一种水热型地热井一开井筒套管多层保温结构及实施工艺

技术领域

本发明涉及地热井筒保温技术领域，特别涉及一种水热型地热井一开井筒套管多层保温结构及其实施工艺。

背景技术

目前，在地热开发中，高品味的地热资源可以梯级利用及综合利用，即按照用途的水温要求，由高到低依次用于发电、工业烘干、地热供暖；医疗、洗浴、温室、养殖、种植、农业灌溉、矿泉引用等，以求将地热资源利用最大化，能量利用合理化，面向需求多元化。因此，地热开发中尽力保证采出高温地热资源。

受到地层自然温度梯度的影响，造成提取出的地热水在近地层处温度降低。一般水热型地热井口出水温度比孔底含水层出水温度降低5～10℃，地热井较深时最高可达十余度，不仅违背了地热资源综合高效利用的初衷，可能还会影响到地热井的产能和地热系统的正常生产，增加管理的难度和生产投入。

热量的传输主要有三个途径：一是热传导；二是对流传热；三是热辐射。热传导和对流传热都是需要介质才能发生，但热辐射不需要任何介质。所以，地热开发管理者和技术人员，为了保证地热井热水产出温度，减少系统设备工作负荷，以及提高地热系统综合管理效益，对地热井筒采取了多种形式的保温措施。例如地热井一开井管采用聚氨酯发泡预制保温管外保温隔热的方式，或采用预制真空地热井管的方式，这些方式都是通过增加降低输送管道的隔热性能，降低其热导率来实现的。但是在上述过程中，聚氨酯预制保温管外保温层较厚而限制井径及井管尺寸，无形中增加工程成本，预制真空地热井管真空度下降导致保温效果逐渐降低。因此，必须采取一定的方法保证地热井套管保温性能长期有效。

发明内容

为了克服现有技术方案的不足，本发明提出一种水热型地热井一开井筒套管多层保温结构及施工方法，目的在于克服水热型地热井采水过程中散失热量导致温度减低的问题，有效保障地热井产能和地热系统可以高效综合利用。

为实现以上目的，本发明一方面提供的一种水热型地热井一开井筒套管多层保温结构，采用如下技术方案：

一种水热型地热井一开井筒套管多层保温结构，包括内层套管和外面敷有纳米气凝胶层的外层套管，所述内层套管和外层套管之间的环形间隙为真空夹层，所述外层套管上设置有真空表用于检测真空夹层的真空度，所述外层套管上设置有抽真空预留孔，用于向真空夹层投放吸氢剂，所述真空夹层底端设有导流槽，保温水泥自导流槽进入真空夹层内。

进一步地，所述一开处井筒套管多层保温结构的上部设置有真空法兰2，并通过真空法兰与井口装置连接并隔离。

进一步地，所述真空法包括上法兰片、下法兰片、夹紧件六角螺栓、密封件中心定位环及金属密封圈组成。

进一步地，所述金属密封圈为铝材质。

进一步地，所述自抽真空预留孔通过抽真空管连接抽真空系统，所述抽真空系统包括真空泵，真空泵上设有防逆流用真空泵转接器。

进一步地，所述抽真空预留孔采用锡铜银合金Sn96Ag1Cu2进行密封。操作时，启动真空泵抽排内外套管环状空间气体，真空表检测真空夹层的真空度，然后采用高频感应加热设备熔融熔点较低的锡铜银合金，从而将抽真空预留孔密封。

进一步地，所述保温水泥进入真空夹层并返高70m以密封内层套管和外层套管底部。

优选的，所述纳米气凝胶层的厚度为5mm，所述纳米气凝胶是目前世界上最轻、隔热性能最好的固态材料，具有极低密度、极低热导率、高比表面积、高孔隙率的特性，且憎水率≥99.6％，整体防水性能优异，其导热系数为0.0025W/m·K。

进一步地，所述纳米气凝胶层外设置有聚乙烯保护层，作为套管外壳。

优选的，所述吸氢剂为Ag400银分子筛，是一种高效的脱氢材料，其呈颗粒球形状，使用前无需活化，可以消除氢气，降低气体中氢气浓度，防止由于氢气产生的不安全状况的产生。

