[0001] 本发明属于地热资源开发技术领域，特别涉及一种单井循环式水热型地下取热系统及方法。

[0002] 随着全球能源需求的增长，清洁能源逐渐受到越来越多的关注。地热能作为一种可再生、清洁、稳定的能源资源，越来越受到世界各地的关注和应用。

[0003] 地下换热作为一种清洁、可再生的能源利用方式，近年来得到了广泛关注。与传统的空气源热泵系统相比，地下换热系统具有更为稳定的热源温度、更高的热效率、更少的能
源消耗等优势。在地下换热系统中，热水通过埋在地下的U形管道循环传递热量，在地下与
周围土壤进行换热，然后传回地面供热或制冷。

[0004] 在地下换热系统中，单井循环模式是一种常用的系统形式，同井异层回灌多是直接在井身开孔进行回灌，虽然通过地面加压泵加压，但是还是很难在上千米后取的很大压
力，再加上井身和管壁本省的材料和压力限制，使得水流横向更远。现有技术中的异层现有
垂直管存在距离取热器较近，容易造成下渗水沿井壁流动导致井的安全性问题，还会造成
热短路的问题。

[0043] 下面结合附图1‑附图5，对本发明的具体实施方式进行详细描述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以
特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0044] 术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含
地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或
两个以上。

[0045] 需要说明的是，本发明中涉及到的电路连接均采用常规的电路连接方式，不涉及到任何创新。

[0046] 实施例1

[0047] 如图1所示的一种单井循环式水热型地下取热系统，包括竖向井1、外环管2、第一横管3、内管4、第二横管5以及热泵系统6。

[0048] 外环管2沿竖向井1的井深方向设于竖向井1内，且与竖向井1同轴设置；外环管2的下端设置有至少一个的第一横管3，第一横管3的一端与外环管2的下端连通，另一端贯穿竖
向井1侧壁设于竖向井1侧向土层内，第一横管3的另一端用于放置于热储的第一含水层内。

[0049] 内管4沿外环管2的管长方向布设，且与外环管2同轴设置；内管4的下端贯穿外环管2的下端，且延伸至竖向井1的底部，内管4的下端设置有至少一个的第二横管5，第二横管
5的一端与内管4连通，另一端贯穿竖向井1侧壁设于竖向井1侧向土层内，第二横管5的另一
端用于放置在含热储水的第二含水层内；第一含水层内位于第二含水层上方，且第一含水
层、第二含水层之间为弱透水层。

[0050] 热泵系统6具有热水进口端、冷水出口端，热水进口端与内管4的上端连接，冷水出口端与外环管2的上端连接，热泵系统6用于与热储水进行热交换。

[0051] 需要说明的是：第一横管3、第二横管5的设置，避免了传统技术中垂直管长期直接注水带来的沿井壁流动冲刷可能导致的井身安全问题。并且有效的扩大参与循环的水的数
量和面积，解决了传统技术中垂直管长期直接注水带来的冷水在近处回流导致的热短路问
题。

[0052] 优选的，第一横管3有多个，多个第一横管3沿外环管2周向分布且均与外环管2连通；每个第一横管3远离外环管2的端部为封闭状，第一横管3靠近端部的侧壁上开设有第一
开孔，第一开孔上设置有第一过滤件30。本实施例第一横管3有两个，两个第一横管3呈一字
型结构布设在外环管2两侧。

[0053] 优选的，第二横管5有多个，多个第二横管5沿内管4周向分布且均与外环管2连通；每个第二横管5远离内管4的端部为封闭状，第二横管5靠近端部的侧壁上开设有第二开孔，
第二开孔上设置有第二过滤件50。本实施例第二横管5有两个，两个第二横管5呈一字型结
构布设在内管4两侧。并且外环管2、第一横管3、内管4、第二横管5整体构成士字型结构。

[0054] 需要说明的是：如图4所示，第一横管3、第二横管5数目各位一个时，优选以错位的布设方式进行，即第一横管3、第二横管5分别位于竖向井1的相对的两侧。如图5所示，第一
横管3、第二横管5数目各为两个时，也可采用错位且相互垂直的布设方式进行，这种布设方
式能更大的扩大循环水活动区域。在实际进行时，均需根据不同的地质条件、施工工艺及渗
透能力，在综合考虑施工难度、系统可靠性、注排压力等因素进行实地选择。另外，第一横管
3、第二横管5数目也可采用大于2的整数，但不建议超过5个。

[0055] 其中，第一过滤件30、第二过滤件50均采用市售滤网件。

[0056] 优选的，第一横管3的长度为L1,第二横管5的长度为L2,L2＜L1。需要说明的是：第一横管3的长度为L1、第二横管5的长度为L2均与取热系统的取热量Q、取热影响半径R、渗透
时间T相关。

[0057] 其中，L1＝k1·QR/T，即与Q、R呈正相关，与渗透时间T呈负相关，其中k1值为常数值，k1的取值与地质条件相关。根据实际工程项目和数值模型模拟结果来看，长期运行温度
场影响期水头半径为20‑30m，因此，L1长度一般不小于15m，本实施例L1取值为20m。

