本發(fā)明涉及開發(fā)地熱能的設備，并涉及使用深處地質地層產生此設備的方法。

背景技術：

WO96/23181披露了利用廢棄離岸油井來抽取地熱能的做法，抽取的地熱能又可被轉化為電能而供應給用戶。這里，兩個3000m深的井被分別用作供應井孔和返回井孔，兩個深井在其下端處由大致水平鉆出的環(huán)路互連，該環(huán)路長度為1000m，直徑為21.5cm。700m³/h的水量循環(huán)通過該環(huán)路，其入口溫度為20℃。該出版物簡單地假定水將以90℃的溫度返回，該溫度是連接環(huán)路所在地層的溫度，因此可提供40MW的熱能。該假定被認為是不夠精確的。使用以上披露的方法，業(yè)已發(fā)現返回水的溫度只剛好高于供應水溫度幾度，而為了提供40MW的地熱，該環(huán)路必須比上述長度大60倍。

技術實現要素：

本發(fā)明涉及開發(fā)地熱能的設備，該設備使諸如水那樣的流體循環(huán)通過地面之下至少700m，或者1000、3000或4000m深的地質地層，所述設備包括至少一個從地面向下引向所述地質地層的供應井孔、至少一個將諸如水那樣的加熱流體從所述地質地層傳輸到地面的返回井孔，以及連接供應井孔和返回井孔的吸熱結構，所述吸熱結構包括一系列位于地質地層內液力平行或準平行的傳熱表面，熱量橫貫這些傳熱表面而從所述地質地層傳輸到諸如水那樣的所述流體。

如此的地熱設備總體上在巖石上產生裂紋以獲得通向地下熱源的通路，如此的地熱設備通常可能誘發(fā)地震，因此，本發(fā)明的實施例設計成限制地震的風險。此外，根據本發(fā)明實施例的地熱設備限制如下的風險：不能夠在供應井孔和返回井孔之間形成通過熱巖石質量的水力連通。

本發(fā)明還涉及為用于開發(fā)地熱能的設備形成有裂紋的地質地層的方法，該設備使諸如水那樣的流體循環(huán)通過地面之下至少700m或者1000、3000或4000m深的開裂的地質地層，所述方法包括：鉆探出至少一個從地面向下引向所述地質地層的供應井孔，形成從供應井孔底部出發(fā)的第一井孔，該第一井孔相對于供應鉆孔成一定角度，可選地為大致的水平方向；鉆探出至少一個返回井孔，其用來將諸如水那樣的被加熱流體從所述地質地層傳輸到地面，該返回井孔可選地是其深度比供應井孔淺，形成從返回井孔底部出發(fā)的第二井孔，該第二井孔相對于供應鉆孔成一定角度，可選地為大致的水平方向，且其在水平方向和垂直方向上與第一井孔分開一定距離；在第一和第二井孔之間的所述地質地層內產生裂紋區(qū)域，以形成一系列液力平行或準平行的傳熱表面，這些傳熱表面允許熱量從所述裂紋地質地層傳輸到在供應井孔和返回井孔之間循環(huán)的諸如水那樣的所述流體。

本發(fā)明例如適用于從干熱的巖石(HDR)地層開發(fā)地熱能。為了補償如此地層的低熱傳導率，本發(fā)明通過非常大的傳熱表面來抽取熱能，所述傳熱表面可由地質地層提供并涉及到一系列許多液力平行或準平行的傳熱表面。

根據本發(fā)明實施例，這樣的非常大的傳熱表面面積由供應井孔和返回井孔的成角度的、最好是水平的區(qū)段之間的裂紋區(qū)域形成，供應井孔和返回井孔的區(qū)段在水平方向和垂直方向上彼此分開一定距離，例如，200至1000m，或250至800m，或300至750m。裂紋區(qū)域例如可通過以下方法產生：膨脹已存在的裂紋，使用炸藥炸開成角度的、例如水平的第一和第二井孔之間的巖石，或通過冷卻和加熱在供應井孔和返回井孔的成角度的或水平的區(qū)段之間建立起裂紋，供應井孔和返回井孔的區(qū)段在水平方向和垂直方向上彼此分開一定距離，例如，200至1000m，或250至800m，或300至750m，和/或利用作用在巖石上的液壓力來形成裂紋，后一方法是首選的方法。為了避免由于液力平行的傳熱表面之間液力阻力的差異引起循環(huán)流體不可預見的流動狀況，本發(fā)明可利用多級過程來形成液力平行的傳熱表面。此外，可利用流動計量來確定與井孔不同區(qū)段相交的諸裂紋中的流動阻力。

