一种提取利用地热能的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及新能源开发利用领域，尤其涉及一种提取利用地热能的装置及方法。
【背景技术】
[0002]目前，全世界都在寻找绿色能源。太阳能、风能已经较为普及，地热能也引起了人们的广泛关注。地热资源主要分为水热型和干热岩型，其中，干热岩及高地温梯度地层地热资源，在地球上的蕴藏量非常丰富。然而，地热技术的发展却不尽人意。
[0003]因为干热岩一般为致密性岩层，不具有渗透率、没有孔隙、储层位置深等特性，目前的技术多为人为压裂，制造岩层裂缝，采取注水产出的方法，提取地层热量。该方法通常需要多口井配合使用，例如，在注入井高压注入温度较低的水，使水沿着岩石的裂缝流动；同时在另一位置钻多个井用于回收高温水、汽等。成本很高耗费较多、对地表影响较大，并且存在着利用效率低、设备复杂等问题，具体表现在:地层热提取效率一般在1-5%左右，地下换热损失率高(大约在7%_12%之间)。因此，急需一种效率高、结构简单、成本低的地热能提取技术。
【发明内容】
[0004]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:鉴于现有技术所存在的问题，本发明提供一种提取利用地热能的装置及方法，可以用于干热岩地层或者地温梯度较高的地层，实现地热能的大面积开发，具有效率高、结构简单、成本低等优点。
[0005]—种提取利用地热能的装置，包括:井筒、外管和换热装置;井筒的顶端和底端均开口，并且井筒的底部深入地热源层，所述井筒内以及外管内装有第一液体介质；
[0006]外管的顶部封闭，底部开口；所述外管的下端从井筒的顶端插入到井筒内，所述外管通过固井水泥环与井筒固定；
[0007]所述外管的下部为吸热段，所述外管的中部为保温段，所述外管的上部为散热段，吸热段位于地热源层内；与外管的换热段的对应位置的外侧设有设有换热装置，所述换热装置内装有第二液体介质。
[0008]本发明的有益效果是:
[0009]在井筒内设置外管，外管放置的深度，可以根据井壁周围部分岩石的特性设置。井筒内的第一液体介质，经地热源层高温加热沸腾后，部分发生相变，成为蒸汽分子，产生高温蒸汽气流，向井筒的顶部快速上升。由于蒸汽分子处于紊乱的热运动的状态，和外管的管壁以及第一液体介质的液面发生碰撞，部分蒸汽分子重新返回至第一液体介质中，随着蒸发的持续进行，套管内的蒸汽分子密度不断增大，最后达到饱和状态。套管的顶部封闭，使套管内的压力增大，温度上升，最后达到饱和蒸汽状态。而由于保温段的设置，使得蒸汽分子在传递过程中的热损失几乎为零。饱和蒸汽达到稳定状态后，井筒内的第一液体介质的顶部和底部的温度基本接近。当热量传递至散热段时，进一步对换热装置中的第二液体介质进行加热，第二液体介质达到沸点之后用于发电、供热等一切用于需要热源的场合。
[0010]本发明只需要一个井筒就可以完成上述过程，占地面积小;采用裸眼井段或外管直接使第一液体接受地热，，第一液体介质受热表面积大不需要其他导热物质传递热能。
[0011]利用本发明所述的提取利用地热能的装置进行提取地热能，地层热提取效率可以达到百分之九十以上。
[0012]因此，本发明所述的提取利用地热能的装置具有结构简单、成本低、产热高等优点。无论是发电或供热都无需地下水的产出和注入，真正实现了无污染和零排放。
[0013]在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
[0014]进一步，所述保温段位于地热源层的上方至散热段下方的部分。
[0015]优选地，所述保温段的底部位于地热源层内，所述保温段的顶部位于换热装置的下方。
[0016]采用上述进一步方案的有益效果是:保温段的底部位于地热源层的顶部的下方，避免热量损失;所述保温段的顶部位于换热装置的下方，有利于加强换热。
[0017]进一步，所述吸热段还包括高致密热源层对应的井筒。
[0018]如果所述吸热段的地层为高致密地层，可以保留裸眼井段，直接作为第一液体介质的容积空间，以井筒作为吸热段，井筒内的第一液体介质，受热表面积增加，吸热率增高，吸热效果好。如果所述吸热段的地层为非高致密地层，在外管的底部设有的吸热段，用于吸收地热源层的热量。
[0019]进一步，所述换热装置中的第二液体介质被加热沸腾后供发电设备和/或供热装置使用。
[0020]采用上述进一步方案的有益效果是:可以满足发电、供热等需求。
