CN109403916A - 一种地热井导热固井工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种地热井导热固井工艺，包括以下步骤：钻井完成后，在地热井内安装套管；配制隔热水泥浆和导热水泥浆；注前置液；注绝热水泥浆；注导热水泥浆；注入替钻井液；碰压、试压；侯凝形成导热水泥环和隔热水泥环。在地热井上部地温较低的位置注入隔热水泥形成隔热水泥环，避免了热量损失；在地热井下部的固井水泥浆中添加改变导热性能的材料，提高导热水泥环的导热性能，使地热井导热系数提高10‑30倍，改变了现有固井工艺固井水泥环的导热状态，大大改善了地热井的导热状况，单井产热量提高3‑5倍。
Description
技术领域
本发明属于地热能开发利用领域，具体涉及一种地热井导热固井工艺。
背景技术
地球地表10km内有丰富的地热能可供开采。地热资源是一种无污染的清洁可再生能源。目前中深层地岩热利用必须进行钻井、下套管、固井(固井：向井内下入套管，并向井眼和套管之间的环形空间注入水泥的施工作业。是钻完井作业过程中不可缺少的一个重要环节，它包括下套管和注水泥)才能形成可以取热利用的地热井。但是目前固井使用的水泥浆凝固后的导热系数仅有0.19 W/(m• K)-0.65 W/(m•K)，比岩石的导热系数（1.6 W/(m•K)-3.6 W/(m•K)）小的多，环形空间固井水泥厚度6-20mm，相当于在钢管外面包了一层绝热层，岩层中的热量很难传入地热井中，地热井产热能力低，从而导致投资成本大，产出低，效益差。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的不足，提供一种提高岩层热量向地热井内传递的导热地热井固井工艺，能够整体提高地热井的取热量，投资成本低，效益好。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种地热井导热固井工艺，包括以下步骤：
a)钻井完成后，在地热井内安装套管（2）；其中，套管（2）设置有浮箍（5）；
b)配制导热水泥浆：将水泥与导热填料按100:5-100:100的比例混合均匀制成导热水泥，导热水泥固化后的强度为0.69MPa-3.4MPa，然后将配制好的导热水泥与水按比例配制得到导热水泥浆；
配制隔热水泥浆：将普通固井水泥和水按比例配制得到绝热水泥浆；
c)注前置液：先将前置液注入套管（2）对套管（2）进行冲洗、稀释；
d)注隔热水泥浆：按隔热水泥环（4）的体积确定隔热水泥浆设计量，然后将步骤（b）配制好的隔热水泥浆注入套管（2）内；
e)注导热水泥浆：隔热水泥浆注入完毕后，按导热水泥环（3）的体积加套管内人工井底体积确定导热水泥浆设计量，将步骤（b）配制好的导热水泥浆注入套管（2）内，到达设计量后，再将胶塞压入套管（2）内，刮下套管（2）内壁上的导热水泥浆；
f)注入替钻井液：向套管（2）注入替钻井液，使隔热水泥浆和导热水泥浆填充到环形空间的预定位置；
g)碰压、试压：当替钻井液将胶塞压到套管（2）的浮箍（5），隔热水泥浆从环形空间内被压到地面时，即停止注入替钻井液；
h)侯凝：试压结束后，等待环形空间内的隔热水泥浆和导热水泥浆凝固，环形空间内形成导热水泥环（3）和隔热水泥环（4），即完成固井。
进一步地，所述导热水泥环（3）的导热系数为2W/(m• K)-30 W/(m• K)。
进一步地，所述导热水泥环（3）的强度为0.69MPa-3.4MPa。
进一步地，所述导热填料为石墨、高导热碳粉、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅、铝合金、铜、铝、纳、钼、 钨、锌、镍、铁的一种或几种。
进一步地，所述导热填料细度为0.04mm-0.5mm，可以和水泥形成容易泵送的水泥浆。
进一步地，所述套管（2）外壁与隔热水泥环对应的部位涂覆有隔热涂层。
