CN107676996A - 地热井内换热器及地热井固井工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地热井内换热器，其包括外套管、内套管、上部固井段固井层及下部固井段固井层；内套管置于外套管内，并且内套管下端口高于外套管下端口；内套管外侧壁和外套管内侧壁之间形成环状空间；外套管上端口用于连通循环介质流入管路；内套管上端口用于连通循环介质流出管路；外套管上部管壁外包裹着上部固井段固井层；外套管下部管壁外及下端口包裹着下部固井段固井层；上部固井段固井层的导热系数小于下部固井段固井层的导热系数。本发明还公开了一种地热井固井工艺。本发明的地热井内换热器及地热井固井工艺能整体提高地热井的取热量。
Description
技术领域
本发明涉及中深层地热能开发利用技术，特别涉及一种中深层地热井内换热器及地热井固井工艺。
背景技术
我国大部分区域地温梯度约3℃/100米，即常温层向下，每向下100米深度，岩土层温度增加约3℃。地下1000~4000米，地温约50~135℃，储存丰富的地热能资源。这部分中深层地热能的合理开发利用受到越来越多的重视，利用中深层地热井内换热器换取中深层地热能供热，而不开采地下热水资源的技术成为中深层地热合理开发利用的一种重要的清洁能源供热技术。
目前常用的中深层地热井内换热器为双套管式结构，其外套管一般为J55或N80或P110特种钢管，外套管与岩土层钻孔之间的空隙一般宽度约3~10cm，常用水泥浆填充固井。水泥固井层凝固后，导热系数约1.74W/（m·k）
每个地区的地质构造不同，各个地层的岩土成分、比热容、导热系数、密度都不同，其中岩土层的温度与导热系数与地热井内换热器的换热能有较大关系。
根据地质部门公布的资料显示，随着向下深度增加，地层的温度逐渐升高，导热系数也逐渐增大，大部分地区0-4000米地层，导热系数约1.0~3.5W/（m·k）。
中深层地热井内换热器稳定运行过程中，换热器内循环介质温度一般大于30℃，因此在地层温度低于30℃的上部岩土层，循环介质从下部高温岩层吸收的热量会向周围散热，从而降低地热井的取热量。在地层温度高于30℃的下部岩土层，由于水泥固井层导热系数低于周围岩土层的导热系数，实际上在井内换热器外套管与周围岩土层之间形成了一个“保温层”，降低井内换热器换热性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是整体提高地热井的取热量。
为解决上述技术问题，本发明提供的地热井内换热器，其包括外套管 11 、内套管12 、上部固井段固井层 131 及下部固井段固井层 132 ；
所述内套管 12 置于所述外套管 11 内，并且内套管 12 下端口高于所述外套管 11下端口；
所述内套管 12 外侧壁和外套管 11 内侧壁之间形成环状空间；
所述外套管 11 上端口用于连通循环介质流入管路；
所述内套管 12 上端口用于连通循环介质流出管路；
所述外套管 11 上部管壁外包裹着上部固井段固井层 131 ；
所述外套管 11下部管壁外及下端口包裹着下部固井段固井层 132 ；
所述上部固井段固井层 131 的导热系数小于所述下部固井段固井层 132 的导热系数。
较佳的，所述上部固井段固井层 131 的导热系数低于0.07W/（m·k），下部固井段固井层 132 的导热系数大于3.5W/（m·k）。
较佳的，所述上部固井段固井层 131 的组分包括G级油井水泥及保温添加剂；
所述下部固井段固井层 132 的组分包括G级油井水泥及增强导热性能的添加剂。
较佳的，所述保温添加剂为玻化微珠或漂珠；
所述增强导热性能的添加剂为超细石墨粉或超细铁粉。
