CN113899092A - 深井换热装置及其安装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地热利用技术领域，提供了一种深井换热装置及其安装方法。其中，深井换热装置，包括：套管，所述套管用于插设于钻井内；固井水泥，所述固井水泥填充于所述钻井的井壁和所述套管的外壁之间；中心管，所述中心管设于所述套管内，且所述中心管的底部与所述套管连通，所述中心管内具有出水区，所述中心管的外壁和所述套管的内壁之间具有进水区；热泵，所述热泵通过进水管连通于所述进水区，所述热泵通过出水管连通于所述出水区；循环泵，所述循环泵设于所述出水管，用以为封闭的深井换热装置提供循环动力。本发明给出的深井换热装置，不会对地质环境造成影响，地下工程安全，且地热资源清洁可再生，不会对生态环境造成污染。
Description
技术领域
本发明涉及地热利用技术领域，尤其涉及一种深井换热装置及其安装方法。
背景技术
地热能是一种清洁、绿色的可再生能源，科学合理地开发地热资源已越来越受到各级政府的支持和重视。随着科技的发展，利用深层地热实施建筑物供暖、已成为一项成熟的应用技术。
现有技术一般是通过在小区内钻凿采水井和回灌井，同时配套建设换热站一座，采用“取水回灌”的工艺，实行24小时不间断循环，来达到供暖效果。
但是，采用“取水回灌”技术的地热井适用于深层地热资源异常区域，水资源易衰减枯竭且回灌困难，造成地下水位下降，可能引发地面沉降，影响地下工程安全，并且，地热井深层地热水含大量有害矿物质，地热尾水处理不当对生态环境污染严重。
发明内容
本发明提供一种深井换热装置及其安装方法，用以解决现有技术中地热井深层地热水衰减枯竭且回灌困难的缺陷，实现清洁可再生的提取地热资源。
本发明提供一种深井换热装置，包括：
套管，所述套管用于插设于钻井内；
固井水泥，所述固井水泥填充于所述钻井的井壁和所述套管的外壁之间；
中心管，所述中心管设于所述套管内，且所述中心管的底部与所述套管连通，所述中心管内具有出水区，所述中心管的外壁和所述套管的内壁之间具有进水区；
热泵，所述热泵通过进水管连通于所述进水区，所述热泵通过出水管连通于所述出水区；
循环泵，所述循环泵设于所述出水管，用以为封闭的深井换热装置提供循环动力。
根据本发明提供的一种深井换热装置，所述中心管的底端连接有配重钢管，所述中心管的底部外周具有多个回水孔，所述出水区通过多个所述回水孔与所述进水区连通。
根据本发明提供的一种深井换热装置，所述中心管的底部外周设有多组回水孔组，所述回水孔组包括多个沿所述中心管长度方向间隔布置的所述回水孔，多组所述回水孔组环绕所述中心管间隔布置。
根据本发明提供的一种深井换热装置，所述中心管的外壁设有多个扶正器，多个所述扶正器沿所述中心管的长度方向间隔布置。
根据本发明提供的一种深井换热装置，还包括井口结构，所述井口结构包括套管外罩和中心管连接段，所述中心管连接段穿设于所述套管外罩的顶部，所述中心管连接段的一端连接所述中心管的顶部，所述中心管连接段的另一端连接所述出水管；所述套管外罩的侧壁设有侧向管，所述套管外罩的底部连接于所述套管的顶部，所述侧向管连接于所述进水管。
根据本发明提供的一种深井换热装置，所述固井水泥为添加有天然鳞片石墨粉和普通铁粉的G级高抗硫酸盐型油井水泥。
根据本发明提供的一种深井换热装置，所述中心管为无规共聚聚丙烯管。
本发明还提供一种深井换热装置的安装方法，包括：
将套管下入到所述钻井内，采用固井水泥全井段固井，直至所述固井水泥浆上返至设计高度，等待所述固井水泥凝固；
将中心管下入到所述钻井内，保证中心管底端与所述钻井的底部预留有热交换场所；
将热泵的进水管连通所述中心管和套管之间的进水区，将热泵的出水管连通所述中心管内的出水区，在所述出水管上设置循环泵。
