地熱井雙層真空保溫結構及其使用方法與流程
2023-05-29 12:09:11 5
本發明涉及地熱開採技術領域，尤其涉及一種地熱井雙層真空保溫結構及其使用方法。
背景技術：
進入21世紀以來，隨著我國社會經濟快速發展、能源供需矛盾的加劇、能源結構的調整、以及節能減排和環境保護的需要，可再生能源的開發利用日益受到全社會的重視。地熱能作為一種清潔、無汙染的替代能源，對緩解能源供應壓力、改善生態環境發揮著重要的作用。因此，加快地熱資源開發利用的速度勢在必行。
直接採水取熱是目前最高效的一種地熱開發方式，但是地下水的大量採出會引發地下水位下降和地面沉降等問題，必須將尾水通過注入井回灌到地熱儲層。由於儲層物性的限制，直接採水取熱存在尾水回灌難的問題，尚未大規模推廣利用。
為了確保地熱資源的可持續開發利用，實現經濟效益、社會效益和環境效益的統一，上世紀提出了「取熱不取水」的地熱開發方式，即在油套環空中注入冷水，通過水的不斷流動，與周圍高溫地層形成對流換熱，在井底處，水溫達到最高，通過油管返排到地面，實現對地熱資源的開發利用。但是在瑞典的現場應用中，實際出口溫度總是低於預期，其中一個主要原因是中心管隔熱保溫性能較差。由於中心管中的水溫始終高於環空中的水溫，因此回水過程中會產生持續的熱損失，降低了取熱功率，限制了該種地熱開發方式的推廣。
提高中心管的保溫性能有利於減少熱損，但是目前，尚未有直接應用於數千米地熱井的回水保溫管。另外，近幾年市場上也推出了幾款真空保溫管，不過主要是用於地面工程，對於地熱井的應用有其局限性：首先，由於井深數千米，因此對保溫管的抗拉強度、抗內壓強度以及抗外擠強度均提出了更為嚴苛的要求。經過計算，並且考慮溫度和高速水流的影響，其強度至少需達到幾十個兆帕，甚至上百個兆帕；其次，根據地熱鑽探技術規程(dz/t0260-2014)，四開井筒直徑僅為152.4mm，下入的尾管直徑甚至僅為114.3mm，因此在保證足夠的注水環空尺寸條件下，真空管尺寸將有極大地限制，需要額外的進行定製加工，提高了成本；再次，考慮到工程實際，不可能在地面上加工數千米的真空管再下入井底，即使真空管分段下入，但是由於不能實現全尺寸的真空保溫，因此熱損失會相對更高；最後，現場對於真空管的下入沒有配套的設備和專業人員，需要額外投入更多的人力物力，並且還可能帶來一些下入或起出過程的安全問題。
由此，本發明人憑藉多年從事相關行業的經驗與實踐，提出一種地熱井雙層真空保溫結構及其使用方法，以克服現有技術的缺陷。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種地熱井雙層真空保溫結構及其使用方法，克服現有技術中存在的普通中心管保溫性能差和真空保溫管安裝困難、施工成本高、安全性無法保證的問題，該結構及其使用方法能在回水過程中隔熱保溫，最大限度地降低熱損失，安全性高，有效提高經濟效益。
本發明的目的是這樣實現的，一種地熱井雙層真空保溫結構；所述地熱井雙層真空保溫結構包括內腔軸向貫通的外管結構，所述外管結構的頂部能拆卸地密封連接有抽真空結構，所述外管結構的底部能拆卸地密封設置有底封堵頭，所述外管結構內同軸套設有能軸向固定的、且內腔軸向貫通的內管結構，所述內管結構的長度尺寸大於所述外管結構的長度，所述內管結構的頂部密封穿設通過所述抽真空結構，所述內管結構的底部能向下頂抵打開所述底封堵頭後密封穿設通過所述外管結構，所述外管結構的內壁與所述內管結構的外壁之間能構成頂部與所述抽真空結構連通的底部密封的真空保溫層。
在本發明的一較佳實施方式中，所述外管結構包括外鋼管，所述外鋼管的下部密封連接外管短節，所述外鋼管的頂部設置有能密封連接所述抽真空結構的第一密封過孔，所述外鋼管位於所述第一密封過孔的下方軸向貫通設置有直徑尺寸大於所述內管結構的外壁直徑尺寸的外管保溫用孔，所述外管短節的下部設置有能密封穿設所述內管結構的第二密封過孔，所述外管短節位於所述第二密封過孔的上方軸向貫通設置有直徑尺寸大於所述內管結構的外壁直徑尺寸的外短節保溫用孔，所述外管保溫用孔、所述外短節保溫用孔的側壁與所述內管結構的外壁之間能構成所述真空保溫層。
