CN110230896A - 井下取热装置及井下取热方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种井下取热装置及井下取热方法，该井下取热装置包括：水泵、第一套筒和延长管，第一套筒的两端均连接有端盖，水泵的进水口设置于第一套筒内，延长管的一端与第一套筒连通，另一端用于向井下延伸。通过本发明，缓解了现有技术中抽取地层水时，水泵需要具有较大扬程，所需功率较大，成本较高的技术问题。

Description

井下取热装置及井下取热方法

技术领域

本发明涉及地热开采技术领域，尤其涉及一种井下取热装置及井下取热方法。

背景技术

在开采地热的过程中，通常需要将地下热水抽取至地表，一般利用水泵来对静水液面以下的合适位置进行抽水。但是，在实际操作过程中，当水泵对某一位置进行抽水时，经常会遇到该位置的水温较低，难以获取足够的热量；当遇到这种情况时，通常需要增加抽水位置的深度，抽取离地表更深的位置的地层水。

增加抽水位置的深度，需要增加水泵的扬程，加大水泵的工作功率，因此，这样会导致开采的成本太高，经济效益降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种井下取热装置及井下取热方法，以缓解现有技术中抽取地层水时，水泵需要具有较大扬程，所需功率较大，成本较高的技术问题。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种井下取热装置，包括：水泵、第一套筒和延长管，所述第一套筒的两端均连接有端盖，所述水泵的进水口设置于所述第一套筒内，所述延长管的一端与所述第一套筒连通，另一端用于向井下延伸。

在优选的实施方式中，所述水泵为潜水泵，所述潜水泵设置于所述第一套筒内；所述潜水泵的出水口连接有延伸至所述第一套筒外的出水管。

在优选的实施方式中，所述延长管采用保温材料制作。

在优选的实施方式中，所述第一套筒的下端连接有第一端盖，所述第一端盖设有锥管螺纹孔，所述延长管连接于所述锥管螺纹孔。

在优选的实施方式中，所述第一套筒的上端连接有第二端盖；所述出水管包括第一管段和第二管段，所述第一管段的下端连接于所述水泵的出水口，所述第一管段的上端连接于所述第二端盖；所述第二管段的下端连接于所述第二端盖，并与所述第一管段连通。

在优选的实施方式中，所述井下取热装置包括第二套筒和排气管，所述第二套筒设置于所述第一套筒内，所述水泵设置于所述第二套筒内；所述第二套筒的下部封闭，上部设有与所述第一套筒连通的连通孔；所述排气管与所述第二套筒的上部连通。

在优选的实施方式中，所述连通孔设置于所述第二套筒的侧壁。

在优选的实施方式中，所述第二套筒的侧壁设有多个绕所述第二套筒的轴线圆周间隔分布的连通孔。

在优选的实施方式中，所述第二套筒的上端连接有第三端盖；所述出水管包括第一管段和第二管段，所述第一管段的下端连接于所述水泵的出水口，所述第一管段的上端连接于所述第三端盖；所述第二管段的下端连接于所述第三端盖，且与所述第一管段连通，所述第二管段的上端延伸至所述第一套筒外。

本发明提供一种井下取热方法，采用上述的井下取热装置，包括：

步骤S100，按照设计深度进行钻井；

步骤S200，将所述第一套筒下入到井中，使静水液面高于所述第一套筒；

步骤S300，开启所述水泵，对井中地层水进行开采。

本发明的特点及优点是：使用本发明提供的井下取热装置开采地层水时，将第一套筒下入井中，延长管从第一套筒伸向井中更深的位置。第一套筒通过延长管，与井中空间连通；由于液柱压差的作用，井中的地层水通过延长管进入到第一套筒中，水泵可将第一套筒中的水抽取到地面。

地层水需要从延长管的下端开口进入，因此，水泵在进行抽水时，井中位于延长管的下端开口的上方的地层水，需要从上往下流动至延长管的下端开口，才能进入到延长管中。地层水从上往下流动的过程，可以吸收和利用井中深度较大的位置的热量，逐渐被加热，这样，使得通过延长管进入到第一套筒中的地层水的温度较高。

