本发明属于地热发电技术领域，具体涉及一种轴式换热闭式循环井下热电发电系统及方法。
背景技术
地热能是一种来自地球深处的可再生能源，具有储量大、清洁、可持续等特点，在当前极端气候事件频发和能源日趋紧缺的情况下，对地热资源的合理开发利用已愈来愈受到人们的青睐。地热利用分为直接利用和地热发电两大类型，其中直接利用包括洗浴、养殖、供暖、制冷、种植、养殖等，地热发电按照载热体类型、温度、压力和其它特性的不同可划分为蒸汽型地热发电和热水型地热发电两种类型。这些地热利用方法都需要将热储层流体提取到地面后再进行发电或直接利用，热储层流体大量开采会带来潜在的地层下沉、井筒结垢等问题，在一定程度上制约了地热能开发与利用的发展。
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。该技术利用半导体材料的塞贝克效应原理进行发电，整个发电系统中无运动部件，利用温度差将热能直接转换为电能。一些研究表明，即使热电发电单元两侧之间仅有10摄氏度的温差，在热电发电单元规模达到数百米长度的情况下，能产生足够多的电能。
技术实现要素：
针对中低温热储的生产特点和现有发电方法的技术限制，本发明结合热电发电技术，提出一种轴式换热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：
本发明涉及一种轴式换热闭式循环井下热电发电系统，该系统包括：井筒、流体循环模块和电能外输模块。
具体地说，所述井筒包括自上向下依次钻穿生产层上覆地层和生产层的套管、嵌入设置在套管内的油管、设置在油管外壁上的热电发电模块、冷流体注入管和集液管；所述油管的顶部与套管的顶部平齐，底部位于生产层上覆地层与生产层的交界处；所述油管的下端外侧通过穿越封隔器坐封在套管内壁上，油管的底部内侧设有贯穿式油管堵头；所述热电发电模块设置在位于穿越封隔器上方的油管上，且热电发电模块通过驳接线缆与电能外输模块相连；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。
所述冷流体注入管设置在油套环空流动通道内或油管流动通道内；所述冷流体注入管内设有位于生产层上覆地层范围内的井下分流器；当冷流体注入管位于油套环空流动通道中时，冷流体注入管的下端穿过穿越封隔器后伸入至位于生产层范围内的套管中，所述集液管的上端嵌入安装在贯穿式油管堵头中，下端伸入至位于生产层范围内的套管中，底部与井筒井底之间设有空隙，且所述集液管内腔与油管流动通道相连通；当冷流体注入管位于油管流动通道中时，冷流体注入管的下端穿过贯穿式油管堵头后伸入至位于生产层范围内的套管中，所述集液管的上端贯穿安装在穿越封隔器上，下端位于处在生产层范围内的套管中，底部与井筒井底之间设有空隙，且所述集液管内腔与油套环空流动通道相连通。
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、热流体利用模块、油套环空返出流体流动管线和油管返出流体流动管线；所述冷流体注入泵的出口通过冷流体注入管线与冷流体注入管的上端开口相连，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热流体利用模块的出口相连；所述热流体利用模块的入口通过油管返出流体流动管线与油管流动通道相连，热流体利用模块的入口还通过油套环空返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；所述套管与生产层及生产层上覆盖层均紧密胶结。
进一步的，所述处于生产层上覆地层范围内的套管内壁上涂敷有绝热材料；所述处于生产层范围内的套管内壁上涂敷有传热材料。
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、油管、冷流体注入管、集液管、穿越封隔器和贯穿式油管堵头的横截面均为圆形；所述油管与套管同轴设置。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轴式换热闭式循环井下热电发电系统的热电发电方法，
s1、当冷流体注入管位于油套环空流动通道中时，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冷流体注入管。
s12、当冷流体注入管中向下流动的冷流体流经冷流体注入管底部的井下分流器时，在井下分流器的分流作用下，冷流体注入管中的一部分冷流体被分流进入油套环空流动通道，并沿着油套环空流动通道向上流到地面，该部分冷流体在上升过程中温度会逐渐升高，从油套环空流动通道流出的时候为热流体；冷流体注入管中的另一部分冷流体在冷流体注入管中继续向下流动，进入穿越封隔器和贯穿式油管堵头下部的井筒空间中，该部分冷流体通过套管与生产层中的高温地热流体与储层进行热交换，温度升高，变成循环热流体，该部分热流体通过集液管进入油管流动通道中，并沿着油管流动通道向上流到地面。
