地能干热岩树状多点换热综合利用系统及利用方法与流程

本发明属于清洁能源技术领域，特别涉及地能干热岩树状多点换热综合利用系统及利用方法。

背景技术：

地热资源与其他新能源如太阳能、风能和生物质能等相比，具有分布广、受外界影响小（如昼夜、风速、温差）、碳排放量及维护成本低等特点，地热资源主要分为水热型和干热岩型，干热岩型地热是指存储于深度3-10km高温岩体或岩浆中的热量，储层温度可达100～650℃。目前世界各国主要利用的水热型中低温地热仅占探明地热资源的极小一部分，而中高温干热岩地热资源在地球上的蕴藏量丰富且温度高。据国家有关部门最新数据显示，我国大陆3~10千米深处干热岩资源总量相当于860万亿吨标煤；若能开采出2％，就相当于2010年全国一次性能耗总量（32.5亿吨标煤）的5300倍。所以，中高温干热岩地热的开发极有可能为我国节能减排和新一轮能源结构调整做出重大贡献，合理地开采储层深部地热能不仅可能起到节能减排和能源调整作用，更可为偏远地区能源需求提供保障。

中高温地热资源开发具有很大的技术挑战。因此，美国科学家提出采用增强型地热系统的方式进行开发，现有技术中干热岩地热利用要求在地下形成广泛的岩石裂隙，通过水流经裂隙实现与干热岩的热交换。换句话说，要造出地下热储水库。目前，主要有人工高压裂隙、天然裂隙、天然裂隙-断层三种模式，其中研究最多的是人工高压裂隙模式，即通过人工高压注液到井底，高压水流使岩层中原有的微小裂隙强行张开或受水冷缩产生新的裂隙，水在这些裂隙间流通，完成注液井和生产井所组成的水循环系统热交换过程。由于干热岩具有渗透率低、孔隙率低、储层位置深等特性，造成地热利用效率低，即地层热提取效率低和地下换热流体流失率高。

总体来说，干热岩钻井技术已不成问题，储层压裂不可控性造成的泄露问题和渗流通道的高效流动是制约干热岩开发的主要问题。到目前为止，还没有可以高效又安全的干热岩地热开采方式，常常使用热源泵采集热源用于供暖与发电，能源消耗大，而且未能对地热能提取过程实时进行监控。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的不足，解决地能干热岩热量提取效率低、地下换热流体流失率高和地热能提取过程实时监控的技术问题，本发明提供地能干热岩树状多点换热综合利用系统及利用方法。

本发明通过以下技术方案予以实现。

地能干热岩树状多点换热综合利用系统，它包括换热系统、监控系统、供暖系统与发电系统，所述换热系统包括换热管组、换热井和分离板，所述换热管组包括换热管、换热封装套管、数据线集线管、注液管、抽液管、抽液泵、注液控制阀、抽液控制阀和包覆层；所述换热井包括主井和副井；所述监控系统包括控制模块、数据采集系统、数据传输系统、数据处理模块与显示模块，其特征在于：

通过换热系统将低温换热介质与具有高温地热能的干热岩层换热，换热后的高温换热介质分别与供暖系统与发电系统的进液口连通，供暖系统与发电系统的出液口分别与换热系统连通，监控系统监控换热系统的换热过程；

所述换热系统中：

由碳纤维和钛镍金属丝混纺编制成空心换热管单体，内径由大到小的多根换热管单体由内向外套设在一起形成换热管，相临两层换热管单体之间设置有缝隙；所述换热封装套管侧壁设置有空腔，换热管封装于换热封装套管的空腔中，若干根封装后的换热封装套管环抱呈圆柱体，形成换热管组，换热管组外包裹有包覆层，所述换热封装套管侧壁的空腔内还设置有数据线集线管，数据线集线管与换热封装套管一体成型，数据线集线管内壁设置有隔热涂层，数据线设置于数据线集线管内组成数据传输系统；换热封装套管内壁设置有注液管和抽液管，注液管与换热封装套管一体成型，所述注液管延伸至换热封装套管底部，所述抽液管设置于换热封装套管内壁的顶部，每根抽液管上均设置有抽液控制阀，若干抽液管汇集成主抽液管，主抽液管出水口上设置有抽液泵，注液管上设置有注液控制阀，所述控制模块控制抽液泵、注液控制阀与抽液控制阀开启或关闭；

