CN115790219B - 一种用于提取废弃油气井内地热能的超长重力热管装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于提取废弃油气井内地热能的超长重力热管装置，包括热管基体，热管基体内设置气液分流装置，气液分流装置包含同轴分流管、支撑环、溢流环以及馈液环，所述支撑环设置在绝热段的热管内壁和分流管外壁之间，用于固定分流管，溢流环设置在冷凝段的热管内壁和分流管之间，馈液环设置在溢流环下部的热管内壁和分流管外壁之间，支撑环、溢流环、馈液环中设置供流体流下的通道；同轴分流管在蒸发段和冷凝段设置开孔。本发明采用同轴分流管将上升蒸汽与下降冷凝液隔离，降低气液之间的相互作用，显著提高超长重力热管的传热极限。

Description

一种用于提取废弃油气井内地热能的超长重力热管装置

技术领域

本发明涉及一种热管技术，尤其涉及一种用于提取废弃油气井内地热能的超长重力热管装置，属于F28d15/02的热管领域。

背景技术

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。

热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器获得满意的换热效果，开辟了散热行业新天地。目前热管广泛的应用于各种换热设备，其中包括核电领域，例如核电的余热利用等。

在国家提出2030年前碳达峰、2060年前碳中和的政策并伴随世界能源危机的大背景下，国家对稳定可持续绿色清洁能源越加重视。地热能作为一种储量丰富、清洁、稳定的可再生能源受到国家的重视。

地热能主要分为浅层地热能以及深层地热能，其中深层地热能的储量是浅层地热能储量的1000倍，目前我国对浅层地热能开发较为完善，而对深层地热能开发相对较少。开发深层地热能的技术主要有增强型地热系统、井下换热器技术以及超长重力热管技术。其中增强型地热系统一般为双井或者多井模式，来实现流体工质循环提取深层地热能，在目前的发展中存在诸多问题：（1）技术难度大、成本较高；（2）存在工质流失弊端；（3）设备易腐蚀结构；（4）容易引发环境灾害。井下换热器技术虽然能避免工质损失以及设备腐蚀等问题，然而工质在换热器内随深度变化明显，导致采热效果不佳，而且在工作中需要添加额外泵功。超长重力热管技术通过利用热管内工质相变进行传热，工质不与外界接触，避免工质流失以及设备腐蚀问题，同时可以将热量高效地从蒸发段传递至冷凝段，具有高导热率、优良均温性等优势。

目前在石油开采领域，随着石油开采量的与日俱增，众多油井存在着开采量逐年下降的问题，导致每年报废的油井数量逐年递增，以胜利油田为例，目前已经累计有报废井超过一万多口。为响应国家节能环保、绿色减排的大政策，如何实现对已有废弃资源的再利用，甚至实现较高的经济效益，成为了目前国家亟待解决的问题。

在超长重力热管技术成本计算中，钻井成本占据了总成本的60～80 %。在废弃油气井中一般都伴随着深层地热能，并且废弃油气井中钻井过程已经进行完成，只需要后续修缮检修就能够改造成为超长重力热管地热井。将废弃油井与超长重力热管技术相结合，既实现充分利用废井内丰富的地热资源，又有效地降低超长重力热管技术成本，达成废弃资源再利用以及经济效益的双丰收。

对于超长重力热管，目前其设计难点主要在以下几方面：（1）内部蒸汽流速过高，管径过小，热管的传热能力受到携带极限的限制。热管内部蒸汽流速由于蒸汽不断加入逐渐增高，与回流凝液之间摩擦力逐渐增加，使回流液体被携带至热管上方，破坏稳定的两相流动，限制热管传热能力。（2）液池深度过深，液体处于过冷状态，热管内部分工质失去沸腾条件，造成传热死区。（3）蒸汽流动路径过长，阻力过大，热管内蒸汽难以流动到终点。（4）热管过长，蒸发段液膜可能遭受破坏，发生破裂、干涸现象，导致传热能力降低。

目前现有的专利中，井筒内低品位余热回收的串级式翅片重力热管装置（专利申请号CN109029033A）能解决热管携带极限的问题，但该装置内的热阻主要集中于串级热管间的连接部分，随着连接增多，不利于热量从井底传递至井口。一种利用废弃油井结合热泵开采地热的采暖系统（专利申请号CN112066445A）采用井下换热器技术实现对深层地热的开采，然而该种方法工质以单相流的方式流动，随着流动路径增大工质温度升高，难以形成较大温差，限制了取热能力，同时需要添加额外泵功，消耗更多能源。