本发明提供的井下取热装置，延长管的下端可以下入到井中比第一套筒更深的位置，井中更深位置的地层水通过延长管进入到第一套筒中；水泵将第一套筒中的地层水抽取到地表。这样，水泵以较小的扬程进行抽水，功率较低，实现了从井中较深的位置抽取较高温度的地下水，节省了成本，经济效益更好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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为本发明一实施例提供的井下取热装置下入井中的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的井下取热装置下入井中的结构示意图；

图3为图2所示的井下取热装置中第二套筒的结构示意图；

图4为本发明提供的井下取热装置中第一端盖的结构示意图；

图5为图1所示的井下取热装置中第二端盖的结构示意图；

图6为图2所示的井下取热装置中第二端盖的结构示意图；

图7为图2所示的井下取热装置中第三端盖的结构示意图；

图8为图2所示的井下取热装置中第四端盖的结构示意图；

图9为本发明提供的井下取热装置中延长管的结构示意图；

图10为本发明提供的井下取热装置中第一管段的结构示意图；

图11为本发明提供的井下取热装置中第二管段的结构示意图；

图12为本发明提供的井下取热方法的示意图。

附图标号说明：10、第一套筒；20、延长管；30、水泵；31、水泵的进水口；40、出水管；41、第一管段；42、第二管段；51、第一端盖；511、第一锥管螺纹孔；52、第二端盖；521、第二锥管螺纹孔；522、第三锥管螺纹孔；60、第二套筒；61、连通孔；62、排气管；71、第三端盖；711、第四锥管螺纹孔；712、第五锥管螺纹孔；713、第六锥管螺纹孔；72、第四端盖；81、静水液面；82、第一套筒中的液面；83、第二套筒中的液面；91、上段井眼；92、下端井眼。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参照图1和图9，图1中的箭头表示地层水的流动路径，本发明提供了一种井下取热装置，包括：水泵30、第一套筒10和延长管20，第一套筒10的两端均连接有端盖，水泵的进水口31设置于第一套筒10内，延长管20的一端与第一套筒10连通，另一端用于向井下延伸。使用本发明提供的井下取热装置开采地层水时，将第一套筒10下入井中，延长管20从第一套筒10伸向井中更深的位置。第一套筒10通过延长管20，与井中空间连通；由于液柱压差的作用，井中的地层水通过延长管20进入到第一套筒10中，水泵30可将第一套筒10中的水抽取到地面。

由于地层水需要从延长管20的下端开口进入，因此，水泵30在进行抽水时，井中位于延长管20的下端开口的上方的地层水，需要从上往下流动至延长管20的下端开口，才能进入到延长管20中。地层水从上往下流动的过程，可以吸收和利用井中深度较大的位置的热量，逐渐被加热，这样，使得通过延长管20进入到第一套筒10中的地层水的温度较高。

本发明提供的井下取热装置，延长管20的下端可以下入到井中比第一套筒10更深的位置，井中更深位置的地层水通过延长管20进入到第一套筒10中；水泵30将第一套筒10中的地层水抽取到地表。这样，水泵以较小的扬程进行抽水，功率较低，实现了从井中较深的位置抽取较高温度的地下水，节省了成本，经济效益更好。

为了便于从深井中抽水，水泵30采用潜水泵，潜水泵设置于第一套筒10内；潜水泵的出水口连接有延伸至所述第一套筒10外的出水管40。在抽水时，将第一套筒10下入到井中，水泵的进水口31位于井中的静水液面81以下。抽水过程中，水泵30将第一套筒10中的地层水通过出水管40送至地表，井中的地层水通过延长管20进入到第一套筒10中进行补充；达到平衡后，第一套筒10中液面基本稳定，该液面低于静水液面81。第一套筒10的下入位置，需保证水泵的进水口31位于第一套筒中的液面82的下方。

地层水的温度受到地温梯度的影响，地温梯度一般在2～4摄氏度每百米。在一些地热井中，地层水的温度，从上往下逐渐升高；井中较深位置的地层水进入到延长管20中，在延长管20中从下往上流动，发明人发现，当延长管20采用钢管制作时，地层水在延长管20中流动的过程中，会通过延长管20的管壁与外部发生热量传递，导致管内的地层水温度降低。因此，发明人做了进一步地改进：延长管20采用保温材料制作；在一些实施方式中，延长管20采用PE(polyethylene，聚乙烯)管，PE管具有良好的保温性能，可以减少地层水在流动过程中的热量损耗。在另一些实施方式中，延长管20采用具有较好保温性能的PPR(polypropylene random，无规共聚聚丙烯)管，以减少地层水在流动过程中的热量损耗。

