一种地热梯级开采装置及方法与流程

本发明属于地热能开发，具体涉及一种地热梯级开采装置及方法。

背景技术：

1、目前的化石燃料能源系统向可持续的能源系统过渡，需要可再生能源技术。尽管与其他可再生能源技术相比，地热能技术本身面临着特殊的挑战，但它在减少发电和供暖对环境的影响和温室气体排放方面已显示出巨大潜力。地热能的优势不仅在于减少化石能源的依赖程度，而且还在于无论气象条件如何，都能直接将热能用于工业和家庭用途。我国地热资源丰富地区与供暖区域高度重合，因此，发展地热能供暖，是降低我国燃煤消耗量及co2排放的重要举措。

2、近年来北方地区已经加大在地热能供暖方面的应用，通常使用单井换热技术，即单井地下水回灌取热方式。但目前单井换热成本高，开采过程中对地热储层损伤大，地热温度衰减快，开采周期短，使得单井开采后难以长期维持高温。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种地热梯级开采装置及方法，以解决现有的采用单井换热技术供暖换热成本高，对地热储层损伤大的问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供一种地热梯级开采装置，包括：

4、换热器、温压传感器、内管、外套管和梯级注采设备；内管设置在外套管内部，外套管设置在地热井中，温压传感器固定在内管的外壁上，内管底部的其中一段替换为梯级注采设备；地热井井筒口与第一水泵的一端相连，第一水泵的另一端与用户端相连；内管的外接口与第二水泵的一端相连；第二水泵的另一端与换热器的一端相连，换热器的另一端与用户端相连；

5、梯级注采设备包括多个和封隔器和多个单流眼管，每两个封隔器之间均设置有一个单流眼管。

6、进一步的，所述第二水泵与换热器的连接管路上还设置有止闭阀。

7、进一步的，所述封隔器包括第一封隔器、第二封隔器和第三封隔器，第一封隔器、第二封隔器和第三封隔器均设置在内管内部，第一封隔器靠近内管的外接口设置，第三封隔器设置在内管底部，第二封隔器设置在第一封隔器和第三封隔器之间，第一封隔器、第二封隔器和第三封隔器间设置的距离相等。

8、进一步的，所述单流眼管包括第一单流眼管和第二单流眼管，第一单流眼管和第二单流眼管均设置在内管内部，第一单流眼管设置在第一封隔器和第二封隔器之间，第二单流眼管设置在第二封隔器和第三封隔器之间。

9、进一步的，压裂时，第一水泵为抽水泵，第二水泵为注入泵；开采时，第一水泵为注入泵，第二水泵为抽水泵。

10、进一步的，还包括压裂泵车，压裂泵车与内管的外接口相连。

11、第二方面，本发明提供一种地热梯级开采方法，基于上述中任一项所述的一种地热梯级开采装置，包括：

12、开设地热井，将外套管和内管依次下入井中，在内管的外壁上固定温压传感器，内管底部的其中一段替换为梯级注采设备，连接设备；

13、温压传感器检测地热储层温度并分段；打开距离井口最近的封隔器，依次关闭开采段及开采段下一段的封隔器，通过第二水泵注入压裂剂，使得开采段及开采段下一段的单流眼管对应高度的外套管位置处形成压裂孔；

14、打开距离井口最近的封隔器，关闭距离井口第二近的封隔器，通过第一水泵注入循环地热水，对开采段进行开采；循环地热水依次流经内管和外套管之间、开采段的压裂孔、地热储层、开采段下一段的压裂孔、开采段下一段的单流眼管、内管、第二水泵，最后通过换热器将热量转换输送给用户端；

15、当单层温度不满足供暖需求后，打开距离井口第二近的封隔器，关闭距离井口第三近的封隔器，循环上述步骤，开采与供暖需求温度相匹配的地热储层，满足供暖需求。

16、进一步的，所述打开距离井口最近的封隔器，依次关闭开采段及开采段下一段的封隔器，通过第二水泵注入压裂剂，使得开采段及开采段下一段的单流眼管对应高度的外套管位置处形成压裂孔，具体包括：

17、打开第一封隔器，关闭第二封隔器，通过第二水泵加压注入压裂剂，压裂剂经内管时，从第一单流眼管处射出，使得外套管压裂，在第一单流眼管对应高度的外套管位置处形成压裂孔；第一封隔器保持打开状态，打开第二封隔器，关闭第三封隔器，通过第二水泵加压注入压裂剂，压裂剂流经内管时，从第二单流眼管处射出，使得外套管压裂，在第二单流眼管对应高度的外套管位置处形成压裂孔。

18、进一步的，所述第二水泵控制注入的压力为20mpa～25mpa；最高注入排量超过20m3/min。

19、进一步的，所述打开距离井口最近的封隔器，关闭距离井口第二近的封隔器，通过第一水泵注入循环地热水，对开采段进行开采；循环地热水依次流经内管和外套管之间、开采段的压裂孔、地热储层、开采段下一段的压裂孔、开采段下一段的单流眼管、内管、第二水泵，最后通过换热器将热量转换输送给用户端，具体包括：

