CN112576199B - 一种用于地热井筒中的生产套管及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于地热井筒中的生产套管及其施工方法，属于地热能开发领域，本生产套管包括保温除垢套管和保温套管，保温除垢套管和保温套管包括内管、外管、压圈、上压圈、下压圈、保温隔热材料层、耐腐蚀注药管道等。本发明在地热井生产井一开段参照生产井的结垢位置合理安排保温除垢套管段和保温套管段，按照顺序将全部管段连接组装完成后，将耐腐蚀注药管与地面注药设备进行连接，通过控制注药量即可在正常生产的情况下在钙垢生成位置以下持续释放化学药剂，阻止钙垢生成并同时实现对生产井的保温。本发明同时解决了地热井保温及井壁结垢问题，并且模块化程度高，结构简单，施工速度快，可提高地热资源利用率，降低维护成本。
Description
技术领域
本发明属于地热能开发技术领域，具体涉及的是一种用于地热井筒中的生产套管及其施工方法。
背景技术
地热能是一种储量极大、分布范围很广的清洁能源，具有非常高的利用价值。干热岩地热资源是地热资源中的一种，相较水热型地热资源而言，干热岩地热资源更稳定，温度更高，更适合实现稳定发电的设计。但缺点是埋藏深度大，当前的主要开发手段是按照一定距离钻取生产井与注入井，并通过水力压裂等手段制造人工热储层。从注入井中注入的冷水经过热储层加热后即可在生产井产出高温水及水蒸气用于发电、供暖。
井壁产生钙垢的原理：地热流体在上升到生产井井口附近时压力快速降低，发生闪蒸现象，流体中溶解的CO2快速释放到空气中，流体中Ca2+浓度与 CO3 2-浓度的乘积大于CaCO3的溶解度积，使得CaCO3从流体中析出，附着在井壁上形成钙垢。且经过原理分析可知钙垢形成的深度普遍在井口向下100m的范围以内，因此只需要在钙垢形成的位置以下释放化学药剂，即可阻止钙垢生成，解决井壁结垢问题。
大量钙垢附着在井壁表面会使生产井的井筒直径减小，不仅会导致高温水的温度降低、流量减小，还会导致生产井的堵塞甚至报废。当前常规的清除井壁钙垢的方法是向生产井中注入化学药物或采用物理方法进行除垢，然而这些方法都需要生产井停止生产才能进行，这无疑会影响地热发电的正常运行。因此找到一种能够在不影响生产井正常运行的前提下，有效、可靠、便捷的解决井壁结垢问题的方法十分重要，对保证地热发电时长，对地热资源的稳定提取利用、地热发电增产增效有重大意义。
由于地温梯度的存在，埋深越深的地方温度越高，越靠近地面处的温度越低。在高温流体从人工热储提取到地面这一过程中，高温流体往往会在近地面时发生比较明显的降温过程。西藏地区地处高原，地表温度低，冻土层厚度大，高温水及水蒸气的降温更加明显。地热发电采用朗肯循环原理，水温越高，发电效率越高。因此提高生产井出口处热水的温度对地热发电的增产增效也有重大意义。现有施工方法基本不考虑井筒的保温问题，井筒套管及外侧固井水泥浆仅能提供非常有限的保温隔热功能，因此，在温度损失严重的近地面采取相关措施对产出的热水进行保温，阻止热量损失具有现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，一方面解决井筒保温的技术问题，提高生产井的出水温度，另一方面解决为了进行除垢导致的地热井停产问题，实现持续注入化学药剂，持续阻止钙垢生成的目的，本发明提供一种用于地热井筒中的生产套管及其施工方法。
本发明通过以下技术方案予以实现。
一种用于地热井筒中的生产套管，它包括保温除垢套管和保温套管，其中：