作为另一种实施方式，延长管20外包裹有保温层，以阻隔管内外的热量传递。具体地，延长管20采用钢管，在钢管外包裹保温层，这样，在实现保温效果的同时，还可以保证延长管20具有较高的强度，便于下入到井中较深位置。

在本发明的一实施方式中，第一套筒10为钢筒，以使第一套筒10具有较高的强度。为了减少第一套筒10中的地层水的热量损失，在第一套筒10外设置有保温层。

在本发明的一实施方式中，请参照图1和图4，第一套筒10的下端连接有第一端盖51，第一端盖51为上述第一套筒10两端所连接的端盖中的一个。第一端盖51设有第一锥管螺纹孔511，如图4所示，第一锥管螺纹孔511的内径从下往上逐渐减小。延长管20连接于第一锥管螺纹孔511。第一端盖51可起到阻隔作用，使井中的地层水需向下流动至延长管20的下端，通过延长管20才能进入到第一套筒10中；同时，更加方便延长管20与第一套筒10的装配。延长管20与第一锥管螺纹孔511配合，可以保证该连接处的良好密封，以减少在该连接处发生渗漏。

在本发明的一实施方式中，请参照图1、图10和图11，第一套筒10的上端连接有第二端盖52，第二端盖52为上述第一套筒10两端所连接的端盖中的一个；出水管40包括第一管段41和第二管段42，第一管段41的下端连接于水泵30的出水口，第一管段41的上端连接于第二端盖52；第二管段42的下端连接于第二端盖52，并与第一管段41连通。第一管段41将水泵30悬挂到第二端盖52的下方，通过改变第一管段41的长度，可以对水泵30在第一套筒10中的位置进行调整。第二管段42的上端延伸至井口，以将水泵30抽出的地层水送至地面。将第二管段42固定到井口，第二管段42承载第一套筒10的重力、水泵30的重力和延长管20的重力，起到安装和固定本发明提供的井下取热装置的作用。同时，通过改变第二管段42的长度，可以对第一套筒10的下入深度进行调整。

优选地，第一管段41的下端设有与水泵30配合的法兰盘，以与水泵30连接得更加牢固。

优选地，请参照图5，第二端盖52的内表面设有与第一管段41配合的第二锥管螺纹孔521，如图5所示，第二锥管螺纹孔521的内径从下往上逐渐减小；第二端盖52的外表面设有与第二管段42配合的第三锥管螺纹孔522，如图5所示，第三锥管螺纹孔522的内径从上往下逐渐减小；第二锥管螺纹孔521与第三锥管螺纹孔522相连通，以使第一管段41与第二端盖52之间和第二管段42与第二端盖52之间密封性更好。

第二管段42承载水泵30的重力产生的拉力。优选地，第一管段41的轴线、第二管段42的轴线、水泵30的转轴轴线、第一套筒10的轴线和延长管20的轴线均相重合，使得本发明提供的井下取热装置的受力分布更加均衡，改善了水泵30的受力，提高了整体结构的稳定性。

在开采实验中，当改用本发明提供的井下取热装置时，在水泵的下入深度不变的情况下，水温从42℃上升到63℃，加热效果明显。

实施例二

在地层的深层，水气混合的现象比较明显，地层水中混合有较多的气体。当遇到水气同层的情况时，水气混合的现象更加明显。水气混合会对泵的上水效率产生不利影响；当影响比较严重时，可能造成泵不上水，泵干转产生高温，而把泵及其电机和电缆烧坏。

为此，发明人对本发明提供的井下取热装置做了改进，使该井下取热装置可以对水气进行分离，以减小水气混合现象的不利影响。请参照图2和图3，图2中的箭头表示地层水及其中的液体和气体的流动路径，该井下取热装置包括第二套筒60、排气管62，以及上述的水泵30和第一套筒10，第二套筒60设置于第一套筒10内，水泵30设置于第二套筒60内；第二套筒60的下部封闭，上部设有与第一套筒10连通的连通孔61；排气管62与第二套筒60的上部连通。