进一步地，外层套管连接处和内层套管连接处通过焊接连接。

进一步地，所述内层套管长于外层套管。

优选的，所述内层套管尺寸为

进一步地，二开地热井采用联体伞式止水器止水，地热井泵室段和二开地热井连接处设置一微台阶悬挂器悬挂二开套管串。

本发明另一方面提供一种水热型地热井一开井筒套管多层保温结构实施工艺，包括以下步骤：

步骤100，地热井一开完钻，根据排管顺序依次分段下入内层套管和外层预敷有纳米气凝胶层的外层套管及悬挂装置；

步骤200，一开内外套管下管结束后，通过保温水泥固井，且控制保温水泥在内外套管环状空间返高；

步骤300，一开井段内层套管和外层套管间的真空夹层投放吸氢剂，抽真空，密封抽真空预留孔；

步骤400，全井段完井后，对地热井进行抽水试验及产能试验。

作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤100，具体包括以下步骤：

步骤101，在井架上悬挂有防脱的钢丝绳，所述钢丝绳上有双层大勾分别悬吊下入的内层套管和外层套管；下管前必须校正孔深，根据先期核验后的排管顺序，确保无误后采用钢丝绳提吊法，先固定已焊接的两节内层套管(技术套管)，套入已焊接的外层套管，因内层套管略长于外层套管，露出的外层套管焊接处缠绕5mm厚纳米气凝胶，后将聚乙烯保护层与预制管重缝绑扎；

步骤102，同时逐层下入内层套管及外层套管所组成的内外套管，井口处架设有内层套管和外层套管同轴度误差检验夹具，检验夹具工序基准与定位基准重合，检验精度得到很好地保障，可以方便地实现在线检测；依次完成下管，管与管之间采用焊接连接；

步骤103，一开井管顶部最后一节外层套管露出井口地平约0.5～0.8m，留有

作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤200，具体包括以下步骤：

步骤201，要求泵室段外层套管与井壁之间环状间隙采用深层地热井固井保温水泥封固，制备固井保温水泥中含有纳米二氧化硅和中空玻璃微球，配比保证固井水泥的导热系数＜0.18W/m·K；

步骤202，在内层套管和外层套管最底端留有导流槽使得保温水泥可以进入内外层套管间的环状空间的真空夹层并返高约70m，控制泵入水泥的压力流量，保证保温水泥在内外套管夹层内返高70m；外层套管与井壁之间的环状空间泵入的保温水泥需返出地面，侯凝48h进行套管试压，试压标准8～10MPa，保证30min降压≤0.5MPa。

作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤300，具体包括以下步骤：

步骤301，露出地平的外层套管上预留有

步骤302，启动真空泵抽排内外套管环状空间气体，外层套管上设置有真空表检测真空夹层的真空度，然后采用高频感应加热设备熔融锡铜银合金将抽真空预留孔洞焊接密封。

作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤400，具体包括以下步骤：施工地热井二开部分，进行地球物理测井、扫孔、破壁、冲孔换浆、洗井；全井段完井后，进行地热井抽水试验及产能试验。

所述抽水试验是在洗井结束后，经准确测定井口初始水头高度或者静止水位埋深后进行抽(放)水试验必须做到三个落程，并求得相应的涌水量和水温资料，抽水持续时间分别达到48h、24h、12h。抽水试验进行大、中、小三个落程试验，并对应进行水温、降深、水量的对比。

所述产能试验包括降压试验、放喷试验和回灌试验等，地热勘探孔与开采(回灌)井都应进行测试，通过测试取得地热流体压力、产量、温度、采灌量以及热储层的渗透性等参数。

在本发明的一种较佳实施方式中，所述内层套管(内钢管)及外层套管(外钢管)均为焊接连接，管口安装完成后进行100％无损检测。焊缝检验合格后，连接处以玻璃纤维胶泥密封。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：多层保温结构的套管首层保温结构是将地热井一开井处内外贯通的井套管夹层抽成真空，抽真空利用气压降低时气体的热传导及对流逐渐消失的原理实现真空隔热和绝缘；二层保温结构为真空管外敷设纳米气凝胶毡隔热保温；外层保温结构即采用保温的水泥砂浆固井，以达到一开井筒全尺寸多层长效隔热保温的效果。水热型地热井一开井筒套管多层保温工艺可保证连接件处隔热系数＜0.04W/m·K，一开处整体钢管隔热系数＜0.02W/m·K，能有效解决现有技术中无法做到的一开井筒全尺寸保温，采出的高温地热水在近地层处温度降低的问题，从而保障高品位的地热资源综合梯级高效利用。

