从钻井内获取地热来发电的系统和方法

专利名称：从钻井内获取地热来发电的系统和方法
从钻井内获取地热来发电的系统和方法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。
背景技术：
本发明总的来说涉及将地热能转换成电能的领域。更具体地说，本发明涉及从钻 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。

发明内容
本发明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。本发明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，本发明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，本发明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，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与热传导材料交换的地热，以及高于所 述平衡温度的情况下，当热传导材料从围绕热巢的岩石向热交换单元交换热量时，由围绕 热巢的岩石所产生的地热耗散。所述方法还包括在位于热巢和井的表面之间的至少一个 位置点使管道系统绝热，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。所述方法进一步包括在管道系统的经加热的内容到达井的表面后，将 管道系统的经加热的内容泵送入发电组件。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，本发明公开了一种用于从钻井内提取地热的方法。所述方法包 括确定位于井的深度处岩石的类型、位于井的深度处的岩石的表面区域，以及位于井的深 度处的岩石的热传导系数，在井中位于井的热力点与井的底部之间的期望位置点增大岩石 的表面区域，以及在井内形成起始于井底部并终止于井的热力点的热巢。所述方法还包括 将热传导材料注入围绕热巢的岩石与热巢内的热交换单元之间以形成闭环固态热提取系 统，以从围绕热巢的岩石向热交换单元交换热量，以在平衡温度加热流入和流出热交换单 元的、管道系统的内容，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与热 传导材料交换的地热，以及高于所述平衡温度的情况下，当热传导材料从围绕热巢的岩石 向热交换单元交换热量时，由围绕热巢的岩石所产生的地热耗散。所述方法进一步包括在 热巢和井的表面之间使管道系统绝热。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。本发明其他实施例、特征和益处将从下面的实施例的描述连同附图一起变得明 显，附图以举例的方式阐述了本发明的原理。


图1是根据本发明一个实施例的系统的框图，示出了具有管道、热利用组件、以及 发电组件的闭环系统；图2是根据本发明实施例的热交换单元的近距离视图；图3是根据本发明一个实施例的在井的钻孔中管道的横截面视图4是示出了根据本发明一个实施例的用于发电的方法步骤的流程图；图5是根据本发明一个实施例的井和热巢的横截面视图；以及图6是根据本发明一个实施例的热交换单元的横截面视图。
具体实施例方式在本发明下面的说明中，参考了作为本发明的一部分的附图，在附图中图示出了 示例实施例，说明本发明的原理以及可以如何实现本发明。可以理解，可以利用其他实施例 来实现本发明，对其可做出结构上的和功能上的改变但并没有偏离本发明的范围。本发明将地热从井内深处经济地且高效地传导到地球表面，然后使用此地热在闭 环固态系统中发电。该闭环固态系统通过热流而不是通过水流发电，因此，其不需要大量的 水分别注入井中。参考图1，本发明包括热利用组件10和发电组件20。如图1所示，热利用组件包 括热交换单元40和将地热从井110的底部90附近的热岩转移到热交换单元40的热传导 材料100。本发明还包括由一个或多个下流管60和一个或多个上流管80组成的管道系统 50。通过泵送机构30从表面泵送和泵送到表面的管道系统50的内容包括流经闭环系统并 将热携带到井110的表面的热传导流体或气体。发电组件20包括将热能转换为电能的热 机120。