一种二氧化碳超临界无取水地热开采系统及方法与流程

本发明涉及地热开采，特别是涉及一种二氧化碳超临界无取水地热开采系统及方法。

背景技术：

1、地热能是一种储量丰富、分布广泛且供能连续稳定的可再生清洁能源，不受昼夜交替与天气工况影响。当前中深层地热开发以取水式换热工艺为主流，通过抽取地下深层热水实现热能提取与利用。该类技术在长期工程应用中暴露出多重固有缺陷：其一，持续抽取地下水会破坏地下水文平衡，引发地下水位下降、地层应力失衡，进而诱发地面沉降、地层结构破坏，若回灌水质不达标还将造成地下水污染，损害地下生态环境；其二，地下水中裹挟的泥沙、矿物质以及腐蚀性离子，会持续磨损、腐蚀井下管柱与地面换热设备，极易造成管道结垢堵塞、设备服役寿命缩短，导致系统运维成本居高不下；其三，长距离深井输水过程中热量沿程散失严重，井口输出温降显著，整体热能利用效率偏低，且系统持续消耗地下水资源，水资源利用成本较高。

2、与此同时，现有各大油气田留存有大量退役废弃的油井、注水井，其中包含众多垂直-水平组合的l型井身结构。该类废弃井长期闲置不仅占用土地资源，还存在井筒渗漏、井筒完整性失效等地质安全隐患，缺乏高效的资源化利用路径；而新建专用地热钻井普遍存在钻井深度大、基建投资高、建设周期长的问题，进一步抬高了中深层地热的开发门槛。此外，传统取水式地热开发严格受限于区域地温梯度与高温储层的空间分布，需依托地质勘探定点选址，项目落地的地域局限性极强。

3、针对取水式地热的上述弊端，行业内逐步发展出闭式无取水地热技术，但现有无取水地热系统仍存在多方面技术短板，难以实现规模化推广：

4、第一，井下换热管道普遍缺乏针对性绝热保温设计，在2000m级以上深井及长距离水平井中，下行冷介质与上行热介质易通过管壁发生无效冷热交换，热桥效应显著，长距离输送过程中无效热损耗占比高，严重拉低系统整体换热效率；

5、第二，现有系统多以水作为循环换热介质，水介质在长距离管路中流动阻力大，系统循环泵耗高，且在低温地层条件下换热性能衰减明显，热泵机组能效比偏低；超临界二氧化碳虽具备粘度低、换热系数高、流动阻力小的物性优势，但行业内尚未形成适配l型同轴深井的成熟应用方案，缺乏配套的压力调控与相变稳定控制技术。

6、综上，亟需设计一种兼具高换热效率、低运行能耗，且可适配废弃油气井资源化复用的技术方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种二氧化碳超临界无取水地热开采系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，换热效率高、运行能耗小，且能够适配废弃油气井，以实现废弃油气井资源化复用。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种二氧化碳超临界无取水地热开采系统，包括地热井、同轴连续油管换热单元、保温防护单元、二氧化碳热泵换热单元、地面智能控制单元以及地面热能输出单元，所述地热井包括连通的垂直井筒段与水平储层段，所述水平储层段外壁设置储层扩容改造结构，所述储层扩容改造结构用于增大同轴连续油管换热单元与地热储层岩体的接触换热面积；所述同轴连续油管换热单元贯穿铺设于所述地热井内，所述同轴连续油管换热单元包括外层换热连续管和内层介质输送连续管，所述外层换热连续管末端用封闭，所述内层介质输送连续管和外层换热连续管之间的环空形成密闭环形换热腔体，所述内层介质输送连续管末端与所述环空形成的密闭环形换热腔体末端连通，所述内层介质输送连续管内或密闭环形换热腔体内用于注入液态二氧化碳介质；所述保温防护单元固定设置于所述内层介质输送连续管外壁，以隔绝输送的液态二氧化碳介质与超临界二氧化碳之间的无效热交换；所述二氧化碳热泵换热单元布设于地面，通过井口环空密封结构与同轴连续油管换热单元密闭连通；所述二氧化碳热泵换热单元用于接收井下吸热后的超临界二氧化碳并对外释热提取地热能，同时将释热降温后的液态二氧化碳重新输送至所述内层介质输送连续管或密闭环形换热腔体内；所述地面智能控制单元能够联动采集井口介质温度、同轴连续油管换热单元的回路压力、环境气温及井下换热功率参数，自动调节介质流量与系统压力，以维持二氧化碳超临界相变状态运行工况；所述地面热能输出单元与所述二氧化碳热泵换热单元连接，用于将提取的地热能对外输出供能。

4、在一实施方式中，所述地热井的垂直井筒段深度为1000~2500m，水平储层段长度为1000~2500m，所述地热井能够采用废弃油气井或注水井；所述同轴连续油管换热单元的最大布设总长为3500~4000m。

5、在一实施方式中，所述同轴连续油管换热单元采用一体化柔性连续管材制成，无分段拼接接口，且管材全域满足6~12mpa耐压运行标准。

6、在一实施方式中，所述保温防护单元为涂覆于所述内层介质输送连续管外壁上的耐高温绝热保温涂层；所述耐高温绝热保温涂层为聚脲涂层、有机硅改性气凝胶柔性隔热防腐复合涂料或纳米中空陶瓷绝热保温涂层，所述耐高温绝热保温涂层厚度为3~5mm，耐温温度不低于250℃，导热系数不高于0.03w/(m·k)。

