CN111380237A - 传热介质和地下中深层岩土热交换装置 - Google Patents

传热介质和地下中深层岩土热交换装置 Download PDF

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司双龙
俞兆龙
李文斌
田斌守
蔺瑞山
高胜友
王亮亮
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Abstract

本发明公开了一种传热介质和地下中深层岩土热交换装置，其中传热介质包括:其每立方米的成分包括:预设重量的水泥；缓凝剂、促凝剂、降失水剂和分散剂中的至少一种；预设重量的镍渣与铁屑的混合物。本发明的传热介质填充于中深层地下岩热型换热系统井下换热器与岩土间存在的空隙，能够有效地提高岩土热交换的换热效率。

Description

传热介质和地下中深层岩土热交换装置
技术领域
本发明涉地热能开发技术领域，尤其涉及一种传热介质和地下中深层岩土热交换装置。
背景技术
中深层地下岩热型供热技术是一种通过间接换热方式获取和利用中深层岩层中所蕴含的热量的技术，它有别于浅层土壤源热泵、中深层水热型、干热岩等地热开发利用技术，具有普遍适用、不使用地下水、对环境无干扰、无热衰减等特点。中深层地下岩热型供热系统属于中低温系统，运行温度不高于90℃。一般包含地下中深层岩土热交换系统、地上热辅助系统、供热末端热循环系统及控制系统等。
由于中深层地下换热器与岩土间存在一定空隙，会影响换热效率，因此，由高强度合金外层套管、柔性内层套管、高效换热器以及高效传热介质材料组成的地下热交换子系统，对中深层地下岩热型供热系统的供热量和性能系数起到关键的决定作用。
对传热介质的材料一般要求是导热率高、不易渗漏，另外由于系统间歇运行产生的冷热冲击，会导致传热介质材料容易开裂，因此对材料的韧性和强度等力学性能要求较高。目前中深层地下岩热型供热系统大多直接使用现有油气开发中的水泥浆固井材料作为传热介质，其各项参数并不匹配中深层地下岩热型供热的技术需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种传热介质和地下中深层岩土热交换装置，该传热介质填充于中深层地下岩热型换热系统井下换热器与岩土间存在的空隙，提高换热效率，解决普通固井水泥存在的导热性能差、遇冷热冲击时易开裂、易漏失的问题。
为了解决上述技术问题，根据本发明一方面，提供了一种传热介质，其每立方米的成分包括:
预设重量的水泥；
缓凝剂、促凝剂、降失水剂和分散剂中的至少一种；
预设重量的镍渣与铁屑的混合物。
进一步的，所述镍渣与所述铁屑的混合物的含量为1300千克/立方米～1400千克/立方米。
进一步的，所述所述镍渣与所述铁屑的混合物中所述镍渣与所述铁屑的比例为6：5～5：4。
进一步的，所述水泥的含量为1780千克/立方米～1900千克/立方米。
进一步的，所述水泥为硅酸盐水泥与粒化高炉矿渣的混合物。
进一步的，所述水泥为矿渣硅酸盐水泥。
进一步地，其每立方米的成分还包括:预设重量的钢纤维。
进一步地，所述钢纤维的含量为100千克/立方米～120千克/立方米。
进一步地，根据权利要求1所述的传热介质，其特征在于，所述缓凝剂的比例为0～0.8％，所述促凝剂的比例为0～3％，所述降失水剂的比例为0～2％，所述分散剂的比例为0～1％。
根据本发明另一方面，提供一种地下中深层岩土热交换装置，其特征在于，包括：
内层套管；
外层套管，套设于所述内层套管外侧；
高效换热器，设置于所述外层套管下部；以及
上述任一项所述的传热介质，设置于所述外层套管和所述高效换热器的外侧，并贴合于所述外层套管、所述高效换热器及岩土层。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明一种传热介质和地下中深层岩土热交换装置可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：
(1)通过在传热介质中增加镍渣和铁屑，能够有效地提升传热介质的传热性能，进而能够提升地下中深层岩土热交换装置的热交换效率。
(2)通过在传热介质中增加钢纤维，能够有效地提升传热介质的韧性和抗压强度，进而改善传热介质于岩土层的结胶能力，防止传热介质在遇冷热冲击时开裂，提高了传热介质的防漏性能。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1示出了本发明一实施例的中深层地下岩热交换装置的结构示意图。
【符号说明】
1：内层套管
2：外层套管
3：高效换热器
4：传热介质
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种传热介质和地下中深层岩土热交换装置的具体实施方式及其功效，详细说明如后。
本发明实施例提供了一种传热介质，其每一立方米包含有预设重量的水泥，缓凝剂、促凝剂、降失水剂和分散剂中的至少一种，以及衣舍重量的镍渣与铁屑的混合物。
其中，该水泥可采用普通的硅酸盐水泥，因普通的硅酸盐水泥的生产对环境污染严重，并且生产成本较高，因此可在普通硅酸盐水泥中掺入粒化高炉矿渣来达到保护环境，降低成本的目的。