热机120可以包括电涡轮机和发电机。管道系统50将热利用组件10和发电组件 20耦合在一起。管道系统50的下流管60和上流绝热管80可以用绝热物70绝热。管道系统50 中使用的下流管60和上流绝热管80的直径可以不同，并应当按照所需的具体流量要求来 确定。在另一实施例中，下流绝热管60和上流绝热管80在最大可能的程度上集成到单个 构件中以简化安装。在另一实施例中，一个或多个下流管60和一个或多个上流绝热管80由柔性材料 制成，并且可以被卷进井中。管道系统50因此是柔性的，并由几层不同的缠绕的不锈钢丝 和防漏热塑性聚合物组成，其中热塑性聚合物比如是聚乙烯、聚酰胺11和/或PVD。管道系 统50中任何一个特定管道中使用的层的数量将依井深度和压力/温度要求而确定。 利用泵送机构30和管道系统50，管道系统50的内容通过一个或多个下流管60管 道向下输送并送入井110，其中所述内容可以是由液体或气体组成的热传导流体。内容通过 一个或多个下行管道60向下泵送到井110的某一深度，那里有大量的地热足以加热内容。 在其中遇到第一合适的热量的最浅深度将在以下称为热力点130，虽然应当理解在多个深 度存在地热，且此地热随井110深度增加而变得更大。热力点130与井110的底部90之间 的区域被称为热巢140。 热交换单元40置于热巢140中在井的热力点130与井110的底部90之间的点。 下流管60在第一侧150耦合到该热交换单元40，使内容在热交换单元40的第一侧150穿 过热交换单元40。热交换单元40使用热传导材料100从地球吸取地热，热传导材料100与 围绕热巢140的热岩相接触，并且当内容穿过热交换单元40时利用该地热加热内容。不同 于传统的系统，其只会简单地从井中吸取经加热的流体到顶部表面，然后利用加热元件以 进一步在表面高度加热流体，本发明的热交换单元40实际上包含于井110本身内深处。热 交换单元40和热传导材料100形成闭环固态提取系统，其中是热而不是水在流动。该闭环固态提取系统没有对环境的负面影响，且只需要热岩的存在。在周围岩石的表面区域已经增加至确保岩石所产生的最大温度和地热流量后，热 巢140建在所需的深度。本文讨论的多种技术可以被利用来增大岩石的表面区域。增大岩 石表面区域保证了稳定的、持续的平衡温度和从周围岩石进入热传导材料100的最大地热 流量，所述热传导材料100是在热巢140建成后注入的。因此，本发明的目的是尽可能增大 围绕拟建的热巢140的岩石的表面区域，因为这样做时提高了从岩石到热传导材料100到 热交换单元40至管道系统50的内容的热流量。增大岩石表面区域的一个方法是通过使围绕热巢的岩石破裂以形成扩大表面区 域的裂缝和裂隙。本发明考虑到了可以使用许多使岩石破裂的方式，包括通过水力致裂、通 过本文所述的在多个方向钻孔以及一般地任何当前的或未来的破坏或致裂地球表面下深 处岩石的方法。因此，在一个实施例中平衡温度为这样的温度或温度范围，本发明的系统和方法 中在所述平衡温度加热管道系统50的内容的地热等于供应地热的热岩补偿或再生它传递 出去的热量的速度。如果地热在平衡温度以上被传递出来，则热岩中的地热将被耗尽或耗 散，并且热提取速率和温度下降。如果地热在平衡温度或之下被传递出来，则热提取率将会 是持续的和稳定的，因此实现稳态热提取系统。通常热交换单元是建造为高效传热的装置，其通常将热量从一种流体传递到另一 种流体。这种热交换单元因此以流体流为特征，其中流体流经热交换单元的两侧，一种流体 加热另一种流体。它们广泛应用于许多工程过程。一些例子包括中间冷却器、预热器、锅 炉和电厂冷凝器。图2是显示本发明所利用的热交换单元40的图。本发明的热交换单元40通过热 流而不是流体流加热根据本发明的闭环稳态热提取系统内的流体。对工作在稳态条件下的 热交换单元应用热力学第一定律，我们得到μ χ = 0其中μ =第i流体的质量流量X =第i流体的比焓的改变参考图2，热交换单元40显示为叉流式换热器，其中热垂直于需要加热的流体流 动，使得热流240在垂直方向上流经/越过换热器，从而加热从垂直于热流240的方向流过 的流体230。在一个实施例中，本发明的热交换单元40是由回热式“叉流”换热器构成的高温 换热器(“HTHE”)，其中流体在分隔壁两侧换热。另外，热交换单元40可以由采用再生式 和/或蒸发式设计的HTHE组成。