具有连通器的地热井的制作方法

本发明涉及替代且可再生能源，特别是涉及使用在底土的最深层中发现的热量作为主要能源的能量转换设备。更具体地，本专利提供了一种新的创新性的地热井，其适于将热量从底土传送到引入井中的水，从而解决了迄今为止在这种类型的设备中观察到的危害。

背景技术：

地热能量是来自地质热源的能量，并且在相对短的操作时间内，其可以被认为是替代的可再生的能源。它基于对地热梯度(即，地球的自然热)的利用，这是由于通过放射性元素(诸如铀、钍和钾)的自然核衰变过程所释放的热能。穿透地表下方的深层，温度逐渐升高，进入地壳中平均每公里增加约30℃，进入地幔中每公里增加约80℃。这些是平均值。事实上，热梯度可能甚至几十倍地更高或更低。然而，这种能量的沉积层有时太深而无法利用它们。提取和使用在地球中捕获的能量需要确定具有正热异常的区域(其中地热是集中的)：这些区域通常被称为地热储集层或沉积层。

至少从旧石器时代开始，热源就被用于沐浴。在公元一世纪，罗马人征服了苏利斯泉(aquaesulis)(当今英国的巴斯)，并利用其热源提供公共沐浴和地暖。进入这些沐浴的费用代表了地热能量的首次商业用途。用于一个地区的最古老的地热系统安装在法国的肖德赛格(chaudes-aigues)，并于14世纪开始运营。第一次工业利用追溯到1827年，当时在托斯卡纳的拉尔代雷洛(larderello)，间歇泉的蒸汽被用于从泥火山中提取硼酸。

在1892年，美国博伊西(爱达荷州)的第一个加热系统直接由地热能量供应，并于1900年在俄勒冈州复制。自1943年以来，冰岛和托斯卡纳一直使用深层地热井和间歇泉来加热温室。

在20世纪，电能需求促成考虑地热能量作为用于产生电能的主要来源。皮耶罗·基诺里·孔蒂(pieroginoriconti)王子于1904年7月4日在同一拉尔代雷洛油田实验了第一台地热发电机，从酸中提取地热能量由此开始。该实验能够照明四个灯。后来，在1911年，在同一地点建立了史上第一个商业地热设备。

我们希望参照由著名的“mit”(麻省理工学院)进行的研究更加深入地了解当前能源应用的课题。

通过利用地热梯度获得的能量目前占全球能量需求的至少2％。然而，根据前面提到的研究，在我们脚下，由地热产生的能量潜力总计约为12,600,000z焦耳。

考虑到地球上每年的能量需求总计约0.5z焦耳，并且考虑到现代技术使我们能够使用所述能量中的仅2000z焦耳，显然仅利用地热能量就足以通过绿色能量满足整个地球在接下来的4000年里的能量需求。

针对优化地热设备的研究促成了对利用与低沸点系数流体(中焓地热)相互作用的二元循环设备的开发。在这些设备中，水和氨的混合物提供了良好的转换产率。此外，卡林(kaline)方法促成了相对于二元循环设备的进一步3％的优化产率。

二元循环设备于1967年首次在苏联展出，并且其随后在1981年被引入美国。这种能量使得能够相对于过去从非常低温的能源产生电能。

虽然由地热热源产生的能量是可再生的并且因此可归类为对地球没有负面影响的绿色能量，但是由于设备本身的存在会出现各种危害。钻探地壳到达土壤表面下方甚至会超过3公里的相当深度，不可避免地且不可逆转地破坏了下面的岩石层。除此之外，钻探用于引入深处的冷水(该冷水吸收了存在于底土中的岩石的热量)的钻井，经常需要破开热的干燥岩石，目的是增加热交换表面。破坏地质层可能会对井周围的区域造成灾难性的后果。可能发生经常的微震，同样的情况适用于临界沉降现象，即土壤水平高度的下沉。将硫化氢释放到空气中也是一种常见现象，这在设备周围的整个区域留下难闻的气味。通常，将铅、汞、砷、石灰石、次氯酸、硫化氢、氡和破碎元素释放到在井中循环的水中同样是有害的。这些元素的存在需要监控水的组成并采取化学/物理/机械消除措施，显著地增加了设备维护成本。此外，存在于底土中的高温容易在管道和热交换器中形成结壳，从而随着时间推移威胁到设备的效率。

因此，由于目前可用的现代的软件和控制系统技术，监控设备变得越来越重要。最近提交的美国专利no.us2016011570描述了基于通过多个传感器和检测器来控制回路水的参数的地热设备优化过程。

