水平井强制对流双循环换热取能系统的制作方法

本发明涉及一种水平井强制对流双循环换热取能系统，属于地热开发与石油工程交叉领域。

背景技术：

1、地热能是一种绿色低碳的可再生能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特征，是现阶段及未来能源发展的主要方向之一，有着巨大的社会、经济效益和重要的战略意义。对于地热资源的开发方式，包括“取水取热”以及“取热不取水”两种，前者为从上水井中采出高温热储水，经地面换热取能后，再将换热后的水通过回灌井注入地层；后者则是以闭式循环的方式从井口注入换热工质，工质通过井下换热器与热储间接接触换热，并将所吸收的热量传至地面完成取能，之后再次被注入开始下次循环。

2、“取水取热”型开发必然会在一定程度上引起地下水环境的改变，特别是在非均质性较强或孔渗性较差的热储区块，回灌水中所富含的杂质很可能会堵塞地层孔隙，从而导致地层污染；回灌不充分时则会引起地下水位下降、地表下沉、土壤盐碱化等一系列问题。根据地热水同层回灌的要求，此开发方式就意味着同一热储层系至少要打两口井以分别实现上水及回灌，这无疑将大幅增加初期投资及运行维护成本。因此，“取水取热”型开发方式存在较大局限性，已无法满足现阶段我国对地热能的开发。

3、“取热不取水”型开发方式的本质为换热工质在井下换热器内内循环的同时与热储间接接触换热，但受限于热储流体自然对流的流速缓慢，井下换热的效率将受到一定影响。因此，在基于“取热不取水”的指导原则下，如何进一步提高井下换热效率，已成为目前地热能开发利用的主要攻关方向。为此，已有学者提出了优化换热器几何结构及尺寸以增加其与热储接触面积的举措，此类优化虽在生产初期的取热效率显著，但并未改变热储流体缓慢自然对流的本质，当生产运行时间较长或换热工质流量较大时，同样会产生因热储局部降温而引起取热效率骤减的问题。

4、鉴于此，加快热储的热补充速度已成为提高井下换热效率的关键，若能将热储流体原本微弱的自然对流改为可调节的强制对流，则将革命性的改善地热开发现状。与此同时，限于直井的换热井段较短，若以水平井取而代之则将大幅增加取热装置与热储的接触面积，从而大幅提高井下换热效率。

技术实现思路

1、针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种水平井强制对流双循环换热取能系统，满足取热不取水的指导原则，通过热储流体的强制对流循环可实现其热补充的快速完成。

2、本发明提出了一种水平井强制对流双循环换热取能系统，包括：

3、水平井子系统，为生产运行的载体；

4、换热工质内循环子系统，通过换热工质在井筒内的循环流动及与热储的间接接触换热而将井下热量带至地面；

5、井下动力循环子系统，为热储流体井下强制对流提供驱动力；以及

6、地面换热子系统，接收换热工质循环到地面时所携带的地热能，即在地面完成取能，之后再将已完成换热的换热工质重新注入到井筒内开始下次循环。

7、本发明的进一步改进在于，所述水平井子系统包括生产套管，所述生产套管的水平井段上设置有第一完井段和第二完井段，所述井下动力循环子系统设置在所述第一完井段和所述第二完井段之间。

8、本发明的进一步改进在于，所述井下动力循环子系统驱动热储流体通过第一完井段进入生产套管，并通过第二完井段从生产套管排到地层中。

9、本发明的进一步改进在于，所述换热工质内循环子系统包括工质循环通道，所述工质循环通道的上端连接地面换热子系统，下端设置有井下换热器；

10、其中，所述换热工质内循环子系统中的换热工质在工质循环通道内循环流动，所述换热工质流过井下换热器时与井下的热储流体间接接触并吸收其热量。

11、本发明的进一步改进在于，所述工质循环通道由中心管、和中心管外部的中间管组成；

12、换热工质从地面井口通过中心管流入井下，在井下完成与热储流体的间接接触换热后，携带地热能的换热工质通过中间管与中心管的环空循环至地面；

13、或者，换热工质从地面井口通过中间管与中心管的环空流入井下，在井下完成与热储流体的间接接触换热后，携带地热能的换热工质通过中心管循环至地面。

14、本发明的进一步改进在于，所述井下动力循环子系统包括井下动力装置，所述井下动力装置的前部设置有第一封隔器，后部设置有第二封隔器；

15、其中，所述井下动力装置驱动热储流体进行强制对流循环，热储流体从第一完井段被吸入至水平井子系统，并与井下换热器内的换热工质间接接触换热，之后在井下动力装置的驱动下通过第二完井段流出。