在根據本發(fā)明實施例的地熱設備中，大量的熱巖石位于緊靠傳熱表面的附近。例如，根據本發(fā)明實施例為加熱諸如水那樣流體并產生熱水而設計的地熱設備，對于該設備要提供的每kW熱能，較佳地具有至少20,000m³的位于每個傳熱表面10米之內的巖石。

因此，在本發(fā)明的一個方面，提供一種如以上引言段落內所定義種類的用來開發(fā)地熱能的設備，所述設備的特征在于，它具有給定的名義功率，單位為MW，該名義功率定義為每秒由所述結構從裂紋地層中吸收的熱量，其特征還在于，所述多個和液力平行或準平行的傳熱表面包括至少一個鉆出的吸熱孔，以及其特征還在于，所述地層的巖石體積至少約為15,000,000m³，較佳地至少為20,000,000m³，并乘上所述名義功率。

這些數字代表了比任何現有技術的經濟上可行的輸出的設備所考慮的遠大得多的巖石質量。

本發(fā)明人業(yè)已發(fā)現，從足夠大體積的巖石中形成熱量抽取的最有效方式是在熱巖石的深處形成一系列液力平行或準平行的傳熱表面。術語“液力平行”意味著流體的流動以平行方式存在，但這些界面的幾何形狀不一定在數學上是平行的。

本發(fā)明部分地基于如下的認識：由于巖石的熱傳導率很低，所以離傳熱表面幾十米的巖石將不會貢獻很多的熱能。因此，從傳熱的觀點來看，大量相對地緊密間距開的液力平行或準平行的傳熱接口是更加有效。

根據本發(fā)明的實施例，流體的供應井孔和返回井孔的深度通常超過3km，較佳地超過5km，最為較佳地是大于6km。此外，根據本發(fā)明的實施例，多個準平行的或液力平行的傳熱界面在該深度上形成在干的巖石上，以便提供足夠體積的熱巖石而通過所要求的設備壽命來供應所需要的熱量。

因此，根據第二方面，本發(fā)明提供用來開發(fā)地熱能的設備，該設備通過使諸如水那樣的流體循環(huán)通過地面以下至少700m，或者大于1000m、3000m、4000m深度的地質地層，其包括帶有如上所述的裂紋區(qū)域的地質地層。最小深度范圍由以下事實限定：本發(fā)明立足于使用液力學技術來形成一系列液力平行、接近垂直的裂紋。用液力學方式形成的裂紋是沿著垂直于最小應力的方向形成的。根據經驗，水平裂紋將出現在大約小于600至700m的深度處，因為這些深度處的地球的過度負載提供了最小主應力。如果在這些相對淺的條件下施加壓力，則裂紋最大可能沿著水平平面形成，因為巖石在該方向上比任何其他方向更容易分開。隨著深度增加超過700m，過載的應力趨于變成主導的應力。由于液力學方式形成的裂紋是沿著垂直于最小應力的方向形成的，所以，大于700m深度處生成的裂紋趨于在垂直方向上定向。

根據本發(fā)明另一方面，上述類型的用于開發(fā)地熱能的設備的特征在于，所述吸熱結構包括多個液力平行或準平行的傳熱界面，它們從供應井孔的成角度或水平區(qū)段到返回井孔的成角度或水平區(qū)段以平行流動關系布置，并位于深處。

由于巖石溫度隨著深度增大而增大，讓流體在最大深度處流過液力平行或準平行的傳熱表面，這將允許用來從熱巖石中抽取熱量的諸如水那樣的流體中的最高溫度上升，因此最大程度地取出熱能。