现有技术中也没有开发一种将废弃油气井改造成为超长重力热管地热井的方法，也没有在油管与生产套管之间结合进行热管，例如井筒内低品位余热回收的串级式翅片重力热管装置（专利申请号CN109029033A）仅仅在生产套管之间制造成热管。

发明内容

鉴于上述背景及技术问题，本发明提出一种用于提取废弃油气井内地热能的超长重力热管装置，解决超长重力热管受携带极限限制问题并提高热管传热能力，同时降低超长重力热管技术成本，达成节能环保以及经济效益的双丰收。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于提取废弃油气井内地热能的超长重力热管装置，包括热管基体，热管基体内设置气液分流装置，气液分流装置包含同轴分流管、支撑环、溢流环以及馈液环，所述支撑环设置在绝热段的热管内壁和分流管外壁之间，用于固定分流管，溢流环设置在冷凝段的热管内壁和分流管之间，馈液环设置在溢流环下部的热管内壁和分流管外壁之间，支撑环、溢流环、馈液环中设置供流体流下的通道；同轴分流管在蒸发段和冷凝段设置开孔。

作为优选，所述溢流环从分流管外壁向热管内壁方向是向上倾斜设置，馈液环从分流管外壁向热管内壁方向是向下倾斜设置。

作为优选，支撑环、馈液环中供流体流下的通道靠近热管内壁设置。

作为优选，沿着高度从上向下方向，溢流环中供流体流下的通道越来越靠近热管内壁设置。

作为优选，沿着高度从上向下方向，溢流环中供流体流下的通道与热管内壁距离的变化幅度越来越大。

作为优选，沿着高度从上向下方向，蒸发段的开孔分布密度越来越大。

作为优选，沿着高度从上向下方向，蒸发段的开孔分布密度越来越大的幅度不断增加。

作为优选，热管基体上部设置注液阀及真空阀，真空阀用于热管抽真空，注液阀用于热管注液。

作为优选，超长重力热管基体由废弃油气井生产套管改造，通过注入水泥或树脂方式对射孔进行封堵，实现与外界地层裂隙隔离密封。

作为优选，同轴分流管进行添加保温层处理，包括蒸发段、冷凝段和绝热段，以减少蒸汽在流动过程中的损失。

作为优选，废弃油气井包含油气田报废的油井、气井以及水井，同时包含直井、斜井及水平井。

作为优选，同轴分流管上开孔可以为圆孔、三角形孔、方孔以及其他多边形孔，开孔在同轴分流管周向分布。在一定开口范围内，开孔率越大换热效果越好，建议开孔率为33%。

作为优选，溢流环以及馈液环的倾斜角度在10～40°。

作为优选，超长重力热管的真空度在10-1～10-6 Pa。

作为优选，超长重力热管的充液率在10～40 %。

作为优选，超长重力热管内的工质为去离子水、丙酮、乙醇等有机工质或无机工质。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用同轴分流管将上升蒸汽与下降冷凝液隔离，降低气液之间的相互作用，显著提高超长重力热管的传热极限。

2、本发明对同轴分流管在蒸发段以及冷凝段进行开孔处理并搭配溢流环以及馈液环实现对热管传热能力的提升，在蒸发段增大泡底微层液膜面积并延长微层蒸发时间，强化蒸发段传热；在冷凝段使蒸汽流与液膜流的逆向流动变为各分段的同向流动，强化冷凝段传热。

3、油管与生产套管之间形成超长重力热管取热方式，相较于现有技术热管的取热的方式，实现更高的传热温差，强化传热能力。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明蒸发段局部放大图；

图3为本发明冷凝段局部放大图；

图4为本发明内气液流动示意图；

图5为本发明优选的提取废弃油气井内地热能的超长重力热管装置结构示意图；

图6是设置气液分流装置的图5的结构示意图。

图中：1-注液阀，2-热管基体，3-溢流环，4-馈液环，5-同轴分流管，6-蒸发段开孔，7-射孔密封，8-井底，9-外界地层裂隙，10-外界地层，11-支撑环，12-冷凝段开孔，13-真空阀，14-封隔器，15-油管，16-端盖。

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补充说明。

如图1所示，一种用于提取废弃油气井内地热能的超长重力热管装置，包括热管基体2，热管基体2内设置气液分流装置，气液分流装置包含同轴分流管5、支撑环11、溢流环3以及馈液环4，所述支撑环11设置在绝热段的热管基体2内壁和分流管5外壁之间，用于固定分流管5，溢流环3设置在冷凝段的热管基体2内壁和分流管5之间，馈液环4设置在溢流环3下部的热管基体2内壁和分流管5外壁之间，支撑环11、溢流环3、馈液环4中设置供流体流下的通道；同轴分流管5在蒸发段和冷凝段设置开孔。