然而，似乎还没有设计出能够避免出现上述缺点而不是监控它们的地热井。由土壤的有害钻探引起的大多数现象也可以通过比如说“同心”井来克服，即其中用于引入冷水的井和用于提取热水的井在彼此内部并且深度地密封以便形成回路的设备。实际上，迄今为止，安装地热井所需的钻探操作总是至少为两个、一个或更多个用于流入管道，一个或更多个用于流出管道。这需要加倍的生产成本并引发上述环境问题。

因此，本发明的目的是提供一种能够克服环境危害且需要低维护、保证大约35年的运行持续时间的地热井。此外，所讨论的井的操作由专用软件支持，该专用软件保证了对正确和安全使用设备所需的条件的维持。

技术实现要素：

根据本发明，提供了一种具有连通器的地热井，其主要目的是降低地热设备的生产成本，以及避免与存在于底土中的井有关的环境问题。

更具体地，本发明的井仅需要一次钻探，而不是迄今为止使用的地热井所需的两次钻探。此外，所讨论的地热井有效地消除了与迄今为止尚未解决的沉降和微震现象有关的问题。

就像迄今为止使用的普通井一样，这种地热井利用地球底土的最深岩石层典型的内源热量。为了提取并使其可利用，通常将由水代表的流体引入到在土壤水平高度下方竖直延伸的管道中。随着下降，流体吸收地球热量的一部分，并且随后通过提取管道再次输送到地面，提取管道将流体输送到热用户装置，即适于利用所述热量作为主要能源的任何装置。

有利地，所讨论的地热井由同轴地布置的内部管道20和外部管道10组成，并且内部管道和外部管道适于分别用作用于引入流入冷流体41的管道和用于移除流出热流体51的管道。更具体地，所述内部管道20适于从入口泵40传送流入物41直到由井的深度确定的水平高度。土壤水平高度以下的这种水平高度取决于地热系数的拦截深度和设备的操作温度。替代地，所述外部管道10的尺寸被适当地设计成使得流体能够以流出物51的形式上升，所述流出物从井的远侧端部向上输送直到其到达任何热用户装置。

有利地，为了保证内部管道20与外部管道10之间的相互同轴位置的维持，形成所述外部管道10的每个模块化元件11的内表面设置有多个间隔件14(优选为三个)，这些间隔件在直的路径之后会聚到圆形套环15中。这种套环15由与所述外部管道10同轴的圆形金属元件构成，在组装期间，所述内部管道20的相应模块化元件21插入套环中。有利地，所述内部管道20的所述相应模块化元件21进而在其外表面上设置有适于与所述套环15接合的圆形金属凸缘24，目的是相对于所述套环15锁定所述内部管道20的所述模块化元件21的位置。

这些解决方案还有助于避免所述内部管道20与所述外部管道10之间的过度相互振荡。

应当观察到，所述套环15相对于所述内部管道20的所述模块化元件21的尺寸使得能够在所述模块化元件21的线性方向和立方方向上实现热膨胀，所述热膨胀不可避免地由所述设备的高操作温度和所述循环流体施加的高压力引起。

有利地，循环流体的压力由布置在所述内部管道20的入口处的入口泵40调节。

通过普通专用软件有利地保证整个设备关于地热井的安全性。专用软件监控井内流体的循环，并接收与来自特殊检测传感器60的管道振荡有关的数据。更确切地，所述检测传感器60为至少两个，并且具体甚至更多，一个将涉及记录所述内部管道20的振荡，并且另一个将专用于外部管道10。可能地，所述检测传感器60还可以适于向所述专用软件传输关于循环流体的化学-物理特性和井的内部压力的信息。

有利地，所述专用软件被编程为在入口泵40上、在驱动调节阀71上以及在多个致动器上操作，目的是使振荡回到预先建立的阈值内，从而消除微震的潜在发生。所述致动器可以由普通电机和/或同步电机和/或流量调节阀构成。

有利地，所述井还设置有自动安全阀70，出于关于潜在过压的安全原因，该自动安全阀布置在所述外部管道10的近侧端部处。由于操作地热井的存在，整体有助于关于消除对周围环境影响的本发明目的。

有利地，具有连通器的井的构造由于其性质已经能够显著地减缓振荡。事实上，下降和上升流由于其运动方向相反而相互抵消大部分的振动。有利地，由于软件对致动器和阀的作用，随后发生整体减缓。

本发明的另一优点在于组成井的管道的模块化。实际上，类似于内部管道20，所述外部管道10由多个模块化元件11、21组成，每个模块化元件由普通的圆柱形中空曼内斯曼(mannessmann)管构成，设置有布置在所述模块化元件11、21的上端和下端处的一对螺纹部段12-12’、22-22’。

