CN111894547A - 换热型水平井、换热型十字正交水平井工厂及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了换热型水平井、换热型十字正交水平井工厂及施工方法，一开井段包括第一竖直井段，二开井段包括与第一竖直井段的底部连通的第二竖直井段和与第二竖直井段的底部连通的造斜至水平井段，三开井段包括与造斜至水平井段连通的水平井段；第一竖直井段内设置有表层套管，表层套管、第二竖直井段和造斜至水平井段内设置有第一技术套管，水平井段内设置有第二技术套管，第一技术套管与第二技术套管连通，第二技术套管远离第一技术套管的一端密封，第二技术套管为换热型技术套管；第一技术套管和第二技术套管内设置有中心管，中心管的一端与第二技术套管的端部设置有间距。热换效率大大提高，不再进行回灌，能够高效、清洁的开发利用地热能。

Description

换热型水平井、换热型十字正交水平井工厂及施工方法

技术领域

本发明属于地热资源开发利用技术领域，具体涉及换热型水平井、换热型十字正交水平井工厂及施工方法。

背景技术

我国关中盆地地热资源丰富，中深层地热资源开发利用历史悠久，以水热型地热能利用为主。常见1500-3000m的中深层地热能利用目前有四种利用方式：(1)钻单一直井，直接取热水，不回灌；(2)钻一组直井，一井抽采热水，临近的一或多井回灌尾水；(3)钻单一直井，采用同心管冷热水循环取热储层热能；(4)钻一对井组、一口直井、一口水平井对接直井，采用冷水流经水平井段换取热储层热能。

上述四种利用方式存在以下问题：一是取地下水热储层(砂岩储层)的热水，将地热水用于直接供热，是利用深井潜水泵从生产井抽取中深层地热水，供暖降温后的地热水经输水管网送至回灌井进行回灌，回灌至砂岩热水储层的地质条件影响常常会遇到结垢、堵塞等问题，因而制约了100％的地热水回灌和清洁利用；二是直井同心管换热技术受到水热储层发育厚度、以及井身结构尺寸的限制，冷热水循环流量、换热效率、换热能力较小，仅为回灌技术的10％左右；三是水平井对接技术，虽然可以实现较为高效的地热能清洁利用，但是水平井对接的方式对钻井工艺水平要求较高，钻井成本较高，推广及商业化利用难度较大。总体而言，目前的中深层地热能开发利用技术，主体上未达到清洁利用，少部分达到清洁利用方式，但其换热效能和建井成本较大，难以广泛推广和商业化使用。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了换热型水平井、换热型十字正交水平井工厂及施工方法，在开发利用地热能时，热换效率大大提高，不再进行回灌，能够高效、清洁的开发利用地热能。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种换热型水平井，包括依次开环连接的一开井段、二开井段和三开井段，所述一开井段包括第一竖直井段，所述二开井段包括与所述第一竖直井段的底部连通的第二竖直井段和与所述第二竖直井段的底部连通的造斜至水平井段，所述三开井段包括与所述造斜至水平井段连通的水平井段；所述第一竖直井段内设置有表层套管，所述表层套管、所述第二竖直井段和所述造斜至水平井段内设置有第一技术套管，所述水平井段内设置有第二技术套管，所述第一技术套管与所述第二技术套管连通，所述第二技术套管远离所述第一技术套管的一端密封，所述第二技术套管为换热型技术套管；所述第一技术套管和所述第二技术套管内设置有中心管，所述中心管的外壁与所述第一技术套管和所述第二技术套管的内壁之间设置有间距，所述中心管的一端与所述第二技术套管的端部设置有间距，另一端伸出井口。

进一步地，所述表层套管与所述第一竖直井段的井壁之间填充有加固材料；所述第一技术套管与所述表层套管的内壁、所述第二竖直井段的井壁和所述造斜至水平井段的井壁之间均填充有加固材料。