无论使用的是何种热交换单元配置，本发明考虑到了穿过 热交换单元40的流体通过由从围绕热巢140的岩石提取地热所产生的热流而不是一种以 上流体的流来加热。在另一实施例中，热交换单元40包括多个更小的毛细管170。内容从一个或多个 下流管60进入热交换单元40，然后被分散，流过多个更小毛细管170中的每个。毛细管170 可以比一个或多个下流管60更细。例如，多个毛细管170可以具有比一个或多个下流管60 更小的直径，从而使内容通过毛细管170时更快地加热，并从而提高热交换单元40的整体 效能。在另一实施例中，热交换单元40的毛细管170的组合流量必须能够适应与一个或多个下流管60以及一个或多个上流管80的相等的或更大的流量。在另一实施例中，热交换单元40可以由钛涂覆管板组成，其中管板可以由高温镍 基合金或铁素体钢形成。这样，热交换单元40能够在高温度/压力条件下有效地工作。此 外，钛的厚度可以根据热交换单元40工作所处的具体温度和/或压力条件而变化。应当理解，存在现有技术中已知的其他类型的热交换单元40，它们也可以用于本 发明。这样的例子包括但不限于平行换热器和/或逆流换热器。在替代的实施例中，任何 这些类型的换热器均可被利用。设计热交换单元40时首要考虑的将是确保其在高温/高 压条件下有效工作。此外，本发明利用的任何这样的热交换单元40的尺寸必须适合置入井 110的钻孔190内。此外，热交换单元40的内部组件可以包括设计成使转移至热交换单元40内管道 系统50的热量最大化以加热尽可能多的内容的不同形式。仍然参考图1，管道系统50的一个或多个上流管80在热交换单元40的第二相对 侧160耦合到热交换单元40。一个或多个上流管80从热交换单元40吸取经加热的内容， 并将经加热的内容从井110中热力点130向上携带到顶部180或地表。钻孔190从热力点 130至井110的顶部180被完全隔热以防止热损失。热交换单元40与管道系统50形成闭 环，该闭环将内容与环境隔开，从而创建完全环境友好的系统。在一个实施例中，需要加热的流体(或者，也在本文使用的，管道系统50的内容) 应被优化以携带热量。这种流体的例子是汽车中使用的防冻剂。气体或水也可以作为一种 流体来使用。此外，流体不应该有任何腐蚀性，并且用于建造管道系统50的材料需对所述 流体具有抵抗腐蚀的能力。此外，流体在管道系统50内被加压，所以在流体泵送经过系统 时，系统应能承受由井110的深度和泵送机构30所产生的压强。所使用的流体环境上惰性， 并且在管道系统50破裂时不造成环境问题。仍参考图1以及根据本发明的系统的建设，一旦管道系统50和热交换单元40在 井Iio中全部安装，热巢140完全被用热传导材料100填充。一旦热传导材料100填充了 热巢140，井110的钻孔的剩余部分被填充以绝热物70。热传导材料110必须具备热传导 性能，并允许其在热巢140内粘合和固化。热传导材料100设计成有效地保存和传导热量， 从而保持温度在整个热巢140基本恒定。热传导材料100将围绕热巢140的热岩连接到热 交换单元40，形成热利用组件10。本发明中使用的热传导材料100可以有多种形式。一般而言，可以使用在井110 内所需的温度上导热的任何物质或材料。这些物质或材料的例子包括但不限于灌浆、增强 的灌浆、塑料、陶瓷、增强的陶瓷、熔融金属例如铜，或以上物质或材料的任何组合。此外，本发明考虑到了，也可以将一种或多种附加材料注入井110中(通过管道， 如大直径管道210)，该一种或多种附加材料可用于捕获并传导从岩石表面区域产生的地 热。这样的附加材料的例子包括但不限于滚珠轴承、珠子、金属丝或金属网以及管道。这些 附加材料通过填充围绕热巢的岩石中的裂缝和裂隙增强地热传导。通过扩大围绕热巢140 的岩石的表面区域和使用附加材料，因此扩展了热传导材料100的能力。附加材料本身增 大传导的表面区域，这意味着从围绕热巢140的岩石传导的地热在更大的表面区域上释放 出来，该更大的表面区域由向热巢140中引入附加材料来提供。经由大直径管道210注入 热巢140的热传导材料100也填充附加材料周围这些裂缝和裂隙并凝固，通过增大表面区域的方式增加了传导能力。因此，热传导材料100可以与这种附加材料一同使用，以利用围 绕热巢140的岩石的表面区域增大的好处。本发明还考虑到了，在另一个实施例中，这样的附加材料可以在没有热传导材料 100的情况下使用。本文所述的附加材料也从围绕热巢的岩石向热交换单元40传导地热。 