CN110485969A - 一种开采干热岩地热资源的装置及其钻孔成孔方法 - Google Patents

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Abstract

一种开采干热岩地热资源的装置及其钻孔成孔方法，属于地热资源开采技术领域，解决技术效率低、开采的地热无法直接收集利用、收集过程中损耗较大的技术问题，解决方案为：表层套管、技术套管和换热管由上至下同轴设置，在技术套管中设置有深井潜水泵，深井潜水泵的出液口通过泵管法兰与出液管连通；第一导流管由地面延伸至表层套管的底部，第一导流管的下端部通过承压钢管转换法兰与第二导流管连通，第二导流管贯穿技术套管并延伸至换热管中，第二导流管的下端部通过PE管转换接头与第三导流管连通，第三导流管的下端部设置有换热器，换热器设置于换热管的底部。本发明操作简单，可以有效降低采热过程的热损失，提高采热效率，降低作业成本。

Description

一种开采干热岩地热资源的装置及其钻孔成孔方法
技术领域
本发明属于地热资源开采技术领域，具体涉及的是一种开采干热岩地热资源的装置及其钻孔成孔方法。
背景技术
地热资源因其具有储量大、可再生、应用清洁等特征而受到能源开发领域的关注，作为最高品质地热资源的干热岩的开发更成为关注的焦点，如何低成本、有效的开采干热岩地热资源，是现在能源领域亟需解决的问题，也是新能源开发领域及可再生能源开发领域研究的热点。
钻孔井眼是实现干热岩地热资源热能快速传输到地面的有效通道之一，如何利用常规井身结构来使导流液传输干热岩地热资源，关系着整体钻井工程实施性及热能获取的可行性，是关系干热岩地热资源能否开发的重要问题。
现有技术对于地下热水的开采已有文献报道，目前，干热岩地热能的开采主要采用钻井压裂，但钻井压裂通过注入流体传热开发技术效率低、无法进行大规模开采，而且开采的地热无法直接收集利用，收集过程中损耗较大。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，解决钻井压裂通过注入流体传热开发技术效率低、无法进行大规模开采，而且开采的地热无法直接收集利用，收集过程中损耗较大的技术问题，本发明提供一种开采干热岩地热资源的装置及其开采地热能的方法。
本发明通过以下技术方案予以实现。
一种开采干热岩地热资源的装置，它包括换热管、技术套管与表层套管，其中：所述表层套管、技术套管和换热管由上至下同轴设置，技术套管上端部的外壁与表层套管内壁的重叠段环形空间内设置有用于技术套管坐封的技术套管悬挂器，换热管上端部的外壁与技术套管内壁的重叠段环形空间内设置有用于换热管坐封的换热管悬挂器；
在技术套管中设置有深井潜水泵，深井潜水泵的出液口通过泵管法兰与出液管连通；
第一导流管由地面延伸至表层套管的底部，第一导流管的材质为无缝钢管，第一导流管的下端部通过承压钢管转换法兰与第二导流管连通，第二导流管的材质为PE管，第二导流管贯穿技术套管并延伸至换热管中，第二导流管的下端部通过PE管转换接头与第三导流管连通，第三导流管的下端部设置有换热器，换热器设置于换热管的底部。
进一步地，所述第一导流管、第二导流管和第三导流管组成进液管，进液管的直径为100~110mm，进液管的长度为3100~3150m。
进一步地，所述技术套管悬挂器与地面之间的距离为300~310m，所述换热管悬挂器与地面之间的距离为1750~1800m。
进一步地，所述表层套管的直径为300~340mm，表层套管的长度为320~351m；所述技术套管的直径为240~250mm，技术套管的长度为1750~1800m；所述换热管的直径为170~180mm，换热管的长度为3000~3200m；所述出液管的直径为100~110mm，出液管的长度为280~300m。