普通硅酸盐水泥与粒化高炉矿渣的组成比例可根据实际的应用环境进行配置，本申请并不以此为限。
当然，也可以直接采用矿渣硅酸盐水泥，以节省传热介质调配的时间，提升项目施工的效率。
在一实施例中，普通的硅酸盐水泥与粒化高炉矿渣的混合物的用量为每立方米添加1780千克～1900千克，更加具体的用量可根据应用环境进行调整。
若采用矿渣硅酸盐水泥，其用量同样为每立方米添加1780千克～1900千克，更加具体的用量可根据应用环境进行调整。
为了能够进一步地提升传热介质的性能，以使其能够更加稳定工作，在传热介质中还可以添加缓凝剂、促凝剂、降失水剂和分散剂中的至少一种。
其中，缓凝剂能够延长水泥的水化硬化时间，是水泥能够较长时间的保证塑性，以提供充分的施工时间。促凝剂能够使得水泥迅速的凝结硬化，进而节省等待水泥硬化的时间，提升项目施工的效率。降失水剂能够提升水泥的抗盐抗钙性能、提升降失水效果、提升水泥的耐高温性。分散剂能够使得水泥更加分散的处于传热介质中，进而提升水泥的使用性能。
在实际应用过程中，可根据实际的需求在水泥中添加缓凝剂、促凝剂、降失水剂和分散剂中的一种或者是多种。缓凝剂、促凝剂、降失水剂和分散剂为水泥应用过程中常用的添加剂，此处不再过多的赘述。
优选地，在传热介质中添加缓凝剂的质量的为缓凝剂0～0.8％，促凝剂为0～3％，降失水剂为0～2％，分散剂为0～1％。
在传热介质中还添加有镍渣与铁屑的混合物，以通过镍与铁的高传热性来提升传热介质的传热性能。
优选地，在每立方米的传热介质中添加镍渣与铁屑的混合物的重量为1300千克～1400千克。
进一步地，镍渣与铁屑的混合物中镍渣与铁屑的重量比例为6:5～5:4，更加具体的用量可根据应用环境进行调整。
本发明实施例还提供了一种地下中深层岩土热交换装置，如图1所示，该装置包括：内层套管1、外层套管2、高效换热器3以及上述任一实施例所述的传热介质4。
其中，内层套管1用于在换热介质(例如是水)在完成换热后流向后端的供热系统。优选地，该内层套管1采用双层真空保温管，以防止完成换热的换热介质的热量流失。
外层套管2套设于内层套管1的外侧，并与内层套管1形成供未进行换热的换热介质流通，并进行换热。优选地，外层套管2采用高强度的合金材质，以使其能够防止内层套管1受外力作用产生破损的情况发生，同时通过合金材质的高传热性将岩土的热能传递至换热介质。
高效换热器3设置在外层套管2的下部，通过其高效的传热性能对换热介质进行传热。高效换热器3采用高强度镍钢合金材料加工而成，在保证其机械强度的同时，能够有效地提升换热效率。
在外层套管2和高效换热器3的外侧设置有上述的传热介质4，该传热介质4处于外层套管2和高效换热器3与岩土层之间，并贴合于外层套管2、高效换热器3及岩土层。
在地下中深层岩土热交换装置的安装过程中，首先钻孔至预定深度后，将依次连接好的高效换热器3和外层套管2下放至钻井的最底端，然后对井眼进行清洗；然后将配置好的本申请的传热介质4利用高压泵送至外层套管2底端，使其充满高效换热器3和高外层套管2与岩土层之间的空间，并继续泵入隔离和胶结液剂，实现高效传热介质4与岩土层的紧密贴合；在达到候凝时间后，测试井下渗漏率，测试结果合格则可下柔性的内层套管1；中深层地下岩热型供热系统可以投入使用。
以上所述，仅是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，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种传热介质，其特征在于，其每立方米的成分包括:
预设重量的水泥；
缓凝剂、促凝剂、降失水剂和分散剂中的至少一种；
预设重量的镍渣与铁屑的混合物。
2.根据权利要求1所述的传热介质，其特征在于，所述镍渣与所述铁屑的混合物的含量为1300千克/立方米～1400千克/立方米。
3.根据权利要求2所述的传热介质，其特征在于，所述所述镍渣与所述铁屑的混合物中所述镍渣与所述铁屑的比例为6：5～5：4。
4.根据权利要求1-3所述的传热介质，其特征在于，所述水泥的含量为1780千克/立方米～1900千克/立方米。
5.根据权利要求4所述的传热介质，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥与粒化高炉矿渣的混合物。
6.根据权利要求4所述的传热介质，其特征在于，所述水泥为矿渣硅酸盐水泥。
7.根据权利要求1所述的传热介质，其特征在于，其每立方米的成分还包括:预设重量的钢纤维。
8.根据权利要求7所述的传热介质，其特征在于，所述钢纤维的含量为100千克/立方米～120千克/立方米。
9.根据权利要求1所述的传热介质，其特征在于，所述缓凝剂的比例为0～0.8％，所述促凝剂的比例为0～3％，所述降失水剂的比例为0～2％，所述分散剂的比例为0～1％。
10.一种地下中深层岩土热交换装置，其特征在于，包括：
内层套管；
外层套管，套设于所述内层套管外侧；
高效换热器，设置于所述外层套管下部；
权利要求1-9中任一项所述的传热介质，设置于所述外层套管和所述高效换热器的外侧，并贴合于所述外层套管、所述高效换热器及岩土层。
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