若干所述保温除垢套管由上至下沿竖直方向依次连接组成保温除垢套管段，若干所述保温套管由上至下沿竖直方向依次连接组成保温套管段，保温除垢套管段与保温套管段设置于生产井一开段中，并且保温除垢套管段设置于保温套管段的上方，根据井壁结垢位置确定保温除垢套管段的长度，根据生产井一开段的长度确定保温套管段的长度；
所述保温除垢套管和保温套管均包括内管和外管，外管套装在内管的外部，内管与外管之间设置环形间隙，环形间隙中填充保温隔热材料层；在保温除垢套管段中：环形间隙的上端面位置处设置上压圈，环形间隙的下端面位置处设置下压圈；在保温套管段中：环形间隙的上端面与下端面位置处分别设置压圈；
在所述保温除垢套管中：在环形间隙中沿圆周方向预埋若干耐腐蚀注药管道，上压圈上与耐腐蚀注药管道位置对应处设置有快插接口，下压圈上与耐腐蚀注药管道位置对应处设置有插孔，快插接口贯穿相邻保温除垢套管中下压圈的插孔插接于耐腐蚀注药管道中；
在保温除垢套管段中最下端的保温除垢套管上，在下压圈上与插孔位置对应处分别设置喷药弯头，喷药弯头与耐腐蚀注药管道连通，喷药弯头位于井壁结垢位置下方10米位置处，喷药弯头的末端朝向井口且与水平方向呈45度。
进一步地，在生产井一开段中，相邻所述保温套管焊接连接，相邻所述保温除垢套管焊接连接，保温除垢套管段的外管与保温套管段的外管焊接连接。
进一步地，所述内管和外管的材质均为高强度不锈钢。
进一步地，所述耐腐蚀注药管道沿圆周方向等角度设置于环形间隙中，耐腐蚀注药管道的轴线方向与保温除垢套管段的轴线方向相互平行。
进一步地，所述耐腐蚀注药管道在环形间隙中分别在三点位置处、六点位置处、九点位置处和十二点位置处设置。
进一步地，最上端的保温除垢套管的耐腐蚀注药管道与地面用于配制除垢化学药品的注药设备的出料口连通。
一种用于地热井筒中的生产套管施工方法，包括以下步骤：
S1、分别确定保温除垢套管以及保温套管的长度和段数：
生产井一开段的总长度为h，根据地热生产井的常规运行状态，推测生产井中容易产生钙垢的井壁结垢位置，确定保温除垢套管段的长度h1，使保温除垢套管段的下端面与井壁结垢位置的距离为10米；确定保温套管段的长度h2，使h=h1+h2；根据保温除垢套管段的长度h1确定每段保温除垢套管的长度以及段数，根据保温套管段的长度h2确定每段保温套管的长度以及段数；
S2、预制保温除垢套管以及保温套管：
S21、采用高强度不锈钢管分别制作保温除垢套管和保温套管的内管以及外管，然后将保温隔热材料均匀填充在内管与外管之间的环形间隙中组成保温隔热材料层；
S22、预制保温套管：将压圈对应安装于步骤S21填充有保温隔热材料层的环形间隙的两端，完成保温套管的预制；
S23、预制保温除垢套管：在步骤S21填充的保温隔热材料层中沿圆周方向预埋若干耐腐蚀注药管道，上压圈与下压圈对应安装于环形间隙的两端，并且使快插接口和插孔与对应的耐腐蚀注药管道连通，完成保温除垢套管的预制；
S24、选取步骤S23预制的任一保温除垢套管作为最下端保温除垢套管，在最下端保温除垢套管下压圈的插孔位置处对应安装喷药弯头，喷药弯头与对应的耐腐蚀注药管道连通，喷药弯头的末端朝向井口且与水平方向呈45度，完成最下端保温除垢套管的预制；
S25、对步骤S22~S24预制的保温套管、保温除垢套管以及最下端保温除垢套管的内壁喷涂抑制药剂，抑制钙垢的生成与附着，留待后步使用；
S3、采用吊装设备依次对管段进行吊装：
