CN103075830A - 一种能够吸收地震波能量的地热采出方法以及装置 - Google Patents
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Abstract
一种能够吸收地震波能量的地热采出方法及装置，主要目的在于提出一种方法既可以解决目前地热利用中存在的技术难题又可以减轻突发地震可能造成的破坏程度。其特征在于：该方法由如下步骤组成：①以城镇中心为圆心点，分层次交错布设若干地热深井，形成井网；②在所述地热深井内采用Q值即品质因数远小于地层的材料完成固井；③在所述地热深井内固定有可实现地表水注入后经井内循环完毕采出的装置；④经所述地热深井在地下循环加热后的地表水由地面管网收集并利用。应用本种方法采集地热可不再发生地热田的回灌等问题，提高地热资源的利用效率，同时地热井能够有效吸收地震波能量，减轻突发地震可能造成的破坏，保护人民生命财产安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于地热利用和地震预防领域中的地热采出方法以及装置。
背景技术
随着现代工业的发展，对能源的需求量越来越大，能源供求问题的矛盾越来越突出。目前世界上使用的主流能源都是不可再生能源，替代能源如地热能、太阳能、风能、潮汐能等，近年来得到了大力发展。地热是最具竞争力的新能源之一，中国是地热资源丰富的国家，地热资源占全球的7.9%，有很大的发展潜力。但是目前，有3个重大技术难题阻碍了地热发电的发展，即地热田的回灌、腐蚀和结垢问题。如何解决这些问题、提高地热资源的利用率，一直是制约这一领域发展的瓶颈问题。地震是世界上造成人员伤亡和财产损失最大的自然灾害之一，中国也是世界上地震灾害频发的国家之一。但是目前应对地震灾害的办法仅限于地震预报、逃生知识普及和加固建筑物等措施。因此，人们迫切需要一种有效的方法能够减轻突发地震的破坏程度，保护人们的生命财产安全。
发明内容
为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种能够吸收地震波能量的地热采出方法以及装置，可同时解决背景技术中存在的两方面问题，具有极大的实用价值。
本发明的技术方案是：
该种能够吸收地震波能量的地热采出方法，该方法由如下步骤组成： 
以城镇中心为圆心点，分层次交错布设若干地热深井，形成井网；
在所述地热深井内固定有可实现地表水注入后经井内循环完毕采出的装置；
在所述地热深井内采用Q值即品质因数远小于地层的材料完成固井；
经所述地热深井在地下循环加热后的地表水由地面管网收集并利用。完成所述的步骤需要按照如下方式进行：
下套管后循环泥浆，之后注前置液，之后注水泥浆，之后顶替水泥浆，最后关井候凝；
前述步骤中应用的水泥浆由超细水泥、纤维增强剂、增韧材料与水混合后构成；所述超细水泥的颗粒粒径为微米级，其用量范围按照重量百分比为90%～98%之间，纤维增强剂用量范围在1%～10%之间，增韧材料采用丁苯胶乳，其用量范围在1%～10%之间。
为实现前述方法的装置，包括若干根依次连接的注入水管和采出水管以及扶正器，所述注入水管和采出水管的首端分别为开有母螺纹的注入水管接头和采出水管接头，所述注入水管和采出水管的尾端分别开有与其对应的管接头相配合的公螺纹；所述注入水管和采出水管的内径相同，两管穿过所述扶正器的插孔后并排固定；所述井下装置还包括一个U形管底座，所述U形管底座上开有两个带有连接母螺纹的底端连通孔，所述两个底端连通孔之间通过一个U形孔道彼此相通；所述U形管底座上的连接母螺纹与所述注入水管和采出水管尾端的公螺纹相配合；所述注入水管和采出水管均为外壁带有防腐层的钢制管件，采出水管具有保温层。
所述采出水管采用双层钢管的结构，在外壁钢管和内壁钢管之间为真空保温腔。
