专利摘要

专利摘要

本发明涉及一种单井闭式循环井下热电发电系统及方法。该系统包括：井筒、流体循环模块和电能外输模块。井筒包括套管、油管和热电发电模块。油管的顶部与套管的顶部平齐，底部位于井筒井底的上方且与井筒井底之间有空隙。热电发电模块通过驳接线缆与电能外输模块相连。套管内壁与热电发电模块外壁之间的空间形成油套环空流动通道。油管内部空间形成油管流动通道。流体循环模块包括冷流体注入管线、冷流体注入泵、冷流体流出管线、冷流体储存容器、冷流体流入管线、闭式循环流出热流体利用模块和闭式循环流出流体流动管线。本发明能实现取热发电不取水、提供稳定的电能供给，且不会影响换热流体的后续利用。

权利要求

1.单井闭式循环井下热电发电系统的发电方法，其特征在于，该热电发电系统包括：钻穿地热井地层的井筒、流体循环模块和电能外输模块；

所述井筒包括套管、嵌入设置在套管内的油管以及设置在油管外壁上的热电发电模块；所述套管与地热井地层紧密胶结；所述油管的顶部与套管的顶部平齐，底部位于井筒井底的上方且与井筒井底之间有空隙；所述热电发电模块通过驳接线缆与所述电能外输模块相连；所述套管内壁与热电发电模块外壁之间的空间形成油套环空流动通道；所述油管内部空间形成油管流动通道；

所述流体循环模块包括冷流体注入管线、冷流体注入泵、冷流体流出管线、冷流体储存容器、冷流体流入管线、闭式循环流出热流体利用模块和闭式循环流出流体流动管线；所述冷流体注入泵的出口通过冷流体注入管线与油套环空流动通道或者油管流动通道相连；所述冷流体注入泵的入口通过冷流体流出管线与冷流体储存容器的出口相连；所述冷流体储存容器的入口通过冷流体流入管线与闭式循环流出热流体利用模块的出口相连；当冷流体注入泵的出口通过冷流体注入管线与油套环空流动通道相连时，所述闭式循环流出热流体利用模块的入口通过闭式循环流出流体流动管线与油管流动通道相连；当冷流体注入泵的出口通过冷流体注入管线与油管流动通道相连时，所述闭式循环流出热流体利用模块的入口通过闭式循环流出流体流动管线与油套环空流动通道相连；

当冷流体注入泵的出口通过冷流体注入管线与油套环空流动通道相连时，该热电发电系统的发电方法包括以下步骤：

S11、存储在冷流体储存容器中的冷流体，经冷流体流出管线进入冷流体注入泵增压后，通过冷流体注入管线进入油套环空流动通道；

S12、冷流体沿油套环空流动通道向下流动过程中，不断从周围地层吸收热量，温度逐渐升高，在井底处温度达到最高，变为高温流体；

S13、由于井底被水泥封堵，高温流体从井底和油管底部之间的空隙进入油管流动通道中，并沿着油管流动通道向上流动到地面，进入闭式循环流出流体流动管线，然后进入闭式循环流出热流体利用模块，经过热交换和利用后通过冷流体流入管线返回冷流体储存容器中；

S14、热电发电模块在油管流动通道中的高温流体和油套环空流动通道中的低温流体之间的温度差的作用下产生电能，并通过驳接线缆将电能输入电能外输模块；

S2、当冷流体注入泵的出口通过冷流体注入管线与油套环空流动通道相连时，该热电发电系统的发电方法包括以下步骤：

S21、存储在冷流体储存容器中的冷流体，经冷流体流出管线进入冷流体注入泵增压后，通过冷流体注入管线进入油管流动通道；

S22、冷流体沿油管流动通道向下流动过程中，从油套环空流动通道中的热流体中吸收部分热量，温度保持在较低水平；

S23、流体达到井底后，由于井底被水泥封堵，从油管流动通道流出的流体从井底和油管底部之间的空隙进入油套环空流动通道中，并沿着油套环空流动通道向上流动到地面，进入闭式循环流出流体流动管线，然后进入闭式循环流出热流体利用模块，经过热交换和利用后通过冷流体流入管线返回冷流体储存容器中；