較佳地，提供液力平行流動的相鄰傳熱層之間的距離約為15m，例如，5至25m，最好至少為10m。另一方面，該間距應小于約50m，以限制該設備的實體范圍。根據本發(fā)明的設備可只具有單個供應井孔和單個返回井孔。然而，該設備可布置有多個供應井孔，它們最好圍繞公共的返回井孔沿圓周等距離間距開。例如，在一個特定實施例中，三個供應井孔可圍繞單個返回井孔布置。應該指出的是，返回井孔可以是單個鉆出的孔，或是緊密間距開的直徑較小的孔簇，它們顯現出基本上與較大直徑的單個井孔相同的熱量和壓力損失。

較佳地，供應井孔和返回井孔的上端可以彼此靠近地布置，可選地讓諸孔偏轉向下，以便引入介于供應井孔和返回井孔的端部之間的很大間距。較佳地，該間距約為500至1000m。如此的設備結構允許設備在地面上有緊湊的結構，但同時允許傳熱接口在深處有必要的尺寸大小。

一般地，諸孔垂直地鉆入到地質地層內，直到遇到堅硬的巖石，這允許鉆探方向容易偏轉。較佳地，偏轉在孔的(半)水平區(qū)段的所期望的深度上方至少100m處起始，更加較佳地，至少500m處起始，實際的起始點由技術上可達到的、在就地的地質條件下所用鉆探技術的累積角度來確定。最終將用作為供應井孔的孔垂直地延伸500至2000m的額外距離。一般地，在大部分HDR地層所存在的幾公里的深度處，如此地層裂紋所沿著的平面方向性地定向和對齊在大致垂直的平面內。對某些如此的地層研究已經達到這樣的程度：地層最可能裂開所沿著的垂直平面的羅經方向是已知的。如果羅經方向不知，或羅經方向是作為附加的測量，則可從至少一個垂直井(其既可以是供應井孔也可以是返回井孔)的底部采取羅經定向的內芯采樣，對顆粒定向和地殼構造應力，分析該內芯及其騰出的地室，結合地層上可供的地球物理數據進行該分析，可允許確定最大可能發(fā)生垂直裂紋所沿著的平面的方向。也可采用其他替代的方法來確定裂紋平面的方向，諸如地球物理測程，安裝光纖來測量筒殼的變形，壓力泄露測試或形成其方向可由注入放射性示蹤劑而確定的試驗裂紋。

在對地層最可能發(fā)生裂紋的平面確定羅經方向之后，可沿大致垂直于此平面的羅經方向的方向鉆探一個或多個另外的孔。盡管較佳地是在第一和第二成角度的或基本上水平的孔和裂紋平面之間達到垂直，但絕對的垂直不是關鍵。第一和第二成角度的或基本上水平的孔可以一定的角度與期望的裂紋平面相交，所述角度偏離垂直線高達約45度。術語“近似垂直”是要包括如此的變體。與裂紋垂直線的偏離角范圍可從小至0度到大至60度，諸如是30度至約45度?？椎臏蚀_布置是由地層的溫度梯度和鉆探的操作成本所確定的權衡。一般地，由于較佳地是延伸第一和第二成角度的或大致水平的孔通過HDR地層，直到運行時在循環(huán)流體中達到至少約125℃的溫度為止，所以附加的鉆探量會是地層溫度梯度的函數。第一和第二成角度的或大致水平的孔延伸通過HDR地層的最小距離必須足以容納多個液力平行的傳熱表面，其后這些傳熱表面將沿著第一和第二傾斜的或大致水平的孔形成。該最小距離是所需傳熱表面的數量乘以傳熱表面之間的間距之積的函數。