较佳的，所述外套管 11 及内套管 12 内注入有循环介质；
所述外套管 11 长度为1000米至4000米；
所述外套管 11 的内径为所述内套管12的内径的1.3到3倍；
所述循环介质为水或乙二醇溶液；
所述外套管 11 为J55或N80或P110油钢管；
所述内套管 12 为高分子复合绝热材质。
为解决上述技术问题，本发明提供的地热井固井工艺，其包括以下步骤：
一. 钻井；在外套管 11 的下端安置浮箍 16 和浮鞋 17 ；
二. 将下端安置有浮箍 16 和浮鞋 17 的外套管 11 下至井底；
三. 在外套管 11 上端口上的井口管汇处安置高压阀门 18 ；
四. 打开高压阀门 18 ，经井口管汇处向外套管 11 内先泵入调配好的上部固井段水泥浆，再泵入调配好的下部固井段水泥浆，然后按设计的顶替量一次性注入替浆液 20 ，使上部固井段水泥浆和下部固井段水泥浆依次穿过浮箍 16 和浮鞋 17 后注入到外套管 11同井壁之间的上部固井段的水泥浆填充位置和下部固井段的水泥浆填充位置；上部固井段的水泥浆填充位置位于所述外套管 11 上部管壁同井壁上部之间，下部固井段的水泥浆填充位置位于所述外套管 11 下部管壁及下端口同井壁下部及井底之间；
五. 上部井段水泥浆和下部井段水泥浆到达填充位置后，停泵，关闭高压阀门，侯凝，使所述外套管 11 上部管壁外包裹着上部固井段固井层131，所述外套管 11 下部管壁外及下端口包裹着下部固井段固井层 132 ；
六. 固井作业完毕，进行后续工艺。
较佳的，下部固井段的水泥浆填充位置及上部固井段的水泥浆填充位置的确定方法是：根据搜集地温资料或实测地温参数，确定地温为30℃的地层位置，30℃以上的井段为上部固井段 131 水泥浆填充位置，30℃之下的井段为下部固井段 132 水泥浆填充位置。
较佳的，上部固井段水泥浆组分包括G级油井水泥、水及保温添加剂，要求凝固后形成的上部固井段固井层 131 导热系数低于0.07W/（m·k）；
下部固井段水泥浆组分包括G级油井水泥、水及增强导热性能的添加剂，要求凝固后形成的下部固井段固井层 132 导热系数大于3.5W/（m·k）。
较佳的，保温添加剂为玻化微珠或漂珠；
增强导热性能的添加剂为超细石墨粉或超细铁粉；
上部固井段131水泥浆的密度为1.4～1.6g/cm³；
下部固井段132水泥浆的密度1.6～2.0g/cm3。
较佳的，根据上部固井段水泥浆填充位置和下部固井段的水泥浆填充位置的长度及外套管 11 与岩土层 14 井壁的间隙空间，计算上部固井段和下部固井段所需要水泥浆的配浆量。
本发明的地热井内换热器，中深层地热井内换热器放置于岩土层14中，地热井上部的岩土层温度较低，处于地热井上部的岩土层中的上部固井段固井层131的导热系数较小，保温效果好，能减少热量损失；地热井下部的岩土层温度较高，处于地热井下部岩土层中的下部固井段固井层131的导热系数较高，换热效果好，能充分吸收深层地热，整体提高地热井的取热量。本发明的地热井固井工艺，中深层地热井内换热器外套管11与岩土层14的井壁之间空隙，全井段采用水泥浆固井，并在固井过程中，在固井水泥浆中添加改变导热性能的材料，上部固井段的水泥浆中添加保温添加剂，增加上部井段固井层131的保温性能，减少热量损失；下部井段的水泥浆中添加增强导热性能的添加剂，增加下部井段固井层132的导热性能，提高换热效果，整体提高地热井的取热量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对本发明所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的地热井内换热器一实施例结构示意图；
