中高溫地熱換熱輸出系統的建立方法以及中高溫地熱換熱輸出系統與流程

本發明屬于中高溫地熱能輸出技術領域，具體涉及中高溫地熱換熱輸出系統的建立方法及中高溫地熱換熱輸出系統。

背景技術：

賦存在地球內部的地熱能，主要來源于地核的衰變熱。近一個世紀以來，人類已經將地熱能作為發電或其它用途的能源供給。

目前利用中高溫地熱資源作為能源供給的技術工藝主要有三種形式：

(1)利用地熱井直接開采中高溫地熱流體。這種方法的應用較為普遍，如圖5所示，需鉆鑿地熱井51，通過地熱井51直接開采中高溫地熱流體并向用戶端輸出。如我國的西藏羊八井地熱電站。

(2)EGS(Enhanced Geothermal System，增強型地熱系統)。如圖6所示，這種方法需鉆鑿兩眼井，即注入井61和輸出井62，通過壓裂或對接等方法造成兩井之間在熱儲部位的連通條件，從注入井61注入工質，工質在鉆孔的熱儲段吸熱并發生體積的劇烈膨脹直至發生相變，以高溫蒸汽的形式經輸出井62輸送至用戶端。如德國的布魯赫薩爾地熱發電項目。采用此類技術的技術案例均在試驗中，迄今未有成熟的工程成果。

(3)CEEG(Complex Energy Extraction from Geothermal resource，復合式地熱能源萃取系統)。這種方法的提出是針對(2)，有人認為壓裂很困難，且水巖反應會帶來化學堵塞問題(如結垢)，于是有學者提出采用CEEG來提取熱能。采用這種方法，如圖7所示，需施工鉆鑿大口徑的豎井71(比如直徑達5米)，在豎井71內一定深度(如1000米)處構筑輻射井建立平臺74，在該平臺74處向四周鉆出多個(達幾十個)輻射井72并安裝換熱管73，換熱管73收集的熱量在平臺74實現集合后輸送至地表向用戶端供熱。此種方法的特點是工程量浩大，投資巨大，迄今為止尚處試驗階段，未見有成熟的工程成果。

上述形式(1)面臨“產能衰減”、阻垢除垢、尾水處理三大問題的困擾。形式(2)、(3)所述EGS或CEEG則是人工構筑出規模較大(鉆孔口徑從0.45米至5米或更大，深度從1000米至4000米或更深，依靠鉆孔在熱儲部位的對接或裝置輻射式換熱管實現換熱)的熱交換系統，籍熱交換工藝獲取熱能進而驅動發電機發電，并不直接開采地熱流體。以換熱工藝實現地熱能的獲取，因規避了阻垢除垢問題和尾水處理問題及其引發的資源保護和環境保護、可持續發展問題而備受期待，但數十年來仍未走出試驗，由于不能實現穩定的熱供給，投資的收益也無從談起。

目前，針對中高溫熱儲，以熱交換工藝獲取穩定的熱能供給是地熱能開發利用亟待破解的課題。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的缺陷和現實的需要，本發明的一個目的是提供中高溫地熱換熱輸出系統的建立方法，采用所述建立方法可建立中高溫地熱換熱輸出系統，其中包含了為地熱資源開采的可持續性提供保障的配套的監測系統，所述建立方法為地熱能的可持續獲取打開窗欞，具有科學、合理、有效、安全、經濟、環保等優點。

本發明的另一目的是提供采用上述建立方法所建立的中高溫地熱換熱輸出系統，所述中高溫地熱換熱輸出系統能夠提供有效穩定的熱輸出量，為突破制約本行業發展的技術瓶頸提供了新思路。

為以上目標的實現，本發明采用的技術方案是：中高溫地熱換熱輸出系統的建立方法，所述建立方法包括以下步驟：

Ⅰ、開展前期工作

遵循項目條件、熱供給目標需求與自然條件、地質條件和可實現換熱量之間相互匹配的原則，進行建立中高溫地熱換熱輸出系統的技術可行性分析，具體包括以下內容：

針對擬開發的中高溫地熱地質單元，首先開展可行性或預可行性地熱資源勘查，獲得對地熱地質條件特征的認識，在此基礎上，選擇有利于熱萃取的位置布置并開鑿試驗孔，并在試驗孔內安裝換熱組件以建立單孔換熱試驗單元，然后進行所述單孔換熱試驗單元的換熱量測定工作，通過換熱量測定試驗初步識別換熱條件下熱儲對單孔換熱試驗單元的熱供給能力以及單孔換熱試驗單元的熱萃取能力，形成前期工作成果；

Ⅱ、開展設計工作

(1)設計中高溫地熱換熱輸出系統

依據前述前期工作成果、項目條件、自然條件設計中高溫地熱換熱輸出系統，所述中高溫地熱換熱輸出系統由與滿足熱供給目標需求的熱供給設計規模對應數量的單孔換熱單元聯結構成，所述單孔換熱單元包括換熱孔和安裝于所述換熱孔中的換熱組件；設計元素包括單孔換熱單元中擬建實際換熱孔的位置分布、數量、聯結單孔換熱單元構成換熱輸出系統的方案；