附图说明

图1为实施例1水热型地热井一开井筒套管多层保温结构示意图；

图2为实施例1真空法兰可拆卸连接图；

图3为实施例1抽真空系统示意图；

图4为实施例2实施工艺流程示意图；

图中标号：

1-井口装置；2-真空法兰；3-内层套管；4-表(外)层套管；5-气凝胶毡；6-抽真空预留孔；7-聚乙烯保护层；8-真空表；9-喇叭口；10-微台阶悬挂器；11-导流槽；12-联体伞式止水器；13-地热井泵室段；14-二开地热井；15-内外套管真空夹层；16-水泥返高底封；17-外层套管连接处；18-内层套管连接处；19-保温水泥；201-上法兰片；202-下法兰片；203-六角螺栓；204-中心定位环；205-铝密封圈；6001-真空泵；6002-防逆流用真空泵转接器；6003-抽真空管。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，一种水热型地热井一开井筒套管多层保温结构，包括内层套管3和外面敷有纳米气凝胶层5的外层套管4，所述内层套管3和外层套管4之间的环形间隙为真空夹层15，所述外层套管上设置有真空表8用于检测真空夹层的真空度，，所述外层套管4上设置有抽真空预留孔6，用于向真空夹层15投放吸氢剂，所述真空夹层15底端设有导流槽11，保温水泥19自导流槽进入内外套管真空夹层15内。所述保温水泥19进入真空夹层15并返高70m以密封内层套管3和外层套管4底部，形成水泥返高底封16。

所述纳米气凝胶层5的厚度为5mm，所述纳米气凝胶是目前世界上最轻、隔热性能最好的固态材料，具有极低密度、极低热导率、高比表面积、高孔隙率的特性，且憎水率≥99.6％，整体防水性能优异，其导热系数为0.0025W/m·K。

所述纳米气凝胶层5外设置有聚乙烯保护层7，作为套管外壳。

所述吸氢剂为Ag400银分子筛，是一种高效的脱氢材料，其呈颗粒球形状，使用前无需活化，可以消除氢气，降低气体中氢气浓度，防止由于氢气产生的不安全状况的产生。

本实施例中，所述内层套管尺寸为

所述，外层套管连接处17和内层套管连接处18通过焊接连接。

所述一开处井筒套管多层保温结构的上部设置有真空法兰2，并通过真空法兰2与井口装置1连接并隔离。如图2所示，所述真空法2包括上法兰片201、下法兰片202、夹紧件六角螺栓203、密封件中心定位环204及铝材质金属密封圈205组成。

如图3所示，所述自抽真空预留孔6通过抽真空管6003连接抽真空系统，所述抽真空系统包括真空泵6001，真空泵上设有防逆流用真空泵转接器6002，所述抽真空管6003与真空泵6001相连。所述真空泵为涡轮分子真空泵，工作压力范围宽，在10

操作时，启动真空泵6001抽排内外套管环状空间气体，外层套管4上设置有真空表8检测内外套管真空夹层15的真空度，然后采用高频感应加热设备(已有技术)熔融熔点较低的锡铜银合金，从而将抽真空预留孔6密封。

二开地热井14采用联体伞式止水器12止水，地热井泵室段13和二开地热井连接处设置一微台阶悬挂器10悬挂二开套管串，所述悬挂器上设有喇叭口9。

实施例2

如图4所示，一种水热型地热井一开井筒套管多层保温结构实施工艺，包括以下步骤：

步骤100，地热井一开完钻，根据排管顺序依次分段下入内层套管和外层预敷有纳米气凝胶层的外层套管及悬挂装置；

步骤200，一开内外套管下管结束后，通过保温水泥固井，且控制保温水泥在内外套管环状空间返高；

步骤300，一开井段内层套管和外层套管间的真空夹层投放吸氢剂，抽真空至达标，密封预留孔；

步骤400，全井段完井后，对地热井进行抽水试验及产能试验。

所述步骤100，具体包括以下步骤：

步骤101，在井架上悬挂有防脱的钢丝绳，所述钢丝绳上有双层大勾分别悬吊下入的内层套管和外层套管；下管前必须校正孔深，根据先期核验后的排管顺序，确保无误后采用钢丝绳提吊法，先固定已焊接的两节内层套管(技术套管)，套入已焊接的外层套管，因内层套管略长于外层套管，露出的外层套管焊接处缠绕5mm厚纳米气凝胶，后将聚乙烯保护层与预制管重缝绑扎；