[0058] 其中，L2＝k2·QR/T，即与Q、R呈正相关，与渗透时间T呈负相关，其中k2值为常数值，k2的取值与地质条件相关。本实施例L2取值为15m。

[0059] 优选的，还包括循环泵组8，分别与外环管2、内管4连接，用于向外环管2提供动力以将热交换后的热储水经过外环管2从第一横管3排放至第一含水层，循环泵组8还用于向
内管4提供动力以将第二含水层内的热储水由第二横管5经过内管4提升至热泵系统6中。

[0060] 优选的，循环泵组包括潜水泵81、提升泵82以及循环泵83。潜水泵81的数目与第二横管5数目对应，且一一对应设置在第二横管5靠近内管4的一侧内，潜水泵81用于将第二含
水层内热储水抽至第二横管5内；提升泵82的进水口与内管4连通，出水口与热泵系统6连
通，用于将热储水提升至地面；循环泵83的进水口与热泵系统6连通，出水口与外环管2连
通，用于将换热后的热储水排放至外环管2内。

[0061] 内管4和第二横管5构成取水管路，取水管路配合潜水泵81、提升泵82用于将第二含水层内的热储水提升至热泵系统6中，热泵系统6用于与热储水进行热交换，外环管2和第
一横管3构成注水管路，注水管路配合循环泵83用于将热泵系统6内热交换后的热储水排放
至第一含水层内。

[0062] 一种单井循环式水热型地下取热方法，利用地下取热系统进行取热，包括以下步骤：

[0063] 步骤一：据地质数据，确定地热井钻井位置，包括水平定位和深度定位。

[0064] 步骤二：进行竖井的钻设，下入竖直套管并进行固定。

[0065] 步骤三：采用井下转向器在第一横管深度位置所在地层进行侧钻开窗，完成二开钻井作业，下入横向套管；采用井下转向器在第二横管深度位置所在地层进行侧钻开窗，完
成二开钻井作业，下入横向套管。

[0066] 依次下入第二横管5、第一横管3、内管4、外环管2，并进行保温材料的铺设。

[0067] 步骤四：对第二横管5与内管4之间、第一横管3与外环管2之间依次进行坐封；下入取水段潜水泵81及其控制线。

[0068] 将热泵系统6与外环管2、内管4进行连接，并连接提升泵82、循环泵83，完成地面系统的连接固定。

[0069] 步骤五：系统运行，打开提升泵82和潜水泵81，热水通过第二横管5、内管4由第二含水层进入热泵系统6，热泵系统6用于与温度较高热储水进行热交换后供给需侧；间隔一
段时间后开启循环泵83，将热交换后温度较低的热储水通过外环管2、第一横管3注入第一
含水层，再经过弱透水层渗透至第二含水层，期间与地层完成充分换热以增加自身温度，补
充第二含水层被抽走的水量，维持其温度场、压力场。

[0070] 重复运行步骤，实现持续取热。

[0071] 实施例2

[0072] 与实施例1不同的是：优选的，如图2所示，还包括伸缩装置7，第一横管3为伸缩结构，伸缩装置7具有伸缩端，伸缩端与第一横管3远离外环管2的一端连接，伸缩装置7用于带
动第一横管3进行伸缩以调节第一横管3的长度。

[0073] 优选的，如图3所示，第一横管3包括基础管31以及伸缩管32。基础管31一端与外环管2的下端连通；伸缩管32滑动套设在基础管31远离外环管2的一端。

[0074] 伸缩装置7的伸缩端与伸缩管32连接，用于带动伸缩管32沿基础管31的管长方向移动。其中，伸缩装置7包括电机71、丝杠72以及螺母73，电机71固定设置在基础管31上，丝
杠72通过联轴器与电机71的输出端连接，螺母73与丝杠72螺纹连接，螺母73固定设置在伸
缩管32上。

[0075] 需要说明的是：本实施例基础管31为20m，伸缩管32为10m，基础管31、伸缩管32之间的重合段为5m，即第一横管3的有效长度为25‑30m，第一横管3的实际长度是根据地温衰
减情况进行实际取值。伸缩装置7与地面电源、控制器连接，且根据取出热水温度，除了进行
注水流量调节外，可以用控制器通过伸缩装置7来调节伸缩管32的长度，以此来扩大或缩小
注入水的换热路径和面积，起到调控换热时间、保障取水温度的作用。

[0076] 实施例3

[0077] 与实施例1不同的是：优选的，第一横管3与水平方向之间的夹角为α,则0°≤α≤5°；第二横管5与水平方向之间的夹角为β,则0°≤β≤5°。由于在实际施工时，需要适应不同
的地质条件、施工工艺及渗透能力，在综合考虑施工难度、系统可靠性、注排压力等因素，进
而在实际施工时，第一横管3、第二横管5均可小角度倾斜布设。

[0078] 上述电子元件的具体型号未作特殊指定，均可以选用市售的普通产品，只要能够满足本发明的使用需求即可。

[0079] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不限制本发明，凡在本
发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围
之内。