一种中深层地热井的尾水回灌系统及工作方法

技术领域

本发明涉及尾水回灌技术领域，特别是涉及一种中深层地热井的尾水回灌系统及工作方法。

背景技术

随着地热能的持续开采使用，地下水位会逐年降低，热储的流体压力降低，难以长期稳定地产出热量。地热回灌是指将地热废水或地表水等灌入热储中，对维持热储压力和恢复产热能力起到了重要作用。

如申请公布号为CN113153223A、申请公布日为2021.07.23的中国发明专利申请公开了砂岩型出水地热井和回灌井施工方法，具体公开了出水地热井利用热储段全部含水组的含水层；通过出水地热井测定含水组中的各个含水层中的压力，在回灌井成井时，回灌井的回灌层设置在地下水压力小、透水系数高的含水层，而在其他含水层采用盲管，使压力大的含水层中的水不能经回灌井流入到压力小、透水系数高的含水层中，通过回灌井回灌的水迅速进入回灌层所在的含水层中，回灌速度快、回灌量大；回灌井到出水地热经距离为出水地热井影响半径的2/3，既保证回灌量又可防止地下水回灌热突破。

现有技术中的砂岩型出水地热井和回灌井施工方法是根据各个相邻含水层之间的流量，推算每个含水层外的水的水压力和管体内的压力大小，并确定回灌含水层。

但是，由于各地区的地层结构不同，流量探头测出的水流量可能不是实际的相邻含水层之间的流量，各含水层的深度位置难以确定；在无法确定真实回灌层和含水层的情况下，不能确保下管后井管的进水孔段与实际的回灌层对应，导致了尾水回灌效率低的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种中深层地热井的尾水回灌系统及工作方法，以解决各含水层的深度位置难以确定，在无法确定真实回灌层和含水层的情况下，不能确保下管后井管的进水孔段与实际的回灌层对应，导致尾水回灌效率低的问题。

本发明的中深层地热井的尾水回灌系统的技术方案为：

中深层地热井的尾水回灌系统包括回灌井孔、多个井管节段以及井管调节装置，多个所述井管节段依次插装于所述回灌井孔中，多个所述井管节段可拆连接且结构相同；

所述井管节段包括外管体和内套管，所述内套管转动安装于所述外管体中，所述外管体与所述内套管周向密封配合，所述外管体的管壁开设有第一通孔，所述内套管的管壁开设有第二通孔；

所述井管节段具有封闭状态和导通状态，在封闭状态时所述第一通孔和所述第二通孔错开，在导通状态时所述第一通孔和所述第二通孔相对；

所述井管调节装置包括驱动主机、传动杆和卡管器，所述驱动主机设置于所述回灌井孔的上部，所述传动杆与所述驱动主机传动连接，所述传动杆沿所述井管节段的轴线方向延伸设置；

所述卡管器安装于所述传动杆的端部，所述卡管器与所述内套管轴向滑动密封且周向卡止配合，以通过所述传动杆带动所述内套管转动；所述卡管器还安装有压力传感器，所述压力传感器用于检测管内的水压力。

进一步的，所述外管体、所述内套管均为钢圆管，所述外管体的一端设置有缩径段，所述外管体的另一端设置有内挡沿，所述缩径段、所述内挡沿均凸出于所述外管体的内壁，所述内套管转动安装于所述缩径段和所述内挡沿之间。

进一步的，相邻两个所述井管节段的外管体之间螺纹连接，所述缩径段的外壁设置有外螺纹，所述外管体的另一端内壁设有内螺纹，所述井管节段的内螺纹与相邻所述井管节段的外螺纹相配合。

进一步的，所述内套管的外壁还粘结有橡胶衬层，所述橡胶衬层与所述外管体的内壁过盈配合，所述橡胶衬层与所述外管体之间的过盈量为2mm至12mm之间的任意尺寸。

进一步的，所述内套管的内壁设置有喇叭形沉槽，所述喇叭形沉槽的开口方向沿所述内套管的圆周方向设置，所述喇叭形沉槽的开口侧与所述内套管的内壁平滑连接；所述喇叭形沉槽的槽深度在其开口的相反方向上逐渐增大。