进一步地，所述套管（2）的长度为500-7000m。
进一步地，根据导热水泥环（3）水泥浆填充位置和隔热水泥环（4）的水泥浆填充位置的长度及套管（2）与岩土层（1）井壁的间隙空间，计算导热水泥环（3）和隔热水泥环（4）所需要水泥浆的配浆量。
注前置液:为提高水泥泵顶替钻井液的效率,保证水泥环质量,在钻井液与水泥浆之间注入一段“液体”,这种特殊的液体称为前置液,按其性质分为冲洗液和隔离液,在顶替钻井液过程中起到冲洗、稀释和隔离钻井液作用,从而提高水泥浆的顶替效率。
压胶塞: 胶塞是空心的且只有一层特殊隔膜，在注前置液之后加入一个胶塞，当水泥浆充满套管时,下胶塞坐在浮箍上,压力达到一个较小的值时,隔膜被破坏通道打开,防止注入的水泥浆在套管内与钻井液发生混窜，保证后续施工正常进行，另外胶塞还能有效地隔离顶替液与水泥浆,同时与套管串上的浮箍配合,起到控制注入替钻井液量的作用。
替钻井液:用顶替液推动胶塞,将套管内的水泥浆填充到套管外环形空间的指定位置，达到封固层的作用,是固井工作的重要环节，由于常用的顶替液为钻井液,故称替钻井液。
碰压: 当替钻井液将胶塞压到套管（2）的浮箍（5）,流体通道封闭,使套管内压力突然升高,这一现象称为碰压，标志着浮箍以上的套管内的水泥浆全部被顶替到环形空间。
套管试压:碰压后,为了验证套管串的密封情况进行压力试验，将套管内压力提高到某一规定的数值，经一定时间后而不下降为合格，说明整个管串的密封性很好，符合地热井投产的使用条件，如果在一定时间内套管内压力下降,则说明管串密封有问题,需查找原因进行处理。
综上所述，本发明由于采用了上述方案，具有以下有益效果：
1、本发明采用价格低廉的石墨、高导热碳粉、氧化铝、氧化镁、氧化锌等导热填料配制导热水泥浆进行固井，使套管与井壁的环形空间的固井材料导热系数提高了10-30倍，改变了现有固井工艺固井水泥的导热状态，大大降低了成本同时改善了地热井的导热状况，提高地热井产热量。
2、本发明在地热井上部地温较低的位置注入隔热水泥形成隔热水泥环，导热系数较小，保温效果好，避免了热量损失；地热井下部的岩土层温度较高，处于地热井下部的导热水泥环导热系数较高，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，工艺结构简单，投资成本低，单井产热量提高3-5倍。
3、本发明的地热井固井工艺，套管外侧壁与井身内侧壁之间形成环形空间，此环形空间全井段采用水泥浆固井，并在地热井下部的固井水泥浆中添加改变导热性能的材料，增强导热水泥环的导热性能，提高地热井的换热效果，整体提高地热井的取热量，经济效益大幅度提高。
4、本发明适宜于浅层和深层地热开发、水热型和干热岩地热开发，只要地热井高温段需要套管固井、换热取热的井段均适宜，井型包括直井、U型对接井、水平对接井，应用范围广。
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为本发明的结构示意图。
图中附图标记说明：
1-岩土层，2-套管，3-导热水泥环，4-隔热水泥环，5-浮箍。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明一种导热地热井及其古井工艺，作进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种地热井导热固井工艺，包括以下步骤：
a)钻井完成后，在地热井内安装套管2；其中，套管2设置有浮箍5；
b)配制导热水泥浆：将水泥与导热填料按100:50的比例混合均匀制成导热水泥，导热水泥固化后的强度为0.69MPa-3.4MPa，然后将配制好的导热水泥与水按比例配制得到导热水泥浆；
配制隔热水泥浆：将普通固井水泥和水按比例配制得到绝热水泥浆；
c)注前置液：先将前置液注入套管2对套管2进行冲洗、稀释；
d)注隔热水泥浆：按隔热水泥环4的体积确定隔热水泥浆设计量，然后将步骤（b）配制好的隔热水泥浆注入套管2内；