s13、从油套环空流动通道流出的热流体通过油套环空返出流体流动管线流入热流体利用模块；从油管流动通道流出的热流体通过油管返出流体流动管线流入热流体利用模块。
s14、从油套环空流动通道和油管流动通道流出的热流体在热流体利用模块中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。
s15、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、当冷流体注入管位于油管流动通道中时，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冷流体注入管。
s22、当冷流体注入管中向下流动的冷流体流经冷流体注入管底部的井下分流器时，在井下分流器的分流作用下，冷流体注入管中的一部分冷流体被分流进入油管流动通道，并沿着油管流动通道向上流到地面，该部分冷流体在上升过程中温度会逐渐升高，从油管流动通道流出的时候为热流体；冷流体注入管中的另一部分冷流体在冷流体注入管中继续向下流动，进入穿越封隔器和贯穿式油管堵头下部的井筒空间中，该部分冷流体通过套管与生产层中的高温地热流体与储层进行热交换，温度升高，变成循环热流体，该部分热流体通过集液管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到地面。
s23、从油套环空流动通道流出的热流体通过油套环空返出流体流动管线流入热流体利用模块；从油管流动通道流出的热流体通过油管返出流体流动管线流入热流体利用模块。
s24、从油套环空流动通道和油管流动通道流出的热流体在热流体利用模块中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。
s25、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)本发明采用轴式换热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)本发明利用布置在水热型地热井或高含水废弃油井井下的热电发电模块实现了井下发电。
(3)本发明所述的井下热电发电系统，不会额外占用地面面积，且工作无噪声。
(4)在本发明中，经井下热电发电后循环出的热流体在地面换热后可重复循环利用，减少排放；换热后提取的热量可用于地面供暖、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是实施例一中轴式换热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是图1的ii-ii’剖面结构示意图；
图4是实施例二中轴式换热闭式循环井下热电发电系统的结构示意图；
图5是图4的iii-iii’剖面结构示意图；
图6是图4的v-v’剖面结构示意图。
其中：
101、生产层，102、生产层上覆地层，103、套管，104、热电发电模块，105、油管，106、冷流体注入管，107、集液管，108、井下分流器，109、穿越封隔器，110、贯穿式油管堵头，111、井底，112、井筒，113、井底水泥封堵层，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、热流体利用模块，207、油套环空返出流体流动管线，208、油管返出流体流动管线，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所示的一种轴式换热闭式循环井下热电发电系统，包括：该系统包括：井筒112、流体循环模块200和电能外输模块302。
具体地说，所述生产层101埋深数千米。所述生产层上覆地层102为生产层101以上至地表所覆盖的沉积岩或土等隔热层，其地层温度从下至上呈逐渐降低趋势，低于生产层101的储层温度。所述井筒112包括自上向下依次钻穿生产层上覆地层102和生产层101的套管103、嵌入设置在套管103内的油管105、设置在油管105外壁上的热电发电模块104、冷流体注入管106和集液管107。所述油管105的顶部与套管103的顶部平齐，底部位于生产层上覆地层102与生产层101的交界处。所述井筒112为钻穿地层的孔眼结构，依次穿过生产层上覆地层102和生产层101，采用下套管103至井底1111注水泥固井方式完成。所述套管103与生产层101和生产层上覆地层102紧密胶结，与地层流体隔绝。