所述螺纹部段12-12’、22-22’有利地适于使每个模块化元件11、21与后续模块化元件能够稳定且可逆的旋拧和固定，直到获得两个管道10、20的期望深度。

与其他模块化元件11相比，外部管道10的末端元件有利地由在上端设置有螺纹部段12并且在下远侧端部具有封闭盖13的筒状体构成。这样，是为了防止流体从所述外部管道10流出及随后发生的散入地面。

替代地，所述内部管道20具有在上端设置有螺纹部段22且在下端设置有自由端23的末端元件。这使得流体能够从内部管道20流出到外部管道10。

有利地，为了保证在外部管道10和内部管道20两者的各模块化元件11、21之间的接合部的密封，特氟隆(teflon)层从内部和外部密封该接合部。

由所讨论的地热井提供的进一步优点之一在于以下事实：它不从底土中提取水而改变地面的湿度条件。事实上，在由特殊的热用户器装置作为能源利用之后，所述流出物51作为冷却的返回流体被重新引入到回路中，从而形成新的流入物41。

有利地，所述热用户装置可以是普通的热交换器或普通的蒸汽发生器。

附图说明

下面将参照附图，以通过非限制性示例提供的至少一个优选实施例描述本发明，在附图中：

图1示出了本发明的地热井的总体操作图，其示出了以同心方式布置的外部管道10和内部管道20。在图的左侧，示出了流入水41的流动，流入水经过入口泵40，在高压下在内部管道20中输送。由于存在于地球深度中的热梯度，随着水更深地下降，水变得越来越热。在到达内部管道的底部时，由表示温度升高的越来越暗的箭头表示的水流向上上升到在内部管道20的外表面与外部管道10的内表面之间发现的空间中。由黑色箭头表示的流出物51朝向热交换器和蒸汽发生器或用于利用该设备的任何其他仪器输送。此外，示出了通过专用软件监控井的安全性和效率的两个检测传感器60、自动安全阀70和驱动调节阀71。

图2a示出了内部管道20的模块化元件21和外部管道10的模块化元件11的正视图。具体地，在外部管道10的模块化元件11的两端示出了螺纹部段12和12’，而在内部管道20的模块化元件21的两端示出了另两个螺纹部段22和22’。这种部段被指定用于与先前的和随后的模块化元件11、21的稳定接合，以便形成深入地下降到地下的管道。

图2b示出了前图的相同正视图，但是在这种情况下，是关于内部管道20和外部管道10的末端模块化元件11、21。在每个模块化元件11、21的上端示出了能够与上面的模块化元件11、21连接的相应的螺纹部段22、12。外部管道10的模块化元件11的下端设置有封闭盖13。内部管道20的模块化元件21的下端反而是自由端23。

图2c示出了井的俯视图，其中外圆周表示外部管道10的轮廓，内圆周表示内部管道20的轮廓，其中示出了在内部管道外部上的套环15和存在于包括在所述内部管道20与所述外部管道10之间的圆形冠部中的三个辐条。三个辐条代表间隔件14，在后续附图的帮助下可更好地可见和理解。

如先前所提到的，图3示出了井的深处结构的三维视图，其中除了外部管道10和内部管道20之外，还示出了所示的间隔件14，其从外部管道10开始会聚在套环15上。应该观察到，该图像以从底部到顶部的视图(即从井的底部朝向表面)表示。实际上，在套环15的顶部部分处，关于内部管道20的模块化元件21可看到凸缘24的接合。

具体实施方式

现在，将参照示出了关于本发明构思的一些实施例的附图通过非限制性示例的方式来说明本发明。

参照图1，示出了本发明的地热井的操作图。为了更好地理解本发明的深度创新性方面，应当观察到迄今为止使用的井需要两次钻探和深深地布置为将水流入管道水平地连接到流出管道的管道。由于本发明，流出管道包含用于水(更通常地是流体)流入的管道。因此，外部管道10和内部管道20是同轴的，并且内部管道20足够大以保证在包括在内部管道20的外表面与外部管道10的内表面之间的圆形冠部中发生流出物51的较慢上升。这使得流体能够在更长的时间段内与井的外壁接触并因此吸收其热能。

因此，当形成井时，将仅需要一次钻探而不是两次钻探。

为了理解本发明，我们希望强调的是竖直回路相对于迄今为止所使用的类型的井具有巨大差异，即在流入和流出时在井之间在水平方向上具有流体路径。在热梯度随深度的增加而成比例地增加的情况下，竖直延伸系统使得能够将流速调节到热功率需求。