本发明具有如下有益效果：本发明主要的实施区域是在人群聚集的城镇、乡村区域内及周边，和在需要保护的建筑物、古迹周边，然后分层次布以一定数量的地热井。对这些地热井采用注地表水在地下循环加热的办法采集地热，由此可以避免直接开采地下水引起地面沉降、避免地下水对传输管线的腐蚀和结垢问题，可提供清洁稳定的热源，用于发电、供暖、洗浴或养殖等。由于地热井采用Q值即品质因数远小于地层的材料固井，这些充满低Q值材料的井筒，能够在地震灾害发生时，吸收地震波的能量，减轻地震造成的破坏。采用注地表水在地下循环加热的办法采集地热，大地相当于一个无限大的恒温热源，注入水采出的热量不会引起大地热源的温度变化，是一种绿色环保的地热资源开采方式。实现本发明的装置中的注入水管采用普通钢管，采出水管采用保温钢管，可以减少能量损失。保温钢管采用双层管中间抽真空的方式，比起缠绕绝热层或绝热涂料的方式，保温效果更好、使用寿命更长。
本发明给出的低Q值材料固井方法也可以用于石油钻井中，能够减轻突发地震对油田和油井造成的破坏程度。
附图说明：
图1是本发明的工作原理示意图。
图2是本发明所述的形成井网的结构示意图。
图3是本发明所述的一种用来实施权利要求1和权利要求2中所述方法的装置结构示意图。
图4是本发明所述采出水管的剖面结构示意图。
图5是本发明所述U形管底座的结构示意图。
图6是本发明所述U形管底座的俯视结构示意图。
图7是本发明所述扶正器的结构示意图。
图8是本发明所述扶正器的俯视结构示意图。
图中1-采出水管接头，2-采出水管，3-扶正器，4-U形管底座，5-注入水管接头，6-注入水管，7-插孔，8-连接母螺纹，9-U形孔道，10-底端连通孔，11-外壁钢管，12-真空保温腔，13-内壁钢管。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明的核心内容是，在人群聚集的城镇、乡村区域内及周边，和在需要保护的建筑物、古迹周边分层次布以一定数量的地热井，这些地热井采用注地表水在地下循环加热的办法采集地热，可以避免直接开采地下水引起地面沉降、避免地下水对传输管线的腐蚀和结垢问题，提供清洁稳定的热源，用于发电、供暖、洗浴或养殖等。地热井采用Q值远小于地层的材料固井，这些充满低Q值材料的井筒，能够在地震灾害发生时，吸收地震波的能量，减轻地震造成的破坏。所以，本发明主要有两大部分内容，一是通过打低Q值固井材料的井的办法减轻可能发生的地震破坏；二是采用注地表水在地下循环加热的办法采集地热，用于发电、供暖、洗浴或养殖等。
本发明所述的能够吸收地震波能量的地热采出方法，该方法可概括为由如下步骤组成：
在所述地热深井内固定有可实现地表水注入后经井内循环完毕采出的装置；
完成前述步骤
按照如下方式进行会取得较好的实施效果，即下套管后循环泥浆，之后注前置液，之后注水泥浆，之后顶替水泥浆，最后关井候凝。前述步骤中应用的水泥浆由超细水泥、纤维增强剂、增韧材料与水混合后构成；所述超细水泥的颗粒粒径为微米级，其用量范围按照重量百分比为90%～98%之间，纤维增强剂用量范围在1%～10%之间，增韧材料采用丁苯胶乳，其用量范围在1%～10%之间。
如果需要调整密度，可以添加空心漂珠或硅粉等减轻剂，以控制密度至设计范围。纤维增强材料可以选用钢纤维、植物纤维、聚乙烯醇纤维以及碳纤维等高强度纤维，其规格为直径范围在7μm -10 μm之间，长度范围在20μm -100μm之间。事实上，随着纤维含量的增加，固井水泥的脆度系数明显减小，抗压强度明显增强，说明固井水泥的硬度大大降低、吸收地震波能量的作用明显增强。实际使用中，还可以提高纤维的含量。
在完成固井过程中，注水泥浆的工艺要求和顺序如下：
对于前置液配制，其特性必须对钻井液及水泥浆具有良好的相溶性，并能控制滤失量，不腐蚀套管，不影响水泥环的胶结强度；使用量：在不造成油气侵及垮塌的原则下，占环空高度200～300m。
