CN109140808B - 一种中深层地岩热井同轴地埋管式井下换热器 - Google Patents
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Abstract
一种中深层地岩热井同轴地埋管式井下换热器，包括由外套管和中心管组成的双筒同轴套管，所述外套管的底端设置堵头，所述中心管的底端设置挡块，使其悬空在外套管中，循环工质从外套管上部流入，经中心管的底端后从中心管的上部流出，不与地下水接触，无热污染，满足中深层地岩热热井“去热不取水”的要求。本发明用简单的机械结构，满足了井下换热器取热不取水的工艺要求，且整个过程无热污染，换热效率高，成本低，可应用于中深层地岩热井的取暖工程，具有极大的实际意义和应用价值。
Description
技术领域
本发明属于中深层地岩热热能的开发和利用技术领域，涉及井下换热器，特别涉及一种中深层地岩热井同轴地埋管式井下换热器。
背景技术
中深层地岩热地层内部热量丰富，开发技术也日趋成熟，故目前正在被大力开发利用。在以往的浅层土壤源地热开发利用中，井下换热器的出现解决了地热开发利用对地下水的热污染问题和因地下水造成的地热开采系统中的腐蚀和结垢问题，因此将井下换热器用于中深层地岩热的开发利用中具有极大的实际意义和应用价值。
目前井下换热器研究也面临着许多急需解决的问题，如回水管的散热损失严重，地层热量运移阻力大，地热资源综合利用效率低以及地层热恢复较慢等。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种中深层地岩热井同轴地埋管式井下换热器，该井下换热器通过合理的结构设计和选取特殊的材料，能够有效的解绝目前井下换热器面临的回水管散热损失问题，且提高了地热资源综合利用效率，同时也满足中深层地岩热热井地的现场作业要求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种中深层地岩热井同轴地埋管式井下换热器，包括由外套管2和中心管16组成的双筒同轴套管，所述外套管2的底端设置堵头，所述中心管16的底端悬空在外套管2中，循环工质1从外套管2上部流入，经中心管16的底端后从中心管16的上部流出，不与地下水接触，无热污染，满足中深层地岩热热井“去热不取水”的要求。
所述外套管2与井下外部地热岩地层之间以自然传导的方式进行换热，与换热器内部循环工质水则以热传递方式换热，为保证外套管2有较好的热传导性和热传递性，以及较长的使用寿命，外套管2采用J55石油套管。
所述中心管16为PPH管，其保温性能好，有利于减少回水的热损失，且重量轻，耐腐蚀，不结垢，延长了使用寿命。
所述中心管16外壁涂有绝热材料17，进行了涂层处理。
所述堵头的上端9为圆弧型结构，弧顶向上，与循环工质水直接接触换热，导热速度快；且接触面积大，能够与井下换热器底部的工质循环工质1(水)充分接触，有利于换热。所述堵头的下端11为倒锥型结构，锥度为120°，有利用整个井下换热器的定心。
所述堵头的上端9的下端面和下端11的上端面均为半球面结构，焊接连接上端9和下端11，上端9和下端11之间形成球形的腔体14，腔体14内充满二氧化硅气凝胶13，二氧化硅气凝胶有较好的绝热性能，可以使堵头内部的热沿腔体外壁传递，加快了热在堵头中的传递。
所述堵头的上端9的圆弧顶结构上开有小孔8，作为挤压二氧化硅气凝胶13的入口。
所述堵头的上端9和下端11的材料为HSn70-1锡黄铜，其导热性能好，有利于地热的传递，且成本不高。
所述中心管16的底部有3个挡块7，整体呈120°分布，与外套管2焊接在一起，有利于中心管16与外套管2对心，达到同轴心的要求，挡块7材料采用302B不锈钢。
所述挡块7为2个阶梯的块状结构，上阶梯短，与中心管16之间采用间隙配合，既能都达到径向定心的作用，又便于拆卸和维修；下阶梯长，伸入到中心管16的管壁底部，使其无法掉入井底，有利于中心管16的井向定位。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.通过独有的堵头结构设计和材料选择，不但达到了取热不取水的目的，还提高了井下换热器的换热效率。
2.中性管的管材选择，以及管壁涂有的绝热材料，较好的解决了井下换热器得回水管热损失问题。
3.挡块结构的设计，很好的解决了中心管的定位问题，简化了下中心管的施工过程。
4.独特的井下换热器结构，无需完全固井，大大节约了固井成本。
5.结构简单，易加工，使用寿命长。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是挡块结构图及分布示意图。
图3是挡块分布示意图。
图4是图3中AA向视图。