(2)設計實際單孔換熱單元

根據步驟Ⅰ獲得的地熱地質條件特征和換熱條件下熱儲對單孔換熱試驗單元熱供給能力的識別以及對單孔換熱試驗單元熱萃取能力的識別，以及步驟Ⅱ(1)的設計要求，設計實際單孔換熱單元，設計元素包括實際單孔換熱單元中擬建換熱孔的種類、形式、口徑、深度和鉆孔結構以及擬設于換熱孔中的換熱組件的種類、型式和功能特征；

(3)設計監測系統

設計用于監測平行于熱儲構造走向方向的溫度場變化的第一溫度監測子系統，所述第一溫度監測子系統包括設于各個換熱孔內換熱組件配套的溫度感應器及與溫度感應器相連的地面數據記錄儀和數據分析處理器；

設計用于監測垂直于熱儲構造走向方向的溫度場變化的第二溫度監測子系統，所述第二溫度監測子系統包括專門鉆鑿的若干監測孔及下置于監測孔中的溫度傳感器，以及與溫度傳感器相連的地面數據記錄儀和數據分析處理器，設計內容還包括監測孔的位置分布、深度，以及孔內下置溫度傳感器的類型、下置方式、監測范圍；

Ⅲ、建立單孔換熱單元：

(1)確定實際單孔換熱單元的鉆孔施工工藝：

根據步驟Ⅱ(2)的實際單孔換熱單元的設計，確定單孔換熱單元的鉆孔施工工藝，所述鉆孔施工工藝所涉及的要素包括針對與擬建換熱孔的種類、形式、口徑、深度、鉆孔結構、鉆遇巖性以及與換熱組件的安裝要求相適配的鉆探方法、具有防噴裝置的鉆井設備和泥漿控制系統的選擇配置；

(2)開展單孔換熱單元的施工：

對換熱孔單孔，按照步驟Ⅲ(1)確定的鉆孔施工工藝實施鉆探，待鉆探深度到設計位置，進行地球物理測井，然后安裝換熱組件，并安裝第一溫度監測子系統，之后開展實際換熱量測試，獲取實際換熱量測試數據；

Ⅳ、組建換熱輸出系統：根據步驟Ⅲ(2)的實際換熱量測試數據，對單孔換熱單元的聯結方案進行校核、修正和優化，然后聯結單孔換熱單元，組成換熱輸出系統；

Ⅴ、安裝第二溫度監測子系統：根據步驟Ⅲ(2)的實際換熱量測試數據校核修正步驟Ⅱ(3)中第二溫度監測子系統的設計方案，然后按照修正的第二溫度監測子系統的設計方案對步驟Ⅳ所組建的換熱輸出系統開展監測孔的鉆鑿施工，并在監測孔內安裝溫度傳感器及地面數據記錄儀和數據分析處理器，用于聯合第一溫度監測子系統對換熱輸出系統運行時熱儲地質單元溫度場的變化進行同步監測。

進一步，步驟Ⅰ中，初步識別換熱條件下熱儲的熱供給能力和單孔換熱單元熱萃取能力的方法為：針對中高溫熱儲單元，選擇有利于熱萃取的位置，布置并鉆鑿若干試驗孔，在各個試驗孔內分別安裝換熱組件，分別由各個試驗孔以及安裝在孔內的換熱組件組成多個單孔換熱試驗單元，通過對多個單孔換熱試驗單元開展換熱量測定試驗，初步識別在所述換熱條件下中高溫熱儲對單孔換熱單元的熱供給能力和單孔換熱單元的熱萃取能力。

進一步，步驟Ⅰ中建立單孔換熱試驗單元時和步驟Ⅱ(2)中設計實際單孔換熱單元時，根據換熱條件下熱儲對單孔換熱單元熱供給能力的有限性和單孔換熱試驗單元熱萃取能力的有限性并考慮鉆孔施工成本的經濟性來確定試驗孔或換熱孔的口徑。

進一步，步驟Ⅲ(2)中，換熱孔鉆探施工時，保持孔內環空外壓力與地層壓力間的平衡方式為近平衡或過平衡。

再進一步，所述換熱孔進行鉆探施工過程中，保持孔內環空外壓力與地層壓力近平衡或過平衡的具體實現方法是：向使用的泥漿中加入加重材料，所述加重材料為重晶石、石灰石、鐵礦石或方鉛礦石的粉末；或者，在自然條件允許的情況下，通過向鉆孔內注入冷水以降低泥漿沖洗液的溫度來實現。

進一步，步驟Ⅲ(2)中，所述換熱孔進行鉆探施工的過程中，當循環排出的泥漿出口溫度為40-60℃時，采用風扇強制冷卻泥漿至40℃以下；當循環排出的泥漿出口溫度＞60℃時，采用冷卻塔使泥漿降溫至40℃以下。

