本发明涉及地质、石油等深井超深井的地热相变开采领域，具体是一种压力脉冲式井下相变换热器及其工作方法。
背景技术：
1、随着勘探开发技术发展油气井的开采深度不断加深，在原油开采末期，油气田的含水量较高，利用废弃的深井超深井开展深部地热资源开采以及深井超深井的油热共采工艺也越来越受到行业关注。深井超深井油层地热的开采技术难点较多，包括高温高压条件下有效回灌问题、载热流体沿程耗散问题以及绝对深度下有效举水方式等。
2、针对深井超深井的地热资源开采问题，行业企业以及科研院所的研究人员给处理了多种解决措施，如石油或天然气开采中地热与油气共采的方法（cn109931036a），在生产井完井后下入套管固井，在油气层低温较高的井段向岩层射孔压裂，并向裂缝填入导热填料形成导热带，通过套管内的输送管将热量与重力热管换热器实现对流传热的采集过程；如一种深层地热开采井的高效抽采设备（cn114876414a），通过将抽采筒设置成双层真空管，降低热损失，把井底温度较高的水抽采到井口，实现温降低于10℃的目的；如一种深层裂缝型地热分段封隔分层开采的方法（cn114922594a），将地下多个含水层设置为目标层，当选定某一个作为开采层时，封闭其他开采层，解决在开发地热过程中，深间隔多个层段成组抽水/回注地热不易开采的问题。
3、深井、超深井油层地热开采工艺复杂，当前的深井超深井地热开采过程以压裂、抽采及分层开采等方式开展研究，但是水力压裂形成的缝网走向、缝网间隙及扩展距离会存在差异，导致填料会在某些落差较大的裂隙储集甚至堵塞缝网；而深井超深井的深度较大，采用举水开采地热的方式会导致地热水在上流过程中沿程热耗散较大，采至地面温度降低较多，造成能源浪费；这是导致地热资源的实际开采效率低、开采成本投入大的主要因素。
技术实现思路
1、为了解决上述深井、超深井地热开采热损耗较大、效率低等问题，本发明提供了一种压力脉冲式井下相变换热器及其工作方法，无其他耗能原件，以相变介质的脉冲压力作为完成热交换后载热相变介质的主要驱动力，通过相变介质在换热器内吸热发生相变自由膨胀的过程提供动力，在实现载热相变介质返回地面的同时，抽排低温地热水，实现高效开采。本发明采用的技术方案如下：
2、一种压力脉冲式井下相变换热器，包括从上到下依次设置的上半球壳、圆柱壳和下半球壳，其内设有三层套管、配重、倒置的t型活塞、压力脉冲限流器、双层螺旋折流板、流向转换器；
3、所述三层套管竖直穿设在上半球壳轴线处，所述三层套管的外层为环空层用来注入相变介质、中间层填充保温材料、内层为中空流道用于相变介质相变后的膨胀输送；
4、所述配重位于圆柱壳的上部，所述配重的左侧设有相变介质下行的相变介质旁流通道、中部设有中部空腔、右侧设有低温地热水出口，所述相变介质旁流通道与三层套管的外层为环空层连通，所述中部空腔与三层套管的中空流道连通，所述t型活塞可上下移动的设在中部空腔内，所述压力脉冲限流器安装在相变介质旁流通道中以控制其通断；所述配重内还设有相变介质上行通道，所述相变介质上行通道用于连通中部空腔和三层套管的中空流道；
5、所述双层螺旋折流板上端配有上盖板、下端配置有下盖板，上盖板设有换向流道，所述双层螺旋折流板内设有多个间隔分布的地热水环形流道层和相变介质环形流道层，最中心的相变介质环形流道层为中心流道，每层地热水环形流道层经对应的换向流道依次连通，每层相变介质环形流道层经对应的换向流道依次连通，最外层的相变介质环形流道层与相变介质旁流通道连通，中心流道用于输送相变后的相变介质且与中部空腔连通，最内层的地热水环形流道层中设有环形活塞，所述环形活塞与t型活塞连接以上下移动；