进一步地，所述中心管上设置有隔热层。

进一步地，所述第一技术套管与所述第二技术套管的连接部位设置有密封器。

进一步地，所述中心管与所述第二技术套管之间的环空位置设置有若干非密闭型扶正器。

进一步地，所述第二技术套管远离所述第一技术套管的一端采用密封塞密封。

一种换热型十字正交水平井工厂，包括四个所述的换热型水平井，设定一假想圆柱，则四个所述换热型水平井的第一竖直井段和第二竖直井段沿所述假想圆柱的侧面周向均布分布，四个所述换热型水平井的造斜至水平井段和水平井段绕所述假想圆柱的中心线均布分布，且四个所述换热型水平井的造斜至水平井段和水平井段背离所述假想圆柱的中心线。

一种换热型水平井的施工方法，包括以下步骤：

步骤1：钻穿地面表层核松散土层，钻遇稳定粘土层或基岩面以下，形成第一竖直井段，并在第一竖直井段中下入表层套管；

步骤2：在表层套管与所述第一竖直井段的井壁之间填充加固材料，直至加固材料反至地面；

步骤3：从所述第一竖直井段底部开始钻井，钻遇地下热储层中部位置，形成第二竖直井段和造斜至水平井段，并在所述第二竖直井段和造斜至水平井段中下入第一技术套管；

步骤4：在所述第一技术套管与所述表层套管的内壁、所述第二竖直井段的井壁和所述造斜至水平井段的井壁之间填充加固材料，直至加固材料反至地面；

步骤5：从所述造斜至水平井段的井底部开始水平井段钻井，根据地下热储层厚度、热储量、温度及换热能效设计水平井段长度，完成水平井段钻进，并在所述水平井段内下入端部密封的第二技术套管，所述第二技术套管为换热型技术套管；

步骤6：在所述第一技术套管和所述第二技术套管内置入中心管，所述中心管的外壁与所述第一技术套管和所述第二技术套管的内壁之间设置有间距，所述中心管的一端与所述第二技术套管的端部设置有间距，另一端伸出井口。

进一步地，步骤6中，在所述中心管与所述第二技术套管之间的环空位置加装若干非密闭型扶正器。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明提供的一种换热型水平井，表层套管和第一技术套管对整个换热型水平井起到加固作用，在使用时，从中心管的外壁与第一技术套管和第二技术套管的内壁之间的间距中注入冷水(或冷介质)，冷水(或冷介质)在三开井段的水平井段中与地下热储层进行换热，冷水(或冷介质)获取热储层能量后被加热，热水(或热介质)从中心管中流出至井口；或者从中心管中注入冷水(或冷介质)，冷水(或冷介质)在三开井段的水平井段中与地下热储层进行换热，冷水(或冷介质)获取热储层能量后被加热，热水(或热介质)从中心管的外壁与第一技术套管和第二技术套管的内壁之间的间距中流出至井口。可见，本发明利用隔热同心管(中心管)取热能措施，对热储层扰动小，实现了仅取热能的清洁利用，在开发利用地热能时，热换效率大大提高，不再进行回灌，能够高效、清洁的开发利用地热能。

进一步地，在表层套管与第一竖直井段的井壁之间填充有加固材料，以及在第一技术套管与表层套管的内壁、第二竖直井段的井壁和造斜至水平井段的井壁之间均填充有加固材料，对整个换热型水平井起到加固作用。

进一步地，中心管上设置有隔热层，能够防止已经与地热能换热后的水流在向井外流出的过程中，发生热能的损失，有利于提高热能的利用率。

进一步地，第一技术套管与第二技术套管的连接部位设置有密封器，能够防止冷介质或热介质发生渗漏。

进一步地，在中心管与第二技术套管之间的环空位置设置有若干非密闭型扶正器，非密闭型扶正器在不影响冷/热介质通过的情况下，能对中心管的位置进行有效的固定，防止在使用过程中，中心管的位置发生偏移而影响换热井的使用。

进一步地，第二技术套管远离第一技术套管的一端采用密封塞密封，这样设计的好处是，如果在使用的过程中，需要对第二技术套管进行延长时，可方便的将密封塞取下并拼接第二技术套管，便于施工，可以通过热储层水平井段延长增加取热范围。