根据本发明提供的深井换热的安装方法，所述套管包括护壁套管和成井套管，所述钻探成井以得到钻井，并将套管下入到所述钻井内，采用固井水泥全井段固井，直至水泥浆上返至设计高度，等待固井水泥凝固的步骤，包括：
一开钻进得到一开钻井，将所述护壁套管下入所述一开钻井，采用固井水泥加固所述一开钻井的内壁和所述护壁套管的外壁，直至所述固井水泥上返至井口，等待所述固井水泥凝固；
二开钻进得到所述钻井，将所述成井套管下入所述钻井，采用固井水泥加固所述钻井的内壁和所述成井套管的外壁，直至所述固井水泥上返至井口，等待所述固井水泥凝固。
根据本发明提供的深井换热的安装方法，在所述将中心管下入到所述钻井内的步骤之前，还包括：
确定中心管入井长度，并检测中心管的质量。
本发明提供的深井换热装置及其安装方法，将循环的水体和岩层隔绝开来，通过与高温岩层换热提取热量，不抽取地下水，不存在回灌问题，对地下水及生态环境无任何污染，能源清洁可再生。相较于现有技术给出的“取水回灌”技术而言，本发明给出的深井换热装置，地热水不会衰减，因而不会对地质造成影响，地下工程安全，且地热资源清洁可再生，不会对生态环境造成污染。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明提供的深井换热装置的结构示意图；
图2是本发明提供的深井换热装置的换热井的俯向剖面结构示意图；
图3是本发明提供的深井换热装置的换热井的纵向剖面结构示意图；
图4是本发明提供的深井换热装置的安装方法的流程示意图；
附图标记：
10：套管； 10a：进水区； 101：进水管；
11：成井套管； 111：管鞋； 12：护壁套管；
20：中心管； 20a：出水区； 20b：回水孔；
201：出水管； 21：配重钢管； 22：扶正器；
30：固井水泥； 40：热泵； 50：循环泵；
60：井口结构； 61：中心管连接段； 62：套管外罩；
621：侧向管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中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作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。
该深井换热装置主要部分为地热井，地热井的深度较深，以此通过将水体导入地热井内，可通过与地热井底部旁边的围岩实现热交换，将水体加热，再将水体取出，从而提取地热能。
下面结合图1-图3描述本发明的深井换热装置及其安装方法。
请结合参阅图1至图3，本发明实施例的深井换热装置，包括：
套管10，套管10用于插设于钻井内；
固井水泥30，固井水泥30填充于钻井的井壁和套管10的外壁之间；
中心管20，中心管20设于套管10内，且中心管20的底部与套管10连通，中心管20内具有出水区20a，中心管20的外壁和套管10的内壁之间具有进水区10a；
热泵40，热泵40通过进水管101连通于进水区10a，热泵40通过出水管201连通于出水区20a；
循环泵50，循环泵50设于出水管201，用以抽吸出水区20a的水体。
上述结构中，套管10用作隔绝管内和管外，保证水体无污染，其底部是设有管鞋111的，以使得岩体和套管10内隔绝开来，本实施例中，套管10包括护壁套管12和成井套管11，护壁套管12位于井口，围设于成井套管11的顶部外周，且与成井套管11通过环形钢板焊接连接，成井套管11则贯通钻井的顶部至底部，护壁套管12用作保护井壁不坍塌，并定位钻井的位置，方便钻井钻进，而成井套管11主要用作隔绝管内和管外，上述管鞋111即设于成井套管11的底部。
本实施例中，护壁套管12为螺旋套管，成井套管11为石油套管10，可选的，成井套管11为经液压检查的J55型新管。