所述主井竖直设置于地表内，主井底部设置有分离板，主井下底面与若干副井连通，所述副井由竖井或斜井或水平井或上述不同形态的井任意组合形成，竖井、斜井与水平井首尾相接，根据地热能实际储量分别设置每一副井中水平井的角度与深度；换热管组设置于主井内，换热管组经分离板分离后，换热管分别延伸至相应副井中；所述主井与副井内壁均设置有护井套管；

所述监控系统中：数据采集系统设置于换热系统中，数据采集系统将采集的数据通过数据传输系统传送至数据处理模块，数据处理模块信号输出端分别与显示模块和控制模块电气连接；所述数据采集系统包括温度传感器、流速传感器与真空度检测器，沿换热封装套管内壁每隔100~150米分别设置有若干温度传感器，沿换热封装套管外壁每隔300~500米亦分别设置有若干温度传感器；在换热封装套管内壁的上部、中部以及抽液口和注液口处分别设置有流速传感器；在换热封装套管侧壁的空腔中，每隔100~150米分别设置有若干真空度检测器；温度传感器、流速传感器与真空度检测器分别与所述数据线连通。

进一步地，所述分离板包括分离板基座、分离切片与导向板，分离切片竖直设置于分离板基座上表面上，分离切片刃口向上，分离板基座上位于分离切片之间设置有换热管通过孔，导向板设置于换热管通过孔下方。

地能干热岩树状多点换热综合利用系统的利用方法，按以下步骤依次进行：

a、换热系统的制备及数据采集系统与数据传输系统的封装：

换热管单体的制备：根据待开采区域地热能实际情况，调整纯钛与纯镍的比例，熔炼纯钛与纯镍制得钛镍金属丝，利用钛镍合金记忆金属的全程记忆效应，将碳纤维和钛镍金属丝混纺编制成不同直径规格的若干根换热管单体；换热管的制备与封装：将5~10根直径由小至大的换热管单体套设在一起，制得换热管；将换热管放置于换热封装套管侧壁的空腔内，将温度传感器、流速传感器与真空度检测器分别对应设置于换热封装套管的内壁、外壁与空腔内，将数据线分别与温度传感器、流速传感器与真空度检测器电气连接后设置于数据线集线管内，最后将换热管封装，换热封装套管空腔内呈真空态，并将换热封装套管下端面密封；其次，根据需要钻的副井的孔数将若干封装好的换热管与换热封装套管环抱呈圆柱体，形成换热管组；最后，在换热管组外包裹包覆层，留待后步使用；

b、地热能探测及钻井：

采用地热能探测设备对地表下干热岩层地热能储量进行探测，选择地热能储量大的区域，采用石油钻井设备在选出的区域上钻主井121，钻井深度为1500米~2000米，然后根据地热能出热量位置在主井下方钻不同角度、不同深度的若干副井，副井深度为2000米~6000米，在钻好的主井与副井的内壁中设置护井套管，在主井底部放置分离板，分离板上的换热管通过孔与副井口部重合，留待后步使用；

c、将上步封装好的换热管组放置于主井内，换热管组持续向下运动，经分离板上的分离切片切分后，包覆层破裂，换热管穿过换热管通过孔后在导向板作用下延伸至副井中；设置于换热封装套管外壁的温度传感器通过数据传输系统将采集的温度信号传输至数据处理模块，数据处理模块通过显示模块显示换热封装套管外壁不同阶段的温度；

d、换热介质填充与抽取的控制：

数据采集系统将采集的数据通过数据传输系统传输至数据处理模块，数据处理模块控制将控制信号分别传送至抽液泵与注液控制阀，控制模块控制抽液泵与注液控制阀开启或关闭，使换热封装套管中的换热介质的体积达到动态的平衡；通过抽液泵将换热后的高温换热介质从抽液管抽出换热封装套管，即获得携带有高温地热能的换热介质；

e、地热能的交换与监控：

控制模块控制注液控制阀开启，通过注液管向换热封装套管中加注低温换热介质，低温换热介质通过注液管注入换热封装套管底部；控制模块控制注液控制阀持续开启，控制模块控制注液控制阀调整注液速度，低温换热介质在换热封装套管管腔内通过换热管与外界高温干热岩换热；换热过程中：设置于换热封装套管内壁的流速传感器通过数据传输系统将采集的流速信号传输至数据处理模块，数据处理模块通过显示模块显示换热封装套管内换热介质不同阶段的流速；设置于换热封装套管内壁的温度传感器通过数据传输系统将采集的温度信号传输至数据处理模块，数据处理模块通过显示模块显示换热封装套管内壁不同阶段的换热介质的温度；换热介质换热过程中，设置于换热封装套管空腔内的真空度检测器通过数据传输系统将采集的真空度信号传输至数据处理模块，数据处理模块通过显示模块显示换热封装套管内的真空度；