一种开采干热岩地热资源的装置的钻孔成孔方法，包括以下步骤：
S1、钻孔作业：首先，一开钻井，表层套管安装于一开井眼中，表层套管的外壁与一开井眼内壁的环形空间内采用水泥固封；然后，二开钻井，二开钻井深度至干热岩层的顶部，技术套管携带技术套管悬挂器安装于二开井眼中，技术套管下降至预定位置处，技术套管悬挂器坐封于表层套管的内壁上，技术套管与表层套管重叠段以下的技术套管外壁与表层套管内壁之间采用水泥固封，干热岩层以上的松软地层和低温浅层水与采热装置内的换热介质隔离；最后，三开钻井，换热管携带换热管悬挂器安装于三开井眼中，换热管下降至预定位置处，换热管悬挂器坐封于技术套管的内壁上，终孔完井，钻孔设备拆离场地，钻孔工作完成；
S2、成孔作业：首先，第三导流管的下端与换热器固定连接，第三导流管的上端与钻头螺纹连接，钻头正转携带第三导流管和换热器由表层套管的顶部进入完井中并安装于换热管的底部，钻头反转，钻头与第三导流管的上端分离，钻头提升至地面；其次，第二导流管的下端部安装PE管转换接头，第二导流管的上端部安装承压钢管转换法兰，承压钢管转换法兰的上端与钻头螺纹连接，钻头再次正转携带承压钢管转换法兰、第二导流管与PE管转换接头进入完井中，并使PE管转换接头安装于第三导流管的上端，钻头反转，钻头与承压钢管转换法兰的上端分离，钻头再次提升至地面；再次，第一导流管的下端部旋入承压钢管转换法兰中，完成进液管的安装；最后，在地面组装深井潜水泵，深井潜水泵的出液口通过泵管法兰与出液管连通，将深井潜水泵吊装于表层套管中，完成成孔作业。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种开采干热岩地热资源的装置及其钻孔成孔方法：
1、可划分为钻孔和成孔两部分；
2、开采干热岩地热资源的方法，操作简单，使用方便，经久耐用，无需维修；
3、开采干热岩地热资源的方法，内部采热管柱可以有效降低采热过程的热损失，大幅度提高采热效率；
4、开采干热岩地热资源的方法可实现单个井眼内注液、出液的采热过程，显著降低了作业成本。
5、采用该方式的换热液容积增大；
(1)、表层(泵室段)內容积:Ф339.7mm×308m=0.08×308m=24.8m3；
(2)、技术套内容积：Ф244.5mm×(1792-308)m=0.0395×1484m=58.6m3；
(3)、换热管内容积：Ф177.8mm×(3239-1792)m=0.02×1447m=28.9m3；
(4)、根据理论计算，全井为内容积：表层(泵室段)內容积+技术套内容积+换热管内容积=112.3m3；
根据一般干热岩的方式导流管分内管和外管，内容积的液体总量只有20.3m3；交换热液体流量相比达到5.6倍，所以用该开采干热岩地热资源的方法可提高换热量超过5倍以上。
6、一般干热岩的方式换热量衰减的较快，主要是因换热液体与干热岩体接触的时间太短，换热量少，而且冷的导热液本快速制换热能的过程，也是给干热岩体降温的过程；而采用该方法后在同等导热流体的流量的情况下，可大大提高换热液体与干热岩体接触的时间，减少干热岩摔减的速度，从而提高了换热效率。
附图说明
图1为本发明主视剖视结构示意图，图中箭头表示换热介质的流动方向。
图中，1为换热管，2为技术套管，3为表层套管，4为换热器，5为第三导流管，6为PE管转换接头，7为第二导流管，8为承压钢管转换法兰，9为第一导流管，10为泵管法兰，11为技术套管悬挂器，12为换热管悬挂器，13为深井潜水泵，14为出液管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示的一种开采干热岩地热资源的装置，它包括换热管1、技术套管2与表层套管3，其特征在于：所述表层套管3、技术套管2和换热管1由上至下同轴设置，技术套管2上端部的外壁与表层套管3内壁的重叠段环形空间内设置有用于技术套管2坐封的技术套管悬挂器11，换热管3上端部的外壁与技术套管2内壁的重叠段环形空间内设置有用于换热管1坐封的换热管悬挂器12；