進一步，若步驟Ⅱ中所設計的換熱組件采用套管式換熱器，則步驟Ⅲ中在進行地球物理測井之后，安裝套管式換熱器，使用抗溫抗壓水泥固井，在鉆探施工完畢后，清理孔底，安裝換熱組件的其它部件。

采用本發明上述建立方法所建立的中高溫地熱換熱輸出系統由與滿足熱供給目標需求的熱供給設計規模對應數量的單孔換熱單元聯結構成，所述單孔換熱單元包括換熱孔和安裝于所述換熱孔中的換熱組件；所述換熱孔的口徑根據換熱條件下熱儲對單孔換熱單元熱供給能力的有限性和單孔換熱試驗單元熱萃取能力的有限性并考慮鉆孔施工成本的經濟性來確定。

進一步，所述的單孔換熱單元在地表或近地表單獨聯結于主輸送管或若干單孔換熱單元按照熱供給設計規模在地表或近地表以并聯方式聯結于主輸送管，所述主輸送管包括工質主輸入管和工質主輸出管，所述安裝于單孔換熱單元中的換熱組件的輸入、輸出端口分別與工質主輸入管、工質主輸出管相連。

再進一步，若干單孔換熱單元按照熱供給設計規模在地表或近地表以并聯方式聯結構成的中高溫地熱換熱輸出系統的工作原理是：將若干單孔換熱單元所獲取有限的、但是穩定的熱萃取量經過該系統實現聚集累加，形成滿足熱供給目標需求的有效穩定的熱輸出量向用戶端持續供給，所述有效穩定的熱輸出量小于或等于目標熱儲的熱供給量。

進一步，所述中高溫地熱換熱輸出系統配置有用于監測平行于熱儲構造走向方向的溫度場變化的第一溫度監測子系統，以及用于監測垂直于熱儲構造走向方向的溫度場變化的第二溫度監測子系統，第一、二溫度監測子系統共同實現對所述中高溫地熱換熱輸出系統運行時熱儲溫度場變化的實時監測。

本發明針對現有中高溫地熱換熱萃取工藝的工程案例存在未能充分識別換熱條件下熱儲的熱供給能力和熱萃取系統的熱萃取能力的缺陷，導致不能實現穩定的熱供給，提出一種中高溫地熱換熱輸出系統的建立方法，所述建立方法通過在前期工作中獲取地熱地質相關背景信息的基礎上，選擇有利于熱萃取的位置布置試驗孔、構筑單孔換熱試驗單元并開展換熱量測試試驗，預先識別換熱條件下中高溫熱儲的熱供給能力和單孔換熱單元的熱萃取能力，然后據此開展單孔換熱單元、換熱輸出系統和配套監測系統的設計，然后在實施鉆探時，通過改進常規鉆探工藝和設備，開鑿換熱孔并在孔內安裝換熱組件，建立單孔換熱單元，并對所建立的單孔換熱單元進行實際的換熱量測定，以此校核、修正和優化單孔換熱單元的聯結方案，然后聯結單孔換熱單元構成中高溫地熱換熱輸出系統，最后為換熱輸出系統配置系統運行時針對熱儲溫度場變化進行實時監測的監測系統。采用本方法建立的中高溫地熱換熱輸出系統能夠實現有效穩定的熱輸出，具有經濟、高效、實用、科學、環保等特點。

附圖說明

圖1是本發明提供的中高溫地熱換熱輸出系統的建立方法的流程圖；

圖2是本發明的單孔換熱單元的示意圖；

圖3是本發明提供的由若干單孔換熱單元聯結而成的中高溫地熱換熱輸出系統的示意圖；

圖4是在鉆探地熱換熱孔時所使用的防噴裝置的安裝示意圖；

圖5是直接開采地熱的常規地熱井的示意圖；

圖6是EGS系統的示意圖；

圖7是CEEG系統的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步描述。

本申請人認為，作為建立熱交換系統實現熱供給的EGS和CEEG之所以試驗至今日仍欠成熟，最根本的原因在于：1)未能有效識別換熱條件下熱儲熱供給能力的有限性；2)與1)緊密關聯的是，無論熱儲如何強大，也無論通過任何地質體，換熱單元可實現的熱交換規模是有限的，此問題同樣未被有效識別。因此，所試驗的換熱系統都不同程度地出現熱供給量不穩定的問題，其原因是換熱規模過大。

本申請人針對本技術領域存在的上述問題，提出了一個完整的解決方案——中高溫地熱換熱輸出系統，具體給出了該系統的建立方法。為建立所述中高溫地熱換熱輸出系統，本申請人首先針對問題①和②提出解決方法，具體見前期遞交的申請號為201410328248.0和201410328138.4的發明專利申請，其中，申請號為201410328138.4的發明專利申請所表達的技術內容是上述解決方案的重要組成部分。

本文所稱“中高溫地熱換熱輸出系統的建立方法”，其指導思想是：盡管換熱條件下單孔換熱單元可實現的熱交換規模是有限的，但可以將被識別的若干單孔換熱單元穩定有限的小規模熱萃取量聚集累加，形成滿足客戶端需求的有效、穩定的熱輸出量，實現可持續的能源供給意義。本方法的提出，為突破制約本行業發展的技術瓶頸提供了新思路。