首先，将步骤S22预制的若干段保温套管由下至上沿竖直方向依次吊装入生产井一开段的底部，相邻保温套管通过焊接固定连接组成保温套管段；然后，将步骤S24预制的最下端保温除垢套管吊装至保温套管段的上方，使喷药弯头位于井壁结垢位置下方10米位置处，最下端保温除垢套管与保温套管段通过焊接固定连接；最后，将步骤S23预制的若干段保温除垢套管由下至上沿竖直方向依次吊装入最下端保温除垢套管的上方，并且使下一级保温除垢套管的快插接口贯穿上一级保温除垢套管的插孔与耐腐蚀注药管道连通，相邻保温除垢套管通过焊接固定连接，若干段保温除垢套管与最下端保温除垢套管组成保温除垢套管段，完成地热井筒中的生产套管的施工；
S4、将耐腐蚀注药管道与地面注药设备连接，在生产过程中，调节除垢化学药品注入耐腐蚀注药管道的流量，不断地将除垢化学药品注入到井壁结垢位置以下10m位置处，阻止井壁钙垢生成。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
1、按照本发明施作保温除垢套管后可减小地表温度降低对生产出水温度的影响，可显著提高出水温度；
2、采用本发明可更便捷、更及时的阻断钙垢的生成，可避免因集中除垢导致的地热井停产，避免了因为不能及时除垢导致的减产甚至生产井被堵塞的问题；
3、本发明可以根据生产井流量的不同，及时优化调整化学药剂的释放量，提高除垢、阻止结垢的效率，实现化学药剂高效利用的目的，降低成本；
4、本发明充分利用生产井一开阶段与二开阶段之间直径减小的部分，固定保温除垢套管，无需再增加额外的约束固定结构；
5、本发明所述的保温除垢套管的模块化程度高，施工速度快。同时套管的每一节均为独立管段，均可单独替换，不会对其他部分造成连带影响。
附图说明
图1为生产井主视剖视结构示意图；
图2为本发明整体结构示意图；
图3为图2中保温除垢套管段A位置处（快插接口位置处）局部剖视结构示意图；
图4为图2中保温除垢套管段B位置处（喷药弯头位置处）局部剖视结构示意图；
图5为保温除垢套管主视剖视结构示意图；
图6为保温除垢套管俯视剖视结构示意图；
图7为上压圈俯视结构示意图；
图8为下压圈俯视结构示意图；
图9为保温套管主视剖视结构示意图；
图10为保温套管俯视剖视结构示意图；
图11为压圈俯视结构示意图。
图中，1为保温除垢套管段，2为保温套管段，3为内管，4为外管，5为保温隔热材料层，6为耐腐蚀注药管道，71为快插接口，72为喷药弯头，81为上压圈，82为下压圈，9为压圈，10为插孔，11为生产井一开段，12为井壁结垢位置。
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至图11所示的一种用于地热井筒中的生产套管，它包括保温除垢套管和保温套管，其中：
若干所述保温除垢套管由上至下沿竖直方向依次连接组成保温除垢套管段1，若干所述保温套管由上至下沿竖直方向依次连接组成保温套管段2，保温除垢套管段1与保温套管段2设置于生产井一开段11中，并且保温除垢套管段1设置于保温套管段2的上方，根据井壁结垢位置12确定保温除垢套管段1的长度，根据生产井一开段11的长度确定保温套管段2的长度；
所述保温除垢套管和保温套管均包括内管3和外管4，外管4套装在内管3的外部，内管3与外管4之间设置环形间隙，环形间隙中填充保温隔热材料层5；在保温除垢套管段1中：环形间隙的上端面位置处设置上压圈81，环形间隙的下端面位置处设置下压圈82；在保温套管段2中：环形间隙的上端面与下端面位置处分别设置压圈9；
