CN108180664B - 一种中深层地热井的沉管装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中深层地热井沉管装置，放置在地热井外套管管内的底部，包括上段、中段和下段，上段由内套管组成，中段由金属膨胀节、非金属膨胀节和固定沉管组成，下段由依次相连的活动沉管和导向头组成。活动沉管与固定沉管通过管内外凸台相连，活动沉管底部与导向头相连，固定沉管为中空结构，夹层内填充二硒化钨，活动沉管表面覆盖二硒化钨薄膜涂层，周向从上到下开设多层孔径递增的射流孔，导向头内侧装有螺旋状肋片。本发明通过夹层和涂层填涂低导热系数材料方式降低了金属沉管的传热短路程度，又通过固定和活动沉管的活动连接方式减少底部死区范围，大大提高了换热井的出力。

Description

一种中深层地热井的沉管装置

技术领域

本发明属于地热能开采利用技术领域，具体涉及一种中深层地热井的沉管装置。

技术背景

目前，我国浅层地热能的利用技术已基本成熟，中深层地热能的利用尚处于示范应用阶段，深层地热能利用技术还处于研发阶段。

中深层地热能的利用通常采用“取热不取水”这种模式，即采用流体传热工质通过地热井换热吸收地下岩石热量，然后再流过地面换热器放出热量，井下换热一般采用套管式地热井。由于中深层地热井的深度通常在地底下2～3km，成井工艺比较复杂，施工和运行过程中往往会出现以下几个问题：(1)为了避免冷热流体工质间的热短路现象，内套管通常采用导热系数较低的橡胶材料，但这种材料在高温环境下容易变形，因此在下管过程中，内套管的形状会发生变化，在狭窄的井下空间内，管壁产生的热应力直接作用于外套管内壁，增大了内外套管间的摩擦力，增加了下管难度；(2)在内套管末端十几米采用金属管段，可以依靠管子重量将上部的内套管拉直，但金属的导热系数较大，容易引起内外套管间的热短路现象，特别是对于井底下的高温区域，尤为严重；(3)金属沉管不易变形，底部如果是水平的，管子容易被外套管内壁的小凸台或残余混凝土卡住，影响下管；(4)在金属沉管底部布置锥形导向头，可以避免下管时的卡塞现象，但导向头的设置会切断传热工质的回路，影响地热井的正常运行；(5)内套管在下管时，由于井下温度高，管子会受热膨胀，当正常运行时，冷工质向下流动时会引起内套管的收缩，对于深达3000多米的中深层地热井，管子收缩量是相当大的，这样就会造成井底段的流动死区，降低地热井的换热能力。

因此，在地热能利用相关技术快速发展的背景下，很有必要发展一种新的中深层地热井沉管装置，为了解决中深层地热井施工过程中采用常规方法和装置存在的一些技术问题和难题。

发明内容

发明目的：本发明针对中深层地热井在施工和启闭状态下内套管存在膨胀收缩、金属段内套管导热系数大、导向头存在不易布置回水孔等问题，提供了一种中深层地热井的沉管装置。

技术方案：为解决上述问题，本发明提供了一种中深层地热井的沉管装置，所述沉管装置放置在地热井外套管管内的底部，包括上段、中段和下段，其中，

所述上段由内套管组成；

所述中段由金属膨胀节、非金属膨胀节和固定沉管组成，其中，所述金属膨胀节上部与内套管相连，下部与固定沉管相连，非金属膨胀节套在金属膨胀节外部，上部与内套管相连，下部与固定沉管相连，所述固定沉管的底部向内突起，形成一圈弧形的内凸台；

所述下段由依次相连的活动沉管和导向头组成，所述活动沉管上端外部向外凸起，形成一圈弧形的外凸台，并放置于固定沉管内的内凸台上，活动沉管的下部与导向头相连，所述活动沉管的中间部位周向开设多层射流孔。