进一步的，所述卡管器包括主盘体和至少两个顶销，所述主盘体的内部设置有至少两个径向孔，所述顶销活动安装于对应的所述径向孔中；

所述径向孔中还设有与所述顶销配合的压簧，以驱动所述顶销凸出于所述卡管器的外周面并与所述喇叭形沉槽卡止配合。

进一步的，所述卡管器还包括弹性密封环，所述弹性密封环设置于所述主盘体的外部，所述弹性密封环与所述内套管滑动密封配合；所述弹性密封环对应所述径向孔还设有顶销过孔，以供所述顶销经所述顶销过孔伸出至所述喇叭形沉槽中。

进一步的，所述压力传感器安装于所述主盘体上，且所述压力传感器的感应面位于所述主盘体的下侧面，所述压力传感器电连接有数据处理器，所述数据处理器用于接收所述压力传感器发出的水压力信号，以供地面人员根据水压力变化来调整所述井管节段的状态。

本发明的中深层地热井的尾水回灌系统的工作方法的技术方案为：

应用上述的中深层地热井的尾水回灌系统的工作方法，包括以下步骤：

S1、将多个所述井管节段依次连接并下管至回灌井孔中，直至第一井管节段达到回灌井孔的底部；

S2、在井口位置架设井管调节装置，根据回灌井孔的深度连接相应数量的传动杆，并在第一传动杆的端部安装卡管器；

S3、将卡管器入井至对应第一井管节段的深度，根据压力传感器来检测第一井管节段内的水压力；

S4、待水压力稳定后，启动驱动主机，通过卡管器带动第一井管节段的内套管转动，使第一井管节段在封闭状态和导通状态之间切换，实时获取水压力的变化情况；

S5、若第一井管节段由封闭状态调整至导通状态，检测到的水压力增大，则说明第一井管节段所处的地层为压力含水层；若第一井管节段由封闭状态调整至导通状态，检测到的水压力减小或不变，则说明第一井管节段所处的地层为回灌层；

S6、根据第一井管节段所处的地层条件，若为压力含水层则将第一井管节段调整至封闭状态，若为回灌层则将第一井管节段调整至导通状态；

S7、由下至上重复操作，将所有的井管节段均调整至相应的状态，取出卡管器，最后拆除井管调节装置。

进一步的，步骤S1中，先在地面上将所需的井管节段均调整至封闭状态，调整完毕后再对所述井管节段依次连接；所述传动杆的长度与所述井管节段的长度相等，且所述井管节段的螺纹锁紧方向与所述卡管器的卡紧旋向相同。

有益效果：该中深层地热井的尾水回灌系统采用了回灌井孔、多个井管节段以及井管调节装置的设计形式，多个井管节段依次连接并插装于回灌井孔中，其中，井管节段包括外管体和内套管，内套管转动装配于外管体中，通过外管体的第一通孔和内套管的第二通孔相配合，使得井管节段能够在封闭状态和导通状态之间切换。当第一通孔与第二通孔相对时，回灌井孔与井管节段的内部空间导通，可供尾水回灌入地层中；当第一通孔与第二通孔错开时，回灌井孔与井管节段的内部空间隔绝，从而避免压力含水层的水进入井管节段中。

而且，井管调节装置设计有驱动主机、传动杆和卡管器，驱动主机设置于回灌井孔的上部，传动杆沿井管节段的轴线方向延伸设置，传动杆连接于驱动主机和卡管器之间。先将多个井管节段下管至回灌井孔中，再将卡管器插入井管节段中，卡管器与内套管轴向滑动密封且周向卡止配合，卡管器可对底部的井管节段封堵形成底部密闭空间，利用压力传感器来检测底部的井管节段内的水压力。待水压力稳定后，启动驱动主机，通过卡管器带动底部的井管节段的内套管转动，使底部的井管节段在封闭状态和导通状态之间切换，实时获取水压力的变化情况。

