一种智能地热采灌系统及方法与流程

本发明涉及一种地热利用领域，尤其是涉及一种地热回灌系统和方法。

背景技术：

地球是一个巨大的热库，每天由地球内部向地表传递的能量相当于全人类一天使用能量的2.5倍。在当今人们日益关注全球气候变化和各种环境污染问题的形势下，地热能作为一种清洁能源而倍受关注。截止到2010年，已知世界上已经有78个国家开展地热资源直接利用。

然而地热开采的过程中存在诸多问题，地热发电厂所释放的非凝结性气体和重金属已经影响了周围的环境，地热田由于大量开采地热流体已经导致了地面沉降和热储压力下降。总结而言，地热利用产生的问题一是由于排放弃水所产生的环境问题；二是由于大量开采地热造成热储压力下降，导致地热田生产能力下降。

为了解决上述问题，目前常用的技术为地热回灌技术。地热回灌在开始的时候是作为一种处理地热尾水的方法。因为政府不允许将使用过的地热水排放到地表或农田中。但是后来的理论研究的实地实验显示，地热回灌能够提高地热能的开采量，维持热储的压力时，地热回灌才被重视起来。

然而回灌技术难点较多，对于不同相态的地热系统，回灌的位置是不同的，此外，回灌井的深度难以确定，回灌井太浅，可能造成浅层地下水受到污染；如果太深，可能不会达到维持热储压力的效果。地热回灌过程中需要考虑的问题主要包括回灌费用、热储温度、热储压力、回灌水的温度、二氧化硅结垢、砂岩回灌、回灌井位置、地热流体的化学成分变化、地热流体的回收和地面沉降问题。

因此，建立高效环保的回灌系统成为了迫切需求。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明由此提供了一种智能地热采灌系统，包括多个开采井、多个回灌井以及中央处理器，所述多个开采井分别与一个集水器连接，所述多个回灌井分别与一个分水器连接，所述集水器与所述分水器之间设置有换热器，所述开采井与所述回灌井内部均设置有水位、水温自动监测仪，所述水位、水温自动监测仪通过数据采集装置连接所述中央处理器，所述数据采集装置包括与所述水位、水温自动监测仪连接的数据无线传输装置以及与所述中央处理器连接的数据接收装置。

进一步地，所述开采井通过送水管与所述集水器连接，所述回灌井通过回灌管道与所述分水器连接，所述送水管的末端上设置有水泵，所述回灌管道上设置有流量自动控制装置；地热水从所述集水器进入到所述换热器中与其中的冷却水进行换热后进入分水器中；在所述水泵下方设置有所述水位、水温自动监测仪，所述水位、水温自动监测仪通过数据传输线缆连接到井外的数据无线传输装置上，数据无线传输装置将所述水位、水温自动监测仪采集到的开采井参数传输到数据接收装置上，所述数据接收装置进一步将所述开采井参数传输给中央处理器；在每个回灌管道的出口的下方也都设置有水位、水温自动监测仪，回灌井中的回灌水参数被采集后通过回灌井的数据无线传输装置传输到所述数据接收装置上，并进而传输到所述中央处理器上。

进一步地，所述水泵的进口处设置有一级过滤装置，该一级过滤装置为粗滤装置；在所述集水器和换热器之间的出水管道上，设置有二级过滤装置，该过滤装置为精滤装置；所述出水管道设置在集水器的上部，高于所述集水器的进水管。

进一步地，在所述集水器的中上部还设置有过滤网，用于隔离所述进水管和出水管，所述集水器和所述分水器的下部都配置有排污口。

此外，本发明还提供了一种操作上述方案所述的智能地热采灌系统的方法，包括如下步骤：

步骤1，所述中央处理器设定所述换热器进口处的冷却水温度TL1，调整所述冷却水循环速度以维持该温度TL1，同时监测所述换热器出口处的冷却水温度TL2；

步骤2，所述中央处理器根据管径计算出冷却水的循环质量流率QL，根据进口处的冷却水温度TL1和出口处的冷却水温度TL2，以及冷却水的循环质量流率QL，计算出单位时间内换热器所需交换的热量RL，采用如下公式：

