面向单井闭式地热开采的井下扰流式传热强化系统

本发明涉及地热能开发领域，具体涉及一种面向单井闭式地热开采的井下扰流式传热强化系统。

背景技术：

1、相比于其他可再生能源，地热能具有稳定、持续、供能可靠的优点，非常适合用于供暖及电力系统的基础负荷。而水热型地热资源是开发难度最低、经济效益最好地热资源。但水热型地热资源分布并不广泛，并且在实际应用中还存着因地热水回灌不当所引发生态环境问题，如地下水位下降、地表水污染等。

2、今年来，“只采热不采水”的单井闭式采热技术成为地热资源开发领域的一个新的方向。该技术通常在一口井内布置同轴套管或u型管，然后用水泵驱动水在管内循环流动，从而将地下热能/冷能持续输送到地面。近期也有研究者采用热管来代替同轴套管或u型管，从而降低地热传输过程中的损失和循环泵功消耗。上述系统由于采热工质仅在管内循环，不与地下水连通，因此无需进行地热水回灌，从根本上避免了水热型地热资源开发过程中可能引发的生态环境问题。

3、但上述单井闭式采热技术只能依靠井筒壁面从地下环境中吸收热量，受限于较小的传热面积以及岩体较低的导热能力，单井闭式采热系统的采热性能较差，导致系统投资回收期极长甚至难以实现经济效益，极大地限制了单井闭式采热技术的推广。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本发明提供一种面向单井闭式地热开采的井下扰流式传热强化系统，其可以增加单井闭式换热装置与井内流体、井外地层之间的平均传热量，能够显著提升系统的供暖、发电或制冷总量，大大提升了单井闭式地热系统的经济效益。

2、为实现上述目的，本发明可以采用以下技术方案进行：

3、一种井下扰流式传热强化系统，其包括：

4、地下井筒，其至少部分井段埋设在地下，所述地下井筒包括封闭式井段和连接在所述封闭式井段下的开放式井段，所述封闭式井段与非目标地层接触，开放式井段与目标地层接触并连通；

5、单井闭式换热装置，其至少部分管道设置于所述地下井筒内且至少部分管道与所述地下井筒内的流体接触换热；

6、地面热利用装置，其用于利用所述单井闭式换热装置所提供的热量或/和冷量进行发电、供暖、或/和制冷；以及，

7、井内液压扰动装置，其用于改变所述封闭式井段底部的液体压力大小，使所述目标地层中的流体与所述开放式井段中的流体周期性受控地往复流动，以增加单井闭式换热装置获得的热量。

8、如上所述的井下扰流式传热强化系统，进一步的，所述井内液压扰动装置包括：设置于所述地下井筒外的储液箱，所述储液箱通过抽液管连接有井下泵，所述井下泵浸没于所述地下井筒的流体内，所述储液箱还通过带有回液阀的回液管与所述地下井筒连通，其中，一过程为：所述井下泵将所述地下井筒内的流体经所述回液管抽送至所述储液箱中，从而使所述地下井筒内的液位降低，进而使所述目标地层中的流体流入所述地下井筒中；另一过程为：所述井下泵停机后，打开所述回液管上的所述回液阀，使流体从所述储液罐流入所述地下井筒内，从而使所述地下井筒内的液位升高，进而使所述地下井筒内的流体进入所述目标地层中。

9、如上所述的井下扰流式传热强化系统，进一步的，其特征在于，所述井内液压扰动装置包括：设置于所述地下井筒外的气泵和设置在所述地下井筒顶部的排气口，所述气泵通过管道与所述地下井筒连通，其中，一过程为：通过开启所述气泵增加所述地下井筒内的气体压力，进而使所述地下井筒内的流体进入所述目标地层中；另一过程为：通过打开所述排气口降低所述地下井筒内的气体压力，进而使所述目标地层中的流体流入所述地下井筒中。