在技术套管3中设置有深井潜水泵13，深井潜水泵13的出液口通过泵管法兰10与出液管14连通；
第一导流管9由地面延伸至表层套管3的底部，第一导流管9的材质为无缝钢管，第一导流管9的下端部通过承压钢管转换法兰8与第二导流管7连通，第二导流管7的材质为PE管，第二导流管7贯穿技术套管2并延伸至换热管1中，第二导流管7的下端部通过PE管转换接头6与第三导流管5连通，第三导流管5的下端部设置有换热器4，换热器4设置于换热管1的底部。
进一步地，所述第一导流管9、第二导流管7和第三导流管5组成进液管，进液管的直径为100~110mm，进液管的长度为3100~3150m。
进一步地，所述技术套管悬挂器11与地面之间的距离为300~310m，所述换热管悬挂器12与地面之间的距离为1750~1800m。
进一步地，所述表层套管3的直径为300~340mm，表层套管3的长度为320~351m；所述技术套管2的直径为240~250mm，技术套管2的长度为1750~1800m；所述换热管1的直径为170~180mm，换热管1的长度为3000~3200m；所述出液管14的直径为100~110mm，出液管14的长度为280~300m。
一种开采干热岩地热资源的装置的钻孔成孔方法，包括以下步骤：
S1、钻孔作业：首先，一开钻井，表层套管3安装于一开井眼中，表层套管3的外壁与一开井眼内壁的环形空间内采用水泥固封；然后，二开钻井，二开钻井深度至干热岩层的顶部，技术套管2携带技术套管悬挂器11安装于二开井眼中，技术套管2下降至预定位置处，技术套管悬挂器11坐封于表层套管3的内壁上，技术套管2与表层套管3重叠段以下的技术套管2外壁与表层套管3内壁之间采用水泥固封，干热岩层以上的松软地层和低温浅层水与采热装置内的换热介质隔离；最后，三开钻井，换热管1携带换热管悬挂器12安装于三开井眼中，换热管1下降至预定位置处，换热管悬挂器12坐封于技术套管2的内壁上，终孔完井，钻孔设备拆离场地，钻孔工作完成；
S2、成孔作业：首先，第三导流管5的下端与换热器4固定连接，第三导流管5的上端与钻头螺纹连接，钻头正转携带第三导流管5和换热器4由表层套管3的顶部进入完井中并安装于换热管1的底部，钻头反转，钻头与第三导流管5的上端分离，钻头提升至地面；其次，第二导流管7的下端部安装PE管转换接头6，第二导流管7的上端部安装承压钢管转换法兰8，承压钢管转换法兰8的上端与钻头螺纹连接，钻头再次正转携带承压钢管转换法兰8、第二导流管7与PE管转换接头6进入完井中，并使PE管转换接头6安装于第三导流管5的上端，钻头反转，钻头与承压钢管转换法兰8的上端分离，钻头再次提升至地面；再次，第一导流管9的下端部旋入承压钢管转换法兰8中，完成进液管的安装；最后，在地面组装深井潜水泵13，深井潜水泵13的出液口通过泵管法兰10与出液管14连通，将深井潜水泵13吊装于表层套管3中，完成成孔作业。
采用本装置采热时：首先，低温换热工质由第三导流管进入，经过换热器4与长段干热岩体再次交换热能，再返经过技术套管2导流至表层套管1中；然后，高温换热工质经过深井潜水泵13，提导制热系统，经地面散热装置换热后，进入供热管网，经换完热能后，再将低温换热工质由进液管再次进入换热装置取热，如此反复。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种开采干热岩地热资源的装置，它包括换热管（1）、技术套管（2）与表层套管（3），其特征在于：所述表层套管（3）、技术套管（2）和换热管（1）由上至下同轴设置，技术套管（2）上端部的外壁与表层套管（3）内壁的重叠段环形空间内设置有用于技术套管（2）坐封的技术套管悬挂器（11），换热管（3）上端部的外壁与技术套管（2）内壁的重叠段环形空间内设置有用于换热管（1）坐封的换热管悬挂器（12）；