图5是堵头结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种中深层地岩热井同轴地埋管式井下换热器，主要用于中深层地岩热热井的竖直井内，其主要结构为由外套管2和中心管16组成的双筒同轴套管，外套管2的底端设置堵头，中心管16的底端悬空在外套管2中，循环工质1即水由外套管2的上部流入，外套管2直接与井内泥球填料5接触，地岩热地层的热通过热传导的方式传给外套管2，外套管2再经过热传递的方式传递给温度较低的循环工质1，随着井深度的加深，地岩热地层的温度越高，加热效果越明显。加热后的循环工质水经中心管16的底端，通过中心管16返回地面，最后经过压缩机后，通过冷凝器将热量传递给供暖侧循环水，实现供暖。
其中，外套管2为J55的石油套管，各套管之间通过丝扣方式逐段连接，外套管2与井下外部地热岩地层之间以自然传导的方式进行换热，与换热器内部循环工质则以热传递方式换热。中心管16为PPH管，各节PPH管之间采用热熔焊接，其外壁涂有绝热材料17，进行了涂层处理。
如图2、图3和图4所示，中心管16的底部有呈120°分布的3个挡块7，挡块7与外套管2之间采用特殊焊接连接，形成焊接面6，挡块7与堵头之间采用60°锥螺纹15连接，使其具有较高的耐压性和较好的密封性。有利于中心管16与外套管2对心，达到同轴心的要求，挡块7材料采用302B不锈钢。
挡块7为2个阶梯的块状结构，上阶梯短，与中心管16之间采用间隙配合，既能都达到径向定心的作用，又便于拆卸和维修；下阶梯长，伸入到中心管16的管壁底部，使其无法掉入井底，有利于中心管16的井向定位。
如图5所示，堵头上端9与堵头下端11之间采用焊接连接，形成焊接面10，堵头上端9的圆弧顶结构上开有小孔8，用来作为挤压二氧化硅气凝胶13的入口，挤压的二氧化硅气凝胶13约占腔体14容积的三分之二，在挤压完二氧化硅气凝胶13后，再焊接封闭小孔8。
使用本发明的中深层地岩热热井在0-300内一次固井，一次固井采用固井水泥3，并下套管4。二次固井到到堵头上部，在外套管2外填充泥球填料5。堵头下端11外部采用缓凝剂后的水泥12来填充，以达到固井的目的。
综上，本发明外套管和堵头部分都与中深层地岩热地层直接接触，可以实现有效集热。外套管与中心管为同轴套管，经过软化的工质水由外套管流入，中心管流出；挡块是阶梯块状结构，与外套管焊接，处于中心管下方，有支撑中心管和径向对心的作用；堵头处于整个井下换热器的最下方，其下端为一个倒锥形结构，能够满足定心要求，上端为一个圆弧顶式结构，可以有效聚热与导热。本发明用简单的机械结构，满足了井下换热器取热不取水的工艺要求，且整个过程无热污染，换热效率高，成本低，可应用于中深层地岩热井的取暖工程，具有极大的实际意义和应用价值。
Claims (8)
1.一种中深层地岩热井同轴地埋管式井下换热器，包括由外套管(2)和中心管(16)组成的双筒同轴套管，所述外套管(2)的底端设置堵头，所述中心管(16)的底端悬空在外套管(2)中，循环工质(1)从外套管(2)上部流入，经中心管(16)的底端后从中心管(16)的上部流出，所述堵头的上端(9)为圆弧型结构，弧顶向上，所述堵头的下端(11)为倒锥型结构，其特征在于，所述堵头的上端(9)的下端面和下端(11)的上端面均为半球面结构，焊接连接上端(9)和下端(11)，上端(9)和下端(11)之间形成球形的腔体(14)。
2.根据权利要求1所述中深层地岩热井同轴地埋管式井下换热器，其特征在于，所述外套管(2)采用J55石油套管，所述中心管(16)为PPH管。
3.根据权利要求1或2所述中深层地岩热井同轴地埋管式井下换热器，其特征在于，所述中心管(16)外壁涂有绝热材料(17)。
4.根据权利要求1所述中深层地岩热井同轴地埋管式井下换热器，其特征在于，所述腔体(14)内充满二氧化硅气凝胶(13)。
5.根据权利要求4所述中深层地岩热井同轴地埋管式井下换热器，其特征在于，所述堵头的上端(9)的圆弧顶结构上开有小孔(8)，作为挤压二氧化硅气凝胶(13)的入口。
6.根据权利要求4所述中深层地岩热井同轴地埋管式井下换热器，其特征在于，所述堵头的上端(9)和下端(11)的材料为HSn70-1锡黄铜。
7.根据权利要求1所述中深层地岩热井同轴地埋管式井下换热器，其特征在于，所述中心管(16)的底部有3个挡块(7)，整体呈120°分布，与外套管(2)焊接在一起。
8.根据权利要求7所述中深层地岩热井同轴地埋管式井下换热器，其特征在于，所述挡块(7)为2个阶梯的块状结构，上阶梯短，与中心管(16)之间采用间隙配合；下阶梯长，伸入到中心管(16)的管壁底部。
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