CN107288578A - 一种只取热不取水地热孔固孔封堵装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于只取热不取水地热孔换热技术领域，公开了一种只取热不取水地热孔固孔封堵装置及方法，设置有钻孔泥浆层，钻孔泥浆层填充在钻井内部套管的外侧，钻孔泥浆层的上端填充有隔离液层；隔离液层的上端填充有封堵料，封堵料的上端填充有隔离液层；封堵料在环空充满率高，注水泥流动阻力小不易漏失；封堵料与钻孔液掺混少；封堵料稠化时间长且流动性好；封堵方法包括先用钻具向孔一定部位注入一定量的封堵料；起出钻具；把套管串下入封堵料中待凝固。本发明对较小环空间隙或超大环空隙的孔该技术更加有效；比较适合导管和套管封固孔；满足只取热不取水地热孔供热技术自身工艺需求，有效保护地下600m内承压饮用水源的固孔封水用的封堵料。
Description
技术领域
本发明属于只取热不取水地热孔换热技术领域，尤其涉及一种只取热不取水地热孔固孔封堵装置及方法。
背景技术
目前，只取热不取水地热孔供热技术钻孔深在地下2100～3000m，只取热不取水地热孔供热技术在钻孔过程中，会穿透以上不同水层。而在钻孔过程中如不采取有效封堵等保护措施，热水层地下热水及其他腐蚀性矿物质物等在压力作用下，会沿钻孔上涌至饮用水层，进而造成饮用水的污染，针对这一情况，则需研究采取科学、有效的固孔封堵保障措施确保在钻孔过程中不会对地下饮用水造成污染与破坏。
目前，多采用投放机械式堵塞工具的物理方法实现封堵，该方法工艺成熟，但是因堵塞工具多为钢件，不易通过封隔器、配水器等有变径的注水管柱，存在着堵塞器的下入受管串完善程度的限制和无法实现整个管串全程密封等缺陷，致使工具不能顺利投放至预定地点、达不到预期封堵效果，同时该工艺施工复杂，需要多种设备和人员配合，成本偏高。
堵剂具有良好的流动性，能够顺利通过变径封堵管，该特点对带压作业技术的完善与推广具有重要意义。
综上所述，现有技术存在的问题是：在钻孔过程中如不采取有效封堵等保护措施，热水层地下热水及其他腐蚀性矿物质物等在压力作用下，会沿钻孔上涌至饮用水层，进而造成饮用水的污染。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种只取热不取水地热孔固孔封堵装置及方法。
本发明是这样实现的，该只取热不取水地热孔固孔封堵装置设置有钻孔泥浆层，钻孔泥浆层填充在钻井内部套管的外侧，所述钻孔泥浆层的上端填充有隔离液层；
所述隔离液层的上端填充有封堵料，所述封堵料的上端填充有隔离液层。
进一步，所述套管的深度为2500m。
本发明的另一目的在于提供一种只取热不取水地热孔固孔封堵方法，所述只取热不取水地热孔固孔封堵方法包括以下步骤：
步骤一、先用钻具向孔一定部位注入一定量的封堵料；
步骤二、起出钻具；
步骤三、把套管串下入封堵料中待凝固。
进一步，所述封堵料的制备方法为：
进一步，所述封堵料包括无机沉淀型体系、聚合物冻胶体系；所述无机沉淀型体系与聚合物冻胶体系的体积比为1:2～3.5；
所述无机沉淀型体系按质量百分比组份由硅酸盐水泥熟料60～80份、硫铝酸盐水泥10～20份、膨润土3～6份、羟乙基纤维素醚0.2～0.5份、聚合物乳液30～40份、增塑剂3～5份、消泡剂2～3份、增稠剂PRM-300 0.5～1份、8#石英砂20～25份；
所述聚合物冻胶体系由树脂、促进剂和填料组成；所述填料由第一填料和第二填料组成；按质量份计，树脂50～90份，促进剂0.5～4份、第一填料10～30份、第二填料10～30份。