f、高温换热介质的循环利用

将前步获得的高温换热介质分别与供暖系统与发电系统进水口连通，并实时通过供暖系统与发电系统中换热介质的温度监控装置获取换热介质的温度，将温度较低的换热介质通过进液管重新注入换热系统换热，循环利用。

进一步地，所述护井套管的材质为钢管。

进一步地，所述钛镍金属丝中钛与镍的质量比为：wti%：wni%=（44~46）%：（54~56）%。

进一步地，所述换热介质或者为水，或者为乙醇，或者为丙酮，或者为三氯三氟乙烷。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

本发明提供的地能干热岩树状多点换热综合利用系统及利用方法，换热管采用碳纤维和钛镍金属丝混纺编制成，当外界温度高于钛镍金属丝的设定温度时，换热管之间的缝隙减小，换热管紧贴岩层，增大与热源的接触面积；当外界温度低于钛镍金属丝的设定温度时，换热管之间的缝隙增大，形成隔热层，取热介质中的热量不易流失至外界环境；此外，换热管还具有耐腐蚀、耐热、耐久的特性。换热套管约束了换热介质的流失，有利于节约水资源，提高换热效率。另外，主井与副井呈树状分布，降低了钻井数目，有利于高效集约化的干热岩地热能换热。监控系统对换热过程实时监控，根据供暖系统与供电系统对热量的需求，控制各抽液管上控制抽液控制阀的开启与关闭，实现热源的可调节供给。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为单根换热管管口处水平剖视示意图。

图3分离板处俯视结构截面图。

图4为分离板俯视示意图。

图5为分离板主视示意图。

图6为为水平井末端局部剖面图。

图中，1为换热系统，11为换热管组，111为换热管，112为换热封装套管，113为数据线集线管，114为注液管，115为抽液管，116为抽液泵，117为注液控制阀，118为抽液控制阀，119为包覆层，12为换热井，121为主井，122为副井，1221为竖井，1222为斜井，1223为水平井，13为分离板，131为分离板基座，132为分离切片，133为导向板，134为换热管通过孔，2为监控系统，21为控制模块，22为数据采集系统，23为数据传输系统，24为数据处理模块，25为显示模块，3为供暖系统，4为发电系统，ⅰ为第ⅰ副井，ⅱ为第ⅱ副井，ⅲ为第ⅲ副井，ⅳ为第ⅳ副井。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做详细说明：本实施例是以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下面的实施例。

如图1~6所示，地能干热岩树状多点换热综合利用系统，它包括换热系统1、监控系统2、供暖系统3与发电系统4，所述换热系统1包括换热管组11、换热井12和分离板13，所述换热管组11包括换热管111、换热封装套管112、数据线集线管113、注液管114、抽液管115、抽液泵116、注液控制阀117、抽液控制阀118和包覆层119；所述换热井12包括主井121和副井122；所述监控系统2包括控制模块21、数据采集系统22、数据传输系统23、数据处理模块24与显示模块25，其中：

通过换热系统1将低温换热介质与具有高温地热能的干热岩层换热，换热后的高温换热介质分别与供暖系统3与发电系统4的进液口连通，供暖系统3与发电系统4的出液口分别与换热系统1连通，监控系统2监控换热系统的换热过程；