仍参照图1，箭头示出了流体路径。左侧的第一白色箭头示出了流入物41，该流入物经过入口泵40以期望的压力被输送到内部管道20中。下降地越深，流体吸收由最深的岩石层传输的内源热量。我们想指出的是，井的深度取决于通过在现场的初步研究期间进行的岩心取样所遇到的岩石的类型。其深度将在规划阶段根据实际上检测到的温度而建立。

越来越热的流体到达井的远侧端部，并且在内部管道20敞开的情况下，使所述流体流入外部管道10中。由构成流出物51的黑色箭头表示的上升从这里开始。流出物被朝向至少一个专用热用户装置输送，该热用户装置既可以是普通的热交换器也可以是普通的蒸汽发生器。此时，流体已冷却，并且其作为冷却的返回流体被重新引入循环中，构成新的流入物41。

循环流体的重新引入消除了发生沉降现象的可能性，即由于含水层的提取导致的土壤下沉。

为了还消除目前发生在普通地热井中的微震，本发明的设备设置有许多预防措施，用于减缓在内部管道20中产生的振荡。更确切地说，井的同心流的构造已经保证了在相反方向上流动的振荡的给定减缓水平，这是因为由流入物41产生的振动至少部分地抵消由上升流产生的振动。此外，圆形凸缘24布置在所述内部管道20的外部，以便支持这种振荡的减缓、确保两个管道之间的同轴度的维持并同时实现不可避免的热膨胀。所述凸缘24适于在上部部分处与属于外部管道10的圆形套环15接合，圆形套环通过多个(优选三个)间隔件14连接到外部管道的内表面，所述间隔件由任何金属或金属合金制成的普通杆或板构成，适合于在两个管道之间提供结构支撑。

图3详尽地示出了上述部件之间的相互接合。应当观察到，流体在非常高的压力(总计约200巴)下被引入到内部管道20中，因此振荡可能相当大。更具体地，由于高操作温度，所述套环15被适当地设定尺寸以能够在线性方向和立方方向上实现可能的热膨胀。甚至更具体地，具有相对间隔件14的所述套环15以规则的间隔布置，特别是在管道由模块化元件11、21构成的情况下，对于外部管道10的每个模块化元件11将存在具有间隔件14的套环15，且对于内部管道20的每个模块化元件21将存在凸缘24。

加强机械系统由电子控制系统通过适于防止前述微震的专用软件来支持。

具体地，该井设置有位于外部管道10处的至少一个检测传感器60和位于内部管道20处的检测传感器。后者适于将源自循环流体的压力的关于管道10、20的振荡的信息传送到所述专用软件。可能地且优选地，所述检测传感器60还可适于向所述软件传送关于循环流体的化学-物理组成以及关于其循环压力的信息。

在收集该信息时，如果返回流振动不足以使它们回到预设阈值内，则所述专用软件能够减缓振荡。具体地，所述软件通过以下方式操作：由普通电机和/或同步电机和/或流量调节阀构成的驱动调节阀71、入口泵40和多个致动器适合于减缓振荡并防止潜在的微震。

所述井还设置有自动安全阀70，其适于在检测到循环流体的过压的情况下自动操作。

而且，本发明的井的构造特征揭示了创新性的优点。外部管道10和内部管道20都由多个模块化元件11、21构成，这些模块化元件一个接一个地相互联接，直到达到计划深度。所述模块化元件11、21由普通的圆柱形中空曼内斯曼管(即，没有焊接)构成，设置有布置在所述模块化元件11、21的上端和下端处的一对螺纹部段12-12’、22-22’。所述螺纹部段12-12’、22-22’适于使每个模块化元件11、21与后续的模块化元件能够稳定且可逆的旋拧和固定，直到获得期望的深度。一个模块化元件11、21与另一个模块化元件之间的每个接合部借助于布置在该接合部内部与外部的特氟隆层密封。

表示关于上述的例外情形的唯一元件是如图2b中详尽地表示的管道10、20的末端元件。具体地，外部管道10的末端元件(表示其远侧端部)由圆柱形的中空本体表示，设置有如先前描述的螺纹部段12，这使得能够相对于上面的模块化元件11对其进行旋拧。相对端替代地设置有封闭盖13，该封闭盖适于防止流体从所述外部管道10流出及随后发生的散入地面。

内部管道20的末端元件替代地由圆柱形的中空元件构成，在上端处设置有螺纹部段22，用于将其旋拧到上面的模块化元件21，并且在下端处具有自由端23。这使得流体能够从内部管道20流出到外部管道10。

最后，显然，在不脱离由所附权利要求概述的保护范围的情况下，到目前为止所描述的发明可以经受对本领域技术人员来说显而易见的修改、添加或变型。