若底部的井管节段由封闭状态调整至导通状态，检测到的水压力增大，则说明底部的井管节段所处的地层为压力含水层；若底部的井管节段由封闭状态调整至导通状态，检测到的水压力减小或不变，则说明底部的井管节段所处的地层为回灌层。若为压力含水层则将底部的井管节段调整至封闭状态，若为回灌层则将底部的井管节段调整至导通状态；然后，由下至上重复操作，将所有的井管节段均调整至相应的状态，取出卡管器即可。

该中深层地热井的尾水回灌系统的各个管节均为可调节的双层管结构，根据卡管器下部的水压变化来确定井管节段是否处于压力含水层，可有效地确定真实回灌层和压力含水层，从而灵活地调整各个井管节段导通或封闭，确保了下管后井管的通孔与实际的回灌层对应，提高了尾水回灌的效率和可靠性。

附图说明

图1为本发明的中深层地热井的尾水回灌系统的具体实施例中尾水回灌系统的剖视示意图；

图2为本发明的中深层地热井的尾水回灌系统的具体实施例中井管节段的剖视示意图；

图3为本发明的中深层地热井的尾水回灌系统的具体实施例中卡管器的俯视示意图。

图中：1-回灌井孔、2-井管节段、20-橡胶衬层、21-外管体、210-第一通孔、211-缩径段、212-内挡沿、213-外螺纹、22-内套管、220-第二通孔、221-喇叭形沉槽、3-井管调节装置、30-井管机架、31-驱动主机、32-传动杆、33-卡管器、330-主盘体、331-顶销、332-压簧、333-弹性密封环、34-压力传感器、35-电磁阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的中深层地热井的尾水回灌系统的具体实施例1，如图1至图3所示，中深层地热井的尾水回灌系统包括回灌井孔1、多个井管节段2以及井管调节装置3，多个井管节段2依次插装于回灌井孔1中，多个井管节段2可拆连接且结构相同；井管节段2包括外管体21和内套管22，内套管22转动安装于外管体21中，外管体21与内套管22周向密封配合，外管体21的管壁开设有第一通孔210，内套管22的管壁开设有第二通孔220。

井管节段2具有封闭状态和导通状态，在封闭状态时第一通孔210和第二通孔220错开，在导通状态时第一通孔210和第二通孔220相对；井管调节装置3包括驱动主机31、传动杆32和卡管器33，驱动主机31设置于回灌井孔1的上部，传动杆32与驱动主机31传动连接，传动杆32沿井管节段2的轴线方向延伸设置；卡管器33安装于传动杆32的端部，卡管器33与内套管22轴向滑动密封且周向卡止配合，以通过传动杆32带动内套管22转动；卡管器33还安装有压力传感器34，压力传感器34用于检测管内的水压力。

该中深层地热井的尾水回灌系统采用了回灌井孔1、多个井管节段2以及井管调节装置3的设计形式，多个井管节段2依次连接并插装于回灌井孔1中，其中，井管节段2包括外管体21和内套管22，内套管22转动装配于外管体21中，通过外管体21的第一通孔210和内套管22的第二通孔220相配合，使得井管节段2能够在封闭状态和导通状态之间切换。当第一通孔210与第二通孔220相对时，回灌井孔1与井管节段2的内部空间导通，可供尾水回灌入地层中；当第一通孔210与第二通孔220错开时，回灌井孔1与井管节段2的内部空间隔绝，从而避免压力含水层的水进入井管节段2中。

而且，井管调节装置3设计有驱动主机31、传动杆32和卡管器33，驱动主机31设置于回灌井孔1的上部，传动杆32沿井管节段2的轴线方向延伸设置，传动杆32连接于驱动主机31和卡管器33之间。先将多个井管节段2下管至回灌井孔1中，再将卡管器33插入井管节段2中，卡管器33与内套管22轴向滑动密封且周向卡止配合，卡管器33可对底部的井管节段2封堵形成底部密闭空间，利用压力传感器来检测底部的井管节段2内的水压力。待水压力稳定后，启动驱动主机31，通过卡管器33带动底部的井管节段2的内套管22转动，使底部的井管节段2在封闭状态和导通状态之间切换，实时获取水压力的变化情况。