优选地，所述内套管由导热系数为0～0.25W/(m·K)的材料制成。

优选地，所述金属膨胀节采用波纹管膨胀节，材料为不锈钢；非金属膨胀节采用直筒型非金属膨胀节，材料为橡胶。

所述固定沉管由金属材料制成，中间含有夹层，夹层厚度为1～5mm，夹层内填充二硒化钨。固定沉管的厚度可根据夹层厚度调整，夹层填充密实，达到自然堆积状态即可。

所述多层射流孔覆盖的长度占活动沉管总长度的1/3～1/2。

所述导向头内侧中心装有肋片，肋片的最高处超过中层射流孔的中心位置。

优选地，所述肋片为螺旋状实心肋片，用于增加传热面积。

所述活动沉管由金属材料制成，表面覆盖二硒化钨薄膜涂层，优选地，涂层厚度为不超过5mm。

优选地，射流孔的孔径大小为5～50mm，孔径从上到下逐渐增加。

优选地，所述导向头为半圆形。

在安装时，内套管在沉管的拉伸作用下依靠导向头顺利沿着外套管壁移动，由于中深层地热井内温度高，长达几千米的内套管在下管过程中受热膨胀，直到固定沉管底部几乎触及井底固井混凝土，此时活动沉管进入固定沉管管内。当装置运行时，传热工质从内外套管间隙进入地热井，此时，内套管受到工质冷却收缩，固定沉管受到收缩力向上运动，当运动到一定高度时，活动沉管在重力作用下沿固定沉管内壁向下运动，直到活动沉管的外凸台到达固定沉管的内凸台，这样被加热的传热工质通过活动沉管的射流孔向上进入内套管，直至到达地热井地面热工质出口。

有益效果：与常规的地热井沉管装置相比，本发明具有如下的特色及优点：

(1)常规的地热井沉管段与内套管通常采用丝扣方式连接，而本发明的内套管与沉管分别采用金属和非金属膨胀节连接，这种连接方式不仅可以吸收由于热胀冷缩引起的纵向位移量，而且可以吸收下管过程中由于漂移引起的横向位移量，同时非金属膨胀节还可以起到一个保温的作用，防止内套管内工质热量的损失；

(2)常规的地热井通常只是将底部内套管换成金属管段形成沉管结构，由于金属管壁的高导热系数，这种处理方式会产生传热短路现象，而本发明提出的无论是固定沉管还是活动沉管结构，既保留了沉管的大重量属性，又通过夹层填充保温材料和表面喷涂保温涂层方式降低了沉管的导热系数，这样有利于显著降低井底高温段管内外流体的传热强度，提高换热井的出力；

(3)常规的地热井沉管结构通常是固定的，由于内套管的热胀冷缩，这样的结构会产生井底高温区域的流动和传热死区现象，而本发明的沉管结构是活动可伸缩的，这种设计方式可以大大降低底部死区的范围，提高换热井的出力；

(4)本发明导向头内侧中间装有螺旋肋片，这种布置方式可以把下层射流孔以下死区的热量通过螺旋肋片方式传递到流动的传热工质中，最大程度挖掘了底部高温区的换热能力；

(5)本发明活动沉管周向分层布孔，并且孔径从上到下逐渐增大，这种多层布置方式不仅可以防止小孔的堵塞，而且可以增加底部高温区流动工质的覆盖范围，同时可以实现层间工质流量的均匀匹配。

附图说明

图1是本发明实施例的一种深层地热井沉管装置主视图，处于膨胀状态，其中有：岩石层1、固井材料层2、外套管3、内套管4、金属膨胀节5、非金属膨胀节6、固定沉管7、夹层8、外凸台9、内凸台10、活动沉管11、射流孔12、肋片13和导向头14；

图2是本发明实施例的一种深层地热井沉管装置主视图，处于收缩状态，其中有：岩石层1、固井材料层2、外套管3、内套管4、金属膨胀节5、非金属膨胀节6、固定沉管7、夹层8、外凸台9、内凸台10、活动沉管11、射流孔12、肋片13和导向头14。

