[发明专利]封闭式深层地热能采集系统和方法

说明书

本发明提供了一套从低孔隙度、低渗透率的地下深层高温岩体采集热能的系统，包括：采热井；至少一口压裂井，所述压裂井位于采热井附近，通过压裂方法在地下深层高温岩体中形成网状裂缝，形成人工地下热储层，采热井的热能采集段的一部分或全部被所述人工地下热储层部分或全部包裹；全封闭套管；地上热能利用装置；管道循环系统，用于使换热工质在所述套管中沿夹层向下、然后通过中心管向上循环。使用封闭式设计，不与地下环境进行物质交换，克服了直接使用地下热水能耗高、需要回灌、造成地面热及化学污染及地面塌陷的缺点，又通过人工压裂，增强了封闭式深层地下换热系统的换热效率。

技术领域

本发明涉及一种深层地热能采集系统，以及利用该采集系统采集深层地热能的方法，尤其涉及一种从低孔隙度、低渗透率的地下深层高温岩体中提取具有经济价值的地热资源的系统和方法。

背景技术

本发明所指的低孔隙度、低渗透率的地下深层高温岩体是指不含水或蒸汽的热岩体，温度范围在100～650℃之间，普遍位于地表以下2.5～10km，包括各种致密砂岩、变质岩或结晶岩类岩体。此类岩体温度较高，分布广泛，蕴藏着大量的深层地热资源，保守估计地壳中所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍。由于低孔隙率、低渗透率、不含水的特性，因此，这类岩体不利于热交换的进行。

将深层高温地层中的热能带至地表有三个基本要素：1.热源。有关3-10km深度岩石圈内的热源来自哪里，目前学术界并没有统一的理论。关于高于一般值(2-3摄氏度每百米)的地温梯度(4-5摄氏度每百米甚至更高)的出现，常见的理论有二：1)花岗岩中放射性元素衰变产生的热量；2)沿地壳断层及岩层裂隙上升至地壳较浅处并滞留的岩浆囊/房。第二种热源更加直接。2.岩石热传导。以上述岩浆囊热源为例，岩浆温度极高，在包裹岩浆囊的岩体中形成温度梯度。岩石的热导率典型值为3W/(mK),即在温度梯度为1开尔文每米的情况下，单位面积的岩石截面上，在一秒内可通过3焦耳的热能(每单位面积的传热功率为3瓦)。这是一个较低的值。举例来说，一个合理的单井地热站，要求地热能采出功率约为10兆瓦，即一万千瓦。3.将热能由地下带至地面的传热流体。水作为比热容最高且很容易获得的流体，是进行地下热能交换的优质媒介。换热过程即是在与岩石接触的界面上，流动的水进行对流型热传递。需要注意的是，水在与岩石的界面上对流取热的功率需要与岩石从热源中热传导取热的功率达到动态平衡，才能使系统稳定运行。水进行对流型传热的功率一般比岩石热导率高一至几个数量级。

在传统的封闭式换热系统(同轴管、垂直井)中，存在两个明显的缺陷：1)同轴管的内管通常不做严密的真空隔热处理，使得加热后的流体由内管上升至地面的过程中损失了大量的热能；2)垂直换热井的换热面积十分有限，仅垂直圆柱体的外表面与岩层接触；在垂直方向上，地温缓慢线性上升，没有足够的热源；在缺水的干热岩体中，仅有岩石热传导与换热井内的流体进行热交换，而岩石热传导功率远远小于流体换热功率。以上两个缺陷导致的后果是：1)流体在完成一次循环后,其温度不能上升至地热井井底的地层温度；2)岩石传热速度远低于取热速度，导致地热井温度明显下降。因此，传统封闭式垂直地热系统出水温度低，长期运行效果差。

广义地说，干热岩是指地下不存在热水和蒸汽的热储岩体。在传统的干热岩增强型地热系统(EGS，Enhanced Geothermal System)中，在采热井所在的地层制造人为裂缝，使注入井(压裂井)和生产井之间由裂隙连通，形成传热介质的通路。通过向注入井中注入冷水，由干热岩层中的裂隙加热，最后抽取生产井中的热水来获得热能。这种系统的换热路线本质依然是热源-岩石-水，换热效率取决于水与岩石的接触面积。因此，该系统对裂缝的走向、条数、张开大小均有严格的要求。裂缝必须沟通注水井与生产井；垂直或其他方向上的裂缝会导致注入水漏失、生产井无法产出足够流量的热水；所需方向上的裂缝条数必须足够多，以保证足够的换热面积。显而易见，上述要求十分严苛，在不可预见且不受控制的含有天然裂隙的地层中，要获取符合要求的人工裂隙成功率极低。因此，EGS的致命缺陷在于可控性很差。另外，由于注入、采出的水与地下环境直接接触，造成地表环境污染的可能性很高。

发明内容