图2为本发明的地热井固井工艺一实施例示意图。
图中附图标记说明：
11外套管； 12内套管； 131上部固井段固井层； 132下部固井段固井层； 14岩土层；16浮箍； 17浮鞋；18高压阀门； 20替浆液。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，地热井换热器包括外套管11、内套管12、上部固井段固井层131及下部固井段固井层132；
所述内套管12置于所述外套管11内，并且内套管12下端口高于所述外套管11下端口；
所述内套管12外侧壁和外套管11内侧壁之间形成环状空间；
所述外套管11上端口用于连通循环介质流入管路；
所述内套管12上端口用于连通循环介质流出管路；
所述外套管11上部管壁外包裹着上部固井段固井层131；
所述外套管11下部管壁外及下端口包裹着下部固井段固井层132；
所述上部固井段固井层131的导热系数小于所述下部固井段固井层132的导热系数；
较佳的，上部固井段固井层131的导热系数低于0.07W/（m·k），下部固井段固井层132的导热系数大于3.5W/（m·k）。
较佳的，上部固井段固井层131的组分包括G级油井水泥及保温添加剂；
下部固井段固井层132的组分包括G级油井水泥及增强导热性能的添加剂。
较佳的，所述保温添加剂为玻化微珠或漂珠；
所述增强导热性能的添加剂为超细石墨粉或超细铁粉。
较佳的，所述外套管11及内套管内注入有循环介质。
较佳的，所述外套管11长度为1000米至4000米。
较佳的，所述外套管11的内径为所述内套管12的内径的1.3到3倍。
较佳的，所述循环介质为水或乙二醇溶液。
较佳的，所述外套管11为J55或N80或P110油钢管，具有较高的耐压、耐腐蚀性。J表示铸钢 ，N表示镍合金钢，P表示精密金属合金钢，后面的数字表示承压级别，数字为80表示承压级别为 80000PSI（磅/平方英寸）。
较佳的，所述内套管12为高分子复合绝热材质，具有较高的耐压性能和绝热性能。
实施例一的地热井内换热器，安装于岩土层14中，循环介质从内套管12和外套管11之间的环状空间向下流动，在向下流动过程中通过外套管12管壁及上部固井段固井层131、下部固井段固井层132从周围高温岩土层14吸收热量，循环介质温度不断升高；循环介质到达底部后，进入内套管12向上流动，最终流出内套管12，可以为地面供热***热泵主机提供热源向地面建筑供热，循环介质降温后重新回到内套管12和外套管11之间的环状空间向下流动，再次吸收高温岩土层14的热量，如此往复形成循环，为地面供热***提供连续稳定热源，能够在不抽取地下热水的前提下，只换取中深层地热能，实现中深层地热资源的可持续开发利用。
实施例一的地热井内换热器安装于岩土层14中，地热井上部的岩土层温度较低，处于地热井上部的岩土层中的上部固井段固井层131的导热系数较小，保温效果好，能减少热量损失；地热井下部的岩土层温度较高，处于地热井下部岩土层中的下部固井段固井层131的导热系数较高，换热效果好，能充分吸收深层地热，整体提高地热井的取热量。
实施例二
如图2所示，地热井固井工艺，包括以下步骤：
一. 钻井；在外套管11的下端安置浮箍16和浮鞋17；
二. 将下端安置有浮箍16和浮鞋17外套管11下至井底；
三. 在外套管11上端口上的井口管汇处安置高压阀门18；
四. 打开高压阀门18，经井口管汇处向外套管11内先泵入调配好的上部固井段水泥浆，再泵入调配好的下部固井段水泥浆，然后按设计的顶替量一次性注入替浆液20，使上部固井段水泥浆和下部固井段水泥浆依次穿过浮箍16和浮鞋17后注入到外套管11同井壁之间的上部固井段的水泥浆填充位置和下部固井段的水泥浆填充位置；上部固井段的水泥浆填充位置位于所述外套管11上部管壁同井壁上部之间，下部固井段的水泥浆填充位置位于所述外套管11下部管壁及下端口同井壁下部及井底之间；