在如本文所述的热传导材料100与附加材料一同使用的实施例中，热传导材料100与附加 材料粘合并且热传导材料100在附加材料周围凝固。图3示出了本发明的系统利用于其中的井110的横截面图。井110的钻孔190已 定位了其中的一个或多个上流管60和一个或多个下流管80。钻孔190的壁200与一个或 多个下流管60和一个或多个上流管80之间的空间以绝热物70填充。大直径管道210被 用热传导材料100填充，使得热传导材料100包围一个或多个上流管60和一个或多个下流 管80。如本文前面所解释的，此热传导材料100可以变硬但它并不膨胀，不造成加在管 道系统50或热交换单元40上的压强。一旦热传导材料100已被插入到井110并已在热巢 140中热交换单元40和管道系统50周围变硬，它将会开始变热直到其被充分加热，并在井 110的底部90达到围绕热巢140的岩石的温度。由于热传导材料100达到此热平衡温度， 它从围绕热巢140的热岩向热交换单元40交换地热。井110的剩余部分用绝热物70填充， 当经加热的内容通过一个或多个上流管80往井110上部运动时，绝热物70保持经加热内 容为热的。这最小化能量损失，因此内容可以更有效地用于在井110的顶部180发电。因 此，热传导材料100作为包围井110中热交换单元40的“加热线路”类型工作。此加热线 路使内容的热量最大化并使热交换单元40延伸到热岩中，创建热利用组件10。更具体地说，来自井110中热岩的地热加热热传导材料100直到系统达到平衡温 度。当系统达到平衡温度时，热传导材料100应该像围绕热巢140的热岩一样热。因此，当 管道系统50的内容进入热巢2140时其立即开始变热。当内容达到底部90时其被充分加 热。内容从热巢140向上返回时其不损失热，因为热传导材料100已经达到平衡温度。井 110内热传导材料100的使用确保了独特地使从井110的热巢140到顶部180的热量传输 最大化的系统。热巢140和绝热物70的组合对于其中井110的长度导致热损失的深井特 别有效。应该理解，取决于各种因素，平衡温度在每口井内以及对于不同的内容可能有所 不同。例如，井中存在的岩石类型可能是确定深度、尺寸、用于建造热巢140的材料以及热 传导材料100的类型和质量的因素。井内岩石的表面区域影响岩石的热导率，产生针对平 衡温度的不同的温度范围。平衡温度因此可能是温度范围，并可以根据所需要获得的、以将 内容加热到目标点的热量而变化。作为附加的功能，热传导材料100向系统提供额外的稳定性，使增大的压力的影 响最小化并提高热交换单元40的完整性和强度。更具体地说，由于热传导材料100变硬， 它为热交换单元40提供了附加的结构上的支撑，硬化的热传导材料100为处于压强下的管 道系统50和一个或多个下流管60和一个或多个上流管80提供结构上的支撑。因此，热传 导材料100增加了系统的刚性。此外，热传导材料100通过保护系统的组件比如热交换单 元40和管道系统50的内容使其避开井内腐蚀性环境来提高系统的稳定性。还参照图1，经加热的内容流出热利用组件10并进入发电组件20。更具体地说，经加热的内容从井110中流出并进入位于地表的热机120，在该热机120处利用本领域已知 的技术使用来自于内容的热量来发电。图4是流程图，其说明用于利用本发明的系统和方法提取地热和发电的过程中的 步骤。在步骤300中，通过钻孔190钻出井110并安装套管，并且在期望的深度增大岩石表 面区域。此步骤包括一旦估计了热力点130和井110的底部90，确定热巢140的适当位 置和尺寸。连同图1和图2，如在步骤310中，通过将热交换单元40插入井110中期望的深 度建造热巢140，其中一个或多个下流管60流入第一例150并且一个或多个上流管80流出 第二相对侧160。期望的深度的起始点是热力点130，并基于周围岩石的类型和表面区域， 依据管道系统50的内容拟被加热到的期望温度来确定。热巢140的长度确定了热交换单 元40的长度，并由此确定了热交换单元40的内部组件的配置。一旦热交换单元40和管道系统50已安装在井110中，如在步骤320中，热巢140 从底往上完全用热传导材料100填充。这可以通过经由大直径管210将热传导材料100注 入井110中来实现。在备用的实施例中，第三管道被插入井110中以将热传导材料100泵 送入井110。然后随着热传导材料100被泵送入井110，第三管道被慢慢地从井110的底部 90撤回，直到其达到热力点130。