10、如上所述的井下扰流式传热强化系统，进一步的，所述井内液压扰动装置包括：设置于所述地下井筒外的储液箱，所述储液箱通过带有排液阀的排液管与所述地下井筒连通，所述排液管上设有排空口；所述储液箱还通过带有注液泵的注液管与所述地下井筒连通，其中，一过程为：通过所述排空口向所述地下井筒注入密度小于所述地下井筒内的流体的液体工质，从而将所述地下井筒内的液位升高至地面并与所述储液箱中液位连通；关闭所述排空口，通过所述注液泵将所述储液箱内的流体注入所述地下井筒内，增加所述地下井筒内的压力，进而使所述井筒内的流体进入所述目标地层中；另一过程为：关闭所述注液泵，通过打开所述排液阀使所述地下井筒与所述储液箱连通，降低所述地下井筒内的压力，进而使所述目标地层中的流体流入所述地下井筒中。

11、如上所述的井下扰流式传热强化系统，进一步的，所述单井闭式换热装置为采用单相工质的同轴套管或u型管、两相工质的热管式井下换热器的任一种。

12、如上所述的井下扰流式传热强化系统，进一步的，所述地下井筒的封闭式井段采用钢管、套管或水泥的任一种或组合固井方式；所述地下井筒的开放式井段采用裸眼、筛管或射孔的任一种或组合连通方式。

13、如上所述的井下扰流式传热强化系统，进一步的，所述地面热利用装置采用压缩式、吸收式或吸附式的任一种或组合热泵机组；以及采用orc、闪蒸式或蒸汽直驱式的任一种或组合发电机组。

14、如上所述的井下扰流式传热强化系统，进一步的，所述井内液压扰动装置的运行时间、扰动频率和扰动强度根据所述地下井筒的埋设地温地质条件而调整。

15、如上所述的井下扰流式传热强化系统，进一步的，通过对所述目标地层进行水力、和/或化学人工压裂手段，或在所述目标地层中注入石英和/或陶瓷支撑剂以提升所述目标地层与所述地下井筒之间的连通性。

16、如上所述的井下扰流式传热强化系统，进一步的，其特征在于，所述目标地层为具有天然渗透性的含水地层或通过人工手段对井外岩体进行改造后的可渗透地层；所述目标地层中的液体为天然存在的水、油或气的原生地层流体，或人工注入的水、油或co2的流体工质。

17、本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

18、1、本发明的面向单井闭式地热开采的井下扰流式传热强化系统，基于“只采热不采水”的单井闭式取热技术，由于采热工质仅在管内循环，不与地下水连通，因此无需进行地热水回灌，从根本上避免了水热型地热资源开发过程中可能引发的生态环境问题，拓展了地热开发技术的使用范围；

19、2、本发明的面向单井闭式地热开采的井下扰流式传热强化系统，在单井封闭式地热系统的基础上，增加了井内液压扰动装置，能够使井内液压发生周期性变化，从而使流体在井内和井外地层之间往复流动，进而大幅增加单井闭式换热装置与井内流体、井外地层之间的平均传热量，能够显著提升系统的供暖、发电或制冷总量，大大提升了单井闭式地热系统的经济效益。

技术特征：

1.一种井下扰流式传热强化系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的井下扰流式传热强化系统，其特征在于，所述井内液压扰动装置包括：设置于所述地下井筒外的储液箱，所述储液箱通过抽液管连接有井下泵，所述井下泵浸没于所述地下井筒的流体内，所述储液箱还通过带有回液阀的回液管与所述地下井筒连通，其中，一过程为：所述井下泵将所述地下井筒内的流体经所述回液管抽送至所述储液箱中，从而使所述地下井筒内的液位降低，进而使所述目标地层中的流体流入所述地下井筒中；另一过程为：所述井下泵停机后，打开所述回液管上的所述回液阀，使流体从所述储液罐流入所述地下井筒内，从而使所述地下井筒内的液位升高，进而使所述地下井筒内的流体进入所述目标地层中。