密封件可放置在第一或第二底部孔的一個或多個部分內，即，與傳熱表面相交，倘若傳熱表面的流動阻力小于其他傳熱接口，密封件則布置成密封隔斷。

在運行中，第一和第二底部區(qū)段內的流體以相同的絕對方向流動。這意味著：例如，在一個底部區(qū)段內，流動朝向該區(qū)段的端部，而在另一底部區(qū)段內，流體遠離該區(qū)段的端部流動。任何液力平行或準平行的傳熱表面的液力回路包括一段供應孔長度、相對的界面和一段返回孔長度。如果將界面選擇為更靠近返回孔，那么，返回孔的長度減小，但供應孔的長度增大同樣的數量。因此，所有的液力平行或準平行的傳熱表面的液力回路是相同的。這允許液力平行或準平行的傳熱表面內的流動散布開去。

在巖石質量中產生裂紋區(qū)域包括以下的過程：

使第一和第二孔的部分密封隔開，

通過泵送密封區(qū)段內的流體，直到達到打開或斷裂壓力且?guī)r石發(fā)生泄漏，由此增大密封區(qū)段內的壓力，

此時，連同流體一起注入壓裂支撐劑，以便一旦壓力已經減小使形成的裂紋保持打開，

通過讓流體流出并重復幾次該過程，直到水平的第一和第二孔完成全部長度，或直到形成至少為15,000,000m³的開裂巖石質量的熱交換面積，由此減小密封區(qū)段內的壓力。

附圖說明

為了更好地理解本發(fā)明，現將參照附圖中所示的示范實施例來描述本發(fā)明，附圖中：

圖1是根據本發(fā)明實施例的地熱設備的示意性側視圖，

圖2是地質地層與圖1設備的傳熱接口的示意平性面圖。

具體實施方式

本發(fā)明將參照特殊的實施例并參照某些附圖進行描述，但本發(fā)明不局限于此，本發(fā)明卻僅由權利要求書來限定。所描述的附圖僅是示意性的沒有限制性。在附圖中，某些元件的尺寸可以夸大，為圖示的目的不按比例繪出。如果在本描述和權利要求書中使用了術語“包括”，那么它不排除其它的元件或步驟。如果在涉及單數名詞時使用了不定冠詞或定冠詞，例如，“一”或“一個”、“該”，那么，除非某些情形特殊地陳述之外，它應包括該名詞的復數。

此外，本描述和權利要求書中出現的術語“第一”、“第二”、“第三”等是用來在類似元件之間加以區(qū)分，并不一定描述順序的次序或按年月順序的次序。應該理解到，在合適的情況下，如此使用的術語可以互換，這里描述的本發(fā)明的實施例也能夠以不同于這里所描述或圖示的其他順序進行操作。

圖1和2是示意圖，示出不同深度處的各元件，就好似其間的巖石是透明的。圖1和2中所示的地熱設備具有一系列位于地面之下的地質地層內的液力平行或準平行的傳熱表面10。傳熱表面位于水平底部區(qū)段6、8之間，它們分別被描述為供應孔和返回孔2、4的第一和第二水平底部區(qū)段，供應孔和返回孔2、4的水平底部區(qū)段6、8沿著水平方向(“X”和“Z”)和垂直方向(“Y”)彼此分離一定距離，該距離諸如是200至1000m，或250至800m，或300至750m。因此，傳熱表面10是沿所有三個正交方向X、Y、Z延伸的結構。傳熱表面10示意性地顯示為平行的板片，然而，在實踐中，這些表面的準確形狀將由巖石如何裂開方式來確定。選擇裂紋區(qū)域，以產生可改進傳熱的平行流路徑。

該設備包括供應孔2和返回孔4，供應孔2的內直徑至少為15.0cm，例如，15.0cm或19.0cm或21.2cm或31.3cm，其從注入井頭16延伸，返回孔4的內直徑為15.0cm，例如，15.0cm或19.0cm或21.2cm或31.3cm，其從生產井頭18延伸。供應孔2形成的深度比返回孔4的深度大一定距離，例如，該距離為250m，例如為250至500m。然而，返回孔也可形成得比供應孔深。大致水平的底部區(qū)段6、8分別形成在供應孔和返回孔2、4的底部處。供應孔和返回孔2、4的底部區(qū)段6、8通過一系列液力平行或準平行的傳熱表面10互連，這些表面的間距由關閉巖石裂紋的方式確定。較佳地，裂紋區(qū)域建立在該區(qū)域內以提供供應孔和返回孔之間的流動連通。如圖2所示，井頭16、18位于橫跨具有液力平行的傳熱接口10的開裂區(qū)域對角線的角上。