然后如在步骤330中所示，井110被用绝热物70从井110 的热力点130到顶部180填充。一旦热巢140已完全被热传导材料100填充以及第三管道210完全从井110中撤 出，热传导材料100将开始硬化并升温直至达到平衡温度，从而如在步骤340中，从位于井 110的底部90的围绕热巢140的热岩向热交换单元40传导地热。一旦热传导材料100达 到平衡温度，如在步骤350中，流体或气体通过一个或多个下流管60被泵送入井110中，并 进入热交换单元40。这种流体或气体形成了管道系统50的内容，并将在热交换单元40内 由地热加热以形成闭环固态热提取系统，如在步骤360中。内容然后经由一个或多个上流 管80被从井110向上抽回。注入井110中的绝热物70有助于在经加热的内容向上运动通 过井110时保持内容的热度，使能量损失最小化，由此热量可用于发电。经加热的内容然后从井110中流出并进入位于地表的发电组件20和热机120，如 在步骤370中，来自于内容的热量用于利用本领域已知的技术发电。在另一个实施例中，如同上面所讨论的，系统可以包括与热传导材料100配合使 用的多种附加材料。图5示出了井110的横截面概念视图。图5示出了根据本发明的热巢 140，其中已向围绕热巢140的岩石中钻了几个孔220，从而通过以附加材料填充所述几个 孔220来增大表面区域。图5中，通过钻所述几个孔220地热从岩石中形成的裂缝和缝隙 流出。本发明考虑到了，建热巢140之前，将尽可能增大岩石的表面区域，以使来自于周围 岩石的、经由热传导材料100进入热交换单元40的地热流量最大化。附加材料的使用还让 更多的流体被加热到期望的温度，从而产生更多的电。在另一实施例中，系统可以包括多个附加的热交换组件和/或热交换单元，其内 部组件有许多不同配置。热交换单元40的内部组件的不同配置也有可能。增加管道系统 50的内容在热交换单元40内的时间增加可以在热巢140内被加热的流体或气体的量。一 种这样的配置是螺旋形，其中内部组件是一组缠绕的管道。其他配置比如如图6所示的扭 曲管提供了示例的实施例，其中，增加管道长度(从而，内容在热交换单元40内必须行进的 距离)增大了可供加热的内容的量。
应当理解，可以利用其他实施例，且可作出结构上和功能上的改变而不脱离本发 明的范围。本发明实施例的上述说明业已提供用于阐述和描述的目的。其意图不是为了详 尽无遗的或为了限制本发明为所公开的确切形式。因此，在上述教义的启迪下许多修改和 变化是可能的。例如，可以在热巢140内实施多个热交换单元40。此外，可以利用热交换单 元40的增加管道系统内容驻留在热交换单元中的时间的任何配置。另外，多个钻孔可以钻 入围绕热巢的岩石，以创建更多的表面区域，并且这样的钻孔可用于垂直、水平、倾斜地或 以任何角度钻孔以创建更多的表面区域，其中地热能可以流经该表面区域。因此，有意使本 发明的范围不受此详细说明的限制。
权利要求
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。
2.根据权利要求1的系统，其中通过增大围绕所述热巢的岩石的表面区域增加所述平衡温度。
3.根据权利要求2的系统，其中至少一个附加钻孔被钻入岩石以增大岩石的表面区域。
4.根据权利要求3的系统，还包括注入所述热巢的至少一种附加材料，其中所述至少 一种附加材料是至少一个滚珠轴承。
5.根据权利要求3的系统，还包括注入所述热巢的至少一种附加材料，其中所述至少 一种附加材料是至少一个珠子。
6.根据权利要求3的系统，还包括注入所述热巢的至少一种附加材料，其中所述至少 一种附加材料是网状金属材料。
7.根据权利要求1的系统，其中所述下流管是柔性的。
8.根据权利要求1的系统，其中所述上流管是柔性的。
9.根据权利要求1的系统，其中所述下流管和上流管各包括多层缠绕的不锈钢丝。
10.根据权利要求1的系统，其中所述下流管耦合到所述热交换单元的第一侧。
11.根据权利要求6的系统，其中所述上流管耦合到所述热交换单元的第二侧。
12.根据权利要求1的系统，其中所述热交换单元包括多个毛细管。
13.根据权利要求12的系统，其中所述下流管的内容在进入所述热交换单元后通过所 述多个毛细管被分散。
14.根据权利要求13的系统，其中所述多个毛细管中每个毛细管的直径比所述下流管 的直径小，从而允许在所述管道系统的内容穿过所述多个毛细管时所述内容快速地变热。