固井水泥30是用来稳定套管10的，以保证该地热井的结构稳定，并且，此处，需要其具有高导热性、高强度、高填充比、补偿收缩等特性，以提高热交换的效率且结构稳定。在一实施例中，固井水泥30为添加有天然鳞片石墨粉和普通铁粉的G级高抗硫酸盐型油井水泥，以此得到上述特性。
具体的，该固井水泥30的原材料为G级高抗硫酸盐型油井水泥，在配浆时，按照水泥质量的1％和2％依次配比天然鳞片石墨粉和普通铁粉，以此得到添加有天然鳞片石墨粉和普通铁粉的G级高抗硫酸盐型油井水泥。
另外，中心管20位于套管10内，可将套管10内部分隔为两部分，外周的进水区10a可将水体循环注入，以吸收周围岩体的热量，内部的出水区20a可将带有热量的水体流回热泵40中，以供用户侧使用。此处，为了避免热量流失，中心管20具有低导热系数、低摩擦系数、高耐温、高强度的特性。在一实施例中，中心管20为无规共聚聚丙烯管，该管材除具有上述特性外，还具有加工性能优异，耐高温，抗蠕变性能好等特点。
另外，本实施例中，中心管20是通过多段管材依序熔接起来的，从而达到钻井的深度，并且，中心管20的底端连接有配重钢管21，中心管20的底部外周具有多个回水孔20b，出水区20a通过多个回水孔20b与进水区10a通过多个回水孔20b连通。
配重钢管21的底部抵接着套管10的管鞋111，可保证中心管20的稳定支撑，并且，该部分为预留的热交换场所，可保证水体与围岩充分的热交换，避免热交换不充分就出水，此外，在下入中心管20的过程中，配重钢管21也可作配重，保证中心管20稳定下放。而中心管20的多个回水孔20b则可供进水区10a的水体流动到出水区20a，实现水体循环。
承接上述，中心管20的底部外周设有多组回水孔组，回水孔组包括多个沿中心管20长度方向间隔布置的回水孔20b，多组回水孔组环绕中心管20间隔布置。
这样，使得水体均匀流动，且位于同一深度的水体温度近乎相同，避免温差过大的情况出现。具体的。相邻回水孔组是错位布置的，多个回水孔组均匀环绕中心管20的底部间隔布置，以提高水体的流动性。具体的，本实施例中，回水孔组的长度为20m，回水孔20b的间距为100mm，回水孔20b的孔径为20mmm。
此外，中心管20的外壁设有多个扶正器22，多个扶正器22沿中心管20的长度方向间隔布置。
扶正器22包括至少三个均匀环绕中心管20布置的支板，支板的底边沿远离中心管20的方向朝上倾斜布置，以便下放至钻井内，通过所设置的扶正器22可保证中心管20处于居中位置，且可避免中心管20倾斜，保证其位置。扶正器22的材质与中心管20的材质相同，保证其结构的稳定、并避免导热。本实施例中，间隔100m设置扶正器22。
请结合参阅图1，此外，上述结构中，热泵40可实现与用户侧进行热交换，以将换热回来的高热量水体的热能传递给用户侧，实现地热能的供应，而换热后的水体又可通过进水管101再次回流至回去区。
循环泵50则用作抽吸水体，将出水区20a的水体通过出水管201抽入至热泵40中，以此实现水体循环，仅与围岩进行热交换，而不抽吸地下水。
请结合参阅图3，本发明一实施例中，该深井换热装置还包括井口结构60，井口结构60包括套管外罩62和中心管连接段61，中心管连接段61穿设于套管外罩62的顶部，中心管连接段61的一端连接中心管20的顶部，中心管连接段61的另一端连接出水管201；套管外罩62的侧壁设有侧向管621，套管外罩62的底部连接于套管10的顶部，侧向管621连接于进水管101。