20、打开第一封隔器，关闭第二封隔器，通过第一水泵注入循环地热水，循环地热水通过内管和外套管之间，通过开采段压裂孔进入地热储层中，在地热储层层内循环，并在储层内经过充分吸热后，从开采段下一段的压裂孔进入内管和外套管之间，高温的循环地热水从开采段下一段的第二单流眼管流入内管中，通过第二水泵抽出，将携带地热储层的热量的高温循环地热水反排至井口，高温的地热循环水通过换热器将热量转换给用户端，经过换热器后的循环地热水通过第一水泵继续注入。

21、本发明至少具有以下有益效果：

22、1、本发明利用温压传感器检测地热储层温度并分段，对外套管进行压裂，通过第一水泵将循环地热水注入，循环地热水依次流经内管和外套管之间、开采段的压裂孔、地热储层、开采段下一段的压裂孔、开采段下一段的单流眼管、内管、第二水泵，最后通过换热器将热量转换输送给用户端；当单层温度不满足供暖需求后，开采下一层，通过不同段单流眼管和封隔器协调配合，最终实现地热梯级开采。该地热梯级开采设备装置简便易行，对地热储层智能分层，制定不同地热层段地热开采方案，最大限度减少对储层伤害，提升地热井利用率。

23、2、本发明在开采中后期，可采用多层统采方式实现地热井全生命周期高质量利用，该方法可以显著提高安全性和经济性。实际供暖期间，不同月份对供暖温度的需求不同，采用梯级供暖方式足以满足供暖需求。同时地热梯级开采可以增加地热井使用周期，提高地热井开采经济效益，实现高效供暖。

技术特征：

1.一种地热梯级开采装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种地热梯级开采装置，其特征在于，所述第二水泵(22)与换热器(3)的连接管路上还设置有止闭阀(1)。

3.根据权利要求1所述的一种地热梯级开采装置，其特征在于，所述封隔器包括第一封隔器(81)、第二封隔器(83)和第三封隔器(85)，第一封隔器(81)、第二封隔器(83)和第三封隔器(85)均设置在内管(6)内部，第一封隔器(81)靠近内管(6)的外接口设置，第三封隔器(85)设置在内管(6)底部，第二封隔器(83)设置在第一封隔器(81)和第三封隔器(85)之间，第一封隔器(81)、第二封隔器(83)和第三封隔器(85)间设置的距离相等。

4.根据权利要求1所述的一种地热梯级开采装置，其特征在于，所述单流眼管包括第一单流眼管(82)和第二单流眼管(84)，第一单流眼管(82)和第二单流眼管(84)均设置在内管(6)内部，第一单流眼管(82)设置在第一封隔器(81)和第二封隔器(83)之间，第二单流眼管(84)设置在第二封隔器(83)和第三封隔器(85)之间。

5.根据权利要求1所述的一种地热梯级开采装置，其特征在于，压裂时，第一水泵(21)为抽水泵，第二水泵(22)为注入泵；开采时，第一水泵(21)为注入泵，第二水泵(22)为抽水泵。

6.根据权利要求1所述的一种地热梯级开采装置，其特征在于，还包括压裂泵车，压裂泵车与内管(6)的外接口相连。

7.一种地热梯级开采方法，其特征在于，基于权利要求1-6中任一项所述的一种地热梯级开采装置，包括：

8.根据权利要求7所述的一种地热梯级开采方法，其特征在于，所述打开距离井口最近的封隔器，依次关闭开采段及开采段下一段的封隔器，通过第二水泵(22)注入压裂剂，使得开采段及开采段下一段的单流眼管对应高度的外套管(7)位置处形成压裂孔，具体包括：

9.根据权利要求8所述的一种地热梯级开采方法，其特征在于，所述第二水泵(22)控制注入的压力为20mpa～25mpa；最高注入排量超过20m3/min。

10.根据权利要求7所述的一种地热梯级开采方法，其特征在于，所述打开距离井口最近的封隔器，关闭距离井口第二近的封隔器，通过第一水泵(21)注入循环地热水，对开采段进行开采；循环地热水依次流经内管(6)和外套管(7)之间、开采段的压裂孔、地热储层(9)、开采段下一段的压裂孔、开采段下一段的单流眼管、内管(6)、第二水泵(22)，最后通过换热器(3)将热量转换输送给用户端，具体包括：

技术总结
本发明属于地热能开发技术领域，具体公开了一种地热梯级开采装置及方法，包括：换热器、温压传感器、内管、外套管和梯级注采设备；本发明利用温压传感器检测地热储层温度并分段，对外套管进行压裂，通过第一水泵将循环地热水注入，循环地热水依次流经内管和外套管之间、开采段的压裂孔、地热储层、开采段下一段的压裂孔、开采段下一段的单流眼管、内管、第二水泵，最后通过换热器将热量转换输送给用户端；当单层温度不满足供暖需求后，开采下一层，通过不同段单流眼管和封隔器协调配合，最终实现地热梯级开采。该地热梯级开采设备装置简便易行，对地热储层智能分层，制定不同地热层段地热开采方案，最大限度减少对储层伤害，提升地热井利用率。

技术研发人员：袁浩伟,荆铁亚,刘练波,赵德远,尹玉龙,魏守成,朱明宇,郭晓辉,郑金
受保护的技术使用者：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15