进一步，所述的第一填料和第二填料分别由有机填料和无机填料加工而成，其中第一填料为30～80目，第二填料80～200目；所述有机填料为聚硅高分子材料；所述无机填料为10#石英砂；所述有机填料和无机填料的质量比为1:15～20。
进一步，树脂为呋喃树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂的一种或两种以上组合；
所述的促进剂为苯磺酸、草酸、无水苯甲酸或氯化铵的一种或两种以上组合。
进一步，所述封堵料的制备方法包括：
步骤一，按质量百分比取硅酸盐水泥熟料60～80份、硫铝酸盐水泥10～20份、膨润土3～6份、羟乙基纤维素醚0.2～0.5份、聚合物乳液30～40份、增塑剂3～5份、消泡剂2～3份、增稠剂PRM-300 0.5～1份、8#石英砂20～25份；混合，搅拌均匀后得无机沉淀型体系备用；
步骤二，按质量份计，取树脂50～90份，促进剂0.5～4份、第一填料10～30份、第二填料10～30份；混合，搅拌均匀后得聚合物冻胶体系备用；
步骤三，按体积比，取无机沉淀型体系与聚合物冻胶体系1:2～3.5。
进一步，所述封堵料的制备后，钻孔的第一段塞为无机沉淀型体系，第二段塞为聚合物冻胶体系；
先将无机沉淀型体系注入钻孔内，再使用柱塞泵将聚合物冻胶体系体系注入钻孔。
进一步，所述无机沉淀型体系的制备方法，具体包括：
在搅拌池中先放水，开启池中搅拌器，搅拌速度为100～300rpm；
加入无机沉淀型体系沿着器搅拌出的漩涡缓慢倒进去；
搅拌60min后将搅拌速度降到50～100rpm，持续搅拌60min后停止搅拌，得无机沉淀型体系。
进一步，所述聚合物冻胶体系的制备方法，具体包括：
按照重量百分比计，取树脂50～90份，第一填料10～30份、第二填料10～30份；依次加入到搅拌器具内，搅拌60min～90min，混合均匀，得到混合物；
按照重量百分比，向混合物中加入促进剂0.5～4份、搅拌10～30min均匀。
本发明的优点及积极效果为：封堵料在环空充满率高，注水泥流动阻力小不易漏失；封堵料与钻孔液掺混少。要求封堵料稠化时间长且流动性好。适用3000m以内的浅孔。对较小环空间隙或超大环空隙的孔该技术更加有效。比较适合导管和套管封固孔。满足只取热不取水地热孔供热技术自身工艺需求，有效保护地下600m内承压饮用水源的固孔封水用的封堵料。
本发明堵剂材料体系选择合理、组合得当、可注性强，具有了“进得去、堵得住、耐冲刷能力强、封堵有效期长”的堵水特性。可以达到高强度深部封堵的目的。
采用上述技术方案，本发明将树脂、促进剂和填料混合均匀制成封堵材料，具有良好的流动性，可顺利通过小孔径实现常规管的封堵，另外，本发明的封堵材料具有封堵等待期可控的特点，按设计的等待期过后，管内即形成有效封堵的堵剂柱。在注水钻具水中0～120℃环境下，化学堵剂性质稳定不分解，形成的封堵柱抗压强度高，承压最高可达40MPa，降低了后期带压作业施工的风险，提高了施工效率。
本发明通过选用硅酸盐水泥熟料为主材，并添加特定比例的矿渣、硫铝酸盐水泥、膨润土、羟乙基纤维素醚等原料，制成的材料具有施工性能好、封堵效果佳、强度高的优点。
本发明通过将硅酸盐水泥熟料作为封堵材料的主材，可大大缩短材料整体的凝结时间，并为凝结时间可调奠定基础；本发明配方中还加入一定量的膨润土、羟乙基纤维素醚，以提高浆体的粘聚性和悬浮性，防止浆体在水下分散，影响封堵效果；本发明配方中加入的消泡剂则是为了防止浆体中的存在气泡，影响浆体的密实性，从而达到提高浆体固化后抗地下水侵蚀的目的。
附图说明
图1是本发明实施例提供的只取热不取水地热孔固孔封堵装置的结构示意图。