处于生产层上覆地层102范围内的套管内壁表面涂敷绝热材料，以减少生产层上覆地层102和处于生产层上覆地层102范围内的套管103中的流体之间的热传递。处于生产层101范围内的套管103的内壁涂敷增强型的传热材料，以增加生产层101中的高温地热流体与储层和处于生产层101范围内的套管103中的流体之间的热传递。井底111采用水泥封堵形成井底水泥封堵层113，防止生产层101中的地热流体进入井筒112中。油管105下入生产层101正上方，通过穿越封隔器109坐封在套管103上。所述油管105外壁上紧固的热电发电模块104的外侧与生产层上覆地层102范围内的套管103部分形成油套环空流动通道401。油管105内部空间形成油管流动通道402。冷流体注入管106通过油套环空流动通道401下入井中，贯穿穿越封隔器109并与穿越封隔器109下部的井筒空间连通。冷流体注入管106接近穿越封隔器109的位置处安装井下分流器108，以便将从冷流体注入管106注入的部分冷流体分流后进入油套环空流动通道401中。贯穿式油管堵头110位于油管105底部，集液管107通过贯穿式油管堵头110与油管流动通道402相连通。集液管107和封隔器109以下的井筒空间构成一个轴式换热器。在实施例一中，所述冷流体注入管106设置在油套环空流动通道207内。所述冷流体注入管106内设有位于生产层上覆地层102范围内的井下分流器108。冷流体注入管106的下端穿过穿越封隔器109后伸入至位于生产层101范围内的套管103中，所述集液管107的上端嵌入安装在贯穿式油管堵头110中，下端伸入至位于生产层101范围内的套管103中，底部与井筒112井底之间设有空隙，且所述集液管107内腔与油管流动通道402相连通。
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、热流体利用模块206、油套环空返出流体流动管线207和油管返出流体流动管线208。所述冷流体注入泵202的出口通过冷流体注入管线201与冷流体注入管106的上端开口相连，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；所述冷流体储存容器204的入口通过冷流体流入管线201与热流体利用模块206的出口相连；所述热流体利用模块206的入口通过油管返出流体流动管线208与油管流动通道402相连，热流体利用模块206的入口还通过油套环空返出流体流动管线207与油套环空流动通道401相连。
进一步的，所述热电发电模块104紧固在油管105外壁，随油管105下入套管103内；所述热电发电模块104通过驳接线缆301与电能外输模块302相连，热电发电模块104产生的电能通过驳接线缆301传输至电能外输模块302，通过电能外输模块302向用户提供电能。具体地说，所述热电发电模块104由若干组热电发电机串联而成。所述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，所述冷流体为水、液态二氧化碳或液态氮气。
进一步的，所述井下分流器108将从冷流体注入管6中注入的冷流体按照一定的体积比例分流出一部分冷流体并导入油套环空流动通道401，另一部分冷流体导入与之连接的位于穿越封隔器109下部的井筒空间中。所述一定的体积比例是指进入油套环空流动通道401中的冷流体的体积与地面注入冷流体注入管6中的冷流体的总体积之比，该体积比例可以是0.1、0.2，0.5，0.9，也可以是0到1之间除0和1以外的任何小数值。
进一步的，如图2所示，所述冷流体注入管106、油管105和套管103的横截面均为圆形。如图3所示，所述集液管107、穿越封隔器109和贯穿式油管堵头110的在横截面均为圆形。所述油管105和套管103同轴设置。所述热电发电模块104的横截面为圆环形。
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注入位于油套环空流动通道401中的冷流体注入管6中。经增压后的冷流体沿着冷流体注入管6流经井下分流器108时，在井下分流器108的分流作用下，一部分冷流体被分流进入油套环空流动通道401中，并沿着油套环空流动通道401向上流出地面，剩余部分冷流体被分流进入穿越封隔器109下部的井筒空间中。进入油套环空流动通道401中的冷流体沿着油套环空流动通道401向上流动过程中不断从周围地层吸收热量，温度逐渐增加，在进入油套环空流动通道401地面出口处达到最大温度，形成热流体。另一部分冷流体进入穿越封隔器109下部井筒空间中，冷流体在向下流动过程中，通过内壁涂敷增强型传热材料的套管103与生产层101中的高温地热流体和储层进行热交换，吸收热量被加热，温度升高，成为循环热流体。