对于，压塞液要具有一定的悬浮能力，使用量：2～2.5m3。
对于施工程序，要按照管汇试压→注冲洗液→注隔离液→注入领浆→注入尾浆→开档销→替重浆→替井浆→碰压→检查回流→卸水泥头→起钻的顺序进行。
对于注水泥浆要求，引浆密度2.05g/cm3，注量：6～8m3；尾浆密度2.05～2.10g/cm3，注量：必须满足封固到尾管悬挂器位置。
对于候凝时间的要求：36小时～48小时。
本方法所述分层次交错布设若干地热深井形成井网的示意图如图2所示，以北京为例，五环长度近100公里，六环190多公里，如果沿着六环、五环科学合理地布几十口地热井，不仅可以提供清洁稳定的地热资源用于发电、供暖、洗浴或养殖等，而且能够有效地减轻城市及周边地区由于可能突发地震灾害造成的破坏、保护人民生命财产的安全。
采用注地表水在地下循环加热的办法采集地热，其工作原理如图1所示，大地相当于一个无限大的恒温热源，注入水采出的热量不会引起大地热源的温度变化。这种方式不需直接开采地热水，所以不会引起地面沉降，不用进行回灌；也不存在地下水对地面环境污染的问题；对传输管线的腐蚀程度也要小得多，是一种绿色环保的地热资源开采方式。注入水管采用普通钢管，采出水管采用保温钢管，以减少能量损失。保温钢管采用双层管中间抽真空的方式，比起缠绕绝热层或绝热涂料的方式，保温效果更好、使用寿命更长。
本发明中提出通过打地热深井的办法减轻地震灾害的破坏程度，主要是因为地震波在地层中传播时会有能量损耗，Q值大的硬地层传播地震波的速度快，能量损耗小，传播的距离远，传播到地面时释放到建筑物上的能量就大，造成的破坏也大；Q值小的软地层中地震波被吸收多，能量损耗大，传播到地面后造成的破坏相对要小，采用Q值小的材料固井就是为了达到这样的效果。
具体实施时，还应该考虑地震波长的因素，科学合理布井。这种情况类似于电磁波传播，当房屋的窗户上装有铁护栏时，电磁波能量就会部分地被屏蔽，手机接收到的信号就弱。
用来实施前述方法的装置，其结构如图3至图8所示，包括若干根依次连接的注入水管6和采出水管2以及扶正器3，其中，所述注入水管6和采出水管2的首端分别为开有母螺纹的注入水管接头5和采出水管接头1。所述注入水管6和采出水管2的尾端分别开有与其对应的管接头相配合的公螺纹；所述注入水管6和采出水管2的内径相同，两管穿过所述扶正器3的插孔7后并排固定；所述井下装置还包括一个U形管底座4，所述U形管底座4上开有两个带有连接母螺纹8的底端连通孔10，所述两个底端连通孔10之间通过一个U形孔道9彼此相通；所述连接母螺纹8与所述注入水管6和采出水管2尾端的公螺纹相配合；所述注入水管6和采出水管2均为外壁带有防腐层的钢制管件，采出水管2具有保温层。
另外，如图4所示，所述采出水管2采用双层钢管的结构，在外壁钢管11和内壁钢管13之间为真空保温腔12。
具体实现时，所述外壁钢管11可采用N80级钢管，管壁厚6毫米；内壁钢管13可采用内壁抛光的N80级钢管，管壁厚4毫米；所述真空保温腔12的外壁钢管11与内壁钢管13间距为6毫米。
由于注入水管与采出水管的内径一致，并排置入井中，底部由U形管座连接，注入水管和采出水管之间加扶正器，扶正器采用硬橡胶材质。这种结构与环形空间注水的设计比较，有以下几方面优点：
一是小尺寸钢管加工难度小、节省钢材，而且钢管外径越小，抗挤压性能就越好；二是因为水从地面注入，由于温度传递的滞后现象，若采用环形空间注水，同深度下环形空间中的水温将低于地层温度，对采出管保温不利；三是在钻孔直径和采出水管直径相同的条件下，采用并排管时地热井吸收地震波的效果好。