五. 上部井段水泥浆和下部井段水泥浆到达填充位置后，停泵，关闭高压阀门，侯凝，所述外套管11上部管壁外包裹着上部固井段固井层131；所述外套管11下部管壁外及下端口包裹着下部固井段固井层132；
六. 固井作业完毕，进行后续工艺。
较佳的，下部固井段的水泥浆填充位置及上部固井段的水泥浆填充位置的确定方法是：根据搜集地温资料或实测地温参数，确定地温为30℃的地层位置，30℃以上的井段为上部固井段131水泥浆填充位置，30℃之下的井段为下部固井段132水泥浆填充位置。
较佳的，上部固井段水泥浆组分包括G级油井水泥、水及保温添加剂，要求凝固后形成的上部固井段固井层131导热系数低于0.07W/（m·k）；
下部固井段132水泥浆组分包括G级油井水泥、水及增强导热性能的添加剂，要求凝固后形成的下部固井段固井层132导热系数大于3.5W/（m·k）。
较佳的，保温添加剂为玻化微珠或漂珠作为保温添加剂。
较佳的，增强导热性能的添加剂为超细石墨粉或超细铁粉。
较佳的，上部固井段131水泥浆的密度为1.4～1.6g/cm³；
下部固井段132水泥浆的密度1.6～2.0g/cm3。
较佳的，根据上部固井段水泥浆填充位置和下部固井段的水泥浆填充位置的长度及外套管11与岩土层14井壁的间隙空间，计算上部固井段131和下部固井段132所需要水泥浆的配浆量。
较佳的，水泥浆均匀搅拌且在水泥浆入井前保持持续搅拌。
浮箍浮鞋主要用于引导套管柱顺利入井，调整下套管时套管柱所受的浮力，在固井时准确控制套管内水泥塞高度，从而确保固井质量。我公司浮箍浮鞋采用弹簧驱动回压阀型式，具有很高的可靠性。浮鞋本体为合金结构钢材料，上端与套管相接，下端为半球形水泥头，用以引导套管下放。其内部装有回压阀，回压阀与本体间用油井水泥填充。回压阀可用PDC钻头钻削。出厂时阀的上、下通道是打开的。初放套管时，井中液体对浮鞋无阻力。循环泥浆的压力将阀头下压一个位移，阀杆尾端的三个卡瓣自动落掉，停泵后，阀在弹簧的作用下向上压紧阀座，起到单向阀的作用。此时，可由上向下泵入钻井液或水泥浆，但阀下套管内或套管外环形空间内的液体都不可能返回。 浮箍结构与浮鞋基本相同，只是其下端为公扣，与套管相连。填充水泥上端有防转的梅花孔，它与胶塞的前端相偶合，当用PDC钻头钻削胶塞时防止胶塞转动。
实施例二的地热井固井工艺，中深层地热井内换热器外套管11与岩土层14的井壁之间空隙，全井段采用水泥浆固井，并在固井过程中，在固井水泥浆中添加改变导热性能的材料，上部固井段的水泥浆中添加保温添加剂，增加上部井段固井层131的保温性能，减少热量损失；下部井段的水泥浆中添加增强导热性能的添加剂，增加下部井段固井层132的导热性能，提高换热效果，整体提高地热井的取热量，可以增大中深层地热井整体取热量约5%～15%。
以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种地热井内换热器，其特征在于，包括外套管（11）、内套管（12）、上部固井段固井层（131）及下部固井段固井层（132）；
所述内套管（12）置于所述外套管（11）内，并且内套管（12）下端口高于所述外套管（11）下端口；
所述内套管（12）外侧壁和外套管（11）内侧壁之间形成环状空间；
所述外套管（11）上端口用于连通循环介质流入管路；
所述内套管（12）上端口用于连通循环介质流出管路；
所述外套管（11）上部管壁外包裹着上部固井段固井层（131）；
所述外套管（11）下部管壁外及下端口包裹着下部固井段固井层（132）；