地层水从下端进入到第一套筒10中，在第二套筒60以外的空间内，地层水从下往上运动，然后通过连通孔61向第二套筒60中流动。由于地层水中的气体部分的密度小于液体部分的密度，地层水在连通孔61处发生分离：其中的气体部分向上运动，并通过排气管62向第一套筒10外排出；其中的液体部分则向下流动，进入到水泵的进水口31中。这样，使得进入到水泵30中的地层水中的气体含量较低，减小水气混合现象的不利影响，有利于提高水泵30的上水效率。

本发明提供的井下取热装置，通过第一套筒10和第二套筒60相配合，使得地层水先向上运动，然后发生转向向下运动，而地层水中的气体部分由于自身重力较小，发生分离，向上排出。为了实现上述效果，连通孔61可以设置于第二套筒60的侧壁的上部，也可以设置于第二套筒60的上端面。优选地，连通孔61设置于第二套筒60的侧壁的上部，地层水流经侧壁上的连通孔61时，地层水整体具有向上移动的初速度；而水泵的进水口31位于连通孔61的下方，地层水中的液体部分在自身重力作用下，转向向下运动；地层水中的气体部分由于自身重力较小，则在向上移动的初速度的作用下，继续向上移动，这样更容易与液体部分分离。

进一步地，第二套筒60为圆柱状钢筒，第二套筒60的侧壁设有多个绕第二套筒60的轴线圆周间隔分布的连通孔61，以便于第一套筒10中的地层水从四周向中心流动，进入第二套筒60中。在本发明的一实施方式中，第二套筒60的侧壁设有2个连通孔61，2个连通孔61的轴线相重合，且与第二套筒60的轴线相交。

如图2、图7、图10和图11所述，第二套筒60的上端连接有第三端盖71；出水管40包括第一管段41和第二管段42，第一管段41的下端连接于水泵30的出水口，第一管段41的上端连接于所述第三端盖71；第二管段42的下端连接于第三端盖71，且与第一管段41连通，第二管段42的上端延伸至第一套筒10外。第一管段41将水泵30悬挂到第三端盖71的下方，通过改变第一管段41的长度，可以对水泵30在第二套筒60中的位置进行调整。

优选地，第三端盖71设有与第一管段41配合的第四锥管螺纹孔711、与第二管段42配合的第五锥管螺纹孔712和与排气管62配合的第六锥管螺纹孔713，以使第一管段41与第三端盖71之间、第二管段42与第三端盖71之间和排气管62与第三端盖71之间密封性更好。如图7所示，第四锥管螺纹孔711的内径从下往上逐渐减小，第五锥管螺纹孔712的内径从上往下逐渐减小，第六锥管螺纹孔713的内径从上往下逐渐减小，第四锥管螺纹孔711和第五锥管螺纹孔712相连通。

第二管段42和排气管62均穿过第一套筒10。水泵30通过第一管段41和第二管段42将地层水送至地表；分离出了气体通过排气管62排出至第一套筒10外。在本实施例中，请参照图6，第二端盖52上设有两个通孔，以分别供第二管段42和排气管62穿过，并且，第二管段42与第二端盖52之间和排气管62与第二端盖52之间均密封配合。

请参照图8，第二套筒60的下端固定连接有第四端盖72，第四端盖72用于将第二套筒60的下端封闭。

在本发明的一实施方式中，第二管段42与第二端盖52之间固定连接。将第二管段42固定到井口，第二管段42承载第一套筒10的重力、第二套筒60的重力、水泵30的重力和延长管20的重力，起到安装和固定该井下取热装置的作用。同时，通过改变第二管段42的长度，可以对第一套筒10和第二套筒60的下入深度进行调整。

优选地，第一管段41的轴线、第二管段42的轴线、水泵30的转轴轴线、第一套筒10的轴线、第二套筒60的轴线和延长管20的轴线均相重合，使得该井下取热装置的受力分布更加均衡，改善了水泵30的受力，提高了整体结构的稳定性。

作为本发明的另一种实施方式，第二端盖52和第三端盖71为一体结构的端盖，第一套筒10的上端和第二套筒60的上端均固定于该一体结构的端盖的下表面，并且排气管62、第一管段41和第二管段42均连接于该一体结构的端盖。