[0021]进一步，所述外管的顶部设有减压阀、压力表和温度表。
[0022]采用上述进一步方案的有益效果是:便于随时观测管内的压力、温度等情况，如果压力过高采用减压阀进行减压，保证安全，避免发生事故。
[0023]进一步，所述第一液体介质的沸点高于第二液体介质的沸点。
[0024]采用上述进一步方案的有益效果是:有利于快速将第二液体介质加热至一定温度，甚至将第二液体介质加热成蒸汽。易于发电设备/或供热装置使用。
[0025]进一步，所述地热源层为干热岩层或是高地温梯度地层。
[0026]采用上述进一步方案的有益效果是:干热岩或高地温梯度地层的温度较高，一般温度大于150摄氏度至500摄氏度，并且在地球上的蕴藏量非常丰富。
[0027]进一步，所述外管的保温段还包括包裹在外管外部的保温层。
[0028]对于保温层的材质，可以优先选择导热系数较低的保温材料，例如:聚氨酯等发泡材料等等。
[0029]采用上述进一步方案的有益效果是:通过保温层的设置可以减少热量的损失，提高地热的提取效率。
[0030]进一步，所述外管的保温段还包括内管，内管设于外管内部，内管的顶部和底部分别通过密封环与外管密封，所述内管和外管之间形成密闭的真空腔。
[0031]采用上述进一步方案的有益效果是:在井筒内设置外管和内管，形成双层真空套管，套管放置的深度可以根据井壁周围部分岩石的特性设置。井筒内的第一液体介质经地热源层的高温加热沸腾后，部分发生相变，成为蒸汽分子，产生高温蒸汽气流，向井筒的顶部快速上升，由于蒸汽分子处于紊乱的热运动的状态，和套管的管壁以及第一液体介质的液面发生碰撞，部分蒸汽分子，重新返回至第一液体介质中，随着蒸发的持续进行，套管内的蒸汽分子密度不断增大，最后达到饱和状态。套管内的压力增大，温度上升。而由于双层管真空腔或套管外保温的设置，使得保温效果很好，热损失几乎为零。饱和蒸汽达到稳定状态后，井筒内的第一液体介质的顶部和底部的温度基本接近，进一步对换热装置中的第二液体介质进行加热，第二液体介质沸腾之后用于发电、供热等一切用于需要热源的场合。
[0032]进一步，所述密封环的材质为记忆合金。
[0033]采用上述进一步方案的有益效果是:使用时，只需要将密封环分别置于内管的顶部和底部，记忆合金受热后产生膨胀，形成密封，具有使用简单、密封效果好等优点。
[0034]本发明提供一种提取利用地热能的方法，包括以下步骤:
[0035]I)由地面向地热源层钻井，形成井筒，井筒的底部深入地热源层；
[0036]2)将外管置于井筒内，根据地热源层的岩层性质确定外管的在井筒中的深度，如果地热源层是高致密岩层，井筒非常规则，外管的底部可以放置在地热源层的顶部下方。所述外管的上部为换热段，外管的中部为保温段，外管的下部为吸热段，吸热段位于地热源层内；将外管的顶部封闭，外管的底部位于地热源层;外管和井筒之间利用固井水泥环固定；
[0037]3)向井筒内及外管内加入第一液体介质，第一液体介质的用量根据吸热段的地层厚度及温度确定；
[0038]4)在外管的换热段处安装换热装置，换热装置内装有第二液体介质；
[0039]5)将换热装置的出口与发电设备/或供热靶向的换热装置的入口连接。
[0040]采用上述方案的有益效果是:本发明所述的提取利用地热能的方法操作简单，只需要一个井筒就可以完成上述过程，占地面积小;采用高致密岩层裸眼井段或外管直接使第一液体介质接受地热，不需要其他导热物质传递热能，第一液体介质受热表面积大。因此，本发明所述的提取利用地热能的装置具有结构简单、成本低、产热高等优点。无论是发电或供热都无需地下水的产出和注入，真正实现了无污染和零排放。
【附图说明】
[0041]图1为本发明所述提取利用地热能的装置的纵剖面图(具有真空腔)；
[0042]图2为本发明所述提取利用地热能的装置在A-A处的剖视图(具有真空腔)；
[0043]图3为本发明所述提取利用地热能的装置的纵剖面图(具有保温层)；
[0044]图4为本发明所述提取利用地热能的装置在A-A处的剖视图(具有保温层)。
[0045]附图中，各标号所代表的部件列表如下:
[0046]1、发电设备，2、供热装置，3、换热装置，4、固井水泥环，5、内管，6、密封环，7、井筒，
8、回落的蒸汽分子，9、上升的蒸汽分子，10、第一液体介质，11地表面，12、一般地层，13、地热源层，14、外管，15、减压阀，16、压力表，17、温度表，18、真空腔，19、保温层。
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