具体实施方式

下面通过实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

本实施例提供了一种中深层地热井的沉管装置，放置在外套管3管内的底部，由上段、中段和下段三部分组成。

其中，上段由内套管4组成，内套管4由导热系数较低的材料制成，一般为导热系数为0～0.25W/(m·K)的材料，内套管4 的下部与中段相连。中段由金属膨胀节5、非金属膨胀节6、固定沉管7组成，金属膨胀节采用波纹管膨胀节，材料为不锈钢；非金属膨胀节采用直筒型非金属膨胀节，材料为橡胶。固定沉管 7由金属材料制成，中间含有夹层，夹层厚度为1～5mm，夹层内填充二硒化钨。固定沉管的厚度可根据夹层厚度调整，夹层填充密实，达到自然堆积状态即可。金属膨胀节上部与内套管相连，下部与固定沉管相连，非金属膨胀节套在金属膨胀节外部，上部与内套管相连，下部与固定沉管相连，固定沉管的底部向内突起，形成一圈弧形的内凸台10。

下段由依次相连的活动沉管11和半圆形的导向头14组成，活动沉管上端外部向外凸起，形成一圈弧形的外凸台9，并放置于固定沉管内的内凸台10上，活动沉管的下部与导向头14相连，活动沉管的中间部位周向开设多层射流孔，多层射流孔覆盖的长度占活动沉管总长度的1/3～1/2，孔径大小为5～50mm，孔径从上到下逐渐增加。活动沉管由金属材料制成，表面覆盖二硒化钨薄膜涂层，涂层厚度一般不超过5mm。导向头内侧中心装有实心肋片13，肋片呈螺旋状，最高处超过中层射流孔中心位置高度。

如图1和图2所示，具体实施步骤如下：

(1)当地热井安装时，内外套管间无传热工质，内套管在下管过程中受到沉管的拉伸作用向下运动，沉管依靠导向头导向作用沿着外套管壁向下移动，由于中深层地热井内温度高，长达几千米的内套管在下管过程中逐渐受热膨胀，直到固定沉管底部触及井底固井混凝土，此时活动沉管滑入固定沉管内。

(2)当地热井运行时，给水从内外套管间隙进入地热井，此时，内套管受到给水冷却向上收缩，固定沉管受到收缩力向上运动，此时，活动沉管在重力作用下沿固定沉管内壁向下运动，直到活动沉管外凸台到达固定沉管的内凸台而停止运动，这样被加热的给水通过活动沉管的射流孔向上进入内套管，直至到达地热井地面热水出口。

Claims (10)

1.一种中深层地热井的沉管装置，其特征在于，所述沉管装置放置在地热井外套管管内的底部，包括上段、中段和下段，其中，

所述上段由内套管组成；

所述中段由金属膨胀节、非金属膨胀节和固定沉管组成，其中，所述金属膨胀节上部与内套管相连，下部与固定沉管相连，非金属膨胀节套在金属膨胀节外部，上部与内套管相连，下部与固定沉管相连，所述固定沉管的底部向内突起，形成一圈弧形的内凸台；

所述下段由依次相连的活动沉管和导向头组成，所述活动沉管上端外部向外凸起，形成一圈弧形的外凸台，并放置于固定沉管内的内凸台上，活动沉管的下部与导向头相连，所述活动沉管的中间部位周向开设多层射流孔。

2.根据权利要求1所述的沉管装置，其特征在于，所述内套管由导热系数为0～0.25W/(m·K)的材料制成。

3.根据权利要求1所述的沉管装置，其特征在于，所述金属膨胀节采用波纹管金属膨胀节，材料为不锈钢；非金属膨胀节采用直筒型非金属膨胀节，材料为橡胶。

4.根据权利要求1所述的沉管装置，其特征在于，所述固定沉管由金属材料制成，中间含有夹层，夹层厚度为1～5mm，夹层内填充二硒化钨。

5.根据权利要求1所述的沉管装置，其特征在于，所述多层射流孔覆盖的长度占活动沉管总长度的1/3～1/2。

6.根据权利要求1所述的沉管装置，其特征在于，所述导向头内侧中心装有肋片，肋片的最高处超过中层射流孔的中心位置。

7.根据权利要求6所述的沉管装置，其特征在于，所述肋片为螺旋状实心肋片。

8.根据权利要求1所述的沉管装置，其特征在于，所述活动沉管由金属材料制成，表面覆盖二硒化钨薄膜涂层。

9.根据权利要求1所述的沉管装置，其特征在于，射流孔的孔径大小为5～50mm，孔径从上到下逐渐增加。

10.根据权利要求1所述的沉管装置，其特征在于，所述导向头为半圆形。