鉆孔2、4基本上垂直地鉆入到地質地層內，直到遇到所想的堅硬巖石地層，其允許安全地形成與底部區(qū)段的垂直線的偏離，最好在(半)水平底部區(qū)段的期望的深度之上的100m，更佳地為500m：偏離的實際起始點由就地的地質條件下所用鉆探技術的技術上可達到的累積角度確定。最終將用作為供應孔之用的孔垂直地延伸一附加的距離D，該距離諸如是200至1500m，或250至2000m，或300至3000m，視需要達到期望名義功率的巖石體積而定。一般地說，在存在大部分HDR地層的幾公里深度處，如此地層裂紋所沿著的平面方向性地定向并對齊在大致垂直的平面內。盡管對某些此類地層已經研究到如下程度，即地層最可能開裂所沿著的垂直平面的羅經方向已經知道，但如果這是未知的或要作為要添加的測量，則可從至少一個垂直井的底部采取羅經定向的內芯采樣，就顆粒定向和地殼構造應力，分析該內芯及其騰出的地室，結合地層上可得的其他地球物理數據進行該分析，可允許確定最大可能發(fā)生垂直裂紋所沿著的平面的方向。也可采用其他替代的方法來確定裂紋平面的方向，諸如地球物理測程，安裝光纖來測量筒殼的變形，壓力泄露試驗或形成其方向可由注入放射性示蹤劑而確定的試驗裂紋。

在對地層最可能發(fā)生裂紋的平面確定羅經方向之后，可沿大致垂直于此類平面的羅經方向的方向鉆探一個或多個另外的孔。盡管較佳地是在偏轉的鉆孔和期望的開裂平面之間達到垂直度，但絕對的垂直度不是關鍵。偏轉的井可以一定的角度與期望的裂紋平面相交，所述角度偏離垂直線高達約45度。術語“近似垂直”是要包括如此的變型。偏離的第一和第二底部區(qū)段6、8延伸通過HDR地層的最小距離應該足以容納多個準平行的傳熱表面，其后這些傳熱表面將沿著第一和第二底部區(qū)段6、8形成。該最小距離是所需傳熱表面的數量乘以傳熱表面之間的間距之積的函數。

在運行中，第一和第二底部區(qū)段6、8內的流體以相同的絕對方向流動。這意味著：例如，在底部區(qū)段8內，流動朝向該區(qū)段的端部，而在底部區(qū)段6內，流體遠離該區(qū)段的端部流動，如圖1中所示。任何液力平行或準平行的傳熱表面10的液力回路包括一段鉆孔2的長度、相對的界面10和一段鉆孔4的長度。如果將界面10選擇為緊靠鉆孔4，那么，鉆孔4的長度減小，但鉆孔2的長度增大同樣的數量。因此，所有的液力平行或準平行的傳熱表面10的液力回路是相同的。這允許液力平行或準平行的傳熱表面10內的流動以有控制的方式散布開去。

供應孔和返回孔2、4的上部可設置有一個或多個盲筒殼，用來使鉆孔與該區(qū)域內周圍的地下水層密封開來。對筒殼區(qū)段的深度、尺寸和強度的選擇應根據當地的地質條件、孔的完整性以及法規(guī)來進行。每個孔在不同直徑的一個或多個區(qū)段內鉆探。通過安裝盲筒殼和灌注水泥，以在鉆探下一區(qū)段之前，形成與周圍地層合適地密封的穩(wěn)定鉆孔，由此完成除了最后一個區(qū)段之外的所有區(qū)段。其結果，連續(xù)區(qū)段的直徑逐漸地減小。這樣，當選擇其他鉆孔區(qū)段的直徑時，就應考慮最后區(qū)段的最小內直徑。每個區(qū)段的長度由深度范圍來確定，其可以考慮到就地的地質條件、鉆孔的完整性和法規(guī)的安全和環(huán)境友好的方式進行鉆探。