通过所设置的井口结构60以便于与出水管201及进水管101相连接，且封闭地热井，避免水体污染。具体的，套管外罩62的底部与套管10的顶部通过法兰和螺丝相连接，保证密封及稳定连接，同样的，中心管20连接端与中心管20的顶部也是通过法兰和螺丝连接，保证密封和稳定连接。中心管连接段61连接出水管201的一端与侧向管621同向布置，以便于水体循环的结构连接。此外，在套管外罩62的顶部还设有排气管，以保证内外气压稳定，提高水体的循环效率和循环的稳定，在套管外罩62的顶部还设有测水位管，以便于测量内部循环的水位，以及时加水。
综上，本发明实施例给出的深井换热装置，将循环的水体和岩层隔绝开来，通过与高温岩层换热提取热量，不抽取地下水，不存在回灌问题，对地下水及生态环境无任何污染，能源清洁可再生。相较于现有技术给出的“取水回灌”技术而言，本发明给出的深井换热装置，地热水不会衰减，因而不会对地质造成影响，地下工程安全，且地热资源清洁可再生，不会对生态环境造成污染。并且，基于本发明给出的深井换热装置采用高强度高耐久材料，使得使用年限可达50年以上，保证了其持续使用。
请结合参阅图4，另外，本发明还提供一种深井换热装置的安装方法，包括：
100，将套管10下入到钻井内，采用固井水泥30全井段固井，直至固井水泥30浆上返至设计高度，等待固井水泥30凝固；
基于前述结构，套管10包括护壁套管12和成井套管11，该步骤具体包括：
一开钻进得到一开钻井，将护壁套管12下入一开钻井，采用固井水泥30加固一开钻井的内壁和护壁套管12的外壁，直至固井水泥30上返至井口，等待固井水泥30凝固；每开钻进均应根据不同的地层岩性而确定钻头的类型，一开钻进时，采用牙钻钻头，后述二开钻进时，采用PDC钻头。固井水泥30候凝48小时后进行注水检查，内外液面下降≤2cm/h，固井合格。
二开钻进得到钻井，将成井套管11下入钻井，采用固井水泥30加固钻井的内壁和成井套管11的外壁，直至固井水泥30上返至井口，等待固井水泥30凝固。固井水泥30候凝48小时后进行注水检查，内外液面下降≤2cm/h，固井合格，根据需要，可采用分级两次固井。并且，在二开钻进后需将钻孔冲洗干净，为下成井套管11做好准备。
在下管固井结束后，进行测井，包括自然伽玛、井温、井斜、井深，进行井温测量，每25m测量一个点，保证采暖需求。
测井结束后，下入洗井钻具，先循环稀释泥浆，再分段清水替浆，然后采用径向射流工具先自上而下洗井再自下而上，直至目测水清砂净后，下钻探底，井底无沉砂，洗井结束。
然后，在将中心管20下入到钻井内的步骤之前：确定中心管20入井长度，并检测中心管20的质量。
钻探完成后，现场依据实际钻探深度，在保证井底有充分热交换场所的前提下，确定中心管20入井长度，如，在一实施例中，井深2500米，拟预留不小于50米的热交换场所，实际下管深度以完井后实际井深确定。
检查中心管20密封性能：中心管20为特殊管材，现场验收时要注意是否有破损、磨损很大的管材，若有，应及时标记，严禁入井使用。
配重选用密度大、抗氧化能力强的材质，拟选用圆钢作为配重材料，即前述的配重钢管21，配重重量因满足下管要求，确保下管顺利。
200，将中心管20下入到钻井内，保证中心管20底端与钻井的底部预留有热交换场所；
具体的，在中心管20最下部进行配重，即前述配重钢管21，配重长度要按照孔深、中心管20长度、井筒内水位等进行配置，确保下管过程中井筒内浮力不会对中心管20入井产生影响，保证下管顺利。
多段中心管20依序下入钻井内，中心管20连接采用热熔焊接技术，待焊接牢固后，必须保证有30分钟的冷却时间，冷却后方可井内，热熔焊接严格按候停时间执行，不得随意入井。
若下管过程中感觉明显浮力，中心管20无法下放时，可选用在中心管20外部加一截钻杆进行配重，目的为确保下管顺利，同时保证中心管20上下连通，不影响热水的流出。
中心管20入井时要按场地号依次入井，热熔焊接时要使其两端平整，焊正、焊牢，必要时可采用拉力筋加固。