所述上部固井段固井层（131）的导热系数小于所述下部固井段固井层（132）的导热系数。
2.根据权利要求1所述的地热井内换热器，其特征在于，
所述上部固井段固井层（131）的导热系数低于0.07W/（m·k），下部固井段固井层（132）的导热系数大于3.5W/（m·k）。
3.根据权利要求1所述的地热井内换热器，其特征在于，
所述上部固井段固井层（131）的组分包括G级油井水泥及保温添加剂；
所述下部固井段固井层（132）的组分包括G级油井水泥及增强导热性能的添加剂。
4.根据权利要求3所述的地热井内换热器，其特征在于，
所述保温添加剂为玻化微珠或漂珠；
所述增强导热性能的添加剂为超细石墨粉或超细铁粉。
5.根据权利要求1所述的地热井内换热器，其特征在于，
所述外套管（11）及内套管（12）内注入有循环介质；
所述外套管（11）长度为1000米至4000米；
所述外套管（11）的内径为所述内套管12的内径的1.3到3倍；
所述循环介质为水或乙二醇溶液；
所述外套管（11）为J55或N80或P110油钢管；
所述内套管（12）为高分子复合绝热材质。
6.一种地热井固井工艺，其特征在于，包括以下步骤：
一. 钻井；在外套管（11）的下端安置浮箍（16）和浮鞋（17）；
二. 将下端安置有浮箍（16）和浮鞋（17）的外套管（11）下至井底；
三. 在外套管（11）上端口上的井口管汇处安置高压阀门（18）；
四. 打开高压阀门（18），经井口管汇处向外套管（11）内先泵入调配好的上部固井段水泥浆，再泵入调配好的下部固井段水泥浆，然后按设计的顶替量一次性注入替浆液（20），使上部固井段水泥浆和下部固井段水泥浆依次穿过浮箍（16）和浮鞋（17）后注入到外套管（11）同井壁之间的上部固井段的水泥浆填充位置和下部固井段的水泥浆填充位置；上部固井段的水泥浆填充位置位于所述外套管（11）上部管壁同井壁上部之间，下部固井段的水泥浆填充位置位于所述外套管（11）下部管壁及下端口同井壁下部及井底之间；
五. 上部井段水泥浆和下部井段水泥浆到达填充位置后，停泵，关闭高压阀门，侯凝，使所述外套管（11）上部管壁外包裹着上部固井段固井层131，所述外套管（11）下部管壁外及下端口包裹着下部固井段固井层（132）；
六. 固井作业完毕，进行后续工艺。
7.根据权利要求6所述的地热井固井工艺，其特征在于，
下部固井段的水泥浆填充位置及上部固井段的水泥浆填充位置的确定方法是：根据搜集地温资料或实测地温参数，确定地温为30℃的地层位置，30℃以上的井段为上部固井段（131）水泥浆填充位置，30℃之下的井段为下部固井段（132）水泥浆填充位置。
8.根据权利要求6所述的地热井固井工艺，其特征在于，
上部固井段水泥浆组分包括G级油井水泥、水及保温添加剂，要求凝固后形成的上部固井段固井层（131）导热系数低于0.07W/（m·k）；
下部固井段水泥浆组分包括G级油井水泥、水及增强导热性能的添加剂，要求凝固后形成的下部固井段固井层（132）导热系数大于3.5W/（m·k）。
9.根据权利要求8所述的地热井固井工艺，其特征在于，
保温添加剂为玻化微珠或漂珠；
增强导热性能的添加剂为超细石墨粉或超细铁粉；
上部固井段131水泥浆的密度为1.4～1.6g/cm³；
下部固井段132水泥浆的密度1.6～2.0g/cm3。
10.根据权利要求8所述的地热井固井工艺，其特征在于，
根据上部固井段水泥浆填充位置和下部固井段的水泥浆填充位置的长度及外套管（11）与岩土层（14）井壁的间隙空间，计算上部固井段和下部固井段所需要水泥浆的配浆量。
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