步骤102，同时逐层下入内层套管及外层套管所组成的内外套管，井口处架设有内层套管和外层套管同轴度误差检验夹具，检验夹具工序基准与定位基准重合，检验精度得到很好地保障，可以方便地实现在线检测；依次完成下管，管与管之间采用焊接连接；

步骤103，一开井管顶部最后一节外层套管露出井口地平约0.5～0.8m，留有

本实施例中，所述内层套管(内钢管)及外层套管(外钢管)均为焊接连接，管口安装完成后进行100％无损检测。焊缝检验合格后，连接处以玻璃纤维胶泥密封。

所述真空法兰采用金属垫圈的可拆卸连接。可拆卸真空连接最方便的方法是依赖弹性体(O型圈)以保证密封，但弹性体不耐高温，使用的温度范围一般低于200℃；密封材料要求有足够低的饱和蒸气压，化学和热稳定性好，有一定的机械和物理性能，使用铟、铝、银等塑性较好的金属作为密封材料。

所述步骤200，具体包括以下步骤：

步骤201，要求泵室段外层套管与井壁之间环状间隙采用深层地热井固井保温水泥封固，制备固井保温水泥中含有纳米二氧化硅和中空玻璃微球，配比保证固井水泥的导热系数＜0.18W/m·K；

步骤202，在内层套管和外层套管最底端留有导流槽使得保温水泥可以进入内外层套管间的环状空间并返高约70m，控制泵入水泥的压力流量，保证保温水泥在内外套管夹层内返高70m；外层套管与井壁之间的环状空间泵入的保温水泥需返出地面，侯凝48h进行套管试压，试压标准8～10MPa，保证30min降压≤0.5MPa。套管外水泥环固结采用声波变密度测井监测管外水泥固结质量。

所述步骤300，具体包括以下步骤：

步骤301，露出地平的外层套管上预留有

步骤302，启动真空泵抽排内外套管环状空间气体，外层套管上设置有真空表检测内外套管环状空间内的真空度，然后采用高频感应加热设备熔融锡铜银合金将抽真空预留孔焊接密封。

本实施例中，所述抽真空预留孔采用的密封材质为锡铜银合金Sn96Ag1Cu2，其熔点为260℃。所述高频感应加热设备采用电磁感应加热原理，借助感应器生成交变磁场产生出同频率的感应电流，利用感应电流在工件的分布不均匀，使工件表面强内部很弱，到心部接近于0，从而达到感应加热的目的，它主要是对金属进行感应式的加热熔融。

所述地热井口装置及所附带的管道附件要求密封性能良好。所述真空系统检漏气密性，表征真空系统器壁防止气体渗透的性能，包括漏孔的漏气和材质的渗气。采用静态升压法，即抽真空后封闭真空管道系统，真空计压力上升则可视系统漏气；采用绝对真空计，直接读取管道气体压力。

所述步骤400，具体包括以下步骤：施工地热井二开部分，进行地球物理测井、扫孔、破壁、冲孔换浆、洗井；全井段完井后，进行地热井抽水试验及产能试验。

所述抽水试验是在洗井结束后，经准确测定井口初始水头高度或者静止水位埋深后进行抽(放)水试验必须做到三个落程，并求得相应的涌水量和水温资料，抽水持续时间分别达到48h、24h、12h。抽水试验进行大、中、小三个落程试验，并对应进行水温、降深、水量的对比。

所述产能试验包括降压试验、放喷试验和回灌试验等，地热勘探孔与开采(回灌)井都应进行测试，通过测试取得地热流体压力、产量、温度、采灌量以及热储层的渗透性等参数。

所述内外井管壳体和内部零件材料都要求有足够的机械强度和刚度来保证壳体的承压能力，气密性好，有较低的渗透速率和出气速率。化学稳定性好，热稳定性好，在工作真空度及工作温度下，真空容器内部器件应保持良好的工作性能，满足作业工艺的要求，有较好的机械加工性能和焊接性能。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。