由于井底111被井底水泥封堵层113封堵，从生产层101吸收热量后的热流体，在地面注入压力作用下，只能从集液管107底部入口流入油管流动通道402中，然后沿着油管流动通道402向上流出地面。由于穿越封隔器109上部套管内部涂敷有绝热材料，因此，从井下分流器108分流进入油套环空流动通道401中的冷流体从周围地层吸收热量少，温度保持在较低水平，而流经穿越封隔器109下部井筒空间的冷流体被生产层101中的高温热流体与储层加热而形成循环热流体，进入油管流动通道402中后这部分被加热后的循环热流体保持在较高的温度水平。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104提供热源，成为热电发电模块104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104提供冷源，成为热电发电模块104的低温冷端。热电发电模块104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油管返出流体流动管线208进入热流体利用模块206；从油套环空流动通道401中流出的热流体通过油套环空返出流体流动管线207进入热流体利用模块206；从油管流动通道402和油套环空流动通道401流出的热流体在热流体利用模块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。
综上所述，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、冷流体注入管106、井下分流器108、油套环空流动通道401、穿越封隔器109下部井筒空间、集液管107、油管流动通道402、油管返出流体流动管线208、油套环空返出流体流动管线207、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104提供持续的冷能和热能，实现井下热电发电。
本实施例中的热电发电系统为油套环空注入情况下的轴式换热闭式循环井下热电发电系统，该系统的实现方法为：
(1)选定高温水热型地热井或高含水废弃油井，采用水泥将井底111封堵，以防止生产层101中的高温地热流体进入井筒112中。根据其生产层101厚度和生产层101深度，将集液管107与贯穿式油管堵头110相连并穿过贯穿式油管堵头110，与油管流动通道402相通，然后连接在外壁固结有热电发电模块104的油管105的底部，从套管103中下至生产层101上方，并利用穿越封隔器109将油管105坐封在套管103上；集液管107的延深不超过生产层101厚度。
(2)将带有井下分流器108的冷流体注入管6从油套环空流动通道401下入井中，在穿越封隔器109处与穿越封隔器109中的接口对接。
(3)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与冷流体注入管6相连；将油管流动通道402通过油管返出流体流动管线208与热流体利用模块206相连；将油套环空流动通道401通过油套环空返出流体流动管线207与热流体利用模块206相连；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。
(4)将热电发电模块104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。
(5)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进入冷流体注入管6。
(6)当冷流体注入管6中向下流动的冷流体流经冷流体注入管6底部的井下分流器108时，冷流体注入管6中的一部分冷流体被分流进入油套环空流动通道401，并沿着油套环空流动通道401向上流到地面，该部分冷流体在上升过程中温度会逐渐升高，从油套环空流动通道401流出的时候为热流体；冷流体注入管6中的另一部分冷流体在冷流体注入管6中继续向下流动，进入穿越封隔器109和贯穿式油管堵头110下部的井筒空间中，通过内壁涂敷增强型传热材料的套管与生产层101中的高温地热流体与储层进行热交换，温度升高，变成循环热流体，热流体通过集液管107进入油管流动通道402中，并沿着油管流动通道402向上流到地面。
(7)从油套环空流动通道401流出的热流体通过油套环空返出流体流动管线207流入热流体利用模块206；从油管流动通道402流出的热流体通过油管返出流体流动管线208流入热流体利用模块206。
(8)从油套环空流动通道401和油管流动通道402流出的热流体在热流体利用模块206中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。
