[发明专利]同轴地热钻孔的套管的定向和支撑

说明书

技术领域

本发明涉及一种套管支撑件和用于定向和支撑地热能系统的同轴地热钻孔换热器的套管的方法。所述方法还涉及地热钻孔换热器和地热钻孔换热器的安装方法。

背景技术

一个多世纪以来，地热能在全球以多种形式被开采用于发电和直接供热。通常，这些设备被置于高焓源岩相对靠近或位于地球表面处的火山活动区域，例如美国西部、冰岛或菲律宾。很少为人所知但越来越重要的是，近几十年来，通过例如低温涡轮式发电机的应用以及通过将地源热泵(GSHP)用于供暖、制冷和蓄热，低焓地热资源已经得到了开发。

所涉及的基本原理是利用在地面下约10米以下的地层中存在的稳定的热条件。这种稳定性来自于地球的质量以及源自地球的熔融地核的地热通量。这种热通量实际上是可再生的、取之不尽的，这是因为地球的熔融地核是由核衰变维持的。在受控条件下，借助于利用工作流体作为热传递介质的插入地下且与地面上的热泵连接的管式换热器(单动式或可逆式构造)，地层可以供应、吸收或贮存大量热能。

已知的是，通过安装一个或多个钻孔换热器(BHE)来提取低温地热能用于建筑物取暖，所述各钻孔换热器均被安装在地下并与热泵(HP)相结合。该系统应用了在地下与建筑物的内部空间之间工作的可逆制冷循环。在闭路或开路中使用工作流体的各种专用布置已为人们所知。在本领域中这样的系统和方法是已知的且被称作“地源热泵(GSHP)”技术。

使用被称为“同轴”或“同心”构造的垂直BHE是已知的。在其基本形式中，这是一种管中管布置，包括：用于排齐并支撑钻孔壁的外部圆柱形套管，在套管内安装有较小直径的匹配管，该匹配管是悬接的以使其开口端位于钻孔底部上方的短距离处。

理想地(尽管并非总是如此)，内部管位于外部套管的孔的中央，以利于BHE内的热流和液压流的最佳化。然后，通过在内部管中向下流动且在内部管和外部套管之间的环状区域内向上回流的水循环或者相反的水循环(根据设计需求)形成封闭环路。热传递通过传导传递向所述环状区域内的水流，效率受益于由外部套管提供的水与地层之间的更大的有效接触面积，使得水力条件最优化。

到目前为止，同轴构造还没有被GSHP行业广泛接受。其原因包括较高的投资成本和相对于U形管设计更复杂的构思。历史上，有限数量的同轴设备完全是由石油、天然气和水井钻探承包商来完成的，这些人不了解GSHP市场，这些设备的价格结构不合适并缺乏创新。

因此，以往在GSHP行业的支持下对同轴系统进行的研究与开发相对较少。然而，在追求更高的BHE效率以与大容量GSHP设备的要求相匹配的推动下，这种情况目前正在改变。因此，同轴设计的固有优点正逐渐地获得更多的注意。在某种程度上，相当多的研究机构也推动其进入大规模地热贮存应用，由于相同的原因，同轴设计在大规模地热贮存应用中也是有利的。到目前为止，一般来说，垂直BHE是以包括几十或几百个钻孔的大型阵列的形式应用于大型设备的，这些钻孔通常是采用常规的水井钻探设备钻至50-200米的深度并利用U形管来完成的。

由于需要保持钻孔之间的最小间隔，以避免热干扰，所以需要的地面面积可能是相当大的。由于上述原因，这种设计方式的操作和钻井的整体效率低。

在过去的25年，已经存在了很多BHE的设计。大多数闭路GSHP设备采用了垂直BHE的两种主要的实用设计：第一种是所谓的U形管(通常是柔性塑料管的环路)，第二种是同轴(管中管)设计。同轴设计具有更高热效率的几何形状是已知的，但由于安装过程中需要重型设备因而对于大多数安装者而言是不实用的。然而，工业规模项目能够支持同轴设计。BHE的这两种类型均填充有工作流体，通常是含有防冻剂的水。

BHE设备设置有地面收集系统，用于从大量建筑物收集热能或向这些建筑物分配热能。这样的地面收集系统在总垂直管长度之外可能会包括用于地面热传递过程的高达100％的额外管子长度。这样的额外的地面管道导致持续的工作损耗，诸如热能和压力损耗。反过来这就需要用于弥补工作损耗的额外电能以及为了额外的地面收集系统的建设和维护而增加的成本。长期以来，这成为大型GSHP设备的限制因素。