在本發明的一較佳實施方式中，所述內管結構包括內鋼管，所述內鋼管的下部密封連接內管短節，所述內鋼管的上部密封穿設通過所述抽真空結構，所述內管短節的下部能密封穿設通過所述第二密封過孔。
在本發明的一較佳實施方式中，所述第二密封過孔與所述外短節保溫用孔之間設置有直徑向下漸縮的錐形引導面，所述內管短節的外壁上設置有與所述錐形引導面匹配設置的內管錐面，位於所述內管錐面下方的內管短節的長度尺寸大於位於所述錐形引導面下方的所述外管短節的長度尺寸。
在本發明的一較佳實施方式中，所述內管短節的外壁上沿軸向間隔設置有多個密封圈。
在本發明的一較佳實施方式中，所述內管短節的外壁上沿軸向間隔設置有多個密封環槽，各所述密封圈卡設於各所述密封環槽內。
在本發明的一較佳實施方式中，所述抽真空結構與所述第一密封過孔通過螺紋密封連接。
在本發明的一較佳實施方式中，所述抽真空結構包括真空短節，所述真空短節的頂部設置有能密封穿設通過所述內管結構的第三密封過孔，所述真空短節位於所述第三密封過孔的下方軸向貫通設置有直徑尺寸大於所述內管結構的外壁直徑尺寸的真空保溫用孔，所述真空保溫用孔與所述真空保溫層連通設置，所述真空短節的外壁上設置有抽真空接口，所述抽真空接口的一端與所述真空保溫用孔連通設置，所述抽真空接口的另一端與真空泵連通設置。
在本發明的一較佳實施方式中，所述外管結構的底部設置有直徑向上漸縮的堵頭安裝孔，所述底封堵頭的外壁上設置有與所述堵頭安裝孔的側壁匹配的堵頭錐面，所述堵頭安裝孔內能拆卸地密封設置所述底封堵頭。
本發明的目的還可以這樣實現，所述的地熱井雙層真空保溫結構的使用方法，包括以下步驟：
步驟a、在入井前，首先將底封堵頭通過膠水坐封於外管短節底部，然後將外管短節與外鋼管密封連接；
步驟b、開始下入外管結構，當外管結構下入到合適位置後停止下放操作，在井口位置固定外鋼管；
步驟c、將內管短節與內鋼管連接，同時在內管短節上安裝密封圈，開始向外管結構內下入內管結構；
步驟d、當內管短節下入到外管短節位置，在外管短節的錐形引導面導引下，內管短節進入到外管短節的第二密封過孔中，繼續下放內鋼管，內管短節的底端頂抵打開底封堵頭，繼續下放內管結構直至內管短節外壁上的內管錐面與外管短節的錐形引導面重合，外管保溫用孔、外短節保溫用孔的側壁與內管結構的外壁之間構成真空保溫層，在井口固定內管結構；
步驟d、在井口將抽真空結構密封套設於內管結構上，並將抽真空結構的下部密封連接於外管結構的頂部，將抽真空接口的另一端與真空泵連通，通過真空泵將真空保溫層中的氣體抽出形成真空；
步驟e、開啟地熱開採裝置，回水經內管結構的內腔返排至地面。
由上所述，本發明提供的地熱井雙層真空保溫結構及其使用方法具有如下有益效果：
(1)本發明的地熱井雙層真空保溫結構保溫效果好，通過同軸套設的內管結構和外管結構之間構成的全尺寸的真空保溫層實現內管結構的真空絕熱，保溫效果好，最大限度地降低熱損失；
(2)本發明的地熱井雙層真空保溫結構可操作性強，所有管柱均為普通管柱，無需特殊加工與操作，正常起下鑽作業人員即可完成；
(3)本發明的地熱井雙層真空保溫結構安全性好，無運動部件，無高壓作業，密封可長期有效；
(4)本發明的地熱井雙層真空保溫結構經濟性好，所有管柱均為普通管柱，且無需特殊絕熱材料，無需特殊作業人員，操作方面，作業時間短，均降低了作業成本，特別適合地熱開發，該結構使得地熱能源得到更好地開發利用。
附圖說明
以下附圖僅旨在於對本發明做示意性說明和解釋，並不限定本發明的範圍。其中：
圖1：為本發明的地熱井雙層真空保溫結構下入井中開始開採時的示意圖。
圖2：為本發明的外管結構的示意圖。
圖3：為本發明的內管結構下入外管結構中底封堵頭未脫落時的示意圖。
圖4：為本發明的內管結構下入外管結構中底封堵頭脫落時的示意圖。
圖中：
100、地熱井雙層真空保溫結構；
1、外管結構；
11、外鋼管；
111、第一密封過孔；112、外管保溫用孔；
12、外管短節；