在所述保温除垢套管中：在环形间隙中沿圆周方向预埋若干耐腐蚀注药管道6，上压圈81上与耐腐蚀注药管道6位置对应处设置有快插接口71，下压圈82上与耐腐蚀注药管道6位置对应处设置有插孔10，快插接口71贯穿相邻保温除垢套管中下压圈82的插孔10插接于耐腐蚀注药管道6中；
在保温除垢套管段1中最下端的保温除垢套管上，在下压圈82上与插孔10位置对应处分别设置喷药弯头72，喷药弯头72与耐腐蚀注药管道6连通，喷药弯头72位于井壁结垢位置12下方10米位置处，喷药弯头72的末端朝向井口且与水平方向呈45度。
进一步地，在生产井一开段11中，相邻所述保温套管焊接连接，相邻所述保温除垢套管焊接连接，保温除垢套管段1的外管4与保温套管段2的外管4焊接连接。
进一步地，所述内管3和外管4的材质均为高强度不锈钢。
进一步地，所述耐腐蚀注药管道6沿圆周方向等角度设置于环形间隙中，耐腐蚀注药管道6的轴线方向与保温除垢套管段1的轴线方向相互平行。
进一步地，所述耐腐蚀注药管道6在环形间隙中分别在三点位置处、六点位置处、九点位置处和十二点位置处设置。
进一步地，最上端的保温除垢套管的耐腐蚀注药管道6与地面用于配制除垢化学药品的注药设备的出料口连通。
一种用于地热井筒中的生产套管施工方法，包括以下步骤：
S1、分别确定保温除垢套管以及保温套管的长度和段数：
生产井一开段11的总长度为h，根据地热生产井的常规运行状态，推测生产井中容易产生钙垢的井壁结垢位置12，确定保温除垢套管段1的长度h1，使保温除垢套管段1的下端面与井壁结垢位置12的距离为10米；确定保温套管段的长度h2，使h=h1+h2；根据保温除垢套管段1的长度h1确定保温除垢套管每段的长度以及段数，根据保温套管段2的长度h2确定保温套管每段的长度以及段数；
在本具体实施方式中有一干热岩地热发电厂，其生产井的总深度为2000m，其中生产井一开段11的总深度为400m，井筒外径450mm，内径426mm，生产井二开段的外径为394mm，内径为340mm。经过监测并且对比以往除垢时化学药剂的释放深度，判断生产井中井壁结垢位置13的范围为生产井井口向下的90m范围内。根据数据确定保温除垢套管段1的总长度h1为100m，保温除垢套管设计为10节，保温套管段2的总长度h2为300m，保温套管设计为30节，两种套管每一节长度均为10m。
S2、预制保温除垢套管以及保温套管：
S21、采用厚度为6.5mm的高强度不锈钢管分别制作保温除垢套管和保温套管的内管3以及外管4，设计保温除垢套管与保温套管的内管3及外管4的高度均为10m，其中内管3的直径为340mm，外管4直径为425mm，然后将保温隔热材料均匀填充在内管3与外管4之间的环形间隙中组成保温隔热材料层5，保温隔热材料的导热系数为0.02W/(m·℃)；
S22、预制保温套管：将压圈9对应安装于步骤S21填充有保温隔热材料层5的环形间隙的两端，完成保温套管的预制；
S23、预制保温除垢套管：在步骤S21填充的保温隔热材料层5中沿圆周方向预埋若干耐腐蚀注药管道6，上压圈81与下压圈82对应安装于环形间隙的两端，并且使快插接口和插孔与对应的耐腐蚀注药管道6连通，完成保温除垢套管的预制；
S24、选取步骤S23预制的任一保温除垢套管作为最下端保温除垢套管，在最下端保温除垢套管下压圈82的插孔10位置处对应安装喷药弯头72，喷药弯头72与对应的耐腐蚀注药管道6连通，喷药弯头的末端朝向井口且与水平方向呈45度，完成最下端保温除垢套管的预制；
S25、对步骤S22~S24预制的保温套管、保温除垢套管以及最下端保温除垢套管的内壁喷涂抑制药剂，抑制钙垢的生成与附着，留待后步使用；