15.根据权利要求1的系统，其中所述管道系统的内容是环境上惰性的导热流体，其在 所述热巢内被加热时不汽化。
16.根据权利要求15的系统，其中所述管道系统的内容是水。
17.根据权利要求15的系统，其中所述管道系统的内容是气体。
18.根据权利要求1的系统，其中所述热传导材料在被注入位于围绕所述热巢的岩石 和管道系统之间的区域后在所述热巢内基本上凝固。
19.根据权利要求18的系统，其中所述热传导材料是灌浆。
20.根据权利要求18的系统，其中所述热传导材料是熔融金属。
21.根据权利要求18的系统，其中所述热传导材料是陶瓷。
22.根据权利要求18的系统，其中所述热传导材料是网状材料。
23.根据权利要求18的系统，其中所述热传导材料是塑料。
24.根据权利要求1的系统，其中在所述热巢用所述热传导材料填充后，所述井用所述 绝热物填充。
25.根据权利要求1的系统，其中所述热传导材料经由管道注入所述热巢，所述管道通 过钻孔被插入并且一旦所述热巢已被所述热传导材料填充则被撤回。
26.根据权利要求1的系统，其中所述热传导材料使加在所述管道系统和所述热巢内 的所述热交换单元上的压强稳定。
27.根据权利要求1的系统，其中所述平衡温度为至少部分地由所述热巢内岩石的表 面区域所确定的一系列温度。
28.根据权利要求1的系统，其中所述热交换单元具有螺旋形，其中所述热交换单元内 的管道系统包括至少一个扭曲管以增大所述管道系统的内容在所述热交换单元内流动的 距离。
29.一种用于从钻井内产生地热的热提取系统，包括热传导材料，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所述热交换单元的、管道 系统的内容，其中在所述平衡温度，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，其中所述热传导材料凝固以基本上填满所述热巢内的区域，以便从围绕所述热巢的岩 石和所述热交换单元转移热量，所述管道系统将所述管道系统的内容从所述井的表面输送 入所述热巢并将经加热的内容从所述热巢运送至所述井的表面，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。
30.根据权利要求29的系统，其中通过增大围绕所述热巢的岩石的表面区域增加所述 平衡温度。
31.根据权利要求30的系统，其中至少一个附加钻孔被钻入岩石以增大岩石的表面区域。
32.根据权利要求31的系统，还包括注入所述热巢的至少一种附加材料，其中所述至 少一种附加材料是至少一个滚珠轴承。
33.根据权利要求31的系统，还包括注入所述热巢的至少一种附加材料，其中所述至 少一种附加材料是至少一个珠子。
34.根据权利要求31的系统，还包括注入所述热巢的至少一种附加材料，其中所述至 少一种附加材料是网状金属材料。
35.根据权利要求29的系统，其中管道系统包括将所述管道系统的内容运送入所述热 交换单元的一组柔性的下流管，以及将所述管道系统的内容运送出所述热交换单元的一组 柔性的上流管。
36.根据权利要求35的系统，其中所述下流管和上流管各包括多层缠绕的不锈钢丝。
37.根据权利要求29的系统，其中所述热交换单元包括多个毛细管。
38.根据权利要求37的系统，其中所述下流管的内容在进入所述热交换单元后通过所 述多个毛细管被分散。
39.根据权利要求38的系统，其中所述多个毛细管中每个毛细管的直径比所述下流管 的直径小，从而允许在所述管道系统的内容穿过所述多个毛细管时所述内容快速地变热。
40.根据权利要求29的系统，其中所述管道系统的内容是环境上惰性的导热流体，其 在所述热巢内被加热时不汽化。
41.根据权利要求40的系统，其中所述管道系统的内容是水。
42.根据权利要求40的系统，其中所述管道系统的内容是气体。
43.根据权利要求29的系统，其中所述热传导材料是灌浆。
44.根据权利要求29的系统，其中所述热传导材料是熔融金属。
45.根据权利要求29的系统，其中所述热传导材料是陶瓷。
46.根据权利要求29的系统，其中所述热传导材料是网状材料。
47.根据权利要求29的系统，其中所述热传导材料是塑料。
48.根据权利要求29的系统，其中所述热传导材料使作用在所述管道系统和所述热巢 内的所述热交换单元上的压强稳定。