以下根據如圖1所示的流程圖詳細說明本發明提供的中高溫地熱換熱輸出系統的建立方法。所述建立方法包括以下過程：

Ⅰ、開展前期工作

遵循項目條件、熱供給目標需求與自然條件、地質條件和可實現換熱量之間相互匹配的原則，進行建立中高溫地熱換熱輸出系統的技術可行性分析。

所述項目是指所設計的中高溫地熱換熱輸出系統的熱供給目標(比如發電廠、辦公樓、商場、居住小區等等)；所述項目條件是指所述項目的種類、形式、功能、用途、規模等；所述目標需求是指熱供給目標對熱能的利用方式、熱供給量的要求等；所述自然條件是指地理環境、交通狀況、地形地貌、水文、氣象等；所述地質條件包括地層、巖性、熱儲構造的性質、產狀和分布以及地溫場特征等。

前期工作具體包括以下內容：

針對擬開發的中高溫地熱地質單元，依據前述原則，調查本地區的自然條件，并針對擬開發的地熱地質單元的可行性或預可行性地熱資源勘查(內容包括區域地質調查、水文地質調查，地球物理和地球化學勘探，開鑿勘探孔等)，取得對地熱地質條件(巖性、地層、構造的性質、產狀和分布，特別是熱儲構造的性質、產狀和分布、與之對應的溫度場分布和特征)的認識。在此基礎上，選擇有利于熱萃取的位置布置并開鑿試驗孔，并在試驗孔內安裝換熱組件以建立單孔換熱試驗單元，然后進行所述單孔換熱試驗單元的換熱量測定工作，通過換熱量測定試驗初步識別換熱條件下熱儲對單孔換熱試驗單元的熱供給能力以及單孔換熱試驗單元的熱萃取能力，綜合統計分析形成前期工作成果。以前期工作成果并結合項目條件、自然條件形成設計依據，開展后續中高溫地熱換熱輸出系統的設計。

本專業領域中，針對換熱量測定試驗，可采用任何適用的方式進行測試并識別換熱條件下熱儲對單孔換熱試驗單元的熱供給能力和單孔換熱試驗單元的熱萃取能力。在本發明優選的實施方式中，具體實現方法如下：

針對中高溫熱儲單元，選擇鉆孔種類、形式(種類指垂直孔或非垂直孔，形式指一級孔徑或多級孔徑鉆孔)，考慮到換熱條件下熱儲對單孔換熱單元的熱供給能力的有限性和單孔換熱單元熱萃取能力的有限性以及鉆孔成本經濟性，在150-250mm的示范開孔口徑范圍內開鑿不少于3種口徑的試驗孔，在試驗孔內安裝換熱組件組成單孔換熱試驗單元，對其開展以下試驗：

①開展由試驗孔和換熱組件組成的換熱單元與熱儲之間的多組次定流量的換熱量測定試驗，將各組次測試所獲得的換熱量Q_i與熱儲段的平均溫差ΔT_ri繪制Q-ΔT均衡曲線，Q-ΔT均衡曲線上存在Q對ΔT一階導數為零的拐點，所述拐點處的切線平行于ΔT軸，分析評價井內熱儲熱力均衡條件下的換熱量與熱儲段的平均溫差的關系，計算求得所述拐點對應的換熱量值，即熱儲熱力均衡條件下的換熱量邊界值Q₀，即獲得換熱條件下中高溫熱儲對該孔的熱供給能力；

②開展換熱單元與熱儲之間的多組次定溫差的換熱量測試試驗，將測試所得到的穩定換熱量數據進行分析處理(方法與①類同)，由此推算單孔換熱試驗單元的熱萃取能力，進而為優化單孔換熱單元的設計提供依據。

具體的換熱量測定試驗方法和計算方法可參考申請人前期遞交且已公開的中國專利申請“中高溫地熱單井換熱量測定的試驗方法和試驗測試系統”(申請號201410328138.4，公開日為2014年11月5日)。

Ⅱ、開展設計工作

(1)設計中高溫地熱換熱輸出系統

依據前述前期工作成果、項目條件、自然條件,設計中高溫地熱換熱輸出系統，所述中高溫地熱換熱輸出系統由與滿足熱供給目標需求的熱供給設計規模對應數量的單孔換熱單元聯結構成，所述單孔換熱單元包括換熱孔和安裝于所述換熱孔中的換熱組件；設計元素包括單孔換熱單元中擬建實際換熱孔的位置分布、數量、聯結單孔換熱單元構成換熱輸出系統的方案。

