CN110044090A - 一种高效单井井下换热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地热能开发技术领域，具体涉及一种高效单井井下换热系统，包括心管、套管、筛管；套管与地层之间通过水泥环胶结；套管套结于心管外，心管底端与筛管连接；套管内壁与心管外壁之间形成进水通道，心管内部形成出水通道，进水通道内的水经筛管进入出水通道；还包括激发式储层改造区，激发式储层改造区位于套管底部的外围地层内，激发式储层改造区通过射孔、水力压裂形成多条裂隙网络，裂隙网络内注入有高热导介质；套管和水泥环的壁面通过射孔形成有数个通孔，套管内安装有膨胀管，膨胀管用来封堵通孔。采用“取热不取水”的地热利用模式，避免了对地下水的汲取，减小地面沉降的风险。
Description
技术领域
本发明涉及地热能开发技术领域，具体涉及一种高效单井井下换热系统。
背景技术
地热能供暖的规模化开发利用已经在北方地区冬季清洁供暖以及缓解雾霾天气等方面发挥重要作用，地热供暖技术已趋于成熟。中深层地热能开发利用主要以开采地热水为传统的取热方式，其利用方向为地热温泉、矿泉水开发、温泉疗养以及利用热泵技术取热供暖等。这种取热方式目前国内国外应用较为普遍，一般通过钻凿地热井或者对废弃的油探井进行重新射孔开采地热水开发地热能。不论是市场开发还是理论研究，该取热方式都已经比较成熟，其地热资源量取决于深层地温场以及地质和水文地质条件，受区域地质条件影响较大，具有资源量分布不均的显著特点。
例如，公开号CN 103912246A的中国专利公布了一种组合式射孔结构地热井，包括相互嵌套的第一套管、第二套管和第三套管，第一套管、第二套管和第三套管由外向内，由上到下依次设置，第一套管由表套和设于表套外部的第一水泥管组成，第二套管由内层的技套和外层的第一水泥套及外层的第二水泥管组成，第一水泥套设于第二水泥管的上方，第三套管由油套及套设于油套外部的第三水泥管组成，第三套管上设有射孔及由水泥塞密封形成的井底，水泥塞为多层设置。此专利虽然能够减小射孔后出砂，增大取水量，提高地热勘查开发效果，但是，中深层水热型地热系统的开发已经在国内多地造成了地下水位的急速下降。尤其华北平原因地下水超采而引发的重力异常已经可以通过卫星检测到，长此以往势必会引发海水侵入、地表沉降等情况。
发明内容
本发明的目的是为了解决中深层水热型地热系统造成了地下水位的急速下降的问题，提供了一种高效单井井下换热系统。
为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：
一种高效单井井下换热系统，包括心管、套管、筛管；套管与地层之间通过水泥环胶结；套管套结于心管外，心管底端与筛管连接；套管内壁与心管外壁之间形成进水通道，心管内部形成出水通道，进水通道内的水经筛管进入出水通道；还包括激发式储层改造区，激发式储层改造区位于套管底部的外围地层内，激发式储层改造区通过射孔、水力压裂形成多条裂隙网络，裂隙网络内注入有高热导介质；套管和水泥环的壁面通过射孔形成有数个通孔，套管内安装有膨胀管，膨胀管用来封堵通孔；膨胀管位于筛管之上。
进一步地，所述心管底部外壁套结有数个搅混翼，所述搅混翼的形状为数条格架条焊接组装的多边形，多边形尺寸与心管尺寸相适配；所述搅混翼分为正向搅混翼、反向搅混翼，所述正向搅混翼的多边形设有斜向下的搅拌棒，所述反向搅混翼的多边形设有斜向上的搅拌棒。
进一步地，正向搅混翼的搅拌棒、反向搅混翼的搅拌棒与竖直方向的锐角夹角均为30°。
进一步地，单个正向搅混翼与单个反向搅混翼合成一组，相邻两组之间的间隔为1～2米。
进一步地，单个正向搅混翼与单个反向搅混翼的组合个数与有效换热长度相匹配。
进一步地，条格架之间采用点焊工艺进行焊接。
进一步地，所述心管的材质为不锈钢，所述搅混翼材质为Zr-4锆四合金或不锈钢。
进一步地，心管为双层真空保温管。
进一步地，水泥环具有高热导性。
进一步地，还设有井口装置，井口装置包括法兰、阀门、水泵组件。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
