循环压差的流体自循环过程。降低注入压力的有利于提高二氧化碳在热储层7的增温效应。对water-pgs提高注入压力，提取的水流量增大，但温度呈下低趋势，水的温降幅度也随之增大，系统的净热提取量逐渐上升。water-pgs稳定运行的循环压差为不大于5mpa，可获得最高17.49mw的净热提取率。提高水的注入压力，循环压差变大，导致水在热储层7中的增温减少，但水在生产井3筒中的温度未发生显著变化，采用较低的注入压力有利于提高水在热储层7内的增温效果。

(4)对于注入温度：提高二氧化碳的注入温度，系统从生产井3提取的二氧化碳温度也相应增高，但提取温度的增高幅度仅占注入温度增高幅度的40﹪，提取的二氧化碳未获得与注入二氧化碳等效的增温效果。同时，二氧化碳的生产流量也随注入温度的升高而降低，系统的净热提取量下降。注入温度越高，二氧化碳在热储层7中的增温幅度越少，压力损失降低。在实际运行中宜采用较低的二氧化碳注入温度来获得较高的净热提取量。对于water-pgs，注入温度变化对水的密度和流动性都产生影响，但对流动性的影响更为显著。当注入水温升高后，水的流速增大，提取的水流量增大，但在热储层7中增温效应却显著降低，导致系统的净热提取量降低。以水作为传热工质宜在低温条件下注入而获得较高的净热提取量。

(5)对于井径：增大井筒直径，cpgs生产流量增加，但提取的二氧化碳温降幅度也增大，系统运行的不稳定性增强。净热提取量呈现出先增加后减少的趋势，约在井径0.2m处出现最大峰值。因此，cpgs系统宜采用较大的井筒直径(如0.2m以上)而获得更高的净热提取效率。water-pgs的净热提取量随井径增大而增加，井径增大导致热储层7内流体流动的压力损失增大，增温幅度降低，但变化趋势与二氧化碳相比相对平缓。

(6)对于井孔绝对当量粗糙度：当井筒内壁的粗糙度增加时，摩擦系数增大，二氧化碳在井筒内流动因摩擦阻力而损失的压能增大，系统的生产流量也随之降低，流入热储层7的二氧化碳流速降低，在热储层7中的增温幅度增大，提取二氧化碳的温度增高，温降幅度也减小，系统的净热提取量随井筒粗糙度的增加而降低。井筒壁面的粗糙度对water-pgs的生产能力及温压变化并未产生显著影响。

(7)对于热储层7渗透率：热储层7渗透率增大，生产流量增高，但提取的载热工质(二氧化碳和水)温度降低，且运行期内温降幅度增大。当热储层7渗透率增大时，在生产流量和工质热焓两个因素影响下，cpgs净热提取量略有降低，而water-pgs净热提取量先缓慢增加后趋于平稳不变。低渗透率热储层7并没有减少系统的净热提取量，反而有利于系统输出流体温度的恒定，即系统的稳定运行。

(8)对于热储层7温度：提高热储层7温度，生产载热工质(二氧化碳和水)的温度相应增高，系统的净热提取量增大。说明较高的热储层7温度会提高系统的生产流量和生产温度，但输出的二氧化碳在运行20年内温降幅度增大，系统运行的不稳定性也增强。

(9)对于布井方式：在热储层7中，三点式布井与两点式布井方式相比，三点式注入井2周围形成的二氧化碳干区范围更大，20年时生产井3周围的热储层7气体饱和度相对较高；三点式布井方式在注入井2周围的冷区域较两点式布井方式范围更大，但每种布井方式的热储层7均未出现过度冷却现象。与五点式相比，三点式和两点式布井不利于单相二氧化碳的提取，特别是两点式布井提取的流体中始终存在大量的热储层7水，这为后期二氧化碳利用的干化处理带来很大困难。三点式布井二氧化碳气体在沿井筒上升过程中温度逐渐降低，但两点式布井由于运行过程中液相的长期存在，所以生产流体温度在运行期内没有显著降低。与五点式布井不同的是，由于三点式与两点式的生产流量中始终均含有一定数量的水，导致系统的净热提取量有所增高，两点式因设置井筒数量较少，系统运行后期热提取较平稳。

根据实验结果可以确定注入井2、生产井3处于较好工作状态时对应的各个参数。在实际工作过程中，可以将各个参数存储在系统控制器中，同时系统控制器控制执行器进行具体的生产操作。其中，执行器具体安装于注入井2和生产井3的井头处，且执行器能够控制生产流量、生产压力、注入流量以及注入温度，从而保障羽流地热系统具有较高的净热提取量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的羽流地热系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。