钢管的尺寸根据地区、井深、用户需求等因素选择，直径越大、采出地热越多、发电量就越大。具体实施时，以12 1/4″钻头钻井为例，采用4 1/2″的注水钢管和内径与注水管相同的采出水钢管，可采用N80级钢管，壁厚6mm。采出水管采用双层钢管中间抽真空的方式保温，比起缠绕绝热层或绝热涂料的方式，保温效果会更好、使用寿命会更长。采出水管外层管可采用N80级钢管，壁厚6mm；内层管可采用内壁抛光的N80级钢管，壁厚4mm，以防止内部热能向外辐射散失，采出水管剖面示意图见图4。双层套管之间间隙6mm，两端用环形钢板焊封，密封好的钢管对环形空间抽真空处理。套管接箍处不易设计真空层，可采用涂绝热材料的办法保温。内层钢管的壁厚可以做得比较薄，能承受注水压力即可。注入管和采出管都要做相应的防腐蚀处理。
钻井完钻后，先下底部的U形管座，然后再一节一节地下注入水管和采出水管。两根管子之间用扶正器扶正，以避免变形。在下管子的过程中，管子中要充满水，以避免地层压力过大时压坏管子。为了保证地热加热时间，可以延长循环水在地层中加热的长度，可将底部U形管座及以上的若干节双排管均采用非保温管子，循环水上行至预期温度的深度时，再加保温管。下完管子后，采用低Q值材料固井，之后即可投入注水采热使用。下钢管作业可按照油田钻井过程中下套管的标准执行。
在城镇及周边布地热井时，宜采用多层网络的布局，分层次交错布井。这样无论从哪个方向袭来地震波，井网都能够有效地吸收地震波的能量，减少地震灾害对城镇造成的破坏，保护人民生命财产的安全。井的数量越多、越深、抗震效果越好。还要考虑地震波长因素的影响，科学合理地布井。这些地热井，不仅可以抗震，还可以提供清洁稳定的地热资源、缓解城市的供电、供热等方面的压力。
Claims (5)
1.一种能够吸收地震波能量的地热采出方法，该方法由如下步骤组成：
以城镇中心为圆心点，分层次交错布设若干地热深井，形成井网；
2.根据权利要求1中所述的一种能够吸收地震波能量的地热采出方法，其特征在于：完成权利要求1中所述的步骤
需要按照如下方式进行：
下套管后循环泥浆，之后注前置液，之后注水泥浆，之后顶替水泥浆，最后关井候凝；
前述步骤中应用的水泥浆由超细水泥、纤维增强剂、增韧材料与水混合后构成；所述超细水泥的颗粒粒径为微米级，其用量范围按照重量百分比为90%～98%之间，纤维增强剂用量范围在1%～10%之间，增韧材料采用丁苯胶乳，其用量范围在1%～10%之间。
3.一种用来实施权利要求1和权利要求2中所述方法的装置，包括若干根依次连接的注入水管（6）和采出水管（2）以及扶正器（3），其特征在于：所述注入水管（6）和采出水管（2）的首端分别为开有母螺纹的注入水管接头（5）和采出水管接头（1），所述注入水管（6）和采出水管（2）的尾端分别开有与其对应的管接头相配合的公螺纹；所述注入水管（6）和采出水管（2）的内径相同，两管穿过所述扶正器（3）的插孔（7）后并排固定；所述井下装置还包括一个U形管底座（4），所述U形管底座（4）上开有两个带有连接母螺纹（8）的底端连通孔（10），所述两个底端连通孔（10）之间通过一个U形孔道（9）彼此相通；所述连接母螺纹（8）与所述注入水管（6）和采出水管（2）尾端的公螺纹相配合；所述注入水管（6）和采出水管（2）均为外壁带有防腐层的钢制管件，采出水管（2）具有保温层。
4.根据权利要求3所述的一种用来实施权利要求1和权利要求2中所述方法的装置，其特征在于：所述采出水管（2）采用双层钢管的结构，在外壁钢管（11）和内壁钢管（13）之间为真空保温腔（12）。
5.根据权利要求4所述的一种用来实施权利要求1和权利要求2中所述方法的装置，其特征在于：所述外壁钢管（11）可采用N80级钢管，管壁厚6毫米；内壁钢管（13）可采用内壁抛光的N80级钢管，管壁厚4毫米；所述真空保温腔（12）的外壁钢管（11）与内壁钢管（13）间距为6毫米。
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2013
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