e)注导热水泥浆：隔热水泥浆注入完毕后，按导热水泥环3的体积加套管内人工井底体积确定导热水泥浆设计量，将步骤（b）配制好的导热水泥浆注入套管2内，到达设计量后，再将胶塞压入套管2内，刮下套管2内壁上的导热水泥浆；
f)注入替钻井液：向套管2注入替钻井液，使隔热水泥浆和导热水泥浆填充到环形空间的预定位置；
g)碰压、试压：当替钻井液将胶塞压到套管2的浮箍5，隔热水泥浆从环形空间内被压到地面时，即停止注入替钻井液；
h)侯凝：试压结束后，等待环形空间内的隔热水泥浆和导热水泥浆凝固，环形空间内形成导热水泥环3和隔热水泥环4，即完成固井。
其中，所需要水泥浆的配浆量是根据导热水泥环3水泥浆填充位置和隔热水泥环4的水泥浆填充位置的长度及套管2与岩土层1井壁的间隙空间，计算导热水泥环3和隔热水泥环4所需要水泥浆的配浆量；
导热水泥环3的导热系数为10 W/(m• K)--30 W/(m• K)；
导热水泥环3的强度为0.69MPa-3.4MPa；
套管2外壁与隔热水泥环对应的部位涂覆有隔热涂层；
导热填料细度为0.04mm-0.5mm；套管2的长度为500-7000m。
实施例2
如图1所示，一种地热井导热固井工艺，包括以下步骤：
a)钻井完成后，在地热井内安装套管2；其中，套管2设置有浮箍5；
b)配制导热水泥浆：将水泥与导热填料按100:80的比例混合均匀制成导热水泥，导热水泥固化后的强度为0.69MPa-3.4MPa，然后将配制好的导热水泥与水按比例配制得到导热水泥浆；
配制隔热水泥浆：将普通固井水泥和水按比例配制得到绝热水泥浆；
c)注前置液：先将前置液注入套管2对套管2进行冲洗、稀释；
d)注隔热水泥浆：按隔热水泥环4的体积确定隔热水泥浆设计量，然后将步骤（b）配制好的隔热水泥浆注入套管2内；
e)注导热水泥浆：隔热水泥浆注入完毕后，按导热水泥环3的体积加套管内人工井底体积确定导热水泥浆设计量，将步骤（b）配制好的导热水泥浆注入套管2内，到达设计量后，再将胶塞压入套管2内，刮下套管2内壁上的导热水泥浆；
f)注入替钻井液：向套管2注入替钻井液，使隔热水泥浆和导热水泥浆填充到环形空间的预定位置；
g)碰压、试压：当替钻井液将胶塞压到套管2的浮箍5，隔热水泥浆从环形空间内被压到地面时，即停止注入替钻井液；
h)侯凝：试压结束后，等待环形空间内的隔热水泥浆和导热水泥浆凝固，环形空间内形成导热水泥环3和隔热水泥环4，即完成固井。
其中，所需要水泥浆的配浆量是根据导热水泥环3水泥浆填充位置和隔热水泥环4的水泥浆填充位置的长度及套管2与岩土层1井壁的间隙空间，计算导热水泥环3和隔热水泥环4所需要水泥浆的配浆量；
导热水泥环3的导热系数为10 W/(m• K)--30 W/(m• K)；
导热水泥环3的强度为0.69MPa-3.4MPa；
套管2外壁与隔热水泥环对应的部位涂覆有隔热涂层；
导热填料细度为0.04mm-0.5mm；套管2的长度为500-7000m。
实施例3
如图1所示，一种地热井导热固井工艺，包括以下步骤：
a)钻井完成后，在地热井内安装套管2；其中，套管2设置有浮箍5；
b)配制导热水泥浆：将水泥与导热填料按100:30的比例混合均匀制成导热水泥，导热水泥固化后的强度为0.69MPa-3.4MPa，然后将配制好的导热水泥与水按比例配制得到导热水泥浆；
配制隔热水泥浆：将普通固井水泥和水按比例配制得到绝热水泥浆；
c)注前置液：先将前置液注入套管2对套管2进行冲洗、稀释；
d)注隔热水泥浆：按隔热水泥环4的体积确定隔热水泥浆设计量，然后将步骤（b）配制好的隔热水泥浆注入套管2内；
e)注导热水泥浆：隔热水泥浆注入完毕后，按导热水泥环3的体积加套管内人工井底体积确定导热水泥浆设计量，将步骤（b）配制好的导热水泥浆注入套管2内，到达设计量后，再将胶塞压入套管2内，刮下套管2内壁上的导热水泥浆；
f)注入替钻井液：向套管2注入替钻井液，使隔热水泥浆和导热水泥浆填充到环形空间的预定位置；