49.根据权利要求29的系统，其中所述平衡温度为至少部分地由所述热巢内岩石的表 面区域所确定的一系列温度。
50.根据权利要求29的系统，其中所述热交换单元具有螺旋形，其中所述热交换单元 内的管道系统包括至少一个扭曲管以增大所述管道系统的内容在所述热交换单元内流动 的距离。
51.一种利用来自于钻井内的地热发电的方法，包括通过将热传导材料注入位于井内位置的热巢以包围热交换单元从而形成闭环固态热 提取系统，从围绕所述热巢的岩石提取地热，所述热传导材料从围绕所述热巢的岩石向所 述热交换单元交换地热以加热管道系统的内容，在所述热巢内被加热的内容处于平衡温 度，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与所述热传导材料 交换的地热，以及高于所述平衡温度的情况下，当所述热传导材料从围绕所述热巢的岩石 向所述热交换单元交换热量时，由围绕所述热巢的岩石所产生的地热耗散；在位于所述热巢和所述井的表面之间的至少一个位置点使所述管道系统绝热，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；以及在所述管道系统的经加热的内容到达所述井的表面后，将所述管道系统的经加热的内 容泵送入发电组件，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。
52.根据权利要求51的方法，还包括增大围绕所述热巢的岩石的表面区域以增加所述平衡温度。
53.根据权利要求52的方法，还包括将至少一个钻孔钻入围绕所述热巢的岩石。
54.根据权利要求53的方法，还包括将至少一种附加材料注入所述热巢，其中所述至 少一种附加材料是至少一个滚珠轴承。
55.根据权利要求53的方法，还包括将至少一种附加材料注入所述热巢，其中所述至 少一种附加材料是至少一个珠子。
56.根据权利要求53的方法，还包括将至少一种附加材料注入所述热巢，其中所述至 少一种附加材料是网状金属材料。
57.根据权利要求51的方法，还包括以一组柔性的下流管将所述管道系统的内容泵送 入所述热交换单元，以及以一组柔性的上流管将所述管道系统的内容泵送出所述热交换单兀。
58.根据权利要求57的方法，其中所述下流管和上流管各包括多层缠绕的不锈钢丝。
59.根据权利要求57的方法，还包括在所述热巢内将所述管道系统的内容分散到耦合 到所述管道系统的多个毛细管。
60.根据权利要求59的方法，其中所述多个毛细管中每个毛细管的直径比所述下流管 的直径小，从而允许在所述管道系统的内容穿过所述多个毛细管时所述内容快速地变热。
61.根据权利要求51的方法，其中所述管道系统的内容是环境上惰性的导热流体，其 在所述热巢内被加热时不汽化。
62.根据权利要求61的方法，其中所述管道系统的内容是水。
63.根据权利要求61的方法，其中所述管道系统的内容是气体。
64.根据权利要求51的方法，还包括将所述热传导材料注入所述热巢，所述热传导材 料在被注入位于围绕所述热巢的岩石和管道系统之间的区域后在所述热巢内基本上凝固。
65.根据权利要求51的方法，其中所述热传导材料是灌浆。
66.根据权利要求51的方法，其中所述热传导材料是熔融金属。
67.根据权利要求51的方法，其中所述热传导材料是陶瓷。
68.根据权利要求51的方法，其中所述热传导材料是网状材料。
69.根据权利要求51的方法，其中所述热传导材料是塑料。
70.根据权利要求64的方法，其中所述将所述热传导材料注入所述热巢还包括通过钻 孔将管道插入并且一旦所述热巢已被所述热传导材料填充则撤回所述管道。
71.根据权利要求51的方法，其中所述提取地热还包括将所述热交换单元制作成螺旋 形，其中所述热交换单元内的管道系统包括至少一个扭曲管以增大所述管道系统的内容在 所述热交换单元内流动的距离。
72.—种从钻井内提取地热的方法，包括确定位于井的深度处岩石的类型、位于所述井的深度处的岩石的表面区域、以及位于 所述井的深度处的岩石的热传导系数；在所述井中位于所述井的热力点与所述井的底部之间的期望位置点增大岩石的表面 区域；在所述井内形成起始于所述井的底部并终止于所述井的热力点的热巢；将热传导材料注入围绕所述热巢的岩石与所述热巢内的热交换单元之间以形成闭环 固态热提取系统，以从围绕所述热巢的岩石向所述热交换单元交换热量，从而在平衡温度 加热流入和流出所述热交换单元的、管道系统的内容，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与所述热传导材料交换的地热，以及高于所述平衡温度的情 况下，当所述热传导材料从围绕所述热巢的岩石向所述热交换单元交换热量时，由围绕所 述热巢的岩石所产生的地热耗散；以及在所述热巢和所述井的表面之间使所述管道系统绝热，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。