16、本发明的进一步改进在于，所述井下动力装置为包括潜油电泵机组或潜油螺杆泵机组在内的任意可以提供驱动力且适于井下工况作业的动力机组。

17、本发明的进一步改进在于，所述井下动力循环子系统还包括第一打孔管和第二打孔管，所述井下动力装置设置在所述第一打孔管和所述第二打孔管之间；

18、其中，所述第一封隔器设置在所述第一打孔管与井下动力装置之间，所述第二封隔器设置在所述井下动力装置与第二打孔管之间。

19、本发明的进一步改进在于，所述第一封隔器为过电缆封隔器。

20、本发明的进一步改进在于，所述地面换热子系统包括注入装置和地面取能装置。

21、与现有技术相比，本发明的优点在于：

22、本发明所述一种水平井强制对流双循环换热取能系统，满足取热不取水的指导原则，通过热储流体的强制对流循环可实现其热补充的快速完成。

23、本发明中水平井的应用保证了换热工质与热储的间接接触面积，是井下充分热交换的保障；双完井段的设计为热储流体流入流出中间管-套管环空提供了循环通道。本发明采用相互独立的双循环设计符合取热不取水的指导原则，在开发地热能的同时为环境保护提供了保障。

24、本发明中井下动力装置的设计及应用是热储流体强制对流循环的动力，是热储流体快速完成热补充的保障。本发明的各子系统相互配合完成取热换能，可大幅提高地热能的开发效率，为今后高效开发利用地热能提供了新的思路。

技术特征：

1.一种水平井强制对流双循环换热取能系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的水平井强制对流双循环换热取能系统，其特征在于，所述水平井子系统包括生产套管(11)，所述生产套管(11)的水平井段上设置有第一完井段(12)和第二完井段(13)，所述井下动力循环子系统(3)设置在所述第一完井段(12)和所述第二完井段(13)之间。

3.根据权利要求2所述的水平井强制对流双循环换热取能系统，其特征在于，所述井下动力循环子系统(3)驱动热储流体(14)通过第一完井段(12)进入生产套管(11)，并通过第二完井段(13)从生产套管(11)排到地层中。

4.根据权利要求3所述的水平井强制对流双循环换热取能系统，其特征在于，所述换热工质内循环子系统(2)包括工质循环通道，所述工质循环通道的上端连接地面换热子系统(4)，下端设置有井下换热器(24)；

5.根据权利要求4所述的水平井强制对流双循环换热取能系统，其特征在于，所述工质循环通道由中心管(22)、和中心管(22)外部的中间管(23)组成；

6.根据权利要求5所述的水平井强制对流双循环换热取能系统，其特征在于，所述井下动力循环子系统(3)包括井下动力装置(31)，所述井下动力装置(31)的前部设置有第一封隔器(32)，后部设置有第二封隔器(33)；

7.根据权利要求6所述的水平井强制对流双循环换热取能系统，其特征在于，所述井下动力装置(31)为包括潜油电泵机组或潜油螺杆泵机组在内的任意可以提供驱动力且适于井下工况作业的动力机组。

8.根据权利要求7所述的水平井强制对流双循环换热取能系统，其特征在于，所述井下动力循环子系统(3)还包括第一打孔管(34)和第二打孔管(35)，所述井下动力装置(31)设置在所述第一打孔管(34)和所述第二打孔管(35)之间；

9.根据权利要求8所述的水平井强制对流双循环换热取能系统，其特征在于，所述第一封隔器(32)为过电缆封隔器。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的水平井强制对流双循环换热取能系统，其特征在于，所述地面换热子系统(4)包括注入装置和地面取能装置。

技术总结本发明提出了一种水平井强制对流双循环换热取能系统，包括水平井子系统，为生产运行的载体；换热工质内循环子系统，通过换热工质在井筒内的循环流动以及与热储的间接接触换热而将井下地热能带至地面；井下动力循环子系统，为井下热储流体强制对流循环提供驱动力；以及地面换热子系统，接收换热工质内循环子系统内的换热工质循环到地面所携带的地热能，在地面完成取能。本发明符合取热不取水原则，热储流体的强制对流循环是其快速完成热补充的保障。技术研发人员：王烁龙,孙鹏,国殿斌,庞伟,赵素丽,李蕾,王磊,刘欢乐,周朝,曹耐受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/9