待中心管20下入预计深度后，及时连接井口结构60，井口结构60参照上述实施例，连接方式为丝扣加法兰，同时密封圈应选用抗高温型，螺母采用高强度螺母。在中心管20完全下入后，将井口装置与套管10顶部连接固定。
这样，之后，300，将热泵40的进水管101连通中心管20和套管10之间的进水区10a，将热泵40的出水管201连通中心管20内的出水区20a，在出水管201上设置循环泵50。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种深井换热装置，其特征在于，包括：
套管，所述套管用于插设于钻井内；
固井水泥，所述固井水泥填充于所述钻井的井壁和所述套管的外壁之间；
中心管，所述中心管设于所述套管内，且所述中心管的底部与所述套管连通，所述中心管内具有出水区，所述中心管的外壁和所述套管的内壁之间具有进水区；
热泵，所述热泵通过进水管连通于所述进水区，所述热泵通过出水管连通于所述出水区；
循环泵，所述循环泵设于所述出水管，用以为封闭的深井换热装置提供循环动力。
2.根据权利要求1所述的深井换热装置，其特征在于，所述中心管的底端连接有配重钢管，所述中心管的底部外周具有多个回水孔，所述出水区通过多个所述回水孔与所述进水区连通。
3.根据权利要求2所述的深井换热装置，其特征在于，所述中心管的底部外周设有多组回水孔组，所述回水孔组包括多个沿所述中心管长度方向间隔布置的所述回水孔，多组所述回水孔组环绕所述中心管间隔布置。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的深井换热装置，其特征在于，所述中心管的外壁设有多个扶正器，多个所述扶正器沿所述中心管的长度方向间隔布置。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的深井换热装置，其特征在于，还包括井口结构，所述井口结构包括套管外罩和中心管连接段，所述中心管连接段穿设于所述套管外罩的顶部，所述中心管连接段的一端连接所述中心管的顶部，所述中心管连接段的另一端连接所述出水管；所述套管外罩的侧壁设有侧向管，所述套管外罩的底部连接于所述套管的顶部，所述侧向管连接于所述进水管。
6.根据权利要求1至3任意一项所述的深井换热装置，其特征在于，所述固井水泥为添加有天然鳞片石墨粉和普通铁粉的G级高抗硫酸盐型油井水泥。
7.根据权利要求1至3任意一项所述的深井换热装置，其特征在于，所述中心管为无规共聚聚丙烯管。
8.一种深井换热装置的安装方法，其特征在于，包括：
将套管下入到钻井内，采用固井水泥全井段固井，直至所述固井水泥浆上返至设计高度，等待所述固井水泥凝固；
将中心管下入到所述钻井内，保证中心管底端与所述钻井的底部预留有热交换场所；
将热泵的进水管连通所述中心管和套管之间的进水区，将热泵的出水管连通所述中心管内的出水区，在所述出水管上设置循环泵。
9.根据权利要求8所述的深井换热装置的安装方法，其特征在于，所述套管包括护壁套管和成井套管，所述钻探成井以得到钻井，并将套管下入到所述钻井内，采用固井水泥全井段固井，直至水泥浆上返至设计高度，等待固井水泥凝固的步骤，包括：
一开钻进得到一开钻井，将所述护壁套管下入所述一开钻井，采用固井水泥加固所述一开钻井的内壁和所述护壁套管的外壁，直至所述固井水泥上返至井口，等待所述固井水泥凝固；
二开钻进得到所述钻井，将所述成井套管下入所述钻井，采用固井水泥加固所述钻井的内壁和所述成井套管的外壁，直至所述固井水泥上返至井口，等待所述固井水泥凝固。
10.根据权利要求8所述的深井换热装置的安装方法，其特征在于，在所述将中心管下入到所述钻井内的步骤之前，还包括：
确定中心管入井长度，并检测中心管的质量。
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