本发明一种换热型十字正交水平井工厂，包括四个的换热型水平井，设定一假想圆柱，则四个换热型水平井的第一竖直井段和第二竖直井段沿假想圆柱的侧面周向均布分布，四个换热型水平井的造斜至水平井段和水平井段绕假想圆柱的中心线均布分布，且四个换热型水平井的造斜至水平井段和水平井段背离假想圆柱的中心线。该换热型十字正交水平井工厂这样设计的的好处是：(1)换热的水平井段以共圆、正交、外延的方式可以扩大热储层的取热半径；(2)提升了换热效率并减少各井换热之间的影响。换热时水平井段与地层热储层之间形成热对流换热作用导致水平井段附近地层热储层的温度降低(热能量降低)，水平井段附近地层热储层进而与远处的地层热储层之间存在了温差梯度，地层热储层内部因温差梯度产生了热对流，并以热对流方式补充水平井段附近地层热储层能量以达到热能量平衡，十字正的设计方式有利于缩短地层热储层之间的温度(热能量)恢复平衡所需要的时间，同时正交外延的方式也增加了各水平井段之间的距离，减少了水平井段与地层热储层换热时的换热面积重叠影响。(3)利用同一井场实施钻井，建立十字正交的水平井工厂，既可以减少钻井搬迁施工的工作量和投资成本，也可以有效提升热储层的换热效率和换热能力。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明换热型水平井井身(不含中心管)结构示意图；

图2为本发明中心管换热模式示意图；

图3为本发明换热型十字正交井工厂构建示意图。

1-表层套管；2-第一技术套管；3-第二技术套管；4-中心管；5-加固材料；6-密封器；7-非密闭型扶正器；8-密封塞。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

作为本发明的某一具体实施方式，一种换热型水平井，结合图1和图2所示，包括依次开环连接的一开井段、二开井段和三开井段，一开井段包括第一竖直井段，二开井段包括与第一竖直井段的底部连通的第二竖直井段和与第二竖直井段的底部连通的造斜至水平井段，三开井段包括与造斜至水平井段连通的水平井段。

第一竖直井段内设置有表层套管1，表层套管1与第一竖直井段的井壁之间填充有加固材料5，本实施方式中，加固材料5为水泥。

表层套管1、第二竖直井段和造斜至水平井段内设置有第一技术套管2，第一技术套管2与表层套管1的内壁、第二竖直井段的井壁和造斜至水平井段的井壁之间均填充有加固材料5，本实施方式中，加固材料5为水泥。

水平井段内设置有第二技术套管3，第二技术套管3为换热型技术套管，也就是说，第二技术套管3需要与地热之间进行换热；第一技术套管2与第二技术套管3连通，为了确保第一技术套管2与第二技术套管3连接部位的密封性，本实施方式中，第一技术套管2与第二技术套管3的连接部位设置有密封器6。第二技术套管3远离第一技术套管2的一端密封，本实施方式中，为了便于后期对第一技术套管2的长度进行延伸，第二技术套管3远离第一技术套管2的一端采用密封塞8密封。

第一技术套管2和第二技术套管3内设置有中心管4，中心管4的外壁与第一技术套管2和第二技术套管3的内壁之间设置有间距，中心管4的一端与第二技术套管3的端部设置有间距，另一端伸出井口；中心管4上设置有隔热层，避免已经与地热能换热后的热水在输出过程中损失热量。优选的，中心管4位于第一技术套管2和第二技术套管3的中心轴线上。本实施方式中，为了防止中心管4在第二技术套管3的位置发生偏移，在中心管4与第二技术套管3之间的环空位置均布设置有若干非密闭型扶正器7，非密闭型扶正器7不会影响水流的通过。