RL＝(TL2-TL1)*QL*C,其中C为水的比热；

步骤3，所述中央处理器监测所述换热器进口处的地热水温度TD1和换热器进口处的地热水温度TD2，并计算地热水的单位质量流率QD；采用如下步骤：首先计算单位时间内换热器能够获得的热量RD：RD＝(TD1-TD2)*QD*C,其中C为水的比热；其次使RD＝RL，则可以求出QD＝(TL2-TL1)*QL/(TD1-TD2)；通过QD计算出所述集水器的抽取速度，控制所述集水器的抽水泵的转速以维持该抽取速度。

特别地，上述方法还包括以下步骤：

步骤4，所述中央处理器根据所述集水器的质量流率，为每一个开采井计算采水质量流率QK，从而控制每个开采井的水泵的转速；

步骤5，所述中央处理器监测每个开采井的水位、水温，如果某个开采井的水位或水温低于预定值，则中央处理器控制该开采井的水泵停止转动，或者以较低的水平转动，同时相应提高水位较高的开采井的水泵的转速，使得其输出的质量流率增加，从而整体上确保开采井的地热水总质量流率维持在QD。

特别地，上述方法还包括以下步骤：

步骤6，所述中央处理器监测每个回灌井的水位、水温，如果某个回灌井的水位高于预定值，则中央处理器控制该回灌井的流量自动控制装置关闭，或者以较小的开度打开，同时相应提高水位较低的回灌井的流量自动控制装置的开度，使得其回灌的水的质量流率增加。

特别地，上述方法还包括以下步骤：

步骤6，所述中央处理器监测每个回灌井的水位、水温，如果某个回灌井的温度低于预定值，则所述中央处理器控制该回灌井的流量自动控制装置关闭，或者以较小的开度打开，同时相应提高水位较低的回灌井的流量自动控制装置的开度，使得其回灌的水的质量流率增加。

进一步地，上述方法还包括以下步骤：

步骤1，选择示踪剂：测定地热田的地热水成分，确定其不含有所选定示踪剂，检测地热田的岩石结构，确保所选定示踪剂不与该岩石发生反应或被岩石吸收，检测地热水温度，确保地热水温度不影响所选定示踪剂的稳定性；

步骤2，选定多组开采井和回灌井，对于其中的每一组，开采井中开采的地热水全部回灌到同组的回灌井中，向每组的回灌井中注入示踪剂，示踪剂的质量与集水器的质量流率QD相关，所述中央处理器还包括示踪剂计算模块，根据下述公式计算示踪剂质量Ms：

Ms＝QD*24*D*S/P

其中S为示踪剂最低检测下限浓度，D为实验天数，P为示踪剂回收率；

步骤3，所述中央处理器还包括示踪剂分配模块，所述中央处理器监测每个回灌井的回灌水量，并取每个回灌井一段时间的回灌水量的平均值相比较，按比例计算出每个回灌井应投放的示踪剂量Msn＝Ms*B，其中B为单个回灌井一段时间的回灌水量的平均值占全部回灌水量的比例；

步骤4，根据步骤3计算出的每个回灌井应投放的示踪剂量Msn，对每个回灌井进行投放示踪剂；

步骤5，检测相应组的开采井中的地热水的示踪剂含量，如果所述示踪剂含量未检测到，说明回到该组开采井中示踪剂的含量小于P值，则回灌井与开采井之间不存在直接的水流通道，回灌井是有效的，可以继续使用；如果检测到一定量的示踪剂含量，则说明该组回灌井与开采井之间存在直接的水流通道，则应重新评估回灌井是否应当继续采用。

特别地，上述方法还包括以下步骤：

步骤6，将检测到示踪剂含量的开采井和回灌井的组拆散，重新配对组成新的开采井和回灌井的组，重复步骤1-5。

本发明的智能地热采灌系统可以高效地实现地热采集和回灌的自动控制，确保供热的稳定性，自动化程度高。可以有效地平衡各个开采井和各个回灌井之间的压力差和温度差。同时采用了示踪的方法可以快速、有效地监测开采井与回灌井之间是否存在直接水流通道，确保了开采井的稳定开采。

附图说明

当结合附图考虑时，参考下面的描述能够很好的理解本发明的结构、原理、工作特点和优点，但此处说明的附图用来对本发明的进一步解释，所附示意图只是为了更好的对本发明进行说明，并不对本发明构成不当限定，其中：