6、所述下半球壳的下端设有地热水进口，所述流向转换器安装在下半球壳中，所述流向转换器包括下端进口、上端溢流出口、下端溢流进口和上端出口，所述下端进口连通地地热水进口，所述上端溢流出口和下端溢流进口均连通下半球壳的壳腔，所述上端溢流出口的位置高于下端溢流进口位置，所述上端出口经下盖板连通最内层的地热水环形流道层。
7、上述压力脉冲式井下相变换热器，所述压力脉冲限流器将相变介质旁流通道分隔为上相变介质旁流通道和下相变介质旁流通道，所述上相变介质旁流通道前端与三层套管的环空层连通，所述下相变介质旁流通道的后端与最外层的相变介质环形流道层连通；
8、所述压力脉冲限流器包括锥形的堵头、弹簧ⅱ、底座和侧壁，堵头的上方为倒锥形腔，所述倒锥形腔与上相变介质旁流通道后端连通，所述弹簧ⅱ安装在底座上，弹簧ⅱ的顶部连接堵头以带动其上下移动；所述堵头外侧和侧壁的外侧设有流道用于连通上相变介质旁流通道和下相变介质旁流通道。
9、上述压力脉冲式井下相变换热器，所述三层套管下端设有限位套和异径活塞，限位套的外径与配重匹配、内径与异径活塞匹配以滑动，所述异径活塞外缘套设有弹簧ⅰ，所述弹簧ⅰ上端接触限位套的下端，所述三层套管的中空流道经限位套的中心、异径活塞的中心连通延伸连通中部空腔。
10、上述压力脉冲式井下相变换热器，所述上盖板内设有上交汇通道以使相变介质和地热水分别在双层螺旋折流板上端的换向；所述下盖板内设有下交汇通道以使相变介质和地热水分别在双层螺旋折流板下端的换向。
11、上述压力脉冲式井下相变换热器，所述上交汇通道包括相变介质导流道、相变介质换向流道、地热水换向流道和低温地热水导流道，其中相变介质导流道与t型活塞所在的中部空腔连通用于使已发生相变的相变介质流通，相变介质换向流道用于相变介质环形流道层未发生相变的相变介质换向流通，地热水换向流道用于各地热水环形流道层地热水的换向流通。低温地热水导流道与地热水换向流道连通，低温地热水导流道向上连通低温地热水出口。
12、上述压力脉冲式井下相变换热器，相变介质的沸点低于地热层开采温度，相变介质的材料可以为r141b（二氯一氟乙烷）、r142b（一氯二氟乙烷）、r134a（四氟乙烷）或r600a（异丁烷）的任意一种或几种。
13、本发明还涉及一种压力脉冲式井下相变换热器的工作方法，包括以下步骤：
14、s1)由三层套管环空层注入相变介质，相变介质经相变介质旁流通道进入至双层螺旋折流板的最外层相变介质环形流道层并由外向内的逐层在相变介质环形流道层流通，在此过程中，根据相变介质注入压力的大小压力脉冲限流器往复循环运动实现相变介质旁流通道脉冲式通断；随着相变介质的注入，双层螺旋折流板内空气被压缩压力升高，中心流道与中部空腔连通，则高压空气推动t型活塞上行，随之环形活塞也上行，如此对下半球壳的空气产生抽吸作用，井内地热水经地热水进口进入流向转换器，在流向转换器的上端溢流出口流入下半球壳壳腔并在此富集；当相变介质持续注入，压力脉冲限流器循环往复运动，环形活塞也上下往复运动，实现地热水的抽吸；
15、s2)当下半球壳壳腔内地热水的高度大于流向转换器的下端溢流入口高度时，地热水由下端溢流入口经下盖板内的流道进入双层螺旋折流板的最外层的地热水环形流道层；