S24、流体在油套环空流动通道向上流动过程中，不断与周围地层进行热交换，在相同深度处，油套环空流动通道中的流体温度高于油管流动通道中的流体温度，热电发电模块在油套环空流动通道中的高温流体和油管流动通道中的低温流体之间的温度差的作用下产生电能，并通过驳接线缆将电能输入电能外输模块。

2.根据权利要求1所述的单井闭式循环井下热电发电系统的发电方法，其特征在于，所述井筒为钻穿地热井地层的孔眼结构，采用下套管至井底注水泥固井方式实现；所述套管与地热井地层紧密胶结。

3.根据权利要求1所述的单井闭式循环井下热电发电系统的发电方法，其特征在于，所述热电发电模块包括若干组相互串联的热电发电机；所述热电发电机包括若干组热电发电单元；所述热电发电单元包括一个N型半导体和一个P型半导体，相邻的热电发电单元之间N型半导体和P型半导体交替排列。

4.根据权利要求1所述的单井闭式循环井下热电发电系统的发电方法，其特征在于：所述套管和油管的横截面均为圆形；所述套管和油管同轴设置；所述热电发电模块的横截面为圆环形。

5.根据权利要求1所述的单井闭式循环井下热电发电系统的发电方法，其特征在于，所述冷流体注入泵和冷流体储存容器均位于地面上。

6.根据权利要求1所述的单井闭式循环井下热电发电系统的发电方法，其特征在于：所述冷流体为水、液态二氧化碳、液态氮气中的任意一种。

说明书

技术领域

本发明属于地热发电技术领域，具体涉及一种单井闭式循环井下热电发电 系统及方法。

背景技术

地热能是一种清洁的绿色能源，因其资源量大、生产不受气候条件影响、 污染小、可持续等优点。

地热发电技术主要有干蒸汽发电技术、地下热水发电技术、联合循环发电 技术、干热岩地热发电技术等。目前的地热发电技术中，27％采用干蒸汽地热 发电，41％采用单工质闪蒸方式，20％采用双工质闪蒸方式，1％采用背压式汽 轮机，11％采用ORC/联合循环/混合方式。

随着近年来半导体材料制造技术和工艺的进步，热电发电技术逐渐兴起。 当在半导体两侧分别施加不同的温度时，由于塞贝克效应，在高温侧和低温侧 之间就会产生电动势。利用这种现象，使用热电发电元件就能将热能直接转换 为电能。一些研究表明，即使高温侧和低温侧之间仅有10摄氏度的温差，也 能产生足够多的电能。

发明内容

针对中低温热储的生产特点，本发明结合热电发电技术，提出一种单井闭 式循环井下热电发电系统及方法，该系统及方法不但能实现取热发电不取水、 提供稳定的电能供给，而且还不会影响换热流体的后续利用。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明涉及一种单井闭式循环井下热电发电系统，包括：钻穿地热井地层 的井筒、流体循环模块和电能外输模块。

具体地说，所述井筒包括套管、嵌入设置在套管内的油管以及设置在油管 外壁上的热电发电模块；所述油管的顶部与套管的顶部平齐，底部位于井筒井 底的上方且与井筒井底之间有空隙；所述热电发电模块通过驳接线缆与所述电 能外输模块相连；所述套管内壁与热电发电模块外壁之间的空间形成油套环空 流动通道；所述油管内部空间形成油管流动通道。

所述流体循环模块包括冷流体注入管线、冷流体注入泵、冷流体流出管线、 冷流体储存容器、冷流体流入管线、闭式循环流出热流体利用模块和闭式循环 流出流体流动管线；所述冷流体注入泵的出口通过冷流体注入管线与油套环空 流动通道或者油管流动通道相连；所述冷流体注入泵的入口通过冷流体流出管 线与冷流体储存容器的出口相连；所述冷流体储存容器的入口通过冷流体流入 管线与闭式循环流出热流体利用模块的出口相连；当冷流体注入泵的出口通过 冷流体注入管线与油套环空流动通道相连时，所述闭式循环流出热流体利用模 块的入口通过闭式循环流出流体流动管线与油管流动通道相连；当冷流体注入 泵的出口通过冷流体注入管线与油管流动通道相连时，所述闭式循环流出热流 体利用模块的入口通过闭式循环流出流体流动管线与油套环空流动通道相连。