若底部的井管节段2由封闭状态调整至导通状态，检测到的水压力增大，则说明底部的井管节段2所处的地层为压力含水层；若底部的井管节段2由封闭状态调整至导通状态，检测到的水压力减小或不变，则说明底部的井管节段2所处的地层为回灌层。若为压力含水层则将底部的井管节段2调整至封闭状态，若为回灌层则将底部的井管节段2调整至导通状态；然后，由下至上重复操作，将所有的井管节段2均调整至相应的状态，取出卡管器33即可。该回灌井系统的各个管节均为可调节的双层管结构，根据卡管器33下部的水压变化来确定井管节段2是否处于压力含水层，可有效地确定真实回灌层和压力含水层，从而灵活地调整井管节段2导通或封闭，确保了下管后井管的通孔与实际的回灌层对应，提高了尾水回灌的效率和可靠性。

在本实施例中，外管体21、内套管22均为钢圆管，外管体21的一端设置有缩径段211，外管体21的另一端设置有内挡沿212，缩径段211、内挡沿212均凸出于外管体21的内壁，内套管22转动安装于缩径段211和内挡沿212之间。具体的，相邻两个井管节段2的外管体21之间螺纹连接，缩径段211的外壁设置有外螺纹213，外管体21的另一端内壁设有内螺纹，井管节段的内螺纹与相邻井管节段2的外螺纹213相配合。在下管过程中，将井管节段2依次螺纹连接并逐步下井，各个井管节段2的外管体21连接成整体管，各个井管节段2的内套管22则可单独转动，能够将不同井管节段2灵活地调整为导通或封闭状态。

作为进一步的优选方案，内套管22的外壁还粘结有橡胶衬层20，橡胶衬层20与外管体21的内壁过盈配合，橡胶衬层20与外管体21之间的过盈量为2mm至12mm之间的任意尺寸。由于外管体21和内套管22均为钢圆管，若二者直接密封配合，加工难度和成本过大，在内套管22的外壁设置橡胶衬层20，通过橡胶衬层20来消除外管体21和内套管22之间的间隙，密封性好且制造成本低。

其中，内套管22的内壁设置有喇叭形沉槽221，喇叭形沉槽221的开口方向沿内套管22的圆周方向设置，喇叭形沉槽221的开口侧与内套管22的内壁平滑连接；喇叭形沉槽221的槽深度在其开口的相反方向上逐渐增大。如图1所示，喇叭形沉槽221在内套管22的圆周展开平面内为喇叭形，在卡管器33的入井过程中，卡管器33与内套管22的内壁轴向滑动配合，入井至对应喇叭形沉槽221的位置时，朝开口相反的方向转动卡管器33并卡入喇叭形沉槽221，随着喇叭形沉槽221的深度逐渐增大，卡管器33与喇叭形沉槽221形成可靠的卡止配合，从而能够进一步带动内套管22同步转动以调整导通或封闭状态。

在本实施例中，卡管器33包括主盘体330和至少两个顶销331，主盘体330的内部设置有至少两个径向孔，顶销331活动安装于对应的径向孔中；径向孔中还设有与顶销331配合的压簧332，以驱动顶销331凸出于卡管器33的外周面并与喇叭形沉槽221卡止配合。具体的，径向孔设置有四个，四个径向孔关于主盘体330的中心呈周向间隔分布，四个顶销331呈90°圆心角分布，相应的，内套管22的内壁中心对称设有两个喇叭形沉槽221，卡管器33的其中两个顶销331与相应的喇叭形沉槽221卡止配合，即可带动内套管22朝开口相反的方向转动。

其中，卡管器33还包括弹性密封环333，弹性密封环333设置于主盘体330的外部，弹性密封环333与内套管22滑动密封配合；弹性密封环333对应径向孔还设有顶销过孔，以供顶销331经顶销过孔伸出至喇叭形沉槽221中。通过弹性密封环333可消除卡管器33与内套管22之间的间隙，确保可在卡管器33以下的管内空间构建成底部密闭空间，以便于准确检测底部的井管节段2内的水压力。