g)碰压、试压：当替钻井液将胶塞压到套管2的浮箍5，隔热水泥浆从环形空间内被压到地面时，即停止注入替钻井液；
h)侯凝：试压结束后，等待环形空间内的隔热水泥浆和导热水泥浆凝固，环形空间内形成导热水泥环3和隔热水泥环4，即完成固井。
其中，所需要水泥浆的配浆量是根据导热水泥环3水泥浆填充位置和隔热水泥环4的水泥浆填充位置的长度及套管2与岩土层1井壁的间隙空间，计算导热水泥环3和隔热水泥环4所需要水泥浆的配浆量；
导热水泥环3的导热系数为10 W/(m• K)--30 W/(m• K)；
导热水泥环3的强度为0.69MPa-3.4MPa；
套管2外壁与隔热水泥环对应的部位涂覆有隔热涂层；
导热填料细度为0.04mm-0.5mm；套管2的长度为500-7000m。
通过上述实施例的固井工艺，使地热井导热系数提高10-30倍，改变了现有固井工艺固井水泥环的导热状态，大大改善了地热井的导热状况，单井产热量提高3-5倍。
以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种地热井导热固井工艺，其特征在于，包括以下步骤：
钻井完成后，在地热井内安装套管（2）；其中，套管（2）设置有浮箍（5）；
配制导热水泥浆：将水泥与导热填料按100:5-100:100的比例混合均匀制成导热水泥，导热水泥固化后的强度为0.69MPa-3.4MPa，然后将配制好的导热水泥与水按比例配制得到导热水泥浆；
配制隔热水泥浆：将普通固井水泥和水按比例配制得到绝热水泥浆；
注前置液：先将前置液注入套管（2）对套管（2）进行冲洗、稀释；
注隔热水泥浆：按隔热水泥环（4）的体积确定隔热水泥浆设计量，然后将步骤（b）配制好的隔热水泥浆注入套管（2）内；
注导热水泥浆：隔热水泥浆注入完毕后，按导热水泥环（3）的体积加套管内人工井底体积确定导热水泥浆设计量，将步骤（b）配制好的导热水泥浆注入套管（2）内，到达设计量后，再将胶塞压入套管（2）内，刮下套管（2）内壁上的导热水泥浆；
注入替钻井液：向套管（2）注入替钻井液，使隔热水泥浆和导热水泥浆填充到环形空间的预定位置；
碰压、试压：当替钻井液将胶塞压到套管（2）的浮箍（5），隔热水泥浆从环形空间内被压到地面时，即停止注入替钻井液；
侯凝：试压结束后，等待环形空间内的隔热水泥浆和导热水泥浆凝固，环形空间内形成导热水泥环（3）和隔热水泥环（4），即完成固井。
2.根据权利要求1所述的一种地热井导热固井工艺，其特征在于：所述导热水泥环（3）的导热系数为2W/(m• K)-30 W/(m• K)。
3.根据权利要求1或2所述的一种地热井导热固井工艺，其特征在于：所述导热水泥环（3）的强度为0.69MPa-3.4MPa。
4.根据权利要求3所述的一种地热井导热固井工艺，其特征在于：所述导热填料为石墨、高导热碳粉、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅、铝合金、铜、铝、纳、钼、钨、锌、镍、铁的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的一种地热井导热固井工艺，其特征在于：所述导热填料细度为0.04mm-0.5mm。
6.根据权利要求5所述的一种地热井导热固井工艺，其特征在于：所述套管（2）外壁与隔热水泥环（4）对应的部位涂覆有隔热涂层。
7.根据权利要求6所述的一种地热井导热固井工艺，其特征在于：所述套管（2）的长度为500-7000m。
8.根据权利要求7所述的一种地热井导热固井工艺，其特征在于：根据导热水泥环（3）水泥浆填充位置和隔热水泥环（4）的水泥浆填充位置的长度及套管（2）与岩土层（1）井壁的间隙空间，计算导热水泥环（3）和隔热水泥环（4）所需要水泥浆的配浆量。
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