图中：1、钻孔泥浆层；2、隔离液层；3、封堵料。
图2是本发明实施例提供的只取热不取水地热孔固孔封堵方法流程图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的只取热不取水地热孔固孔封堵装置设置有钻孔泥浆层1，钻孔泥浆层1填充在钻井内部套管的外侧，所述钻孔泥浆层1的上端填充有隔离液层2；
所述隔离液层2的上端填充有封堵料3，所述封堵料3的上端填充有隔离液层2。
作为本发明的优选实施例，所述套管的深度为2500m。
图2是本发明实施例提供的只取热不取水地热孔固孔封堵方法，所述只取热不取水地热孔固孔封堵方法包括以下步骤：
S101、先用钻具向孔一定部位注入一定量的封堵料；
S102、起出钻具；
S103、把套管串下入封堵料中待凝固。
作为本发明的优选实施例，所述封堵料的制备方法为：
所述封堵料包括无机沉淀型体系、聚合物冻胶体系；所述无机沉淀型体系与聚合物冻胶体系的体积比为1:2～3.5；
所述无机沉淀型体系按质量百分比组份由硅酸盐水泥熟料60～80份、硫铝酸盐水泥10～20份、膨润土3～6份、羟乙基纤维素醚0.2～0.5份、聚合物乳液30～40份、增塑剂3～5份、消泡剂2～3份、增稠剂PRM-300 0.5～1份、8#石英砂20～25份；
所述聚合物冻胶体系由树脂、促进剂和填料组成；所述填料由第一填料和第二填料组成；按质量份计，树脂50～90份，促进剂0.5～4份、第一填料10～30份、第二填料10～30份。
作为本发明的优选实施例，所述的第一填料和第二填料分别由有机填料和无机填料加工而成，其中第一填料为30～80目，第二填料80～200目；所述有机填料为聚硅高分子材料；所述无机填料为10#石英砂；所述有机填料和无机填料的质量比为1:15～20。
树脂为呋喃树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂的一种或两种以上组合；所述的促进剂为苯磺酸、草酸、无水苯甲酸或氯化铵的一种或两种以上组合。
作为本发明的优选实施例，所述封堵料的制备方法包括：
步骤一，按质量百分比取硅酸盐水泥熟料60～80份、硫铝酸盐水泥10～20份、膨润土3～6份、羟乙基纤维素醚0.2～0.5份、聚合物乳液30～40份、增塑剂3～5份、消泡剂2～3份、增稠剂PRM-300 0.5～1份、8#石英砂20～25份；混合，搅拌均匀后得无机沉淀型体系备用；
步骤二，按质量份计，取树脂50～90份，促进剂0.5～4份、第一填料10～30份、第二填料10～30份；混合，搅拌均匀后得聚合物冻胶体系备用；
步骤三，按体积比，取无机沉淀型体系与聚合物冻胶体系1:2～3.5。
作为本发明的优选实施例，所述封堵料的制备后，钻孔的第一段塞为无机沉淀型体系，第二段塞为聚合物冻胶体系；
先将无机沉淀型体系注入钻孔内，再使用柱塞泵将聚合物冻胶体系体系注入钻孔。
作为本发明的优选实施例，所述无机沉淀型体系的制备方法，具体包括：
在搅拌池中先放水，开启池中搅拌器，搅拌速度为100～300rpm；
加入无机沉淀型体系沿着器搅拌出的漩涡缓慢倒进去；
搅拌60min后将搅拌速度降到50～100rpm，持续搅拌60min后停止搅拌，得无机沉淀型体系。
作为本发明的优选实施例，所述聚合物冻胶体系的制备方法，具体包括：
按照重量百分比计，取树脂50～90份，第一填料10～30份、第二填料10～30份；依次加入到搅拌器具内，搅拌60min～90min，混合均匀，得到混合物；
按照重量百分比，向混合物中加入促进剂0.5～4份、搅拌10～30min均匀。