3.根据权利要求1所述的井下扰流式传热强化系统，其特征在于，所述井内液压扰动装置包括：设置于所述地下井筒外的气泵和设置在所述地下井筒顶部的排气口，所述气泵通过管道与所述地下井筒连通，其中，一过程为：通过开启所述气泵增加所述地下井筒内的气体压力，进而使所述地下井筒内的流体进入所述目标地层中；另一过程为：通过打开所述排气口降低所述地下井筒内的气体压力，进而使所述目标地层中的流体流入所述地下井筒中。

4.根据权利要求1所述的井下扰流式传热强化系统，其特征在于，所述井内液压扰动装置包括：设置于所述地下井筒外的储液箱，所述储液箱通过带有排液阀的排液管与所述地下井筒连通，所述排液管上设有排空口；所述储液箱还通过带有注液泵的注液管与所述地下井筒连通，其中，一过程为：通过所述排空口向所述地下井筒注入密度小于所述地下井筒内的流体的液体工质，从而将所述地下井筒内的液位升高至地面并与所述储液箱中液位连通；关闭所述排空口，通过所述注液泵将所述储液箱内的流体注入所述地下井筒内，增加所述地下井筒内的压力，进而使所述井筒内的流体进入所述目标地层中；另一过程为：关闭所述注液泵，通过打开所述排液阀使所述地下井筒与所述储液箱连通，降低所述地下井筒内的压力，进而使所述目标地层中的流体流入所述地下井筒中。

5.根据权利要求1至4任一所述的井下扰流式传热强化系统，其特征在于，所述单井闭式换热装置为采用单相工质的同轴套管或u型管、两相工质的热管式井下换热器的任一种。

6.根据权利要求1至4任一所述的井下扰流式传热强化系统，其特征在于，所述地下井筒的封闭式井段采用钢管、套管或水泥的任一种或组合固井方式；所述地下井筒的开放式井段采用裸眼、筛管或射孔的任一种或组合连通方式。

7.根据权利要求1至4任一所述的井下扰流式传热强化系统，其特征在于，所述地面热利用装置采用压缩式、吸收式或吸附式的任一种或组合热泵机组；以及采用orc、闪蒸式或蒸汽直驱式的任一种或组合发电机组。

8.根据权利要求1至4任一所述的井下扰流式传热强化系统，其特征在于，所述井内液压扰动装置的运行时间、扰动频率和扰动强度根据所述地下井筒的埋设地温地质条件而调整。

9.根据权利要求1至4任一所述的井下扰流式传热强化系统，其特征在于，通过对所述目标地层进行水力、和/或化学人工压裂手段，或在所述目标地层中注入石英和/或陶瓷支撑剂以提升所述目标地层与所述地下井筒之间的连通性。

10.根据权利要求1至4任一所述的井下扰流式传热强化系统，其特征在于，所述目标地层为具有天然渗透性的含水地层或通过人工手段对井外岩体进行改造后的可渗透地层；所述目标地层中的液体为天然存在的水、油或气的原生地层流体，或人工注入的水、油或co2的流体工质。

技术总结
本发明公开了一种面向单井闭式地热开采的井下扰流式传热强化系统，其包括：地下井筒、单井闭式换热装置、地面热利用装置和井内液压扰动装置，地下井筒至少部分井段埋设在地下，地下井筒包括封闭式井段和开放式井段，封闭式井段与非目标地层接触，开放式井段与目标地层接触并连通；单井闭式换热装置至少部分管道设置于地下井筒内且至少部分管道与地下井筒内的流体接触换热；地面热利用装置用于利用单井闭式换热装置所提供的热量或/和冷量进行发电、供暖、或/和制冷；井内液压扰动装置用于改变封闭式井段底部的液体压力大小，使目标地层中的流体与开放式井段中的流体周期性受控地往复流动，以增加单井闭式换热装置获得的热量。

技术研发人员：黄文博,蒋方明,陈娟雯,岑继文,李志斌,马青山
受保护的技术使用者：中国科学院广州能源研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12