图1为本发明的智能地热采灌系统的示意图；

图2为本发明的智能地热采灌系统的采灌方法的流程图；

图3为本发明的智能地热采灌系统的示踪方法的流程图；以及

图4为本发明的地热井间示踪示意图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步的描述，应当指出的是，以下实施例仅仅为示意性的，其并非意图限制本发明。

参考图1，本发明的智能地热采灌系统包括多个开采井1和多个回灌井2。多个开采井1分别通过送水管4连接至集水器3，多个回灌井2分别通过管道连接至分水器5。集水器3和分水器5可以是水箱或者水池的形式。集水器3的作用在于将从开采井1抽取的地热水进行汇集，防止各开采井1中抽取的水温度不一致。集水器3的另一个作用在于调节热输出量。集水器3具有保温的功能，因此，在集水器3中可以保持存储有一定量的地热水，由此当遇到停电、或抽取设备故障时，也可以确保供热。同时集水器还起到温度调节的作用。当环境温度较低时，可以从集水器中抽取更多的地热水，而当环境温度较高时，例如在白天时，可以从集水器3抽取较少的地热水。由此实现了地热水输出的动态调节，确保时刻都能不间断地、高效地供热。

在集水器3和分水器5之间配置有换热器6，地热水从集水器3进入到换热器6中与其中的冷却水、例如供暖水进行换热后进入分水器5中。这样采取的地热水加热了冷却水后可以回灌到回灌井中。

本发明的采灌系统采用多级过滤的形式。送水管4的末端配置有水泵7，用于抽取开采井中的地热水。水泵7的进口处设置有一级过滤装置，该一级过滤装置为粗滤装置，选用网孔较大的过滤网，而不宜采用网孔较小的过滤网，因为，地热水中含有大量小石子，泥浆，如果网孔过小，容易造成堵塞，从而使得水泵承受的压力变大，容易损坏过滤装置。

在集水器3和换热器6之间的出水管道上，设置有二级过滤装置，该过滤装置为精滤装置，采用网孔较小的过滤网。由于地热水在集水器3中转，因此一部分大质量的泥沙颗粒将沉淀在集水器3的底部，出水管道设置在集水器3的上部，高于集水器3的进水管，这样，进水管携带的泥沙将首先进行沉降，而出水管的位置较高，水质较为干净。在集水器3的中上部还设置有过滤网，用于隔离进水管和出水管，这样集水器3的下部是连通的，而上部被过滤网隔开，沉降的泥沙不能从集水器3的上部渗透到出水管的一端，但可以在集水器3的整个下部沉积，这增加了泥沙的沉积面积，有利于泥沙的快速沉降。经过精滤装置过滤后的地热水进入换热器6中与冷却水进行换热后，进入分水器5中。

分水器5和回灌井2之间同时也设置有过滤装置，用于对地热水中的泥沙进行过滤，防止泥沙进入到回灌井2中，堵塞回灌井2的水流通道。

在集水器3和分水器5的下部都配置有排污口，当采灌系统进行维护时，打开排污口可以将其中的泥沙排出。

本发明的智能采灌系统还包括中央处理器8，用于整体控制地热水的采灌。在每个开采井中均在井内的水泵下方配置水位、水温自动监测仪9，水位、水温自动监测仪9通过数据传输线缆10连接到井外的数据无线传输装置14上，这样，水位、水温自动监测仪9采集到的开采井参数将通过数据无线传输装置14传输到数据接收装置11上，数据接收装置11进一步将采集到的开采井参数传输给中央处理器8。相同的，在每个回灌井液面下方的回灌管道的出口的下方也都设置有水位、水温自动监测仪9，通过该水位、水温自动监测仪9，回灌井中的会灌水的参数将被采集后通过数据无线传输装置14传输到数据接收装置11上，从而传输到中央处理器8上。

对于每个开采井的水泵，均配置有水泵自动控制装置12，中央处理器8通过水泵自动控制装置12控制开采井中的水泵，从而控制开采井中开采的地热水量。对于每个回灌井，在每个回灌井管道上均设置有流量自动控制装置13，中央处理器8通过流量自动控制装置13控制回灌井管道的开度，从而控制每个回灌井的回灌水量。