121、第二密封過孔；122、外短節保溫用孔；123、錐形引導面；
13、堵頭安裝孔；
2、抽真空結構；
21、真空短節；
211、第三密封過孔；212、真空保溫用孔；
22、抽真空接口；
3、內管結構；
31、內鋼管；
32、內管短節；321、密封環槽；
33、內管錐面；
4、真空保溫層；
5、底封堵頭；51、堵頭錐面；
6、密封圈。
具體實施方式
為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖說明本發明的具體實施方式。
如圖1至圖4所示，本發明提供一種地熱井雙層真空保溫結構100，包括內腔軸向貫通的外管結構1，外管結構1的頂部能拆卸地密封連接有抽真空結構2，在本實施方式中，抽真空結構2通過螺紋密封連接於外管結構1的頂部；地熱開採施工過程中，外管結構1先於內管結構3下入地熱井中，為了避免外管結構1內充滿井下液體，外管結構1的底部能拆卸地密封設置有底封堵頭5。外管結構1內同軸套設有能軸向固定的、且內腔軸向貫通的內管結構3，內管結構3的長度尺寸大於外管結構1的長度，內管結構3的頂部能密封穿設通過抽真空結構2，內管結構3的底部能向下頂抵打開底封堵頭5後密封穿設通過外管結構1，內管結構3的底端穿出外管結構1進入地熱井內，地熱開採中的回水經內管結構3的內腔返排到地面。外管結構1和內管結構3均採用普通管柱即可，無需特殊加工與操作，正常起下鑽作業人員即可完成；外管結構1的內壁與內管結構3的外壁之間能構成頂部與抽真空結構2連通的底部密封的真空保溫層4，真空保溫層4為全尺寸保溫層，其能包覆於內管結構3位於外管結構1內部的全段的外壁上，真空保溫層4能夠實現內管結構3的真空絕熱，極少量的熱量通過熱輻射的方式散失，保溫效果好，基本可以避免熱量損失。
本發明的地熱井雙層真空保溫結構保溫效果好，通過同軸套設的內管結構和外管結構之間構成的全尺寸的真空保溫層實現內管結構的真空絕熱，保溫效果好，最大限度地降低熱損失；本發明的地熱井雙層真空保溫結構可操作性強，所有管柱均為普通管柱，無需特殊加工與操作，正常起下鑽作業人員即可完成；本發明的地熱井雙層真空保溫結構安全性好，無運動部件，無高壓作業，密封可長期有效；本發明的地熱井雙層真空保溫結構經濟性好，所有管柱均為普通管柱，且無需特殊絕熱材料，無需特殊作業人員，操作方面，作業時間短，均降低了作業成本，特別適合地熱開發。
進一步，如圖1至圖4所示，外管結構1包括外鋼管11，外鋼管11採用普通管柱即可，其長度和管徑可以根據實際生產確定；外鋼管11的下部密封連接外管短節12，在本實施方式中，外鋼管11通過螺紋密封連接外管短節12，外鋼管11的頂部設置有能密封連通抽真空結構2的第一密封過孔111，第一密封過孔111的內壁上設置有連接螺紋，外鋼管11位於第一密封過孔111的下方軸向貫通設置有直徑尺寸大於內管結構3的外壁直徑尺寸的外管保溫用孔112，外管短節12的下部設置有能密封穿設內管結構3的第二密封過孔121，外管短節12位於第二密封過孔121的上方軸向貫通設置有直徑尺寸大於內管結構3的外壁直徑尺寸的外短節保溫用孔122，外管保溫用孔112、外短節保溫用孔122的側壁與內管結構3的外壁之間能構成前述的真空保溫層4。
進一步，如圖1、圖3、圖4所示，內管結構3包括內鋼管31，內鋼管31採用普通管柱即可，其長度和管徑可以根據實際生產與外鋼管11匹配設置；內鋼管31的下部密封連接內管短節32，在本實施方式中，內鋼管31通過螺紋密封連接內管短節32，內鋼管31的上部密封穿設通過抽真空結構2，內管短節32的下部能密封穿設通過第二密封過孔121。在本實施方式中，內管短節32的外壁上沿軸向間隔設置有多個密封圈6，在本發明的一具體實施例中，內管短節32的外壁上沿軸向間隔設置有多個密封環槽321，各密封圈6卡設於各密封環槽321內。密封圈6能夠使內管短節32與第二密封過孔121之間的密封效果更好。