在地面上，供應孔和返回孔2、4通過管線12連接到具有單獨的熱交換器的外殼14的一側。諸如潛水電動泵或直線軸泵的生產泵安裝在返回孔4的垂直部分內。輔助循環(huán)泵可位于(未示出)單獨的熱交換器和供應孔16的井頭之間。

較佳地，單獨熱交換器的另一側與各種熱消耗器具流體連通，熱消耗器具例如是散熱器、熱空氣加熱器和熱水箱、地區(qū)采暖系統和/或發(fā)電系統。

以下是形成一系列液力平行或準平行的傳熱接口的方法，這樣的傳熱界面位于地面之下的地質地層內，例如，深度高達6km的深處。該方法設計成減小發(fā)生地震事件的風險。在鉆探出鉆孔的水平底部區(qū)段之后，為了限定水平區(qū)段的形狀、定位任何預先存在的裂紋以及識別地層的強度，可運行地球物理工具來進行。連同應力測量值一起來使用這些信息，以對多級過程確定運行參數，從而加強或形成人工造成的裂紋，諸如打開或裂開壓力、有待施加的壓力形成、以及為打開或形成裂紋并使它們保持打開而需向下泵送的流體和壓裂支撐劑量。一旦已知運行參數，例如通過使用敞開孔填實器或水泥來密封水平底部區(qū)段的部分，并且通過泵送密封區(qū)段內諸如水那樣的流體，直到達到打開或碎裂壓力和巖石發(fā)生泄漏為止，使密封區(qū)段內的壓力增大。此時，連同流體一起將諸如級配砂石或人造陶瓷材料的壓裂支撐劑注入，以便一旦壓力已經減小，使已形成的裂紋保持打開。最后，通過讓流體流出，來減小密封區(qū)段內的壓力。重復該過程若干次，直到完成水平底部區(qū)段的全部長度，或直到開裂巖石區(qū)域內形成足夠大的熱交換面積，開裂巖石質量的最小尺寸至少為每MW的名義功率是15,000,000m³，較佳地是至少為20,000,000m³，較佳的裂紋間距約為15m，諸如5m至25m且小于50m。

在供應孔和返回孔中已經形成液力平行或準平行傳熱界面之后，通過在供應孔中注入諸如水那樣的流體并形成通過返回孔的流體來進行流動試驗。在該試驗過程中，測量至少沿著水平底部區(qū)段的流體速度，例如，通過運行流動計量儀或至少沿著鉆孔的水平區(qū)段安裝流動計量儀，以便確定與鉆孔相交的液力平行或準平行傳熱表面的流動阻力。在流動阻力低的傳熱表面與鉆孔相交的地方，流體速度會急劇變化。為了避免由于短路而不理想地引起流體的冷卻，傳熱表面應具有類似的流動阻力：較佳地，具有最低流動阻力的傳熱表面10的流動阻力差異應小于因子10，較佳地小于因子5，較佳地小于因子2。如果與其余部分相比，一個或多個傳熱表面的流動阻力太低，例如，使得流體的主導流量流過該一個或多個傳熱表面，則與傳熱表面相交的鉆孔部分被密封住，例如，通過使用開孔的填塞器或灌注水泥，注入諸如水泥的堵塞劑、土丸或自固化的材料以便堵塞傳熱表面。在堵塞劑注入之后，除去密封件并清潔鉆孔，以便移去殘留在鉆孔內的任何堵塞劑。

本發(fā)明具有這樣的優(yōu)點：不需要構造通過大量鉆孔的地下熱交換器。根據本發(fā)明的實施例，采用巖石的開裂是以經濟和安全的方式來形成多個熱交換表面，即，減小地震的危險。

應該理解到，本發(fā)明不以任何方式被上述的示范實施例所限制，而是可以多種方式改變和修改，這不脫離本發(fā)明的精神和附后權利要求書的范圍。