下面结合使用方法对本发明作进一步描述。
先用钻具向孔一定部位注入一定量的封堵料，然后起出钻具，再把套管串下入封堵料中待凝固的固孔技术。要求封堵料的稠化时间较长，且抗污染、性能稳定。
封堵料采用无毒、无害的无机材料，制备成无干扰地下取热钻孔封堵压浆所需要的长时间流态压浆材料，压浆材料为高流态净浆浆体，在50～70℃环境下该浆体24h时仍具有良好的流动性、28d抗压强度不低于5MPa，压浆材料的密度为1.30～1.40g/cm3，24h上下层密度差不超过0.02g/cm3。
封堵料3的水泥配方：
(1)水泥：水泥强度等级为42.5。
(2)粉煤灰(FA)：Ⅱ级粉煤灰，0.045mm筛孔筛余量为29％。
(3)矿粉(GGBS)：韩城德龙矿粉有限公司生产的S95级矿渣微粉。
(4)轻物质(LA)：多孔陶粒，堆积密度512kg/m3。
(4)减水剂(BNS)：萘系高效减水剂。
(5)缓凝剂(SG)：葡萄糖酸钠。
(6)降失水剂(FLA)：BXF-200L型。
表1材料配方及其测试结果
针对只取热不取水地热孔供热技术特点以及对地下水资源保护的要求，在施工过程中采取的封堵料3固孔封水技术以及根据这一技术特点创新研制的无干扰条件下地下取热钻孔长时间流态化封堵压浆材料经试验研究，可实现有效封堵，达到固孔止水的要求和保护地下水资源目的。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
所述封堵料包括无机沉淀型体系、聚合物冻胶体系；所述无机沉淀型体系与聚合物冻胶体系的体积比为1:2；
所述无机沉淀型体系按质量百分比组份由硅酸盐水泥熟料60份、硫铝酸盐水泥10份、膨润土3份、羟乙基纤维素醚0.2份、聚合物乳液30份、增塑剂3、消泡剂2、增稠剂PRM-3000.5份、8#石英砂20份；
所述聚合物冻胶体系由树脂、促进剂和填料组成；所述填料由第一填料和第二填料组成；按质量份计，树脂50～90份，促进剂0.5～4份、第一填料10～30份、第二填料10～30份。
实施例2
所述封堵料包括无机沉淀型体系、聚合物冻胶体系；所述无机沉淀型体系与聚合物冻胶体系的体积比为1:3.5；
所述无机沉淀型体系按质量百分比组份由硅酸盐水泥熟料80份、硫铝酸盐水泥20份、膨润土6份、羟乙基纤维素醚0.5份、聚合物乳液40份、增塑剂5份、消泡剂3份、增稠剂PRM-300 1份、8#石英砂2025份；
所述聚合物冻胶体系由树脂、促进剂和填料组成；所述填料由第一填料和第二填料组成；按质量份计，树脂50～90份，促进剂0.5～4份、第一填料10～30份、第二填料10～30份。
实施例3
所述封堵料包括无机沉淀型体系、聚合物冻胶体系；所述无机沉淀型体系与聚合物冻胶体系的体积比为1:3；
所述无机沉淀型体系按质量百分比组份由硅酸盐水泥熟料70份、硫铝酸盐水泥15份、膨润土4份、羟乙基纤维素醚0.4份、聚合物乳液35份、增塑剂4份、消泡剂2.5份、增稠剂PRM-300 0.75份、8#石英砂22份；
所述聚合物冻胶体系由树脂、促进剂和填料组成；所述填料由第一填料和第二填料组成；按质量份计，树脂50～90份，促进剂0.5～4份、第一填料10～30份、第二填料10～30份。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种只取热不取水地热孔固孔封堵装置，其特征在于，所述只取热不取水地热孔固孔封堵装置设置有钻孔泥浆层，钻孔泥浆层填充在钻井内部套管的外侧，所述钻孔泥浆层的上端填充有隔离液层；