S3、采用吊装设备依次对管段进行吊装：
首先，将步骤S22预制的若干段保温套管由下至上沿竖直方向依次吊装入生产井一开段11的底部，相邻保温套管通过焊接固定连接组成保温套管段2；然后，将步骤S24预制的最下端保温除垢套管吊装至保温套管段2的上方，使喷药弯头72位于井壁结垢位置12下方10米位置处，最下端保温除垢套管与保温套管段2通过焊接固定连接；最后，将步骤S23预制的若干段保温除垢套管由下至上沿竖直方向依次吊装入最下端保温除垢套管的上方，并且使下一级保温除垢套管的快插接口71贯穿上一级保温除垢套管的插孔10与耐腐蚀注药管道6连通，相邻保温除垢套管通过焊接固定连接，若干段保温除垢套管与最下端保温除垢套管组成保温除垢套管段1，完成地热井筒中的生产套管的施工；
S4、将耐腐蚀注药管道6与地面注药设备连接，在生产过程中，调节除垢化学药品注入耐腐蚀注药管道6的流量，不断地将除垢化学药品注入到井壁结垢位置12以下10m位置处，化学药剂以水为媒介在深度为h1的位置扩散并发挥作用，阻止井壁钙垢生成。
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 (7)
1.一种用于地热井筒中的生产套管，它包括保温除垢套管和保温套管，其特征在于：
若干所述保温除垢套管由上至下沿竖直方向依次连接组成保温除垢套管段（1），若干所述保温套管由上至下沿竖直方向依次连接组成保温套管段（2），保温除垢套管段（1）与保温套管段（2）设置于生产井一开段（11）中，并且保温除垢套管段（1）设置于保温套管段（2）的上方，根据井壁结垢位置（12）确定保温除垢套管段（1）的长度，根据生产井一开段（11）的长度确定保温套管段（2）的长度；
所述保温除垢套管和保温套管均包括内管（3）和外管（4），外管（4）套装在内管（3）的外部，内管（3）与外管（4）之间设置环形间隙，环形间隙中填充保温隔热材料层（5）；在保温除垢套管段（1）中：环形间隙的上端面位置处设置上压圈（81），环形间隙的下端面位置处设置下压圈（82）；在保温套管段（2）中：环形间隙的上端面与下端面位置处分别设置压圈（9）；
在所述保温除垢套管中：在环形间隙中沿圆周方向预埋若干耐腐蚀注药管道（6），上压圈（81）上与耐腐蚀注药管道（6）位置对应处设置有快插接口（71），下压圈（82）上与耐腐蚀注药管道（6）位置对应处设置有插孔（10），快插接口（71）贯穿相邻保温除垢套管中下压圈（82）的插孔（10）插接于耐腐蚀注药管道（6）中；
在保温除垢套管段（1）中最下端的保温除垢套管上，在下压圈（82）上与插孔（10）位置对应处分别设置喷药弯头（72），喷药弯头（72）与耐腐蚀注药管道（6）连通，喷药弯头（72）位于井壁结垢位置（12）下方10米位置处，喷药弯头（72）的末端朝向井口且与水平方向呈45度。
2.根据权利要求1所述的一种用于地热井筒中的生产套管，其特征在于：在生产井一开段（11）中，相邻所述保温套管焊接连接，相邻所述保温除垢套管焊接连接，保温除垢套管段（1）的外管（4）与保温套管段（2）的外管（4）焊接连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于地热井筒中的生产套管，其特征在于：所述内管（3）和外管（4）的材质均为高强度不锈钢。
4.根据权利要求1所述的一种用于地热井筒中的生产套管，其特征在于：所述耐腐蚀注药管道（6）沿圆周方向等角度设置于环形间隙中，耐腐蚀注药管道（6）的轴线方向与保温除垢套管段（1）的轴线方向相互平行。