进一步的，所述井筒为钻穿地热井地层的孔眼结构，采用下套管至井底注 水泥固井方式实现；所述套管与地热井地层紧密胶结；所述井底采用水泥封堵。

进一步的，所述热电发电模块包括若干组相互串联的热电发电机；所述热 电发电机包括若干组热电发电单元；所述热电发电单元包括一个N型半导体和 一个P型半导体，相邻的热电发电单元之间N型半导体和P型半导体交替排 列。

进一步的，所述套管和油管的横截面均为圆形；所述套管和油管同轴设置； 所述热电发电模块的横截面为圆环形。

进一步的，所述冷流体注入泵和冷流体储存容器均位于地面上。

本发明还涉及一种采用上述单井闭式循环井下热电发电系统的热电发电 方法：

S1、当冷流体注入泵的出口通过冷流体注入管线与油套环空流动通道相连 时，该方法包括以下步骤：

S11、存储在冷流体储存容器中的冷流体，经冷流体流出管线进入冷流体 注入泵增压后，通过冷流体注入管线进入油套环空流动通道。

S12、冷流体沿油套环空流动通道向下流动过程中，不断从周围地层吸收 热量，温度逐渐升高，在井底处温度达到最高，变为高温流体。

S13、由于井底被水泥封堵，高温流体从井底和油管底部之间的空隙进入 油管流动通道中，并沿着油管流动通道向上流动到地面，进入闭式循环流出流 体流动管线，然后进入闭式循环流出热流体利用模块，经过热交换和利用后通 过冷流体流入管线返回冷流体储存容器中。

S14、热电发电模块在油管流动通道中的高温流体和油套环空流动通道中 的低温流体之间的温度差的作用下产生电能，并通过驳接线缆将电能输入电能 外输模块。

S2、当冷流体注入泵的出口通过冷流体注入管线与油套环空流动通道相连 时，该方法包括以下步骤：

S21、存储在冷流体储存容器中的冷流体经冷流体流出管线进入冷流体注 入泵增压后，通过冷流体注入管线进入油管流动通道。

S22、冷流体沿油管流动通道向下流动过程中，从油套环空流动通道中的 热流体中吸收部分热量，温度保持在较低水平。

S23、流体达到井底后，由于井底被水泥封堵，从油管流动通道流出的流 体从井底和油管底部之间的空隙进入油套环空流动通道中，并沿着油套环空流 动通道向上流动到地面，进入闭式循环流出流体流动管线，然后进入闭式循环 流出热流体利用模块，经过热交换和利用后通过冷流体流入管线返回冷流体储 存容器中。

S24、流体在油套环空流动通道向上流动过程中，不断与周围地层进行热 交换，在相同深度处，油套环空流动通道中的流体温度高于油管流动通道中的 流体温度，热电发电模块在油套环空流动通道中的高温流体和油管流动通道中 的低温流体之间的温度差的作用下产生电能，并通过驳接线缆将电能输入电能 外输模块。

进一步的，所述冷流体为水、液态二氧化碳、液态氮气中的任意一种。

和现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用流体闭式循环方式实现了井下取热发电不取水，避免了 传统地热生产过程中潜在的地层沉降、井筒结垢等问题。

(2)本发明利用布置在井下的热电模块实现了井下发电。

(3)在本发明中，经井下发电后循环出的流体通过地面换热后可用于地 面供暖、养殖、洗浴等应用。

综上所述，本发明不但能实现取热发电不取水、提供稳定的电能供给，而 且还不会影响换热流体的后续利用。

附图说明

图1是实施例一中单井闭式循环井下热电发电系统的结构示意图；

图2是图1的I-I’剖面结构示意图；

图3是实施例二中单井闭式循环井下热点发电系统的结构示意图。

其中：

101、地热井地层，102、套管，103、热电发电模块，104、油管，105、 井底，106、井筒，200、流体循环模块，201、冷流体注入管线，202、冷流体 注入泵，203、冷流体流出管线，204、冷流体储存容器，205、冷流体流入管 线，206、闭式循环流出热流体利用模块，207、闭式循环流出流体流动管线， 301、驳接线缆，302、电能外输模块，401、油套环空流动通道，402、油管流 动通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