所述换热系统1中：

由碳纤维和钛镍金属丝混纺编制成空心换热管单体，所述钛镍金属丝中钛与镍的质量比为：wti%：wni%=44~46%：54~56%。本实施例中钛与镍的质量比为：wti%：wni%=45%：55%，内径由大到小的多根换热管单体由内向外套设在一起形成换热管111，相临两层换热管单体之间设置有缝隙；所述换热封装套管112侧壁设置有空腔，换热管111封装于换热封装套管112的空腔中，若干根封装后的换热封装套管112环抱呈圆柱体，形成换热管组11，换热管组11外包裹有包覆层119，所述换热封装套管112侧壁的空腔内还设置有数据线集线管113，数据线集线管113与换热封装套管112一体成型，数据线集线管113内壁设置有隔热涂层，数据线设置于数据线集线管113内组成数据传输系统23；换热封装套管112内壁设置有注液管114和抽液管115，注液管114与换热封装套管112一体成型，所述注液管114延伸至换热封装套管112底部，所述抽液管115设置于换热封装套管112内壁的顶部，每根抽液管115上均设置有抽液控制阀118，若干抽液管115汇集成主抽液管，主抽液管出水口上设置有抽液泵116，注液管114上设置有注液控制阀117，所述控制模块26控制抽液泵116、注液控制阀117与抽液控制阀118开启或关闭；

所述主井121竖直设置于地表内，主井121底部设置有分离板13，主井121下底面与若干副井122连通，所述副井122由竖井1221或斜井1222或水平井1223或上述不同形态的井任意组合形成，竖井1221、斜井1222与水平井1223首尾相接，根据地热能实际储量分别设置每一副井122中水平井1223的角度与深度；换热管组11设置于主井121内，换热管组11经分离板13分离后，换热管111分别延伸至相应副井122中；所述主井121与副井122内壁均设置有护井套管123，所述护井套管123的材质为钢管；

所述监控系统2中：数据采集系统22设置于换热系统21中，数据采集系统22将采集的数据通过数据传输系统23传送至数据处理模块24，数据处理模块24信号输出端分别与显示模块25和控制模块26电气连接；所述数据采集系统22包括温度传感器221、流速传感器222与真空度检测器223，沿换热封装套管112内壁每隔100~150米分别设置有若干温度传感器221，沿换热封装套管112外壁每隔300~500米亦分别设置有若干温度传感器221；在换热封装套管112内壁的上部、中部以及抽液口和注液口处分别设置有流速传感器222；在换热封装套管112侧壁的空腔中，每隔100~150米分别设置有若干真空度检测器223；温度传感器221、流速传感器222与真空度检测器223分别与所述数据线连通。

进一步地，所述分离板13包括分离板基座131、分离切片132与导向板133，分离切片132竖直设置于分离板基座131上表面上，分离切片132刃口向上，分离板基座131上位于分离切片132之间设置有换热管通过孔134，导向板133设置于换热管通过孔134下方。

进一步地，所述换热介质或者为水，或者为乙醇，或者为丙酮，或者为三氯三氟乙烷。本实施例中采用的换热介质为水。

地能干热岩树状多点换热综合利用系统的利用方法，按以下步骤依次进行：

a、换热系统11的制备及数据采集系统22与数据传输系统23的封装：

换热管单体的制备：根据待开采区域地热能实际情况，调整纯钛与纯镍的比例，本实施例中钛与镍的质量比为：wti%：wni%=45%：55%，熔炼纯钛与纯镍制得钛镍金属丝，利用钛镍合金记忆金属的全程记忆效应，将碳纤维和钛镍金属丝混纺编制成不同直径规格的若干根换热管单体；换热管的制备与封装：将5~10根直径由小至大的换热管单体套设在一起，制得换热管111；将换热管111放置于换热封装套管112侧壁的空腔内，将温度传感器21、流速传感器22与真空度检测器23分别对应设置于换热封装套管112的内壁、外壁与空腔内，将数据线分别与温度传感器21、流速传感器22与真空度检测器23电气连接后设置于数据线集线管113内，最后将换热管111封装，换热封装套管112空腔内呈真空态，并将换热封装套管112下端面密封；其次，根据需要钻的副井的孔数将若干封装好的换热管111与换热封装套管112环抱呈圆柱体，形成换热管组11；最后，在换热管组11外包裹包覆层115，留待后步使用；

