CN114961657A - 一种井下高效换热***构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于深井套管换热***技术领域，提供了一种井下高效换热***构建方法，包括如下步骤：步骤一、获取地质条件数据，完成地热井钻井；步骤二、将注浆管运送至地热储层预设深度；步骤三、实施高压旋喷注浆破碎井周岩体；步骤四、形成井下高导热旋喷桩；步骤五、将同轴换热套管沉入高导热旋喷桩内；步骤六、采用隔热水泥浆液进行固井；步骤七、深井套管换热地热开采。本发明中的一种井下高效换热***构建方法，通过高压旋喷灌浆技术，在地热井中下部高温储层部分构建高导热旋喷桩，降低了传统固井水泥和地层低导热系数对地热储层热量向井筒传输的影响，提高井下换热***的采热效率，同时可增加井壁稳定性，有效降低井周热阻。
Description
技术领域
本发明属于深井套管换热***技术领域，尤其涉及一种井下高效换热***构建方法。
背景技术
北方冬季区域大多采用传统的化石燃料进行供暖作业，严重加重了我国北方地区的雾霾等环境问题，地热能作为一种新型清洁能源，具有资源储量巨大、分布广泛和可调节性强等优点，近年来已被各个国家广泛应用在发电、区域供暖以及制冷等领域，在我国“向地球深部进军”和“双碳目标”的科技背景下，地热资源高效开发利用将在未来的能源舞台发挥更大作用。
深井套管换热***是一种实现地热资源“取热不取水”安全开采的新型开发方式，载热工质仅在同轴的内、外套管之间循环，通过外套管金属井壁与围岩地层进行换热，有效避免了传统水热型地热开发过程中出现的腐蚀、结垢、单井产水量较低以及回灌堵塞等问题。由于深井套管换热技术不依赖于地下热水资源，在出水量少、渗透率低或者地热尾水难回灌地区也可以进行地热开发，如果能大量推广应用，可有效缓解北方地区冬季供暖伴随的雾霾等环境问题，对优化我国能源结构和促进生态文明建设具有深远的影响。
深井套管换热***主要依靠热传导的方式进行地热储层热量的提取和传输，但受限于井周地层岩石的导热系数较小（通常在1.5 W/m ℃～4 W/m ℃），致使远处地热储层的热量很难有效传入到地热井之中，因此随开采时间增加深井套管换热***采热效率衰减严重。此外，由于常规施工完井过程中需要使用水泥进行固井，目前应用的常规固井水泥凝固后的导热系数要远比地层岩石的导热系数低（通常在0.19 W/m℃～0.65 W/m℃），这相当于在地热井壁周边覆盖了一个绝热层，进一步限制了地热储层内热量向换热井筒的传递；因此，目前的深井套管换热***地热开发存在换热量小、采热效率低、采热效率随时间衰减大和投资回馈周期长等问题，严重限制了深井套管换热技术在中深层地热开发中的规模化应用。
因此，针对以上现状，迫切需要开发一种井下高效换热***构建方法，以克服当前实际应用中的不足。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的在于提供一种井下高效换热***构建方法，以解决上述背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种井下高效换热***构建方法，包括如下步骤：
步骤一、获取目标地层相应的地质、水文地质和地热地质条件数据，在目标地热开采层段完成地热井钻井；
步骤二、完成地热钻井施工后，利用钻机钻杆，将带有喷嘴的注浆管运送至地热储层预设深度；
步骤三、利用高压注浆泵与步骤二中的注浆管进行连接，使注入浆液成为高压射流，从布设在指定深度的喷嘴中喷射出来并破坏井周岩土体；
步骤四、注浆管一面喷射一面旋转向上提升，并提升至预定地热储层深度，在提升过程中破碎的岩料可部分随浆液排出，地热井周边原有地层岩石被高压喷射灌入的浆液和破碎的岩料所形成的混合物所代替，形成井下高导热旋喷桩；
步骤五、高导热旋喷桩初凝之前，采用常规振动沉管的方式，将同轴换热套管沉入高导热旋喷桩内，并沉至预定换热深度；
步骤六、高导热旋喷桩凝固之后，在高导热旋喷桩体上部地层与套管间的环空采用隔热水泥浆液进行固井；
步骤七、固井完成后，将地热井内套管和外套管分别与地面热泵进行连接，进行深井套管换热地热开采。
作为本发明进一步的技术方案，在步骤三中，注入浆液是一种由传统固井水泥和具有高导热性能的导热材料按照比例进行混合的混合物。
作为本发明进一步的技术方案，在步骤四中，所述高导热旋喷桩的形状设置为圆柱状。
作为本发明进一步的技术方案，在步骤四中，所述高导热旋喷桩的导热***为10W/m ℃～50 W/m ℃。
作为本发明进一步的技术方案，在步骤四中，所述高导热旋喷桩力学强度为10MPa～50 MPa。
作为本发明进一步的技术方案，在步骤四中，所述高导热旋喷桩半径为0.4 m～2.0 m。
作为本发明进一步的技术方案，在步骤四中，所述高导热旋喷桩高度为500 m～2000 m。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明采用高压旋喷灌浆技术对传统深井套管换热***进行近井储层改造，通过该技术在地热井中下部高温储层部分构建高导热旋喷桩，降低了传统固井水泥和地层低导热系数对地热储层热量向井筒传输的影响，提高井下换热***的采热效率，同时可增加井壁稳定性；
2.本发明在地热井上部温度较低区域采用隔热水泥进行固井，导热系数较低，有效避免了热量损失；在温度较高的中深部地层中建立高导热旋喷桩，导热系数高，能充分发挥主要提热区的供热优势，提高***采热效率；
3.本发明采用泥浆和高导热填料（石墨、高导热碳粉、氧化铝、石墨烯、氧化镁、铝合金、铜、铁、锌等的一种或多种）按照一定比例混合配置灌浆液，基于此构建的高导热旋喷桩导热系数是传统固井水泥的数十倍，可以有效降低井周热阻，提高了单井产热量；