所述隔离液层的上端填充有封堵料，所述封堵料的上端填充有隔离液层。
2.一种如权利要求1所述只取热不取水地热孔固孔封堵装置的只取热不取水地热孔固孔封堵方法，其特征在于，所述只取热不取水地热孔固孔封堵方法包括以下步骤：
步骤一、先用钻具向孔一定部位注入一定量的封堵料；
步骤二、起出钻具；
步骤三、把套管串下入封堵料中待凝固。
3.如权利要求2所述的只取热不取水地热孔固孔封堵方法，其特征在于，所述封堵料包括无机沉淀型体系、聚合物冻胶体系；所述无机沉淀型体系与聚合物冻胶体系的体积比为1:2～3.5；
所述无机沉淀型体系按质量百分比组份由硅酸盐水泥熟料60～80份、硫铝酸盐水泥10～20份、膨润土3～6份、羟乙基纤维素醚0.2～0.5份、聚合物乳液30～40份、增塑剂3～5份、消泡剂2～3份、增稠剂PRM-300 0.5～1份、8#石英砂20～25份；
所述聚合物冻胶体系由树脂、促进剂和填料组成；所述填料由第一填料和第二填料组成；按质量份计，树脂50～90份，促进剂0.5～4份、第一填料10～30份、第二填料10～30份。
4.如权利要求3所述的只取热不取水地热孔固孔封堵方法，其特征在于，所述的第一填料和第二填料分别由有机填料和无机填料加工而成，其中第一填料为30～80目，第二填料80～200目；所述有机填料为聚硅高分子材料；所述无机填料为10#石英砂；所述有机填料和无机填料的质量比为1:15～20。
5.如权利要求3所述的只取热不取水地热孔固孔封堵方法，其特征在于，所述的树脂为呋喃树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂的一种或两种以上组合；
所述的促进剂为苯磺酸、草酸、无水苯甲酸或氯化铵的一种或两种以上组合。
6.如权利要求2所述的只取热不取水地热孔固孔封堵方法，其特征在于，所述封堵料的制备方法包括：
步骤一，按质量百分比取硅酸盐水泥熟料60～80份、硫铝酸盐水泥10～20份、膨润土3～6份、羟乙基纤维素醚0.2～0.5份、聚合物乳液30～40份、增塑剂3～5份、消泡剂2～3份、增稠剂PRM-300 0.5～1份、8#石英砂20～25份；混合，搅拌均匀后得无机沉淀型体系备用；
步骤二，按质量份计，取树脂50～90份，促进剂0.5～4份、第一填料10～30份、第二填料10～30份；混合，搅拌均匀后得聚合物冻胶体系备用；
步骤三，按体积比，取无机沉淀型体系与聚合物冻胶体系1:2～3.5。
7.如权利要求6所述的只取热不取水地热孔固孔封堵方法，其特征在于，所述封堵料的制备后，钻孔的第一段塞为无机沉淀型体系，第二段塞为聚合物冻胶体系；
先将无机沉淀型体系注入钻孔内，再使用柱塞泵将聚合物冻胶体系体系注入钻孔。
8.如权利要求6所述的只取热不取水地热孔固孔封堵方法，其特征在于，所述无机沉淀型体系的制备方法，具体包括：
在搅拌池中先放水，开启池中搅拌器，搅拌速度为100～300rpm；
加入无机沉淀型体系沿着器搅拌出的漩涡缓慢倒进去；
搅拌60min后将搅拌速度降到50～100rpm，持续搅拌60min后停止搅拌，得无机沉淀型体系。
9.如权利要求6所述的只取热不取水地热孔固孔封堵方法，其特征在于，所述聚合物冻胶体系的制备方法，具体包括：
按照重量百分比计，取树脂50～90份，第一填料10～30份、第二填料10～30份；依次加入到搅拌器具内，搅拌60min～90min，混合均匀，得到混合物；
按照重量百分比，向混合物中加入促进剂0.5～4份、搅拌10～30min均匀。
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