超长重力热管蒸发段吸收外界地层的能量使管内工质蒸发，蒸汽通过蒸发段开孔6流入同轴分流管5经绝热段流向冷凝段，蒸汽从冷凝段开孔12流向冷凝室内液化放出能量，冷凝液通过溢流环3流向同轴分流管外壁面，后经馈液环4流回绝热段超长重力热管内壁面，沿壁面流至蒸发段再次吸热汽化完成循环。

在蒸发段添加同轴分流管5并进行开孔处理，使蒸发段回流液膜和液池间形成环隙沸腾，当气泡在加热段壁面生成后，同轴分流管5对气泡脱离起到抑制作用，迫使气泡呈饼状生长，气泡碰到开孔6后，从孔中溢出，增大泡底微层液膜面积并延长微层蒸发时间，强化蒸发段传热；蒸汽通过同轴分流管5从蒸发段经绝热段流向冷凝段，分流管5阻隔上升蒸汽与下降冷凝液接触，以减少气液间的相互作用，减少携带极限的影响；在冷凝段添加开孔同轴分流管5并搭配溢流环3以及馈液环4，蒸汽沿同轴分流管5向上流动，通过同轴分流管5上的开孔12进入各冷凝分段凝结，各分段冷凝液经溢流环3导向流至同轴分流管5外壁，经周向环隙沿管下流，至馈液环4处回流至超长重力热管基体2内壁面，使蒸汽流与液膜流的逆向流动变为各分段的同向流动，气液间剪切力显著降低，提高热管携带极限，强化冷凝段传热。

本发明采用同轴分流管将上升蒸汽与下降冷凝液隔离，降低气液之间的相互作用，显著提高超长重力热管的传热极限；本发明对同轴分流管在蒸发段以及冷凝段进行开孔处理并搭配溢流环以及馈液环实现对热管传热能力的提升，在蒸发段增大泡底微层液膜面积并延长微层蒸发时间，强化蒸发段传热；在冷凝段使蒸汽流与液膜流的逆向流动变为各分段的同向流动，强化冷凝段传热。

作为优选，所述溢流环3从分流管外壁向热管基体内壁方向是向上倾斜设置，馈液环4从分流管外壁向热管内壁方向是向下倾斜设置。随着热虹吸单管传输功率的提高，回流冷凝液膜增厚会使凝结热阻增大。为减少液膜厚度设置从分流管外壁向热管基体内壁方向向上倾斜设置的溢流环3，各冷凝分段的凝结液会沿着溢流环3导向至同轴分流管5外壁面并使气液流动方向从逆流变为顺流，从实现减少冷凝段液膜厚度提升冷凝段的换热能力；为使脱离冷凝段的凝结液升温迅速并减少冷凝液与分流管内蒸汽换热损失，设置从分流管外壁向热管内壁方向向下倾斜的馈液环4，将沿同轴分流管5外壁面流动的冷凝液导向至热管内壁面，冷凝液沿热管内壁面流动至蒸发段实现了更快的升温循环过程同时减少冷凝液与分流管5内蒸汽换热减少蒸汽损失。

作为优选，支撑环11、馈液环4中供流体流下的通道靠近热管内壁设置。通过如此设置，能够使得回流的液体远离分流管，避免与分流管内的蒸汽进行换热，同时随着向下流动，地热能也会逐渐增加，也能吸收热管内壁的热量。

作为优选，沿着高度从上向下方向，溢流环中供流体流下的通道越来越靠近热管内壁设置。因为越往上部，蒸汽温度越高，蒸汽数量越多，对外换热过程中存在换热不充分问题，形成的液体温度也高，因此通过靠近溢流环，使得溢流环出来的过热蒸汽带动高温的液体继续充分混合，形成新的更多蒸汽，从而再次与外部冷源进行换热，提高了换热效率。越向下部，液体温度越低，因此远离蒸汽，减少与蒸汽换热，造成热源浪费。

作为优选，沿着高度从上向下方向，溢流环中供流体流下的通道与热管内壁距离的变化幅度越来越大。上述是通过大量的数值模拟以及实验得到的，能够进一步提高换热效率，充分利用热量。

作为优选，沿着高度从上向下方向，蒸发段的开孔分布密度越来越大。因为蒸汽一般首先向上流动，通过设置开孔大小，避免蒸汽大量分布在上部，使得蒸汽在整个高度方向上均匀分布，从而达到均匀换热，提高换热效率。