73.根据权利要求72的方法，其中所述增大围绕所述热巢的岩石的表面区域增加所述 平衡温度。
74.根据权利要求73的方法，其中所述增大所述岩石的表面区域还包括将至少一个钻 孔钻入围绕所述热巢的岩石。
75.根据权利要求74的方法，还包括将至少一种附加材料注入所述热巢，其中所述至 少一种附加材料是至少一个滚珠轴承。
76.根据权利要求74的方法，还包括将至少一种附加材料注入所述热巢，其中所述至 少一种附加材料是至少一个珠子。
77.根据权利要求74的方法，还包括将至少一种附加材料注入所述热巢，其中所述至 少一种附加材料是网状金属材料。
78.根据权利要求72的方法，还包括以一组柔性的下流管将所述管道系统的内容泵送 入所述热交换单元，以及以一组柔性的上流管将所述管道系统的内容泵送出所述热交换单兀。
79.根据权利要求78的方法，还包括在所述热巢内将所述管道系统的内容分散到耦合 到所述管道系统的多个毛细管。
80.根据权利要求79的方法，其中所述多个毛细管中每个毛细管的直径比所述下流管 的直径小，从而允许在所述管道系统的内容穿过所述多个毛细管时所述内容快速地变热。
81.根据权利要求72的方法，其中所述管道系统的内容是环境上惰性的导热流体，其 在所述热巢内被加热时不汽化。
82.根据权利要求81的方法，其中所述管道系统的内容是水。
83.根据权利要求81的方法，其中所述管道系统的内容是气体。
84.根据权利要求72的方法，其中所述热传导材料是灌浆。
85.根据权利要求72的方法，其中所述热传导材料是熔融金属。
86.根据权利要求72的方法，其中所述热传导材料是陶瓷。
87.根据权利要求72的方法，其中所述热传导材料是网状材料。
88.根据权利要求72的方法，其中所述热传导材料是塑料。
89.根据权利要求72的方法，其中所述将热传导材料注入所述井中还包括通过钻孔将 管道插入并且一旦所述热巢已被所述热传导材料填充则撤回所述管道。
90.根据权利要求72的方法，其中所述使所述管道系统绝热还包括在位于所述热巢和 所述井的表面之间的至少一个位置点使所述管道系统绝热。
91.根据权利要求72的方法，其中所述平衡温度是一系列温度。
92.根据权利要求72的方法，其中所述提取地热还包括将所述热交换单元制作成螺旋 形，其中所述热交换单元内的管道系统包括至少一个扭曲管以增大所述管道系统的内容在 所述热交换单元内流动的距离。
93.根据权利要求2的系统，其中通过使围绕所述热巢的岩石破裂来增加围绕所述热 巢的岩石的表面区域。
94.根据权利要求3的系统，还包括注入所述热巢的至少一种附加材料，其中所述至少 一种附加材料是热棒。
95.根据权利要求30的系统，其中通过使围绕所述热巢的岩石破裂来增加围绕所述热 巢的岩石的表面区域。
96.根据权利要求31的系统，还包括注入所述热巢的至少一种附加材料，其中所述至 少一种附加材料是热棒。
97.根据权利要求52的方法，其中所述增大围绕所述热巢的岩石的表面区域以增加所 述平衡温度还包括使围绕所述热巢的岩石的表面区域破裂。
98.根据权利要求53的方法，其中所述将至少一个钻孔钻入围绕所述热巢的岩石还包 括将至少一种附加材料注入所述热巢，其中所述至少一种附加材料是热棒。
99.根据权利要求73的方法，其中所述增大围绕所述热巢的岩石的表面区域以增加所 述平衡温度还包括使围绕所述热巢的岩石的表面区域破裂。
100.根据权利要求74的方法，其中所述将至少一个钻孔钻入围绕所述热巢的岩石还 包括将至少一种附加材料注入所述热巢，其中所述至少一种附加材料是热棒。
全文摘要
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。
文档编号F24J3/08GK102105755SQ200980129169
公开日2011年6月22日 申请日期2009年6月15日 优先权日2008年6月13日
发明者迈克尔·J·帕雷拉 申请人:迈克尔·J·帕雷拉