作为本发明的某一具体实施方式，一种换热型十字正交水平井工厂，包括四个本发明所述的换热型水平井，如图3所示，四个换热型水平井按照以下方式进行布置：

设定一假想圆柱，则四个换热型水平井的第一竖直井段和第二竖直井段沿假想圆柱的侧面周向均布分布，四个换热型水平井的造斜至水平井段和水平井段绕假想圆柱的中心线均布分布，且四个换热型水平井的造斜至水平井段和水平井段背离假想圆柱的中心线。也就是说，相邻两个换热型水平井与假想圆柱的中心轴线的连线夹角为90°，即四个换热型水平井形成了一个换热型十字正交水平井工厂。

本发明的换热型十字正交水平井工厂，以十字正交方式设计地热井井口位置，利用三开水平井钻井方式建造井身结构，采用中心管置入与“取热不取水”的绿色热能交换方式开发利用地热能资源，从而实现换热型十字正交水平井工厂的地热能开发方式。

本发明解决了中深层地热水资源回灌和换热效率低等难以实现的高效、清洁地热能开发利用的问题。本发明提供了一种高效、清洁换热型十字正交水平井工厂开发利用地热能的新方法。

下面结合一具体实施例，对本发明的换热型水平井和换热型十字正交水平井工厂的施工做更加详细的说明。

(1)换热型水平井构建流程(结合图1所示)

1.1一开钻井：在已经选好的井场及井位位置开钻，钻穿地面表层核松散土层，钻遇稳定粘土层或基岩面以下，形成一开井眼(第一竖直井段)，并在一开井眼(第一竖直井段)中下入表层套管，本实施例中，表层套管的直径为339.7mm；

1.2一开固井：在一开井眼中的表层套管与第一竖直井段井壁底层之间充填固井水泥，直至水泥反至地面，完成一开固井；

1.3二开钻井：自一开井眼(第一竖直井段)底部开始钻井，钻遇地下热储层中部位置，形成二开井眼，二开井眼依次由第二竖直井段和造斜至水平井段组成，并在二开井眼中下入第一技术套管，本实施例中，第一技术套管的直径为244.5mm；

1.4二开固井：在第一技术套管与表层套管1的内壁、第二竖直井段的井壁和造斜至水平井段的井壁之间充填固井水泥，直至水泥反至地面，完成二开固井；

1.5三开钻井：自二开造斜水平井段完成的井底部开始水平井段钻井，可根据具体地下热储层厚度、热储量、温度及换热能效设计三开水平井段长度，完成水平段钻进，悬挂密封器下入第二技术套管至井底，第二技术套管为高效换热材料型技术套管，本实施例中，第二技术套管的直径为177.8mm；

1.6三开完井：在三开水平井段底部下入密封塞完井。

(2)中心管置入与热能交换方式(结合图2所示)

2.1中心管置入：将具有隔热保护层的中心管(中空圆形管)置入已钻成的换热型水平井，即将中心管置入第一技术套管和第二技术套管内，中心管的外壁与第一技术套管和第二技术套管的内壁之间设置有间距，中心管的一端与第二技术套管的端部设置有间距，另一端伸出井口；本实施例中，井底中心管的一端与第二技术套管的端部预留间距为0.5～1米距离，井口中心管的另一端超出0.5～1米距离，并给三开水平井段的中心管与换热技术套管之间的环空位置均匀加装若干个非密闭型扶正器。

2.2热能交换流程：利用在套管与隔热中心管之间的环空注入冷水(或冷介质)，冷水(或冷介质)在水平井段与地下热储层进行换热，冷水(或冷介质)获取热储层能量后被加热，热水(或热介质)从具有保温隔层的中心管流出至井口。

(3)换热型十字正交水平井工厂构建流程(结合图1、图2和图3所示)