對斷裂構造而言，一般有開張性和壓扭性之分。在地熱地質單元中，開張性斷裂構造具有構成熱通道作用的特征。

以開張性斷裂構造為例，在有利于熱萃取的位置進行換熱孔孔位布置，應沿與斷裂走向平行(即與熱儲斷裂面26平行，見圖3)的方向，在斷裂上盤一側布孔。

聯結構成換熱輸出系統的單孔換熱單元的數量，由各單孔換熱單元熱萃取量的累加能否與換熱輸出系統的熱能輸出規模相適應來決定，也是考察自然條件、地熱地質條件和項目用途需求能否匹配的重要內容。

單孔換熱單元經聯結構成換熱輸出系統的聯結方案，在滿足前述熱能輸出規模的基礎上，還應確保換熱工質輸送管的密閉、暢通，特別是高溫高壓條件下的適用性和承載能力，以及盡可能杜絕熱干擾的保溫工藝、系統投入運行后便于維護的條件等。

(2)設計實際單孔換熱單元(見圖2)：

本發明中，根據步驟Ⅰ獲得對地熱地質條件特征的認識和換熱條件下熱儲對單孔換熱單元熱供給能力的識別以及對單孔換熱單元熱萃取能力的識別，設計實際單孔換熱單元，設計要素包括實際單孔換熱單元中擬建換熱孔21的特征，包括種類、形式、口徑、深度和鉆孔結構以及擬設于換熱孔21中的換熱器22的特征，包括種類、型式和功能、結構等。

換熱孔的種類、形式，采取垂直孔還是非垂直孔、一級孔徑或多級孔徑鉆孔，需結合地形地貌特征和熱儲構造的性質產狀的有利于換熱孔熱萃取的條件來確定。

關于換熱孔的口徑，可根據換熱條件下經換熱量試驗測定的熱儲熱供給能力和單孔換熱試驗單元的熱萃取能力，兼顧鉆孔施工成本的經濟性來確定，本發明提出示范的換熱孔開孔口徑在150-250mm范圍內。

換熱孔的深度依據熱儲構造的性質、產狀、埋藏深度、溫度分布以及其它對熱供給有利的技術要素來確定。

換熱孔的鉆孔結構根據巖性可鉆性、巖性穩定性、鉆孔深度、換熱組件的安裝要求，兼顧經濟適配的鉆探設備功能、配套條件來確定。

本發明中，換熱組件中可以選擇任何與換熱孔相匹配的換熱器，其種類可采用套管式換熱器或其它種類。換熱器的型式可根據實際條件和需要進行選擇或設計，以套管式換熱器為例，其型式可采用同心式(如圖2)，也可以采用并列式(如圖3)。

(3)設計監測系統：

本發明中，監測系統的設計包括以下兩部分：

(a)設計用于監測沿平行于熱儲構造走向方向的溫度場變化的第一溫度監測子系統。充分利用所建立的單孔換熱單元，第一溫度監測子系統包括包括設于各個換熱孔內換熱組件配套的溫度感應器及與溫度感應器相連的地面數據記錄儀和數據分析處理器。

(b)設計用于監測垂直于熱儲構造走向方向的溫度場變化的第二溫度監測子系統。所述第二溫度監測子系統包括專門鉆鑿的若干監測孔及下置于監測孔中的溫度傳感器，以及與溫度傳感器相連的地面數據記錄儀和數據分析處理器，設計內容還包括監測孔的位置分布、深度，以及孔內下置溫度傳感器的類型、下置方式、監測范圍。

監測孔的位置分布和深度是設計核心，在參考熱儲地質單元中地層巖性、熱儲構造的性質、產狀和分布以及溫度場的分布特征等要素的基礎上，建立上述要素與由單孔換熱單元聯結而成的換熱輸出系統的空間關聯模型，完成第二溫度監測子系統的設計。

垂直于熱儲構造走向的方向，布設分布合理、深度和數量適宜的專門監測孔組成的第二溫度監測子系統，與前述第一溫度監測子系統共同構成完整的監測系統，用于換熱輸出系統運行時對熱儲地質單元溫度場的變化進行同步監測，監測目標是換熱輸出系統所形成的換熱量可能造成熱儲地質單元溫度場溫度降低的規模和影響范圍。

Ⅲ、建立單孔換熱單元：

(1)確定實際單孔換熱單元的鉆孔施工工藝：

關于中高溫地熱換熱孔的鉆鑿施工，鉆探工藝的特點是：①開孔口徑較小，無取心鉆進。②鉆孔數目較多、施工區域集中，便于規模化作業管理和輔助作業的集合供給與分配；③鉆孔的種類、形式需根據熱儲構造的特征，以有利于熱萃取的經濟施工方式來確定；④鉆孔結構需滿足換熱組件的安裝要求；⑤鉆探施工對應的地質條件具有一定的確定性和重復性。

鉆孔設計合理、實用簡潔的鉆探設備及可靠的工藝技術是中高溫地熱換熱孔鉆孔實現換熱效果同時兼顧施工成本的經濟性的重要保障，還應注重不同地質條件下高效鉆探工藝的選擇以及施工中的環境保護。