在技术套管（3）中设置有深井潜水泵（13），深井潜水泵（13）的出液口通过泵管法兰（10）与出液管（14）连通；
第一导流管（9）由地面延伸至表层套管（3）的底部，第一导流管（9）的材质为无缝钢管，第一导流管（9）的下端部通过承压钢管转换法兰（8）与第二导流管（7）连通，第二导流管（7）的材质为PE管，第二导流管（7）贯穿技术套管（2）并延伸至换热管（1）中，第二导流管（7）的下端部通过PE管转换接头（6）与第三导流管（5）连通，第三导流管（5）的下端部设置有换热器（4），换热器（4）设置于换热管（1）的底部。
2.根据权利要求1所述的一种开采干热岩地热资源的装置，其特征在于：所述第一导流管（9）、第二导流管（7）和第三导流管（5）组成进液管，进液管的直径为100~110mm，进液管的长度为3100~3150m。
3.根据权利要求1所述的一种开采干热岩地热资源的装置，其特征在于：所述技术套管悬挂器（11）与地面之间的距离为300~310m，所述换热管悬挂器（12）与地面之间的距离为1750~1800m。
4.根据权利要求1所述的一种开采干热岩地热资源的装置，其特征在于：所述表层套管（3）的直径为300~340mm，表层套管（3）的长度为320~351m；所述技术套管（2）的直径为240~250mm，技术套管（2）的长度为1750~1800m；所述换热管（1）的直径为170~180mm，换热管（1）的长度为3000~3200m；所述出液管（14）的直径为100~110mm，出液管（14）的长度为280~300m。
5.一种如权利要求1所述的开采干热岩地热资源的装置的钻孔成孔方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、钻孔作业：首先，一开钻井，表层套管（3）安装于一开井眼中，表层套管（3）的外壁与一开井眼内壁的环形空间内采用水泥固封；然后，二开钻井，二开钻井深度至干热岩层的顶部，技术套管（2）携带技术套管悬挂器（11）安装于二开井眼中，技术套管（2）下降至预定位置处，技术套管悬挂器（11）坐封于表层套管（3）的内壁上，技术套管（2）与表层套管（3）重叠段以下的技术套管（2）外壁与表层套管（3）内壁之间采用水泥固封，干热岩层以上的松软地层和低温浅层水与采热装置内的换热介质隔离；最后，三开钻井，换热管（1）携带换热管悬挂器（12）安装于三开井眼中，换热管（1）下降至预定位置处，换热管悬挂器（12）坐封于技术套管（2）的内壁上，终孔完井，钻孔设备拆离场地，钻孔工作完成；
S2、成孔作业：首先，第三导流管（5）的下端与换热器（4）固定连接，第三导流管（5）的上端与钻头螺纹连接，钻头正转携带第三导流管（5）和换热器（4）由表层套管（3）的顶部进入完井中并安装于换热管（1）的底部，钻头反转，钻头与第三导流管（5）的上端分离，钻头提升至地面；其次，第二导流管（7）的下端部安装PE管转换接头（6），第二导流管（7）的上端部安装承压钢管转换法兰（8），承压钢管转换法兰（8）的上端与钻头螺纹连接，钻头再次正转携带承压钢管转换法兰（8）、第二导流管（7）与PE管转换接头（6）进入完井中，并使PE管转换接头（6）安装于第三导流管（5）的上端，钻头反转，钻头与承压钢管转换法兰（8）的上端分离，钻头再次提升至地面；再次，第一导流管（9）的下端部旋入承压钢管转换法兰（8）中，完成进液管的安装；最后，在地面组装深井潜水泵（13），深井潜水泵（13）的出液口通过泵管法兰（10）与出液管（14）连通，将深井潜水泵（13）吊装于表层套管（3）中，完成成孔作业。
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