一、本发明中的换热系统是一个封闭的系统，与地层并不联通，采用“取热不取水”的地热利用模式，从地层中提取热量的同时又不破坏地下水资源，避免了对地下水的汲取，减小地面沉降的风险，有效地保护了地下水资源，不会对当地环境与生态系统造成破坏，同时克服了水热型地热系统结垢和污染等情况的发生，系统的维护保养也相对简单。
二、通过在激发式储层改造区形成裂隙网络，增大水与地热之间的换热量，提高经济效益，减少可开挖井数量；通过在心管外壁套设环状形的搅混翼，避免了传统尤其是单井井下换热系统换热不完全、不充分的问题，同时，搅混翼的安装和维护也十分简单。
三、本发明中的换热系统可以在有供暖需求的建筑附近就近布设一个小型的供热站，根据供暖面积设置钻孔数量，具有布置灵活、占地小等特点。
附图说明
图1为本发明一种高效单井井下换热系统图；
图2为本发明激发式储层改造示意图；
图3为本发明搅混翼平面结构示意图；
图4为本发明搅混翼侧面结构示意图。
图中，1—井口装置，2—心管，3—套管，4—水泥环，5—膨胀管，6—激发式储层改造区，7—筛管，8—搅混翼，81—正向搅混翼、82—反向搅混翼，9—裂隙网络。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。
如图1～3所示，一种高效单井井下换热系统，包括心管2、套管3，筛管7，套管3与地层之间通过水泥环4胶结。套管3套结于心管2外，心管2底端与筛管7连接，筛管7允许循环水或其他工质通过。套管3内壁与心管2外壁之间形成进水通道，心管2内部形成出水通道，进水通道内的水经筛管7进入出水通道。地层还包括激发式储层改造区6，激发式储层改造区6位于套管3底部的外围地层内，激发式储层改造区6通过射孔、水力压裂形成多条裂隙网络9，裂隙网络9内注入有高热导介质。套管3和水泥环4的壁面通过射孔形成有数个通孔，套管3内安装有膨胀管5，膨胀管5用来封堵通孔。膨胀管5位于筛管7之上。
为增强进水通道内水与地热的换热效率，本实施例在心管2底部外壁套结有数个搅混翼8，通过搅混翼8增强搅混效果进而增大换热效率。搅混翼8的形状为数条格架条焊接组装形成的多边形，多边形尺寸与心管2尺寸相适配。多边形可以设置为四边、六边、八边形状。八边形即八条格架条，八条格架条采用点焊工艺进行焊接，嵌套组合在一起。格架条与心管2之间的贴合靠格架条自身的凸起与心管2之间进行贴合组装。
如图4所示，搅混翼8分为正向搅混翼81、反向搅混翼82，正向搅混翼81的多边形设有斜向下的搅拌棒，搅拌棒偏向进水通道内的水流流动方向。反向搅混翼82的多边形设有斜向上的搅拌棒。正向搅混翼81的搅拌棒、反向搅混翼82的搅拌棒与竖直方向的锐角夹角均为30°。单个正向搅混翼81与单个反向搅混翼82合成一组进行安装，相邻两组之间的间隔为1～2米。有效换热长度决定单个正向搅混翼81与单个反向搅混翼82的组合个数。心管2材质为不锈钢，搅混翼8材质为Zr-4锆四合金或采用与心管2材质类似的不锈钢。
本实施例中的换热系统是一个封闭的系统，与地层并不联通，采用“取热不取水”的地热利用模式，从地层中提取热量的同时又不破坏地下水资源，避免了对地下水的汲取，减小地面沉降的风险，有效地保护了地下水资源，不会对当地环境与生态系统造成破坏，同时克服了水热型地热系统结垢和污染等情况的发生。维修保养时，心管2可拆卸。通过在激发式储层改造区6形成裂隙网络9，增大地热井内的换热量，提高经济效益，减少可开挖井数量。通过在心管2外壁套设环状的搅混翼8，避免了传统单井井下换热系统换热不完全、不充分的问题。安装搅混翼8时，只需将事先定制成型的搅混翼8套设在心管2底部即可。拆卸心管2时，搅混翼8仍固定在心管2底部，因此，对心管2进行维护的同时可以对搅混翼8也进行维护。