实施例一

如图1所示的一种单井闭式循环井下热电发电系统，包括：钻穿地热井地 层的井筒106、流体循环模块200和电能外输模块302。

具体地说，所述地热井地层101延深数千米，其地层温度从下至上呈逐渐 降低趋势。所述井筒106是钻穿地热井地层101的孔眼结构，采用下套管102 至井底105注水泥固井方式完成。所述套管102与地热井地层101紧密胶结， 与地层流体隔绝。井底105采用水泥封堵，防止地层流体进入井筒106。油管 104下入井底105正上方，油管104外壁与套管102部分形成油套环空流动通 道401。油管104内部空间形成油管流动通道402。热电发电模块103紧密固 结在油管104外壁上，随油管104下入套管102内。

进一步的，所述流体循环模块200包括冷流体注入管线201、冷流体注入 泵202、冷流体流出管线203、冷流体储存容器204、冷流体流入管线205、闭 式循环流出热流体利用模块206和闭式循环流出流体流动管线207。所述冷流 体注入泵202和冷流体储存容器204位于地面。冷流体注入泵202的入口通过 冷流体流出管线203与冷流体储存容器204的出口相连。冷流体注入泵202的 出口通过冷流体注入管线201与油套环空流动通道401相连。所述冷流体储存 容器的入口通过冷流体流入管线与闭式循环流出热流体利用模块的出口相连。 所述闭式循环流出热流体利用模块206的入口通过闭式循环流出流体流动管线 207与油管流动通道402相连。

进一步的，所述的热电发电模块103通过驳接线缆301与电能外输模块302 相连，通过电能外输模块302向用户提供电能。

进一步的，如图2所示，所述油管104和套管102的横截面均为圆形。所 述套管102和油管104同轴设置。所述热电发电模块103的横截面为圆环形。

进一步的，所述的热电发电模块103由若干组热电发电机串联而成；所述 的若干组热电发电机可以是1组、10组、100组，也可以是任意多组；所述的 热电发电机由若干个N型半导体和若干个P型半导体按照交替、成对排列方 式组装而成；一个N型半导体和一个P型半导体构成一个热电发电单元；所 述的若干个N型半导体和若干个P型半导体可以是1个、10个、100个，也 可以是任意多个；N型半导体数量和P型半导体数量相等。

进一步的，所述的冷流体为水、液态二氧化碳、液态氮气。

该系统的工作原理为：

冷流体注入泵202将来自冷流体储存容器204的冷流体增压后，通过冷流 体注入管线201注入油套环空流动通道401中。经增压后的冷流体沿着油套环 空流动通道401流到井底105。在冷流体沿着油套环空流动通道401向下流动 过程中，不断从周围地层吸收热量，冷流体温度逐渐升高，变成高温流体，即 热流体。由于井底105被水泥封堵，从周围地层吸收热量后的热流体只能从油 管104底部和井底105之间的空隙进入油管流动通道402中，然后沿着油管流 动通道402向上流出井筒。由于油管流动通道402中向上流动的流体是吸收周 围地层热量被加热后的流体，而油套环空流动通道401中向下流动的流体在流 动过程中是不断从周围地层吸收热量逐渐被加热的过程，因此，在同一深度处， 油管流动通道402中的流体温度高于油套环空流动通道401中的流体温度。油 管流动通道402中的流体为热电发电模块103提供热源，成为热电发电模块103 的高温热端；油套环空流动通道401中的流体为热电发电模块103提供冷源， 成为热电发电模块103的低温冷端。热电发电模块103在油套环空流动通道401 中的流体温度和油管流动通道402中的流体温度之间的温度差的作用下产生电 能。从油管流动通道402中流出的热流体通过闭式循环流出流体流动管线207 进入闭式循环流出热流体利用模块206，在闭式循环流出热流体利用模块206 中经过充分热交换和利用后变成冷流体后，通过冷流体流入管线205进入冷流 体储存容器204中。冷流体储存容器204、冷流体流出管线203、冷流体注入 泵202、冷流体注入管线201、油套环空流动通道401、油管流动通道402、闭 式循环流出流体流动管线207、闭式循环流出热流体利用模块206和冷流体流 入管线205构成一个闭式的流体循环系统，为热电发电模块9提供持续的冷能 和热能，实现井下发电。