3.1井位布置：在第一口换热型水平井构建完成后，按照一定半径距离的共圆心依次旋转90度设置3口钻井位置。

3.2井工厂构建：按照(1)中换热型水平井构建流程，依次完成设计的三口换热型水平井钻井流程，然后按照(2)中心管置入与热能交换方式完成三口井的构建，四口换热型水平井共同组建完成换热型十字正交井工厂。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，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所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种换热型水平井，其特征在于，包括依次开环连接的一开井段、二开井段和三开井段，所述一开井段包括第一竖直井段，所述二开井段包括与所述第一竖直井段的底部连通的第二竖直井段和与所述第二竖直井段的底部连通的造斜至水平井段，所述三开井段包括与所述造斜至水平井段连通的水平井段；所述第一竖直井段内设置有表层套管(1)，所述表层套管(1)、所述第二竖直井段和所述造斜至水平井段内设置有第一技术套管(2)，所述水平井段内设置有第二技术套管(3)，所述第一技术套管(2)与所述第二技术套管(3)连通，所述第二技术套管(3)远离所述第一技术套管(2)的一端密封，所述第二技术套管(3)为换热型技术套管；所述第一技术套管(2)和所述第二技术套管(3)内设置有中心管(4)，所述中心管(4)的外壁与所述第一技术套管(2)和所述第二技术套管(3)的内壁之间设置有间距，所述中心管(4)的一端与所述第二技术套管(3)的端部设置有间距，另一端伸出井口。

2.根据权利要求1所述的一种换热型水平井，其特征在于，所述表层套管(1)与所述第一竖直井段的井壁之间填充有加固材料(5)；所述第一技术套管(2)与所述表层套管(1)的内壁、所述第二竖直井段的井壁和所述造斜至水平井段的井壁之间均填充有加固材料(5)。

3.根据权利要求1所述的一种换热型水平井，其特征在于，所述中心管(4)上设置有隔热层。

4.根据权利要求1所述的一种换热型水平井，其特征在于，所述第一技术套管(2)与所述第二技术套管(3)的连接部位设置有密封器(6)。

5.根据权利要求1所述的一种换热型水平井，其特征在于，所述中心管(4)与所述第二技术套管(3)之间的环空位置设置有若干非密闭型扶正器(7)。

6.根据权利要求1所述的一种换热型水平井，其特征在于，所述第二技术套管(3)远离所述第一技术套管(2)的一端采用密封塞(8)密封。

7.一种换热型十字正交水平井工厂，其特征在于，包括四个如权利要求1～6任一项所述的换热型水平井，设定一假想圆柱，则四个所述换热型水平井的第一竖直井段和第二竖直井段沿所述假想圆柱的侧面周向均布分布，四个所述换热型水平井的造斜至水平井段和水平井段绕所述假想圆柱的中心线均布分布，且四个所述换热型水平井的造斜至水平井段和水平井段背离所述假想圆柱的中心线。

8.一种换热型水平井的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：钻穿地面表层核松散土层，钻遇稳定粘土层或基岩面以下，形成第一竖直井段，并在第一竖直井段中下入表层套管(1)；

步骤2：在表层套管(1)与所述第一竖直井段的井壁之间填充加固材料(5)，直至加固材料(5)反至地面；

步骤3：从所述第一竖直井段底部开始钻井，钻遇地下热储层中部位置，形成第二竖直井段和造斜至水平井段，并在所述第二竖直井段和造斜至水平井段中下入第一技术套管(2)；

步骤4：在所述第一技术套管(2)与所述表层套管(1)的内壁、所述第二竖直井段的井壁和所述造斜至水平井段的井壁之间填充加固材料(5)，直至加固材料(5)反至地面；

步骤5：从所述造斜至水平井段的井底部开始水平井段钻井，根据地下热储层厚度、热储量、温度及换热能效设计水平井段长度，完成水平井段钻进，并在所述水平井段内下入端部密封的第二技术套管(3)，所述第二技术套管(3)为换热型技术套管；

步骤6：在所述第一技术套管(2)和所述第二技术套管(3)内置入中心管(4)，所述中心管(4)的外壁与所述第一技术套管(2)和所述第二技术套管(3)的内壁之间设置有间距，所述中心管(4)的一端与所述第二技术套管(3)的端部设置有间距，另一端伸出井口。

9.根据权利要求8所述的一种换热型水平井的施工方法，其特征在于，步骤6中，在所述中心管(4)与所述第二技术套管(3)之间的环空位置加装若干非密闭型扶正器(7)。

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