参考图2，本发明的智能采灌系统的操作方法如下：

步骤1，中央处理器8设定换热器6进口处的冷却水温度TL1，调整冷却水循环速度以维持该温度TL1，同时监测换热器6出口处的冷却水温度TL2。由于冷却水是作为供暖用水，为了保障用户获得稳定的热量，应确保冷却水供完热后温度达到一定的水平。例如，为了维持供暖室温达到20度，则需要确保冷却水供完热后温度达到35度的水平。由于冷却水是循环使用的，因此要维持温度TL1不变，则需要调整冷却水的循环速度，如果大气温度较低则冷却水的循环速度应当适当提高。

步骤2，中央处理器8监测冷却水的循环速度，根据管径计算出冷却水的循环质量流率QL，根据进口处的冷却水温度TL1和出口处的冷却水温度TL2，以及冷却水的循环质量流率QL，计算出单位时间内换热器所需交换的热量RL，采用如下公式：

RL＝(TL2-TL1)*QL*C,其中C为水的比热。

步骤3，中央处理器8监测换热器6进口处的地热水温度TD1和换热器6进口处的地热水温度TD2，并计算地热水的单位质量流率QD。由于单位时间内换热器能够获得的热量RD,采用如下公式：RD＝(TD1-TD2)*QD*C,其中C为水的比热。

由于单位时间内换热器所需交换的热量RL等于单位时间内换热器能够获得的热量RD，即RL＝RD因此(TL2-TL1)*QL＝(TD1-TD2)*QD，

由此，QD＝(TL2-TL1)*QL/(TD1-TD2)。可见地热水的单位质量流率与冷却水的进出口温度TL1、TL2、冷却水的质量流率QL、地热水的进口温度和出口温度TD1、TD2相关。在实际操作中，由于TL1是恒定量，因此为了维持该恒定量则需要调整到一定量的QL，一定量的QL又获得了确定的TL2。即，单位时间内所需的热量R是可以确定的。通过单位时间内所需的热量R反推所需要的地热水质量流率QD，由于集水器中的地热水的温度TD1是确定的，因此可实现控制集水器的抽取速度的控制，例如可以通过控制集水器3的抽水泵的转速来实现。

步骤4，中央处理器8根据集水器3的质量流率QD，为每一个开采井计算采水质量流率QK，从而控制每个开采井的水泵的转速。例如在平均采水量的情况下，当具有三个开采井时，每个开采井的质量流率QK＝1/3*QD。中央处理器8可控制每个开采井的水泵转速，以获得每个开采井质量流率QK。

步骤5，中央处理器8监测每个开采井的水位、水温，如果某个开采井的水位或水温低于预定值，则中央处理器8控制该开采井的水泵停止转动，或者以较低的水平转动，同时相应提高水位较高的开采井的水泵的转速，使得其输出的质量流率增加。从而整体上确保开采井的地热水总质量流率维持在相对稳定的范围。

步骤6，中央处理器8监测每个回灌井的水位、水温，如果某个回灌井的水位高于预定值，则中央处理器8控制该回灌井的流量自动控制装置关闭，或者以较小的开度打开，同时相应提高水位较低的回灌井的流量自动控制装置的开度，使得其回灌的水的质量流率QH增加，从而整体上确保每个回灌井的地热水的水位维持在大致相同的范围。如果某个回灌井的温度低于预定值，则说明该回灌井存在与地下冷径流热交换的可能，这将不利于地热田的储热，因此，此时将减少或停止向该回灌井供水，中央处理器8控制该回灌井的流量自动控制装置关闭，或者以较小的开度打开，同时相应提高水位较低的回灌井的流量自动控制装置的开度，使得其回灌的水的质量流率增加，从而整体上确保能够完全接收开采井的地热水。

另外，本发明的智能采灌系统还包括一种示踪方法，用于确定回灌井与开采井之间是否存在明显的水流通道，如果存在明显水流通道，则应当减小或停止向该回灌井回灌地热水。

地热回灌示踪技术的基本原理是在回灌测试井组的回灌注水井中投加适当的示踪剂，按照规范的取样频率，在回灌测试井中取样和制样。

参考图3，该示踪方法如下：

步骤1，测定地热田的地热水成分，确定其不含有所选定示踪剂，检测地热田的岩石结构，确保所选定示踪剂不与该岩石发生反应或被岩石吸收，监测地热水温度，确保地热水温度不影响所选定示踪剂的稳定性。选择适当的示踪剂是示踪方法成功的关键之一，对于地热回灌来说，示踪剂应满足以下要求：(1)热储中一般不应存在，或者含量稳定并远低于示踪剂监测点在试验期间的预期浓度；(2)不应和热储岩石之间发生反应或被热储岩石所吸附；(3)在温度较高时仍应有比较好的稳定性；(4)不应过于昂贵；(5)应易于投放、采样和分析，分析成本应比较低。综合考虑各方面价格的因素等后，可选择例如氟苯甲酸类示踪剂2,4-FBAS。