進一步，如圖1、圖2所示，第二密封過孔121與外短節保溫用孔122之間設置有直徑向下漸縮的錐形引導面123，內管短節32的外壁上設置有與錐形引導面123匹配設置的內管錐面33。內管結構3滑設於外管結構1內，並下移至內管短節32上的內管錐面33與錐形引導面123抵靠接觸時，內管結構3停止下移。如圖3、圖4所示，位於內管錐面下方的內管短節32的長度尺寸l1大於位於錐形引導面下方的外管短節的長度尺寸l2，以滿足內管短節32將外管短節12底部的底封堵頭5頂抵打開的要求。
進一步，如圖1所示，抽真空結構2呈帽狀結構，包括真空短節21，真空短節21的頂部設置有能密封穿設通過內管結構3的第三密封過孔211，真空短節21位於第三密封過孔211的下方軸向貫通設置有直徑尺寸大於內管結構3的外壁直徑尺寸的真空保溫用孔212，真空保溫用孔212與真空保溫層4連通設置，真空保溫用孔212與真空保溫層4共同構成密封的保溫空間層，真空短節21的側壁上設置有抽真空接口22，抽真空接口22的一端與真空保溫用孔212連通設置。抽真空接口22的另一端與真空泵(現有技術，圖中未示出)連通設置。
進一步，如圖1至圖4所示，外管結構1的底部設置有直徑向上漸縮的堵頭安裝孔13，底封堵頭5的外壁上設置有與堵頭安裝孔13的側壁匹配的堵頭錐面51，堵頭安裝孔13內能拆卸地密封設置底封堵頭5。在本發明的一具體實施例中，外管結構1下入地熱井之前，將底封堵頭5通過膠水密封固定在堵頭安裝孔13內。
使用本發明的地熱井雙層真空保溫結構100進行地熱開採時，在入井前，首先將底封堵頭5通過膠水坐封於外管短節12底部的堵頭安裝孔13內，然後將外管短節12與外鋼管11通過螺紋連接，開始下入外管結構1，在水壓作用下，底封堵頭5被壓緊於堵頭安裝孔13內，當外管結構1下入到合適位置後停止下放操作，在井口位置固定外鋼管11；然後將內管短節32與內鋼管31通過螺紋連接，同時在內管短節32上安裝密封圈6，開始向外管結構1內下入內管結構3(其狀態如圖3所示)，當內管短節32下入到外管短節12位置，在外管短節12的錐形引導面123導引下，內管短節32進入到外管短節12的第二密封過孔121中，繼續下放內鋼管31，當內管短節32到達底封位置，在重力的作用下內管短節32的底端頂抵打開底封堵頭5，繼續下放內管結構3直至內管短節32外壁上的內管錐面33與外管短節12的錐形引導面123重合，內管短節32的底端處於地熱井中，內管結構3的內腔與地熱井連通。外管保溫用孔112、外短節保溫用孔122的側壁與內管結構3的外壁之間構成真空保溫層4(其狀態如圖4所示)，在井口調節內管結構3的高度以便安裝抽真空結構2，並在井口固定內管結構3；如圖1所示，在井口將抽真空結構2的真空短節21密封套設於內鋼管31上，並將真空短節21的下部密封連接於外鋼管11的第一密封過孔111內，將抽真空接口22的另一端與真空泵連通，通過真空泵將真空保溫層4中的氣體抽出形成真空，實現地熱開採過程中的全尺寸真空保溫，開啟地熱開採裝置，進行地熱開採，回水經內管結構3的內腔返排至地面。
由上所述，本發明提供的地熱井雙層真空保溫結構及其使用方法具有如下有益效果：
(1)本發明的地熱井雙層真空保溫結構保溫效果好，通過同軸套設的內管結構和外管結構之間構成的全尺寸的真空保溫層實現內管結構的真空絕熱，保溫效果好，最大限度地降低熱損失；
(2)本發明的地熱井雙層真空保溫結構可操作性強，所有管柱均為普通管柱，無需特殊加工與操作，正常起下鑽作業人員即可完成；
(3)本發明的地熱井雙層真空保溫結構安全性好，無運動部件，無高壓作業，密封可長期有效；
(4)本發明的地熱井雙層真空保溫結構經濟性好，所有管柱均為普通管柱，且無需特殊絕熱材料，無需特殊作業人員，操作方面，作業時間短，均降低了作業成本，特別適合地熱開發，該結構使得地熱能源得到更好地開發利用。
以上所述僅為本發明示意性的具體實施方式，並非用以限定本發明的範圍。任何本領域的技術人員，在不脫離本發明的構思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均應屬於本發明保護的範圍。