本实施例的建造过程为：通过钻井形成一口抵达中深层地层的地热井，地热井内放入套管3，地热井井壁与套管3之间采用水泥胶结进行固定，水泥胶结形成水泥环4。套管3通过水泥环4和地层形成良好的胶结效果。待水泥凝固后，选取深部地层段作为激发式储层改造区6，对激发式储层改造区6进行射孔，射开套管3和水泥环4，使套管3和水泥环4形成通孔。之后对通孔处进行水力压裂，使土层破裂产生裂缝，形成人造的裂隙网络9，向裂隙网络9内注入高热导介质。水力压裂完成后，高热导介质停留在裂隙网络9内，并使激发式储层改造区6具有高热导性。在射孔段的套管3内壁安装膨胀管5，对射孔段中的通孔进行封堵，使换热井和地层不存在物质交换的可能。之后，在心管2底部安装数组搅混翼8。
套管3的顶端设有入水口，心管2的顶端设有出水口，由入水口向套管3内注入低温水，低温水沿进水通道向下流动，并且受到地层热量的加热。尤其是经过激发式储层改造区6，由于地层内注入了高热导介质，可以使距离井眼较远的地层热量也能够传导到井眼附近，并透过水泥环4和套管3加热进水通道内的水。进水通道内的水进入设有搅混翼8的区域时，由于搅混翼8的搅混作用，在吸取地层热量的同时，得到了充分的搅混均匀，换热时间和换热效率得到极大的增强。已经被加热后的水穿过筛管7进入出水通道，最后从心管2的出水口提取热水加以利用。本实施例也可以把水换成其他低温工质。
此外，心管2为双层真空保温管，增强出水通道内水的保温功能。水泥环4具有高热导性，进一步增强进水通道内的水与地热之间的热量交换。
本实施例中的换热系统还设有井口装置1，井口装置1包括法兰、阀门、水泵组件。加热后的水可以直接利用，也可以通入热泵机组内。加热后的水经热泵机组提升温度后进行供暖，经热泵机组吸收热量后的水温度降低，再次回到地热井与地热进行热量交换。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高效单井井下换热系统，其特征在于：
包括心管(2)、套管(3)、筛管(7)；套管(3)与地层之间通过水泥环(4)胶结；套管(3)套结于心管(2)外，心管(2)底端与筛管(7)连接；套管(3)内壁与心管(2)外壁之间形成进水通道，心管(2)内部形成出水通道，进水通道内的水经筛管(7)进入出水通道；
还包括激发式储层改造区(6)，激发式储层改造区(6)位于套管(3)底部的外围地层内，激发式储层改造区(6)通过射孔、水力压裂形成多条裂隙网络(9)，裂隙网络(9)内注入有高热导介质；
套管(3)和水泥环(4)的壁面通过射孔形成有数个通孔，套管(3)内安装有膨胀管(5)，膨胀管(5)用来封堵通孔；膨胀管(5)位于筛管(7)之上。
2.根据权利要求1所述的高效单井井下换热系统，其特征在于：
所述心管(2)底部外壁套结有数个搅混翼(8)，所述搅混翼(8)的形状为数条格架条焊接组装的多边形，多边形尺寸与心管尺寸相适配；
所述搅混翼(8)分为正向搅混翼(81)、反向搅混翼(82)，所述正向搅混翼(81)的多边形设有斜向下的搅拌棒，所述反向搅混翼(82)的多边形设有斜向上的搅拌棒。
3.根据权利要求2所述的高效单井井下换热系统，其特征在于：
正向搅混翼(81)的搅拌棒、反向搅混翼(82)的搅拌棒与竖直方向的锐角夹角均为30°。
4.根据权利要求3所述的高效单井井下换热系统，其特征在于：单个正向搅混翼(81)与单个反向搅混翼(82)合成一组，相邻两组之间的间隔为1～2米。
5.根据权利要求4所述的高效单井井下换热系统，其特征在于：单个正向搅混翼(81)与单个反向搅混翼(82)的组合个数与有效换热长度相匹配。
6.根据权利要求2所述的高效单井井下换热系统，其特征在于：格架条之间采用点焊工艺进行焊接。
7.根据权利要求2所述的高效单井井下换热系统，其特征在于：所述心管(2)的材质为不锈钢，所述搅混翼(8)材质为Zr-4锆四合金或不锈钢。
8.根据权利要求1所述的高效单井井下换热系统，其特征在于：心管(2)为双层真空保温管。
9.根据权利要求1所述的高效单井井下换热系统，其特征在于：水泥环(4)具有高热导性。
10.根据权利要求1所述的高效单井井下换热系统，其特征在于：还设有井口装置(1)，井口装置(1)包括法兰、阀门、水泵组件。
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