步骤2，选定多组开采井和回灌井，对于其中的每一组，开采井中开采的地热水全部回灌到同组的回灌井中，向每组的回灌井中注入示踪剂，示踪剂的质量与集水器3的质量流率QD相关，中央处理器8还包括示踪剂计算模块，根据下述公式计算示踪剂质量Ms：

Ms＝QD*24*D*S/P

其中S为示踪剂最低检测下限浓度，通过氟苯甲酸类示踪剂2,4-FBAS的检测灵敏度为0.04ng/ml，踪剂最低检测下限浓度S通常取该检测灵敏度的10-30倍。

D为实验天数，由于示踪剂在地层下的渗透是缓慢的，因此要在开采井中测出从回灌井投放的示踪剂需要一定的时间，该时间跟地质条件、开采井与回灌井的距离相关，通常选择50-80天。

P为示踪剂回收率，通常由于地层情况复杂，投放的示踪剂只有很小一部分会进入开采井中，因此P的取值在0.005-0.02之间，即每投100份的示踪剂仅有0.5份-2份的示踪剂可以被回收。

步骤3，中央处理器8还包括示踪剂分配模块，中央处理器8监测每个回灌井的回灌水量，并取每个回灌井一段时间的回灌水量的平均值相比较，按比例计算出每个回灌井应投放的示踪剂量Msn＝Ms*B，其中B为单个回灌井一段时间的回灌水量的平均值占全部回灌水量的比例。

由于热储层的复杂性，示踪剂流向、浓度有很大不确定性。故此以开采井抽取到可以按1％的回收率进行计算。若开采井抽取的水样中未检测出氟苯甲酸，则说明有不到1％的水从回灌井流到开采井。若检测出示踪剂，则可以按图4所示示踪剂示意图进行分析，其中附图标记15代表示踪剂扩散范围，图中P1、P2为开采井与回灌井之间的水流通道。

例如，开采井开采量Q按150m3/h，开采期定为60天，按示踪剂最低检测下限浓度(S)4×10-8kg/m3的25倍计算，即1×10-6kg/m3，计算过程如下：Q60＝Q×24×60＝2.16×105m3；A60＝Q60×S＝0.216kg；A＝A60/1％＝21.6kg

通过比较两种方法计算得出的示踪的投放量，均在同一个数量级，二者相差4.7kg，说明计算结果可靠。为了使地热水中的示踪剂浓度达到一个相对较高的值，而同时不会增加太多的示踪剂，选择21.6kg为示踪剂的投放量。

步骤4，根据步骤3计算出的每个回灌井应投放的示踪剂量Msn，对每个回灌井进行投放示踪剂。

示踪剂现场注入由专业人员按操作规程完成。回灌井井口注水压力很小，可以直接注入示踪剂，示踪剂采用井口直接投加方式注入。检查投放示踪剂的注水井管线，确保各阀门、管线密封严密。打开回灌井口阀门。将配置好的氟苯甲酸溶液直接投加到注水管线，示踪剂随注入水注入回灌井中。

步骤5，检测相应组的开采井中的地热水的示踪剂含量，如果所述示踪剂含量未检测到，说明回到该组开采井中示踪剂的含量小于P值，则回灌井与开采井之间不存在直接的水流通道，回灌井是有效的，可以继续使用；如果检测到一定量的示踪剂含量，并且如图4中所示，附图标记15所示的示踪剂扩散范围可知，则说明该组回灌井与开采井之间存在直接的水流通道，则应重新评估回灌井是否应当继续采用。

还包括步骤6，将检测到示踪剂含量的开采井和回灌井的组拆散，重新配对组成新的开采井和回灌井的组，重复步骤1-5。由此可以为每组开采井选择出相应的无直接水流通道连接的回灌井。

尽管已经结合实施例对本发明进行了详细地描述，但是本领域技术人员应当理解地是，本发明并非仅限于特定实施例，相反，在没有超出本申请精神和实质的各种修正，变形和替换都落入到本申请的保护范围之中。