作为优选，沿着高度从上向下方向，蒸发段的开孔分布密度越来越大的幅度不断增加。上述是通过大量的数值模拟以及实验得到的，能够进一步提高换热效率，达到均匀换热，提高换热效率。

作为优选，热管基体上部设置注液阀1及真空阀13，真空阀13用于热管抽真空，注液阀1用于热管注液。

作为优选，超长重力热管基体由废弃油气井生产套管改造，通过注入水泥或树脂方式对射孔进行封堵形成射孔密封7，实现与外界地层裂隙9隔离密封。

作为优选，同轴分流管进行添加保温层处理，包括蒸发段、冷凝段和绝热段，以减少蒸汽在流动过程中的损失。

作为优选，废弃油气井包含油气田报废的油井、气井以及水井，同时包含直井、斜井及水平井。

作为优选，同轴分流管上开孔可以为圆孔、三角形孔、方孔以及其他多边形孔，开孔在同轴分流管周向分布。从换热效率以及开孔成本考虑，优选开孔率为30-40%，进一步优选33%。

作为优选，溢流环以及馈液环的倾斜角度在10～40°。通过对溢流环以及馈液环设置倾斜角度，从实现冷凝液在重力作用下的引流功能，溢流环将各冷凝分段的凝结液导流至分流管外壁面，从而减少冷凝段液膜厚度实现传热强化，并将气液逆流变为顺流，减少流动阻力提高携带极限；馈液环将沿分流管流动的冷凝液导流回热管内壁面，从而实现在绝热段流至蒸发段过程中快速升温并减少冷凝液与分流管内蒸汽换热，实现更快的循环并减少蒸汽损失。

作为优选，超长重力热管的真空度在10-1～10-6 Pa。

作为优选，超长重力热管的充液率在10～40 %。

作为优选，超长重力热管内的工质为去离子水、丙酮、乙醇等有机工质或无机工质。

与现有技术相比，本发明的积极效果是，采用超长重力热管取热方式，相较于井下换热器方式，通过气液两相流动代替传统单相流，将采集到的能量以潜热形式储存起来，实现更高的传热温差，强化传热能力；本发明采用同心分流管5将上升蒸汽与下降冷凝液隔离，降低气液之间的相互作用，显著提高超长重力热管的传热极限；本发明对同轴分流管5在蒸发段以及冷凝段进行开孔6、12处理并搭配溢流环3以及馈液环4实现对热管传热能力的提升，在蒸发段增大泡底微层液膜面积并延长微层蒸发时间，强化蒸发段传热；在冷凝段使蒸汽流与液膜流的逆向流动变为各分段的同向流动，强化冷凝段传热。

本发明还进一步提供了一种由废弃油气井改造为环形超长重力热管的方法以及废弃油气井改造的环形超长重力热管。

一种由废弃油气井改造为环形超长重力热管的方法：

1）选择油管、生产套管完整无损的废弃油气井；

2）对该废弃油气井进行通井，以便确认井下情况是否正常；

3）在通井顺利并确定井内无异常情况后，向生产套管内注入水泥浆并通过加压实现对生产套管射孔的封堵；

4）在油管与生产套管底端连接处下入封隔器；

5）通过焊接的方式，在油管与生产套管上方焊接超长重力热管上端盖，保证焊缝的密封性；

6）关闭充液阀，开启真空阀，通过压降法检验系统的密封性；

7）关闭充液阀，开启真空阀，将真空泵与真空阀连接对超长重力热管进行抽真空处理；

8）关闭真空阀，将充液阀连接充液装置，开启充液阀，对超长重力热管进行充液处理；

9）关闭充液阀，连接换热器或发电设备用于供热与发电，同时可将测量设备从中间环空结构放入用以检测热管的运行情况。

进一步地，上述方案中选择油气井的过程中只需保证油管与生产套管密封性良好即可选用，优选完整无损的废弃油气井。

进一步地，上述方案中废弃的油气井包含油气田报废的油井、气井以及水井，同时包含直井、斜井以及水平井。

进一步地，上述方案中生产套管射孔密封不仅可以采用注入水泥浆的方法，同样包含注入树脂的方法。

本发明采用油管和生产套管之间的空间形成环路热管的换热空间，与现有的仅仅采用油管或者仅仅采用生产套管形成热管相比，换热空间小成本节省情况下，能够达到更好的换热效率。因为主要的热源位置就是生产套管，将生产套管充分利用，减少热管的空间以及不必要的效率过低的换热区域，例如油管内部的空间，充分利用高的换热区域，在地热量不变的情况下可实现高效率的换热。