4. 本发明在地热井中下部较高温度地热储层中构建高导热旋喷桩，换热效果良好，能够整体提高井下换热***的采热效率，结构简单，长期供暖条件下单井产热功率大幅提升。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例提供的井下高效换热***的结构示意图。
附图标记：1－地层，2－外套管，3－内套管，4－隔热固井水泥，5－外套管壁，6－内套管壁，7－高导热旋喷桩，8－地面热泵。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1所示，作为本发明一个实施例提供的一种井下高效换热***构建方法，包括如下步骤：
步骤一、获取目标地层1相应的地质、水文地质和地热地质条件数据，根据地层温度和地层岩性条件确定目标地热开采层段，在目标地热开采层段完成地热钻井；
步骤二、完成地热钻井施工后，利用钻机钻杆，将带有喷嘴的注浆管运送至地热储层预设深度；
步骤三、利用高压注浆泵与步骤二中的注浆管进行连接，使注入浆液成为高压射流，从布设在指定深度的喷嘴中喷射出来并破坏井周岩土体；
步骤四、注浆管一面喷射一面旋转向上提升，并提升至预定地热储层深度，在提升过程中破碎的岩料可部分随浆液排出，地热井周边原有地层1岩石被高压喷射灌入的浆液和破碎的岩料所形成的混合物所代替，形成井下高导热旋喷桩7；
步骤五、高导热旋喷桩7初凝之前，采用常规振动沉管的方式，将同轴换热套管沉入高导热旋喷桩7内，并沉至预定换热深度，形成井下换热***地热井的外套管2和在其内部安装的内套管3；
步骤六、高导热旋喷桩7凝固之后，在高导热旋喷桩7体上部地层1与套管间的环空采用隔热水泥浆液进行固井，进而在高导热旋喷桩7上部低温地层区形成隔热固井水泥4，起保温固井的作用；
步骤七、固井完成后，将地热井内套管3和外套管2分别与地面热泵8进行连接，进行深井套管换热地热开采。
在本实施例中，通过高压旋喷灌浆技术，在地热井中下部高温储层部分构建高导热旋喷桩7，降低了传统固井水泥和地层低导热系数对地热储层热量向井筒传输的影响，提高井下换热***的采热效率，同时可增加井壁稳定性，有效降低井周热阻。
如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，在步骤三中，注入浆液是一种由传统固井水泥和具有高导热性能的导热材料按照比例进行混合的混合物。
在本实施例中，所述具有高导热性能的导热材料可以由石墨、高导热碳粉、氧化铝、石墨烯、氧化镁、铝合金、铜、铁和锌等导热材料中的一种或多种组成；
传统固井水泥和具有高导热性能的导热材料的混合比例为10:1～1:5。
如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，在步骤四中，所述高导热旋喷桩7的形状设置为圆柱状。
如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，在步骤四中，所述高导热旋喷桩7的导热***为10 W/m ℃～50 W/m ℃。
如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，在步骤四中，所述高导热旋喷桩7力学强度为10 MPa～50 MPa。
如图1示，作为本发明的一种优选实施例，在步骤四中，所述高导热旋喷桩7半径为0.4 m～2.0 m。
如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，在步骤四中，所述高导热旋喷桩7高度为500 m～2000 m。
以上所述仅为本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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种井下高效换热***构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、获取目标地层相应的地质、水文地质和地热地质条件数据，在目标地热开采层段完成地热井钻井；
步骤二、完成地热钻井施工后，利用钻机钻杆，将带有喷嘴的注浆管运送至地热储层预设深度；
步骤三、利用高压注浆泵与步骤二中的注浆管进行连接，使注入浆液成为高压射流，从布设在指定深度的喷嘴中喷射出来并破坏井周岩土体；
步骤四、注浆管一面喷射一面旋转向上提升，并提升至预定地热储层深度，在提升过程中破碎的岩料可部分随浆液排出，地热井周边原有地层岩石被高压喷射灌入的浆液和破碎的岩料所形成的混合物所代替，形成井下高导热旋喷桩；
步骤五、高导热旋喷桩初凝之前，采用常规振动沉管的方式，将同轴换热套管沉入高导热旋喷桩内，并沉至预定换热深度；
步骤六、高导热旋喷桩凝固之后，在高导热旋喷桩体上部地层与套管间的环空采用隔热水泥浆液进行固井；
步骤七、固井完成后，将地热井内套管和外套管分别与地面热泵进行连接，进行深井套管换热地热开采。
2.根据权利要求1所述的井下高效换热***构建方法，其特征在于，在步骤三中，注入浆液是一种由传统固井水泥和具有高导热性能的导热材料按照比例进行混合的混合物。
3.根据权利要求1所述的井下高效换热***构建方法，其特征在于，在步骤四中，所述高导热旋喷桩的形状设置为圆柱状。
4.根据权利要求3所述的井下高效换热***构建方法，其特征在于，在步骤四中，所述高导热旋喷桩的导热***为10 W/m ℃～50 W/m ℃。
5.根据权利要求4所述的井下高效换热***构建方法，其特征在于，在步骤四中，所述高导热旋喷桩力学强度为10 MPa～50 MPa。
6.根据权利要求5所述的井下高效换热***构建方法，其特征在于，在步骤四中，所述高导热旋喷桩半径为0.4 m～2.0 m。
7.根据权利要求6所述的井下高效换热***构建方法，其特征在于，在步骤四中，所述高导热旋喷桩高度为500 m～2000 m。
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