另外，压力传感器34安装于主盘体330上，且压力传感器34的感应面位于主盘体330的下侧面，压力传感器34电连接有数据处理器(图中未示出)，数据处理器用于接收压力传感器34发出的水压力信号，以供地面人员根据水压力变化来调整井管节段2的状态。并且，主盘体330还安装有电磁阀35，数据处理器与电磁阀35电连接，在卡管器33的入井过程中，控制电磁阀35开启可供管内水向上排出，卡管器33入井到位时控制电磁阀35关闭，以通过卡管器33封堵内套管22形成底部密闭空间。

应用上述中深层地热井的尾水回灌系统的工作方法，包括以下步骤：

S1、将多个井管节段2依次连接并下管至回灌井孔1中，直至第一井管节段达到回灌井孔1的底部，其中，第一井管节段是指位于最下端的井管节段。在步骤S1中，先在地面上将所需的井管节段2均调整至封闭状态，具体的，内套管22的第一通孔210与外管体21的第二通孔220反向错开至设定夹角，例如设定夹角为30°，且各个井管节段2的内、外管的反向错开夹角相同，调整完毕后再对井管节段2依次螺纹连接。并且，传动杆32的长度与井管节段2的长度相等，井管节段2和传动杆32的标准长度均为10m，井管节段2的螺纹锁紧方向与卡管器33的卡紧旋向相同。

S2、在井口位置架设井管调节装置3的井管机架30并安装驱动主机31，根据回灌井孔1的深度连接相应数量的传动杆32，并在第一传动杆的端部安装卡管器33，第一传动杆是指位于最下端的传动杆。在本实施例中，中深层地热井的深度为300m，即需要连接三十根井管节段2才能达到回灌井孔1的底部，相应的，需用三十根传动杆32才能通过传动杆32和卡管器33来转动第一井管节段。

S3、将卡管器33入井至对应第一井管节段的深度，根据压力传感器34来检测第一井管节段内的水压力。在入井过程中，卡管器33的电磁阀35开启，供管内水向上排出，保证了卡管器33在井中向下移动的顺畅性，达到设定深度后再控制电磁阀35关闭，通过弹性密封环333与内套管22的内壁密封配合，确保了在卡管器33以下的管内空间构建成底部密闭空间。

S4、待水压力稳定后，启动驱动主机31，通过卡管器33带动第一井管节段的内套管转动，使第一井管节段在封闭状态和导通状态之间切换，实时获取水压力的变化情况。此处所说的水压力稳定是指关闭电磁阀35后，底部水压力不再有明显的上下波动，若水压力持续增大或持续减小也应视为水压力稳定。在实际操作中，电磁阀35关闭后等待3s至10s，即可启动驱动主机31。

S5、若第一井管节段由封闭状态调整至导通状态，检测到的水压力增大，则说明第一井管节段所处的地层为压力含水层；若第一井管节段由封闭状态调整至导通状态，检测到的水压力减小或不变，则说明第一井管节段所处的地层为回灌层。具体的，传动杆32的转动角速度小于3°/s，转动过程中实时检测驱动主机31的扭矩载荷，若扭矩载荷突变则说明卡管器33与内套管22卡止配合，之后正向转动设定夹角30°即可将第一井管节段调整至导通状态，继续转动10°至80°第一井管节段为封闭状态，转动至90°即可达到下一个导通状态。

S6、根据第一井管节段所处的地层条件，若为压力含水层则将第一井管节段调整至封闭状态，若为回灌层则将第一井管节段调整至导通状态。

S7、由下至上重复操作，将所有的井管节段均调整至相应的状态，取出卡管器33，最后拆除井管调节装置3。

本发明的中深层地热井的尾水回灌系统的工作方法的具体实施例，与本发明的中深层地热井的尾水回灌系统的具体实施方式中应用中深层地热井的尾水回灌系统的工作方法的具体实施相同，在此不再赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。