(9)热电发电模块104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4所示的油管注入情况下的轴式换热闭式循环井下热电发电系统，与实施例一所述的轴式换热闭式循环井下热电发电系统的区别在于：所述冷流体注入管106设置在油管流动通道402内。冷流体注入管106从油管105中下入并穿过贯穿式油管堵头110，与穿越封隔器109下部的井筒空间连通。从井下分流器108分流出的部分冷流体进入油管流动通道402并沿油管流动通道402向上流出地面。集液管107穿过穿越封隔器109与油套环空流动通道401连通。冷流体注入管106的下端穿过贯穿式油管堵头110后伸入至位于生产层101范围内的套管中，所述集液管107的上端贯穿安装在穿越封隔器109上，下端位于处在生产层101范围内的套管中，底部与井筒井底111之间设有空隙，且所述集液管107内腔与油套环空流动通道401相连通。经井下分流器108分流出的另一部分冷流体进入穿越封隔器109下部的井筒空间并被生产层101中的高温地热流体与储层加热后形成循环热流体，然后通过集液管107进入油套环空流动通道401中并沿着油套环空流动通道401向上流出地面。油管流动通道402中的流体为热电发电模块104提供冷源，成为热电发电模块104的低温冷端。油套环空流动通道401中的流体为热电发电模块104提供热源，成为热电发电模块104的高温热端。热电发电模块104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。
如图5所示，在本实施例中，冷流体注入管106、油管105、套管103和热电发电模块104的横截面均为圆形。
如图6所示，在本实施例中，集液管107、穿越封隔器109和贯穿式油管堵头110在横截面均为圆形。
本实施例中的热电发电系统为油管注入情况下的轴式换热闭式循环井下热电发电系统，该系统的实现方法为：
(1)选定高温水热型地热井或高含水废弃油井，采用水泥将井底111封堵，以防止生产层101中的高温地热流体进入井筒112中。根据其生产层101厚度和生产层101深度，将集液管107与穿越封隔器109相连并穿过穿越封隔器109，与油套环空流动通道401相通，然后连接在外壁固结有热电发电模块104的油管105的底部，从套管103中下至生产层101上方，并利用穿越封隔器109将油管105坐封在套管103上。集液管107的延深不超过生产层101厚度。
(2)将带有井下分流器108的冷流体注入管6从油管流动通道402下入油管105中，在贯穿式油管堵头110处与贯穿式油管堵头110的接口对接。
(3)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与冷流体注入管6相连。将油管流动通道402通过油管返出流体流动管线208与热流体利用模块206相连。将油套环空流动通道401通过油套环空返出流体流动管线207与热流体利用模块206相连。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。
(4)将热电发电模块104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。
(5)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进入冷流体注入管6。
(6)当冷流体注入管6中向下流动的冷流体流经冷流体注入管6底部的井下分流器108时，冷流体注入管6中的一部分冷流体被分流进入油管流动通道402中，并沿着油管流动通道402向上流到地面，该部分冷流体在上升过程中温度会逐渐升高，从油油管流动通道402流出的时候为热流体；冷流体注入管6中的另一部分冷流体在冷流体注入管6中继续向下流动，进入穿越封隔器109和贯穿式油管堵头110下部的井筒空间中，通过内壁涂敷增强型传热材料的套管与生产层101中的高温地热流体与储层进行热交换，温度升高，变成循环热流体，热流体通过集液管107进入油套环空流动通道401中并沿着油套环空流动通道401向上流到地面。
(7)从油套环空流动通道401流出的热流体通过油套环空返出流体流动管线207流入热流体利用模块206；从油管流动通道402流出的热流体通过油管返出流体流动管线208流入热流体利用模块206。
(8)从油套环空流动通道401和油管流动通道402流出的热流体在热流体利用模块206中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。
(9)热电发电模块104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。