进一步地，第一套筒10的侧壁与第二套筒60的侧壁之间设置有第一扶正器，以保证第一套筒10与第二套筒60之间的安装精度。为了便于安装本发明提供的井下取热装置，第一套筒10外设置有第二扶正器，通过第二扶正器，有利于保证第一套筒10在井中的安装精度，使第一套筒10的轴线沿竖直方向设置。

在本发明的一实施方式中，排气管62上连接有单向阀，以避免气体向第二套筒60中回流。进一步地，排气管62上连接有压力计，用于控制气体的排出。排气管62可延伸至井口，以将分离出的气体输送至地表。

本实施例提供的井下取热装置整体结构比较简单，使用方便，价格低廉，还可以应用到油气开采中，进行井下油气分离。

实施例三

如图12所示，本发明提供一种井下取热方法，采用上述的井下取热装置。包括：

步骤S100，按照设计深度进行钻井；

步骤S200，将第一套筒10下入到井中，使静水液面81高于第一套筒10；

步骤S300，开启水泵30，对井中地层水进行开采。

当水气混合比较明显时，采用上述包括有第二套筒60的井下取热装置，以对水气进行分离，保证水泵的稳定运行。

作为本发明的一种实施方式，在步骤S100中，井身结构设计成两段。上段井眼91较大，上段井眼91的底部距离静水液面81约250m；下段井眼92较小。在步骤S100中，延长管20沿竖直方向向下延伸至下段井眼92；上段井眼91作为泵室，第一套筒10设置于上段井眼91中，并且第一套筒10的外径小于上段井眼91的内径。

当采用上述包括有第二套筒60的井下取热装置时，如图2所示，作为本发明的一种实施方式，在步骤S300中，控制水泵30以合适的功率运行，以在第二套筒中的液面83高度稳定后，第二套筒中的液面83低于连通孔61的上边界，并且在第二套筒60内该液面的上方形成空腔，以便于气体向上移动进行分离。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种井下取热装置，其特征在于，包括：水泵、第一套筒和延长管，所述第一套筒的两端均连接有端盖，所述水泵的进水口设置于所述第一套筒内，所述延长管的一端与所述第一套筒连通，另一端用于向井下延伸。

2.根据权利要求1所述的井下取热装置，其特征在于，所述水泵为潜水泵，所述潜水泵设置于所述第一套筒内；所述潜水泵的出水口连接有延伸至所述第一套筒外的出水管。

3.根据权利要求2所述的井下取热装置，其特征在于，所述延长管采用保温材料制作。

4.根据权利要求2所述的井下取热装置，其特征在于，所述第一套筒的下端连接有第一端盖，所述第一端盖设有锥管螺纹孔，所述延长管连接于所述锥管螺纹孔。

5.根据权利要求2所述的井下取热装置，其特征在于，所述第一套筒的上端连接有第二端盖；所述出水管包括第一管段和第二管段，所述第一管段的下端连接于所述水泵的出水口，所述第一管段的上端连接于所述第二端盖；

所述第二管段的下端连接于所述第二端盖，并与所述第一管段连通。

6.根据权利要求2-4中任一项所述的井下取热装置，其特征在于，所述井下取热装置包括第二套筒和排气管，所述第二套筒设置于所述第一套筒内，所述水泵设置于所述第二套筒内；

所述第二套筒的下部封闭，上部设有与所述第一套筒连通的连通孔；

所述排气管与所述第二套筒的上部连通。

7.根据权利要求6所述的井下取热装置，其特征在于，所述连通孔设置于所述第二套筒的侧壁。

8.根据权利要求7所述的井下取热装置，其特征在于，所述第二套筒的侧壁设有多个绕所述第二套筒的轴线圆周间隔分布的连通孔。

9.根据权利要求6所述的井下取热装置，其特征在于，所述第二套筒的上端连接有第三端盖；所述出水管包括第一管段和第二管段，所述第一管段的下端连接于所述水泵的出水口，所述第一管段的上端连接于所述第三端盖；

所述第二管段的下端连接于所述第三端盖，且与所述第一管段连通，所述第二管段的上端延伸至所述第一套筒外。

10.一种井下取热方法，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述的井下取热装置，包括：

步骤S100，按照设计深度进行钻井；

步骤S200，将所述第一套筒下入到井中，使静水液面高于所述第一套筒；

步骤S300，开启所述水泵，对井中地层水进行开采。