滿足上述鉆探工藝特點可有多種方案選擇，本發明僅舉例示范如下：根據步驟Ⅱ(2)中實際單孔換熱單元的設計要素確定單孔換熱單元的鉆孔施工工藝，所述鉆孔施工工藝要素不但包括常規的鉆機選擇、鉆頭配型、鉆具組合的選擇配置、鉆探參數的設置，特別是針對與擬建換熱孔的種類、形式、口徑、深度、鉆孔結構、鉆遇巖性以及換熱組件的安裝要求等相適配的具有防噴裝置的鉆井設備以及泥漿控制系統的選擇配置。

鉆探參數主要包括：鉆頭類型及參數、鉆進參數、水力參數；鉆進參數主要包括：鉆壓、轉速、排量、立管泵壓；水力參數主要包括：上返速度、噴射速度、鉆頭壓降、環空壓耗、鉆頭水功率等。

以示范開孔孔徑在150-250mm范圍、鉆孔深度范圍在300～500米、二開鉆孔結構的垂直換熱孔鉆鑿施工為例，可以選用提升能力30～50t范圍、回轉扭矩9～15kN·m的鉆機，裝載形式有塊狀方式、拖車方式、車載方式，傳動方式有機械傳動與全液壓傳動，回轉器包括轉盤式和動力頭頂驅傳動，最先進的鉆機當屬全液壓頂驅鉆機，操作簡便、自動化程度高、鉆進效率高，可以實現多工藝鉆井技術，如SDY-600、CMD-100、雪姆T685WS、寶峨RB25(40、50)、瑞典RD20CX等。可供選擇的轉盤式鉆機很多，如SPJ-300、SPC-300HW、SPC-600、紅星-600(800)、TSJ-1000等。

在進行中高溫地熱換熱孔鉆探時，由于孔內狀態急劇變化會產生熱水或熱汽涌噴，為保證安全鉆進，鉆機平臺必須安裝帶防噴器的井口裝置，防噴器一般可分為單閘板、雙閘板、萬能(環形)和旋轉防噴器等幾種。根據所鉆地層和鉆探工藝的要求，也可將幾個防噴器組合同時使用。

在優選的實施方案中，如圖4所示，本發明采用的防噴裝置自上而下可主要由泥漿循環管路3(即鉆桿2與井筒之間的環隙)、雙閘板防噴器5、四通管8、套管頭9組成，并通過連接頭組裝成為一個整體，鉆柱(包括主動鉆桿及鉆具)2從防噴裝置中心穿過，四通管8的兩側分別連接有壓井泥漿注入管路6和放噴排放管路7，泥漿循環管路3側面連接有泥漿出口管線4。正常鉆進時，雙閘板防噴器5處于打開狀態，當井筒內的壓力小于地層壓力時，地層中的高溫水汽進入井筒，出現溢流、井涌時可快速及時關閉井口，防止井噴事故的發生。

本發明所使用的防噴器應有足夠的耐熱和耐壓性，耐熱溫度200℃以上、耐壓不小于7MPa。由于防噴器位于地面0和鉆臺1之間，所以用于鉆探中高溫地熱井的鉆機都要配置不低于2.5m凈空高度的鉆臺。另外，鉆機的鉆柱2的接頭上應安裝有回壓閥。

由于中高溫地熱換熱孔面對地層高溫高壓，且鉆孔口徑有限定，在同一區域鉆探時重復面對同類地層，常規鉆探方法的應用需靈活開展。對于中高溫地層鉆井，泥漿(鉆井液的統稱)的性能對于確保中高溫鉆孔的安全、快速鉆進起著關鍵作用，需要克服的泥漿技術難題主要有兩個方面：a.抗高溫泥漿體系的建立，b.避免高溫地層流體侵入井眼形成井涌，兩者均需建立穩定的泥漿體系保護井壁失穩。因此，本發明中，需要對泥漿控制系統進行專門的選擇配置，包括抗溫抗壓泥漿的配制方法以及泥漿的冷卻方式。

通常，在高溫高壓的條件下使用的泥漿需應具有以下特點：

①泥漿體系具有抗高溫的能力。配方設計必須采用各種能夠抗高溫的有機處理劑，例如，褐煤類產品(抗溫204℃)、丙烯酸類的衍生物、腐植酸類的磺化體、木質素類產品(抗溫170℃)等。同時，配以抗高溫的造漿粘土，如海泡石和凹凸棒石粘土等。

②在高溫條件下對粘土的水化分散具有較強的抑制能力。在有機聚合物處理劑中，陽離子聚合物就比帶有羧鈉基的陰離子聚合物具有更強的抑制性。

③具有良好的高溫流變性。要求泥漿在高溫下仍然具有很好的流動性和攜帶、懸浮巖屑的能力。對于抑制高壓維持平衡的加重泥漿，尤其需要加強固相控制，并控制膨潤土含量以避免粘土分散度增大高溫增稠。為保持泥漿攜帶巖屑和懸浮加重材料的能力，必須加入抗溫抗鹽的結構增粘劑。如石棉纖維，石棉的結構單元呈圓筒狀，宏觀呈纖維狀，圓筒的兩端帶正電荷，與粘土層面的負電荷相吸而形成結構，可增加泥漿切力，提高攜帶鉆屑的能力。當泥漿密度在2g/cm³以上時，膨潤土含量更應嚴格控制。必要時可通過加入生物聚合物等改進流型，提高攜屑能力；加入抗高溫的稀釋劑，控制靜切力。