5.根据权利要求4所述的一种用于地热井筒中的生产套管，其特征在于：所述耐腐蚀注药管道（6）在环形间隙中分别在三点位置处、六点位置处、九点位置处和十二点位置处设置。
6.根据权利要求1所述的一种用于地热井筒中的生产套管，其特征在于：最上端的保温除垢套管的耐腐蚀注药管道（6）与地面用于配制除垢化学药品的注药设备的出料口连通。
7.如权利要求1所述的一种用于地热井筒中的生产套管施工方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、分别确定保温除垢套管以及保温套管的长度和段数：
生产井一开段（11）的总长度为h，根据生产套管常规运行状态，推测生产井中容易产生钙垢的井壁结垢位置（12），确定保温除垢套管段（1）的长度h1，使保温除垢套管段（1）的下端面与井壁结垢位置（12）的距离为10米；确定保温套管段的长度h2，使h=h1+h2；根据保温除垢套管段（1）的长度h1确定每段保温除垢套管的长度以及段数，根据保温套管段（2）的长度h2确定每段保温套管的长度以及段数；
S2、预制保温除垢套管以及保温套管：
S21、采用高强度不锈钢管分别制作保温除垢套管和保温套管的内管（3）以及外管（4），然后将保温隔热材料均匀填充在内管（3）与外管（4）之间的环形间隙中组成保温隔热材料层（5）；
S22、预制保温套管：将压圈（9）对应安装于步骤S21填充有保温隔热材料层（5）的环形间隙的两端，完成保温套管的预制；
S23、预制保温除垢套管：在步骤S21填充的保温隔热材料层（5）中沿圆周方向预埋若干耐腐蚀注药管道（6），上压圈（81）与下压圈（82）对应安装于环形间隙的两端，并且使快插接口和插孔与对应的耐腐蚀注药管道（6）连通，完成保温除垢套管的预制；
S24、选取步骤S23预制的任一保温除垢套管作为最下端保温除垢套管，在最下端保温除垢套管下压圈（82）的插孔（10）位置处对应安装喷药弯头（72），喷药弯头（72）与对应的耐腐蚀注药管道（6）连通，喷药弯头的末端朝向井口且与水平方向呈45度，完成最下端保温除垢套管的预制；
S25、对步骤S22~S24预制的保温套管、保温除垢套管以及最下端保温除垢套管的内壁喷涂抑制药剂，抑制钙垢的生成与附着，留待后步使用；
S3、采用吊装设备依次对管段进行吊装：
首先，将步骤S22预制的若干段保温套管由下至上沿竖直方向依次吊装入生产井一开段（11）的底部，相邻保温套管通过焊接固定连接组成保温套管段（2）；然后，将步骤S24预制的最下端保温除垢套管吊装至保温套管段（2）的上方，使喷药弯头（72）位于井壁结垢位置（12）下方10米位置处，最下端保温除垢套管与保温套管段（2）通过焊接固定连接；最后，将步骤S23预制的若干段保温除垢套管由下至上沿竖直方向依次吊装入最下端保温除垢套管的上方，并且使下一级保温除垢套管的快插接口（71）贯穿上一级保温除垢套管的插孔（10）与耐腐蚀注药管道（6）连通，相邻保温除垢套管通过焊接固定连接，若干段保温除垢套管与最下端保温除垢套管组成保温除垢套管段（1），完成地热井筒中的生产套管的施工；
S4、将耐腐蚀注药管道（6）与地面注药设备连接，在生产过程中，调节除垢化学药品注入耐腐蚀注药管道（6）的流量，不断地将除垢化学药品注入到井壁结垢位置（12）以下10m位置处，阻止井壁钙垢生成。
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