CN111102754A - 一种高效地热井结构 - Google Patents

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CN111102754A CN202010020084.0A CN202010020084A CN111102754A CN 111102754 A CN111102754 A CN 111102754A CN 202010020084 A CN202010020084 A CN 202010020084A CN 111102754 A CN111102754 A CN 111102754A
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李永利
于长生
甘云利
吕虹霖
姜智超
白艳强
贾洪雷
赵磊
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    • F24T—GEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00—Geothermal collectors
    • F24T10/10—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground
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Abstract

本发明公开一种高效地热井结构，包括内套管、外套管和支撑壁管，外套管中部开设有换向孔，换向孔与支撑壁管之间设置有介质换向套管，外套管与支撑壁管之间填充蓄热紊流层，蓄热紊流层位于介质换向套管下方，内套管与外套管之间设置有中部封堵器，且中部封堵器位于换向孔的下方。本发明结构简单合理，利用介质换向套管将内套管与外套管之间的换热介质引入外套管与支撑壁管之间的通道中，通过换热介质路径的交叉转换，可减少换热介质的流动阻力，有利于降低循环泵能耗；同时换向后的换热介质在蓄热紊流层内以紊流的方式向地热井下部移动，有利于提高热传递系数，配合保温层和导热层设置，将有效提高地热井循环换热介质出口流量稳定性和换热效率。