如图5所示，如上面的废弃油气井改造为环形超长重力热管系统结构由注液阀1，超长重力热管基体2，射孔密封7，井底8，外界地层裂隙9，外界地层10，真空阀13，封隔器14、油管15以及端盖16。其中注液阀1用来向超长重力热管内添加工质；真空阀13用来对超长重力热管进行检漏以及抽真空处理；射孔密封7用来封堵射孔实现环形超长重力热管内密封。热管基体2包括油管和生产套管，油管和生产套管之间的空间形成环路热管的换热空间，从而形成一个内环（油管）和外环（生产套管）之间的环形空间。

超长重力热管通过在蒸发段吸收外界地层10以及外界地层裂隙9中的热量使热管腔体内工质气化，气化的工质沿着热管内部向上流动，在热管顶端冷凝段液化放热，液化后的工质沿着热管壁面流回蒸发段继续气化完成循环，来提取深层地层中的地热能，用于取热以及发电。

超长重力热管的端盖16主要由盖体、注液阀1以及真空阀13构成。

如图5所示，选择油管及生产套管完整无损的废弃油气井，进行通井处理，在确保井下情况正常后，在生产套管中注入水泥浆并通过加压实现射孔密封7；在油管15以及生产套管顶端焊接端盖16，关闭注液阀1，开启真空阀13，通过加压的方式检验超长重力热管的密封性，确保密封性后，连接真空泵进行抽真空处理；关闭真空阀13，开启注液阀1，连接注液装置向超长重力热管内注入工质；关闭注液阀1，连接换热器或发电设备用于供热与发电，同时可将测量设备从中间环空结构放入用以检测热管的运行情况。

作为优选，图5的热管也设置图1的汽液分流装置包含油管15以及生产套管、同轴分流管5、支撑环11、溢流环3以及馈液环4。所述支撑环11有两种，分别设置在绝热段的生产套管内壁和分流管5外壁之间以及分流管5内壁与油管15外壁之间，用于固定分流管5，溢流环3设置在冷凝段的生产套管内壁和分流管5之间，馈液环4设置在溢流环3下部的生产套管内壁和分流管5外壁之间，支撑环11、溢流环3、馈液环4中设置供流体流下的通道；同轴分流管5在蒸发段和冷凝段设置开孔。

作为优选，所述溢流环3从分流管外壁向上倾斜设置，馈液环4从分流管外壁向下倾斜设置。

对于其余技术特征，与前面实施例记载相同，图1-4实施例的内容就不再详细说明。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于提取废弃油气井内地热能的超长重力热管装置，包括热管基体，热管基体内设置气液分流装置，气液分流装置包含同轴分流管、支撑环、溢流环以及馈液环，所述支撑环设置在绝热段的热管内壁和分流管外壁之间，用于固定分流管，溢流环设置在冷凝段的热管内壁和分流管之间，馈液环设置在溢流环下部的热管内壁和分流管外壁之间，支撑环、溢流环、馈液环中设置供流体流下的通道；同轴分流管在蒸发段和冷凝段设置开孔；所述溢流环从分流管外壁向热管内壁方向是向上倾斜设置，馈液环从分流管外壁向热管内壁方向是向下倾斜设置；支撑环、馈液环中供流体流下的通道靠近热管内壁设置。

2.如权利要求1所述的重力热管装置，其特征在于，沿着高度从上向下方向，溢流环中供流体流下的通道越来越靠近热管内壁设置。

3.如权利要求2所述的重力热管装置，其特征在于，沿着高度从上向下方向，溢流环中供流体流下的通道与热管内壁距离的变化幅度越来越大。

4.如权利要求1所述的重力热管装置，其特征在于，沿着高度从上向下方向，蒸发段的开孔分布密度越来越大。

5.如权利要求4所述的重力热管装置，其特征在于，沿着高度从上向下方向，蒸发段的开孔分布密度越来越大的幅度不断增加。

6.如权利要求1所述的重力热管装置，其特征在于，热管基体上部设置注液阀及真空阀，真空阀用于热管抽真空，注液阀用于热管注液。

7.如权利要求1所述的重力热管装置，其特征在于，超长重力热管基体由废弃油气井生产套管改造，通过注入水泥或树脂方式对射孔进行封堵，实现与外界地层裂隙隔离密封。

8.如权利要求1所述的重力热管装置，其特征在于，同轴分流管进行添加保温层处理，以减少蒸汽在流动过程中的损失。