7、在一实施方式中，所述保温防护单元为设置于所述内层介质输送连续管侧壁上的真空隔热夹层。

8、在一实施方式中，所述二氧化碳热泵换热单元包括二氧化碳储液罐、变频增压泵、超临界专用换热腔体、热能交换器与介质回流管路；所述超临界专用换热腔体匹配6~12mpa相变临界工况，以规避压力波动引发的气液两相换热不稳定。

9、在一实施方式中，所述井口密封环空结构能够隔离井口大气环境与同轴连续油管换热单元，且能够分隔所述内层介质输送连续管和密闭环形换热腔体，以使内层介质输送连续管与所述二氧化碳热泵换热单元的液态二氧化碳出口或超临界二氧化碳进口连通，密闭环形换热腔体与所述二氧化碳热泵换热单元的超临界二氧化碳进口或液态二氧化碳出口连通。

10、在一实施方式中，还包括管道固定机构，所述管道固定机构一端固定连接于地热井靠近井口位置处，另一端能够与所述同轴连续油管换热单元的外侧壁固定连接。

11、本发明还提供一种基于所述二氧化碳超临界无取水地热开采系统的二氧化碳超临界无取水地热开采方法，包括如下步骤：

12、井体筛选与储层改造，筛选存量废弃或新建的地热井，清理井筒并检测井筒密封性与耐压性；对水平储层段实施固井作业；

13、管道布设，将内层介质输送连续管的外壁喷涂有保温防护单元的同轴连续油管换热单元下入地热井内，通过井口环空密封结构将同轴连续油管换热单元引出并固定于井口；

14、系统组装与调试，将同轴连续油管换热单元的介质进出口与地面的二氧化碳热泵换热单元密闭对接，搭建闭环换热回路；完成系统气密性与耐压性检测，搭载并调试地面智能控制单元；

15、介质充注与闭环换热，向内层介质输送连续管内或密闭环形换热腔体内充注液态二氧化碳作为换热介质，启动二氧化碳热泵换热单元，将系统全域压力恒定维持在6~12mpa；液态二氧化碳下行至井底，在密闭环形换热腔体内流动过程中通过外层换热连续管的管壁与地层换热，吸热升温后转化为超临界二氧化碳，沿密闭环形换热腔体或内层介质输送连续管上行回流至地面；

16、热能输出与介质循环，超临界二氧化碳进入二氧化碳热泵换热单元完成释热换热，提取的地热能通过地面热能输出单元对外供能，以用于供暖、工业供能、农业温室或油田矿区供热；释热后的二氧化碳恢复为液态，再次输送至井下进入下一轮循环；地面智能控制单元根据环境气温与实时换热负荷动态微调系统压力与介质流量，维持超临界稳态运行。

17、在一实施方式中，水平储层段固井作业结束后开展分段水力压裂、化学溶蚀造缝或脉冲造缝，以形成所述储层扩容改造结构；所述储层扩容改造结构仅改造储层换热裂隙，不导通浅层地下水含水层，以避免跨层水体扰动。

18、在一实施方式中，内层介质输送连续管外壁的保温防护单元全程隔绝下行液态二氧化碳与上行超临界二氧化碳的无效热交换，以降低井内传输热损耗。

19、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

20、本发明地热井为l型结构，其水平储层段长，有效减少了能量短路或热桥效应，有效换热基底大，全域降低井筒传输热损失；尺寸可根据现场工况柔性微调，工程适配性更强。区别于传统取水式地热井必须选址高温异常储层；本发明依托介质相变换热原理，不受区域地质条件、地下地温梯度约束，绝大多数区域常规中深层地层均可稳定落地运行，项目选址范围大幅拓宽。精准适配存量l型废弃油井、注水井井身参数，完全复用存量井体，无需新建地热钻井，大幅降低钻井基建成本；解决油田废弃井闲置、井筒渗漏地质隐患问题，实现油气废弃资源与地热清洁能源的跨界复用。水平储层段固井后分段水力压裂，以形成储层扩容改造结构，在地层生成网状人工裂隙，成倍扩大井管与地热储层岩石接触面积，解决原生地层换热界面不足、地热提取功率低的短板，换热能力大幅提升。采用全密闭闭式循环换热模式，全程不取地下水、无工质水资源消耗，属于节水型地热开发工艺；压裂仅改造地热储层裂隙，无地层流体扰动，不会引发地面沉降、地下水位下降、水质污染等问题，实现真正意义上的无干扰、原生态地热开发。

21、本发明属于取热不取水闭式地热开发工艺，不属于矿产开采范畴；工程落地仅需完成发改、能源部门常规项目备案，无需申领地热资源采矿许可证，简化审批流程、缩短项目落地周期。相比传统水基换热介质，超临界二氧化碳流动阻力大幅降低，热泵循环运行能耗大幅降低；换热效率大幅提升，热泵能效比稳定性更强。搭载专用闭环控制算法，联动环境温度、介质压力、回路流量、井下换热参数多维度自适应调节，全程无人值守自动锁定co2超临界相变工况，规避环境波动引发的系统工况失稳问题。配套复合承压密封井口环空结构，适配4000m超长油管高压运行场景，保障全井筒压力均匀稳定，杜绝井口介质泄漏、井口能量短路或热桥效应损耗。

22、可适配工业园区、居民小区、大型商业建筑、油田矿区供暖、工业余热配套、农业温室恒温、城镇区域集中供暖、清洁能源调峰等多种场景，规模化应用价值极高。