Description

一种高效地热井结构
技术领域
本发明涉及地热领域，特别是涉及一种高效地热井结构。
背景技术
目前，常用的中深层地热井一般采用双层套管换热装置为建筑提供采暖热能。循环换热介质从外套管与内套管的中间空隙向下流动，在底部从内套管中心向上流出双层套管。然而，由于地热井的井深一般为500-4000米，且双层套管换热装置的内外管均采用直通管，循环换热介质从外套管底部进入内套管中心流动的过程中，很容易被沉淀物堵塞，不仅会对循环换热介质的流动形成阻力，而且会提高循环泵的能耗，降低地热井换热装置的换热效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单合理的高效地热井结构，能够有效提高地热井循环换热介质出口流量稳定性，换热效率高。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种高效地热井结构，包括内套管、套设于所述内套管外围的外套管以及套设于所述外套管外围的支撑壁管，所述外套管的中部开设有换向孔，所述换向孔与所述支撑壁管之间设置有介质换向套管，所述外套管与所述支撑壁管之间填充有蓄热紊流层，所述蓄热紊流层位于所述介质换向套管的下方，所述介质换向套管用于将所述内套管与所述外套管之间的换热介质引入所述蓄热紊流层内，所述内套管与所述外套管之间设置有中部封堵器，且所述中部封堵器位于所述换向孔的下方。
可选的，所述内套管和所述外套管之间填充有导热层，且所述导热层位于所述中部封堵器的下方。
可选的，所述内套管的底部设置有过滤网。
可选的，所述蓄热紊流层为碎石层、岩石碎块层、混凝土构件层、混凝土碎片层、金属构件层或金属颗粒层中的一种。
可选的，所述导热层为水泥石墨混合层。
可选的，所述外套管与所述支撑壁管之间还填充有保温层，且所述保温层位于所述介质换向套管的上方。
可选的，所述保温层为发泡聚氨酯层或发泡橡胶层。
可选的，所述内套管与所述外套管之间的环空底部设置有井底封堵器。
可选的，所述介质换向套管设置于地热井的35度分界点处。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的高效地热井结构，结构简单合理，利用介质换向套管将内套管与外套管所形成的内通道中的换热介质引入由外套管与支撑壁管形成的外通道中，通过换热介质路径的交叉转换，可减少因为换热介质上下直流所形成的流动阻力，有利于降低循环泵的能耗，同时换向后的换热介质在蓄热紊流层内可以紊流的方式向地热井的下部移动，有利于增大地热井内部的热容量且提高热传递系数，配合保温层和导热层设置，将有效提高地热井循环换热介质出口流量稳定性和换热效率，实用性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明高效地热井结构的结构示意图；
其中，附图标记为：1、内套管；2、外套管；3、支撑壁管；4、换向孔；5、介质换向套管；6、蓄热紊流层；7、中部封堵器；8、导热层；9、过滤网；10、保温层；11、井底封堵器；12、土壤层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
如图1所示，本实施例提供一种高效地热井结构，包括内套管1、套设于内套管1外围的外套管2以及套设于外套管2外围的支撑壁管3，支撑壁管3用于支撑土壤层12，以支撑井壁。外套管2的中部侧壁开设有换向孔4，换向孔4的外部与支撑壁管3之间设置有介质换向套管5，介质换向套管5将外套管与支撑壁管之间的环空分隔为上下两部分，其中下方部分填充蓄热紊流层6，介质换向套管5用于将内套管1与外套管2之间的换热介质引入蓄热紊流层6内，内套管1与外套管2之间设置有中部封堵器7，且中部封堵器7位于换向孔4的下方，当内套管1与外套管2之间的换热介质流至换向孔4处时，中部封堵器7用于防止换热介质继续向下直流，而是在介质换向套管5的引流作用下进入蓄热紊流层6。
于本具体实施例中，如图1所示，内套管1和外套管2之间填充有导热层8，且导热层8位于中部封堵器7的下方。
于本实施例中，如图1所示，内套管1的底部设置有过滤网9，当蓄热紊流层6内的换热介质达到井底后，将迂回至内套管1并在循环泵的作用下向上返流，当换热介质达到内套管1底部开口时，首先经过滤网9过滤掉换热介质中混合的颗粒物，以防止颗粒物经循环泵进入用户端，对循环泵或用户端造成损坏。
于本实施例中，如图1所示，蓄热紊流层6优选为碎石层、岩石碎块层、混凝土构件层、混凝土碎片层、金属构件层或金属颗粒层中的一种或多种混合。由于上述蓄热材料均为颗粒状，各蓄热材之间可形成有间隔，换热介质可通过这种蓄热块的间隔流动以向地热井的下部移动。基于此，上述蓄热紊流层6本身在地热井的内部获得传递过来的地热，因此可得到增大地热井内部的热容量且提高热传递系数的效果。并且，换热介质流动至地热井的下部的过程中发生紊流，从而能够极大化换热介质在地热井内回收的热量，可通过提高热传递系数而使换热介质更有效地大幅吸收地热。有利于井底地热交换效率的提高。
于本实施例中，如图1所示，导热层8优选为水泥石墨混合层，即油井水泥和增强导热性能的添加剂的混合物，所述增强导热性能的添加剂为超细石墨粉或超细铁粉，既能够加固内套管1和外套管2，同时提高内套管1和外套管2之间环空的导热性，有利于对内套管1底部迂回的换热介质保温，并可将蓄热紊流层6的蓄热进一步传递至内套管1内迂回的换热介质，以提高整个地热井的换热质量。
于本实施例中，如图1所示，外套管2与支撑壁管3之间还填充有保温层10，且保温层10位于介质换向套管5的上方。保温层10位于上部靠近井口处，有利于增加上部井段的保温性能，减少热量损失，确保用户端对地热的高效利用。于本实施例中，保温层10优选为发泡聚氨酯层或发泡橡胶层。
于本实施例中，如图1所示，内套管1与外套管2之间的环空底部设置有井底封堵器11，用于防止迂回的换热介质进入导热层8，确保导热层8外周的密封性。
于本实施例中，如图1所示，介质换向套管5优选设置于地热井的35度分界点处。基于此，上述保温层位于35度分界点的上部，导热层8和蓄热紊流层6则位于35度分界点的下部；换热介质在水温低于35度的地热井上部井体中采用在内、外套管之间循环的模式，换热介质在水温高于35度的地热井下部井体中采用在外套管与支撑管壁之间循环的模式。由于地热井的下部随着深度的增加温度越来越高，换热介质在外套管与支撑管壁的中间空隙向下流动过程中会吸收更多的热量能，一般情况下，温度逐渐升高的换热介质容易产生逆流，在蓄热紊流层6内间隙的引流作用下，能够使得换热介质沿间隙紊流，阻止逆流的产生，有利于提高整个地热井换热装置的换热效率。
由此可见，本发明提供的高效地热井结构，结构简单合理，利用介质换向套管将内套管与外套管所形成的内通道中的换热介质引入由外套管与支撑壁管形成的外通道中，通过换热介质路径的交叉转换，可减少因为换热介质上下直流所形成的流动阻力，有利于降低循环泵的能耗，同时换向后的换热介质在蓄热紊流层内可以紊流的方式向地热井的下部移动，有利于增大地热井内部的热容量且提高热传递系数，配合保温层和导热层设置，将有效提高地热井循环换热介质出口流量稳定性和换热效率，实用性强。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种高效地热井结构，其特征在于：包括内套管、套设于所述内套管外围的外套管以及套设于所述外套管外围的支撑壁管，所述外套管的中部开设有换向孔，所述换向孔与所述支撑壁管之间设置有介质换向套管，所述外套管与所述支撑壁管之间填充有蓄热紊流层，所述蓄热紊流层位于所述介质换向套管的下方，所述介质换向套管用于将所述内套管与所述外套管之间的换热介质引入所述蓄热紊流层内，所述内套管与所述外套管之间设置有中部封堵器，且所述中部封堵器位于所述换向孔的下方。
2.根据权利要求1所述的高效地热井结构，其特征在于：所述内套管和所述外套管之间填充有导热层，且所述导热层位于所述中部封堵器的下方。
3.根据权利要求1所述的高效地热井结构，其特征在于：所述内套管的底部设置有过滤网。
4.根据权利要求1所述的高效地热井结构，其特征在于：所述蓄热紊流层为碎石层、岩石碎块层、混凝土构件层、混凝土碎片层、金属构件层或金属颗粒层中的一种。
5.根据权利要求2所述的高效地热井结构，其特征在于：所述导热层为水泥石墨混合层。
6.根据权利要求1所述的高效地热井结构，其特征在于：所述外套管与所述支撑壁管之间还填充有保温层，且所述保温层位于所述介质换向套管的上方。
7.根据权利要求6所述的高效地热井结构，其特征在于：所述保温层为发泡聚氨酯层或发泡橡胶层。
8.根据权利要求1所述的高效地热井结构，其特征在于：所述内套管与所述外套管之间的环空底部设置有井底封堵器。
9.根据权利要求1所述的高效地热井结构，其特征在于：所述介质换向套管设置于地热井的35度分界点处。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112378104A (zh) * 2020-10-20 2021-02-19 天津大学 一种储热式地热能全井段干井采热系统与应用
CN112833573A (zh) * 2020-12-31 2021-05-25 魏巍 一种中深层地热能同井均衡采灌换热系统及应用
CN114440479A (zh) * 2021-12-20 2022-05-06 中煤地质集团有限公司 一种新型地热井下换热器结构及其施工方法

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