中高溫地熱換熱孔鉆探對泥漿的要求，除具有耐高溫性能外，還需盡量減少對環境的影響，所以應該使用抗高溫水基泥漿，例如，可選用磺化褐煤泥漿、三磺泥漿、聚磺泥漿或聚合物泥漿。

泥漿循環系統通常主要由泥漿泵、泥漿管匯、地面泥漿管線、立管、水龍帶、水龍頭、鉆具及泥漿凈化設備及泥漿池或泥漿罐等組成，這是本領域的常用設備，本發明在此不作細述。泥漿循環流程如下:動力機驅動泥漿泵，泥漿泵從泥漿池或泥漿罐中吸入泥漿，泥漿通過泥漿泵增壓后進入通過泥漿管匯、地面泥漿管線、立管、水龍帶、水龍頭、最后注入鉆柱2(見圖4)、經鉆頭水眼沖向井底，然后由鉆柱2與井筒的環形空間、雙閘門防噴器5返出井口，通過泥漿循環管路3及泥漿出口管線4(見圖4)，再經泥漿凈化設備流回泥漿池或泥漿罐。

(2)開展單孔換熱單元的施工：

對擬建換熱孔單孔，按照步驟Ⅲ(1)確定的鉆孔施工工藝實施鉆探，待鉆探深度到設計位置，進行地球物理測井，然后安裝換熱組件，并安裝第一溫度監測子系統，之后開展實際的換熱量測試，獲取換熱量測試數據。

此處以二開式鉆孔結構的垂直換熱孔及安裝在換熱孔中的同心式套管換熱器為例來說明擬建的實際單孔換熱單元的鉆探施工過程。

首先建立鉆臺，安裝鉆機，然后開啟泥漿循環系統，在已確定的鉆探位置處以正循環泥漿鉆進方法鉆探具有二開式鉆孔結構的垂直換熱孔，待鉆探到設計位置，下入套管或換熱器(包括第一溫度檢測子系統所需溫度感應器等)，一開、二開孔內下入套管或換熱器的外環空均采用抗溫抗壓水泥全孔段固井；在鉆探施工完畢后，清理孔底，安裝其它換熱組件。由于二開式垂直鉆孔的鉆探方法為本領域的公知常識，此處不再贅述。

需要說明的是，在本發明所舉例示范的中高溫地熱換熱孔鉆探施工中，孔內循環泥漿接觸到中高溫熱儲段后，泥漿被加熱，溫度會很高，循環至地面時有可能造成安全風險，故應安全地控制井內溫度，可以選配相對大排量的泥漿泵及泥漿冷卻裝置，隨時冷卻被熱儲加熱后循環排出的泥漿。例如，當循環排出的泥漿出口溫度＜60℃時，采用風扇強制冷卻泥漿至40℃以下；當循環排出的泥漿出口溫度＞60℃時，采用冷卻塔使泥漿降溫至40℃以下。

此外，在高溫高壓熱儲段地層鉆進時，極易發生地熱流體侵入井眼形成井涌，進而可能發生井噴現象。為了保證鉆孔施工成本的經濟性，應保持孔內環空外壓力與地層壓力間的平衡方式為近平衡或過平衡。

通常可調節泥漿密度來實現近平衡或過平衡操作，例如，可在泥漿中加入加重材料，從而獲得加重泥漿。所述加重材料為重晶石、石灰石、鐵礦或方鉛礦的粉末，優選為重晶石的粉末。更優選情況下，推薦使用重晶石加重的不分散聚合物泥漿，該泥漿體系中的聚合物可以起到絮凝和包被鉆屑、增效膨潤土、包被重晶石，減少粒子間的摩擦的作用。由于重晶石對聚合物的吸附，在處理加重泥漿時聚合物的加量應高于非加重鉆井液，加入重晶石時一般也相應加入適量聚合物。加入的量應通過實驗來確定。

或者，在自然條件允許的情況下，也可以采用向孔內注入冷水以降低泥漿沖洗液溫度的方法來實現近平衡或過平衡操作。

Ⅳ、組建換熱輸出系統

本發明步驟Ⅳ中，根據步驟Ⅲ(2)的實際換熱量測試數據，對單孔換熱單元的聯結方案進行校核、修正和優化，再按照修正優化后的方案對單孔換熱單元進行聯結，組成換熱輸出系統。

對于大規模采熱，如發電或集中供暖，可采用圖3所示的由若干單孔換熱單元在地表或近地表聯結成的換熱輸出系統。事實上，對于小規模采熱，如供暖或小規模發電，也可采用圖2所示的單個單孔換熱單元，直接聯結主輸送管至用戶端23并完成換熱循環。