b、地热能探测及钻井：

采用地热能探测设备对地表下干热岩层地热能储量进行探测，本具体实施方式中采用的干热岩层地热能储量进行探测装置为v8，选择地热能储量大的区域，采用石油钻井设备在选出的区域上钻主井121，钻井深度为1500米~2000米，本具体实施方式中主井121的钻井深度为：2000米；然后根据地热能出热量位置在主井121下方钻不同角度、不同深度的若干副井122，副井122深度为2000米~6000米，本具体实施方式中副井122设置有4个，分别为第ⅰ副井、第ⅱ副井、第ⅲ副井和第ⅳ副井，4个副井122上端口均匀地设置于主井121下端口上，其中：第ⅰ副井中斜井1222倾斜角度设置为45°，第ⅰ副井设置水平井1223的深度为4000米，水平井的角度为90°，水平井段长度为1000米；第ⅱ副井中斜井1222倾斜角度设置为45°，第ⅱ副井设置水平井1223的深度为4500米，水平井1223的角度为45°，水平井1223段长度为1000米；第ⅲ副井中斜井1222倾斜角度设置为45°，第ⅲ副井设置水平井1223的深度为5000米，水平井1223的角度为100°，水平井1223段长度为1000米；第ⅳ副井中斜井1222倾斜角度设置为45°，第ⅳ副井设置水平井1223的深度为5000米，水平井1223的角度为45°，水平井1223段长度为1000米；其中，第ⅰ副井与第ⅱ副井的水平井1223角度相同、长度相同、深度不同，第ⅱ副井与第ⅲ副井的水平井1223角度不同、长度不同、深度相同，第ⅲ副井与第ⅳ副井的水平井1223角度不同、深度相同、长度相同。在钻好的主井121与副井122的内壁中设置护井套管123，本具体实施方式中护井套管123的材质为钢管，在主井121底部放置分离板13，分离板13上的换热管通过孔134与副井122口部重合，留待后步使用；

c、将上步封装好的换热管组1放置于主井21内，换热管组1持续向下运动，经分离板3上的分离切片32切分后，包覆层15破裂，换热管11穿过换热管通过孔14后在导向板33作用下延伸至副井22中；设置于换热封装套管112外壁的温度传感器21通过数据传输系统23将采集的温度信号传输至数据处理模块24，数据处理模块24通过显示模块25显示换热封装套管112外壁不同阶段的温度；

d、换热介质填充与抽取的控制：

数据采集系统22将采集的数据通过数据传输系统23传输至数据处理模块24，数据处理模块24控制将控制信号分别传送至抽液泵116与注液控制阀117，控制模块26控制抽液泵116与注液控制阀117开启或关闭，使换热封装套管112中的换热介质的体积达到动态的平衡；通过抽液泵116将换热后的高温换热介质从抽液管15抽出换热封装套管112，即获得携带有高温地热能的换热介质；

e、地热能的交换与监控：

控制模块26控制注液控制阀117开启，通过注液管114向换热封装套管112中加注低温换热介质，本实施例中采用的换热介质为水；低温换热介质通过注液管114注入换热封装套管112底部，由于换热封装套管112底部处于干热岩层位置较深处，所以外层干热岩温度高于换热封装套管112内水的温度，换热管111中换热管单体之间的缝隙减小，换热管111紧贴岩层，增大与热源的接触面积，低温换热介质通过换热管111快速吸热；控制模块26控制注液控制阀117持续开启，控制模块26控制注液控制阀117调整注液速度，低温换热介质在换热封装套管112管腔内通过换热管111与外界高温干热岩换热，通过注液管114向换热封装套管112内持续注入低温换热介质，换热封装套管112中低温换热介质同时与干热岩层和高温水换热，新注入的低温换热介质升温，换热封装套管112中液面不断上升，当换热封装套管112中水的温度高于外界干热岩层的温度时，换热管111中换热管单体之间的缝隙增大，换热管单体之间形成真空隔离层，高温水向外界散热减少，高温水中的热量不易流失至外界环境。换热过程中：设置于换热封装套管112内壁的流速传感器22通过数据传输系统23将采集的流速信号传输至数据处理模块24，数据处理模块24通过显示模块25显示换热封装套管112内换热介质不同阶段的流速；设置于换热封装套管112内壁的温度传感器21通过数据传输系统23将采集的温度信号传输至数据处理模块24，数据处理模块24通过显示模块25显示换热封装套管112内壁不同阶段的换热介质的温度；换热介质换热过程中，设置于换热封装套管112空腔内的真空度检测器23通过数据传输系统23将采集的真空度信号传输至数据处理模块24，数据处理模块24通过显示模块25显示换热封装套管112内的真空度。

f、高温换热介质的循环利用

将前步获得的高温换热介质分别与供暖系统3与发电系统4进水口连通，并实时通过供暖系统3与发电系统4中换热介质的温度监控装置获取换热介质的温度，将温度较低的换热介质通过进液管重新注入换热系统换热，循环利用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。