16、s3) 之后地热水由外向内逐层流经地热水环形流道层，在此期间，每层地热水对应的与相变介质环形流道层内的相变介质热交换，地热水温度下降，同时相变介质温度升高变为气相富集到双层螺旋折流板上方，经最内层的相变介质环形流道层进入到中部空腔内聚集，气相相变介质持续聚集压力升高也可以推动t型活塞上行，当t型活塞上行至相变介质上行通道处时，气相相变介质经相变介质上行通道流通至三层套管的中空流道，随后气相相变介质压力下降，t型活塞下行关闭与上行通道的连通，之后气相相变介质再次在中心空腔处聚集使t型活塞再次上行，如此循环。
17、本发明的有益效果：基于相变介质相变与地热流体对流传热引发介质相变提供动力原理，辅助深井、超深井地热资源的开采，通过使相变介质与地热水在双层螺旋折流板中对流热交换，以热交换后相变介质相变膨胀产生的气相压力作驱动力，并且气相压力还可用于压力脉冲限流器判断是否需要继续注入相变介质的门限压力。在该换热器工作过程中，所需提供的动力仅仅是使相变介质流入的压力，不需要额外提供相变介质回流驱动力和地热水流入流出的驱动动力，耗能较小，不需要复杂的能量转换。三层套管具备保温功能，也可降低相变介质在相变后上行过程的热损耗。
1.一种压力脉冲式井下相变换热器，其特征在于：包括从上到下依次设置的上半球壳（2）、圆柱壳（17）和下半球壳（13），其内设有三层套管（1）、配重（7）、倒置的t型活塞（9）、压力脉冲限流器（10）、双层螺旋折流板（18）、流向转换器（19）；
2.根据权利要求1所述的压力脉冲式井下相变换热器，其特征在于：所述压力脉冲限流器（10）将相变介质旁流通道分隔为上相变介质旁流通道（41）和下相变介质旁流通道（42），所述上相变介质旁流通道（41）前端与三层套管（1）的环空层连通，所述下相变介质旁流通道（42）的后端与最外层的相变介质环形流道层连通；
3.根据权利要求1所述的压力脉冲式井下相变换热器，其特征在于：所述三层套管（1）下端设有限位套（6）和异径活塞（8），限位套（6）的外径与配重（7）匹配、内径与异径活塞（8）匹配以滑动，所述异径活塞（8）外缘套设有弹簧ⅰ（5），所述弹簧ⅰ（5）上端接触限位套（6）的下端，所述三层套管（1）的中空流道经限位套（6）的中心、异径活塞（8）的中心连通延伸连通中部空腔。
4.根据权利要求1所述的压力脉冲式井下相变换热器，其特征在于：所述上盖板（16）内设有上交汇通道（11）以使相变介质和地热水分别在双层螺旋折流板（18）上端的换向；所述下盖板（20）内设有下交汇通道（12）以使相变介质和地热水分别在双层螺旋折流板（18）下端的换向。
5.根据权利要求4所述的压力脉冲式井下相变换热器，其特征在于：所述上交汇通道（11）包括相变介质导流道（111）、相变介质换向流道（113）、地热水换向流道（112）和低温地热水导流道（114），其中相变介质导流道（111）与t型活塞（9）所在的中部空腔连通用于使已发生相变的相变介质流通，相变介质换向流道（113）用于相变介质环形流道层未发生相变的相变介质换向流通，地热水换向流道（112）用于各地热水环形流道层地热水的换向流通；低温地热水导流道（114）与地热水换向流道（112）连通，低温地热水导流道（114）向上连通低温地热水出口（15）。
6.根据权利要求1所述的压力脉冲式井下相变换热器，其特征在于：相变介质的沸点低于地热层开采温度，相变介质的材料可以为r141b、r142b、r134a或r600a的任意一种或几种。
7.一种如权利要求1至6任一项所述的压力脉冲式井下相变换热器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
