[發明專利]封閉式深層地熱能采集系統和方法

在審

• 申請號: 201710773203.8
• 申請日: 2017-08-31
• 公開（公告）號: CN108302833A
• 公開（公告）日: 2018-07-20
• 發明（設計）人: 程呈;張華
• 申請（專利權）人: 環和地能創新科技有限公司
• 主分類號: F24T10/15
• 分類號: F24T10/15
• 代理公司: 北京天達共和知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11586
• 代理人: 龔建華

本發明提供了一套從低孔隙度、低滲透率的地下深層高溫巖體采集熱能的系統，包括：采熱井；至少一口壓裂井，所述壓裂井位于采熱井附近，通過壓裂方法在地下深層高溫巖體中形成網狀裂縫，形成人工地下熱儲層，采熱井的熱能采集段的一部分或全部被所述人工地下熱儲層部分或全部包裹；全封閉套管；地上熱能利用裝置；管道循環系統，用于使換熱工質在所述套管中沿夾層向下、然后通過中心管向上循環。使用封閉式設計，不與地下環境進行物質交換，克服了直接使用地下熱水能耗高、需要回灌、造成地面熱及化學污染及地面塌陷的缺點，又通過人工壓裂，增強了封閉式深層地下換熱系統的換熱效率。

技術領域

本發明涉及一種深層地熱能采集系統，以及利用該采集系統采集深層地熱能的方法，尤其涉及一種從低孔隙度、低滲透率的地下深層高溫巖體中提取具有經濟價值的地熱資源的系統和方法。

背景技術

本發明所指的低孔隙度、低滲透率的地下深層高溫巖體是指不含水或蒸汽的熱巖體，溫度范圍在100～650℃之間，普遍位于地表以下2.5～10km，包括各種致密砂巖、變質巖或結晶巖類巖體。此類巖體溫度較高，分布廣泛，蘊藏著大量的深層地熱資源，保守估計地殼中所蘊含的能量相當于全球所有石油、天然氣和煤炭所蘊藏能量的30倍。由于低孔隙率、低滲透率、不含水的特性，因此，這類巖體不利于熱交換的進行。

將深層高溫地層中的熱能帶至地表有三個基本要素：1.熱源。有關3-10km深度巖石圈內的熱源來自哪里，目前學術界并沒有統一的理論。關于高于一般值(2-3攝氏度每百米)的地溫梯度(4-5攝氏度每百米甚至更高)的出現，常見的理論有二：1)花崗巖中放射性元素衰變產生的熱量；2)沿地殼斷層及巖層裂隙上升至地殼較淺處并滯留的巖漿囊/房。第二種熱源更加直接。2.巖石熱傳導。以上述巖漿囊熱源為例，巖漿溫度極高，在包裹巖漿囊的巖體中形成溫度梯度。巖石的熱導率典型值為3W/(mK),即在溫度梯度為1開爾文每米的情況下，單位面積的巖石截面上，在一秒內可通過3焦耳的熱能(每單位面積的傳熱功率為3瓦)。這是一個較低的值。舉例來說，一個合理的單井地熱站，要求地熱能采出功率約為10兆瓦，即一萬千瓦。3.將熱能由地下帶至地面的傳熱流體。水作為比熱容最高且很容易獲得的流體，是進行地下熱能交換的優質媒介。換熱過程即是在與巖石接觸的界面上，流動的水進行對流型熱傳遞。需要注意的是，水在與巖石的界面上對流取熱的功率需要與巖石從熱源中熱傳導取熱的功率達到動態平衡，才能使系統穩定運行。水進行對流型傳熱的功率一般比巖石熱導率高一至幾個數量級。

在傳統的封閉式換熱系統(同軸管、垂直井)中，存在兩個明顯的缺陷：1)同軸管的內管通常不做嚴密的真空隔熱處理，使得加熱后的流體由內管上升至地面的過程中損失了大量的熱能；2)垂直換熱井的換熱面積十分有限，僅垂直圓柱體的外表面與巖層接觸；在垂直方向上，地溫緩慢線性上升，沒有足夠的熱源；在缺水的干熱巖體中，僅有巖石熱傳導與換熱井內的流體進行熱交換，而巖石熱傳導功率遠遠小于流體換熱功率。以上兩個缺陷導致的后果是：1)流體在完成一次循環后,其溫度不能上升至地熱井井底的地層溫度；2)巖石傳熱速度遠低于取熱速度，導致地熱井溫度明顯下降。因此，傳統封閉式垂直地熱系統出水溫度低，長期運行效果差。

廣義地說，干熱巖是指地下不存在熱水和蒸汽的熱儲巖體。在傳統的干熱巖增強型地熱系統(EGS，Enhanced Geothermal System)中，在采熱井所在的地層制造人為裂縫，使注入井(壓裂井)和生產井之間由裂隙連通，形成傳熱介質的通路。通過向注入井中注入冷水，由干熱巖層中的裂隙加熱，最后抽取生產井中的熱水來獲得熱能。這種系統的換熱路線本質依然是熱源-巖石-水，換熱效率取決于水與巖石的接觸面積。因此，該系統對裂縫的走向、條數、張開大小均有嚴格的要求。裂縫必須溝通注水井與生產井；垂直或其他方向上的裂縫會導致注入水漏失、生產井無法產出足夠流量的熱水；所需方向上的裂縫條數必須足夠多，以保證足夠的換熱面積。顯而易見，上述要求十分嚴苛，在不可預見且不受控制的含有天然裂隙的地層中，要獲取符合要求的人工裂隙成功率極低。因此，EGS的致命缺陷在于可控性很差。另外，由于注入、采出的水與地下環境直接接觸，造成地表環境污染的可能性很高。

發明內容