Ⅴ、安裝第二溫度監測子系統

本發明步驟Ⅴ中，根據步驟Ⅲ(2)的實際換熱量測試數據校核修正步驟Ⅱ(3)中第二溫度監測子系統的設計方案，然后按照修正的第二監測子系統的設計方案對步驟Ⅲ所組建的換熱輸出系統開展監測孔的鉆鑿施工，并在監測孔內安裝溫度傳感器及地面數據記錄儀和數據分析處理器，用于聯合第一溫度監測子系統對換熱輸出系統運行時對熱儲地質單元溫度場的影響進行同步監測，保證換熱輸出系統穩定運行、實現熱儲地質單元地熱資源的均衡開采。

本發明采用上述建立方法建立了一種中高溫地熱換熱輸出系統，所述中高溫地熱換熱輸出系統由與設計規模對應的單孔換熱單元聯結構成，所述單孔換熱單元包括針對中高溫地熱熱儲所開鑿的換熱孔21和安裝在所述換熱孔21中的換熱組件22(見圖2和圖3)。

本發明中，換熱孔的口徑應當根據換熱條件下熱儲對單孔換熱試驗單元的熱供給能力的有限性、單孔換熱試驗單元的熱萃取能力的有限性，兼顧鉆孔施工成本的經濟性來確定。在優選的實施方式中，示范的換熱孔開孔口徑為150-250mm。

本發明中，所述的單孔換熱單元在地表或近地表單獨聯結于主輸送管(見圖2)或若干單孔換熱單元按照設計規模在地表或近地表以并聯方式聯結于主輸送管(見圖3)，所述主輸送管包括工質主輸入管25和工質主輸出管24，流通在所述單孔換熱單元的換熱工質的輸入、輸出端口分別與工質主輸入管25、工質主輸出管24相連。

對于小規模采熱，如供暖或小規模發電，就可以采用圖2所示的單個單孔換熱單元，直接聯結主輸送管至用戶端23并在熱儲提供的熱力驅動下完成換熱循環。

而對于大規模采熱，如發電或集中供暖，就可以采用圖3所示的由若干單孔換熱單元在在地表或近地表并聯聯結成的換熱輸出系統。

如圖3所示，若干單孔換熱單元以并聯方式構成的中高溫地熱換熱輸出系統的工作原理是：換熱工質在各個單孔換熱單元獲得熱飽和，熱飽和的換熱工質匯入工質主輸出管24(即熱能輸送主管)后被輸送至用戶端，經用戶端換熱器降溫減壓后又經工質主輸入管25再分配注回各個單孔換熱單元，換熱工質的主輸送管和設在各個單孔換熱單元的換熱組件22組成一個密閉的工質循環系統，換熱工質在地熱熱儲供給的熱能驅動下，在此密閉循環系統內循環往復。其中，本文以換熱孔21內地下熱儲供給段作為參考原點，定義進入熱儲方向的換熱工質輸送管為工質輸入管，離開熱儲方向的換熱工質輸送管為工質輸出管，若干單孔換熱單元并聯匯入的換熱工質主輸送管即為換熱工質的主輸出管，自用戶端返回各個換熱孔21的換熱工質主輸送管即為換熱工質的主輸入管。

本發明的工作原理可概括為：將若干單孔換熱單元所獲取有限的、但是穩定的熱萃取量經過換熱輸出系統實現聚集累加，形成滿足用戶端熱需求的有效穩定的熱輸出量，所形成的有效穩定的熱輸出量小于等于目標熱儲的熱供給量。以數學表達式說明，目標熱儲的熱供給量以符號Q_s表示，本系統所形成的有效穩定的熱輸出量以符號Q表示，其中，n為正整數，κ為校正系數，Q_i表示單孔換熱單元的萃取量，則上述工作原理可簡述為：Q≤Q_s。

此外，本發明提供的中高溫地熱換熱輸出系統還包含了，為地熱資源開采的可持續性提供保障的配套的監測系統。所述監測系統包括用于監測平行于熱儲構造走向方向的溫度場變化的第一溫度監測子系統以及用于監測垂直于熱儲構造走向方向的溫度場變化的第二溫度監測子系統。第一溫度監測子系統和第二溫度監測子系統聯合使用，實現對換熱輸出系統運行時對熱儲地質單元溫度場的影響進行同步監測。

在一種具體的實施方式中，第一溫度監測子系統包括與換熱孔內換熱組件配套設置的溫度感應器及與溫度感應器相連的地面數據記錄儀和數據分析處理器。第二溫度監測子系統包括在垂直于熱儲構造走向的方向所布設分布合理、數量適宜的專門監測孔、設在監測孔內的下置溫度傳感器以及與下置溫度傳感器相連的地面數據記錄儀和數據分析處理器。

上述具體實施方式只是對本發明的舉例說明，本發明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式實施，而不偏離本發明的要旨或本質特征。因此，描述的實施方式從任何方面來看均應視為說明性而非限定性的。本發明的范圍應由附加的權利要求說明，任何與權利要求的意圖和范圍等效的變化也應包含在本發明的范圍內。