本实施例中的单井闭式循环井下热电发电系统的实现方法为：

(1)选定高温地热井或者因含水高而被废弃的油井，采用水泥封堵井底； 根据其井底105深度，将外壁固结有热电发电模块103的油管104下至井底105 上方。

(2)依次连接冷流体储存容器204、冷流体流出管线203、冷流体注入泵 202和冷流体注入管线201，并将冷流体注入管线201与油套环空流动通道401 相连；将油管流动通道402通过闭式循环流出流体流动管线207与闭式循环流 出热流体利用模块206相连；闭式循环流出热流体利用模块206通过冷流体流 入管线205连接到冷流体储存容器204，从而构成一个闭合的流体循环系统。

(3)将热电发电模块103通过驳接线缆301与电能外输模块302相连， 构成一个电路系统。

(4)存储在冷流体储存容器204中的冷流体，经冷流体流出管线203进 入冷流体注入泵202增压后，通过冷流体注入管线201进入油套环空流动通道 401。

(5)冷流体沿油套环空流动通道401向下流动过程中，不断从周围地层 吸收热量，温度逐渐升高，在井底105处温度达到最高，变为高温流体。

(6)由于井底105被水泥封堵，高温流体从井底105和油管104底部之 间的空间进入油管流动通道402中，并沿着油管流动通道402向上流动到地面， 进入闭式循环流出流体流动管线207，然后进入闭式循环流出热流体利用模块 206，经过热交换和利用后通过冷流体流入管线205返回冷流体储存容器204 中。

(7)热电发电模块103在油管流动通道402中的高温流体和油套环空流 动通道401中的低温流体之间的温度差的作用下产生电能，并通过驳接线缆 301将电能输入电能外输模块302。

实施例二

如图3所示，在本实施例中的单井闭式循环井下热电发电系统中，冷流体 注入泵的出口通过冷流体注入管线与油管流动通道相连，闭式循环流出热流体 利用模块的入口通过闭式循环流出流体流动管线与油套环空流动通道相连，该 热电发电系统的其他结构同实施例一。

本实施例中的单井闭式循环井下热电发电系统的实现方法为：

(1)选定高温地热井或者因含水高而被废弃的油井，采用水泥封堵井底； 根据其井底105深度，将外壁固结有热电发电模块103的油管104下至井底105 上方。

(2)依次连接冷流体储存容器204、冷流体流出管线203、冷流体注入泵 202和冷流体注入管线201，并将冷流体注入管线201与油管流动通道402相 连；将油套环空流动通道401通过闭式循环流出流体流动管线207与闭式循环 流出热流体利用模块206相连；闭式循环流出热流体利用模块206通过冷流体 流入管线205连接到冷流体储存容器204，从而构成一个闭合的流体循环系统。

(3)将热电发电模块103通过驳接线缆301与电能外输模块302相连， 构成一个电路系统。

(4)存储在冷流体储存容器204中的冷流体，经冷流体流出管线203进 入冷流体注入泵202增压后，通过冷流体注入管线201进入油管流动通道402。

(5)冷流体沿油管流动通道402向下流动过程中，从油套环空流动通道 401中的热流体中吸收部分热量，温度保持在较低水平。

(6)流体达到井底105后，由于井底105被水泥封堵，从油管流动通道 402流出的流体从井底105和油管104底部之间的空间进入油套环空流动通道 401中，并沿着油套环空流动通道401向上流动到地面，进入闭式循环流出流 体流动管线207，然后进入闭式循环流出热流体利用模块206，经过热交换和 利用后通过冷流体流入管线205返回冷流体储存容器204中。

(7)流体在油套环空流动通道401向上流动过程中，不断与周围地层进 行热交换，在相同深度处，油套环空流动通道401中的流体温度高于油管流动 通道402中的流体温度，热电发电模块103在油套环空流动通道401中的高温 流体和油管流动通道402中的低温流体之间的温度差的作用下产生电能，并通 过驳接线缆301将电能输入电能外输模块302。

以上所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明 的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对 本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的 保护范围内。

单井闭式循环井下热电发电系统及方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。