本發(fā)明屬于中深層地熱能資源的開發(fā)利用，具體涉及一種強化中深層閉式地熱單井取熱性能的成井結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、地熱能是一種儲量豐富、分布廣泛、穩(wěn)定可靠的可再生能源。傳統(tǒng)中深層地熱能利用模式主要是采灌結(jié)合的水熱型地熱資源開發(fā)利用，如公開號為cn107642914b的公開專利所述，由于地熱地質(zhì)條件限制，一些砂巖地層回灌困難，導致系統(tǒng)長期運行后出現(xiàn)水位下降、泵耗功增加等一系列問題。為進一步規(guī)范地熱資源的科學管理，多地政府要求地熱尾水須同層回灌且回灌率不低于95％，為此京津冀地區(qū)關(guān)停了一批無法滿足回灌要求的地熱井。如何高效可持續(xù)獲取不同地熱資源條件下的地熱能，實現(xiàn)我國北方地區(qū)建筑的清潔供暖已成為地熱行業(yè)的最大技術(shù)瓶頸。

2、近十年來，一種“取熱不取水”的中深層閉式單井取熱系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展迅速，如公開號為cn112923592a的公開專利所述，該系統(tǒng)通過在封閉的地熱井筒內(nèi)安裝同軸保溫內(nèi)套管，使得換熱工質(zhì)在井壁與內(nèi)套管之間的環(huán)形空間從井口流至井底，沿途吸收近井壁處地層的熱量，再從底部經(jīng)中心保溫內(nèi)套管返回至井口完成換熱過程。

3、目前，現(xiàn)有的中深層閉式單井在固井時，為常將高導熱水泥漿從井底灌注到井口，用來驅(qū)替近井壁地層內(nèi)導熱系數(shù)較低的水，在一定程度上提高了地層的導熱能力，但多個實際工程結(jié)果證明，灌注高導熱水泥漿的技術(shù)手段對于提高取熱功率效果并不明顯。

4、一些專家學者提出了采用閉式連通井(cn104154668a)、閉式分支井(cn106948795b)和閉式水平井(cn108302833a)等多種井身結(jié)構(gòu)提高中深層閉式單井取熱功率，其核心思想是通過增大較高地層溫度段的井筒換熱面積來提升系統(tǒng)取熱能力。然而，在地層和固井水泥導熱系數(shù)受限的情況下，這些方法難以取得明顯效果，加之中深層閉式單井取熱系統(tǒng)較高的初投資和運行費用，限制了該模式的推廣應(yīng)用。

5、針對上述問題，需要根據(jù)不同地熱地質(zhì)條件優(yōu)化設(shè)計中深層閉式單井取熱系統(tǒng)，以提高單井取熱功率，本發(fā)明提出一種強化中深層閉式單井取熱性能的新型成井結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種強化中深層閉式地熱單井取熱性能的成井結(jié)構(gòu)，能夠在地層賦存高溫含水層條件下，使得近井筒處形成自然對流，強化地層內(nèi)流體循環(huán)流動，將閉式系統(tǒng)近井壁熱儲內(nèi)的傳熱模式由常規(guī)導熱模式轉(zhuǎn)換為對流換熱模式，有效提高中深層閉式單井的取熱能力，且成井工藝簡單、經(jīng)濟性好。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、一種強化中深層閉式地熱單井取熱性能的成井結(jié)構(gòu)，包括固井單元及采熱單元，所述采熱單元包括井口及井口下方同軸設(shè)置的保溫內(nèi)套管，所述固井單元包括井口外圍自上而下的低溫地層、高溫地層及含水層，所述低溫地層段位于所述井口下方同軸設(shè)置大套管，所述大套管下方由外向內(nèi)依次同軸安裝濾水管及小套管，所述濾水管的下端穿過所述高溫地層及含水層并連通至地熱井底部，所述小套管的下端穿過所述高溫地層及含水層并通過封堵頭進行密封，所述小套管位于含水層段的外壁上安裝垂向肋片；

4、所述濾水管與小套管之間為間隙設(shè)置，濾水管與小套管之間的間隙形成含水層內(nèi)地熱水的自然對流流動通道。

5、所述大套管及小套管與保溫內(nèi)套管之間的環(huán)形空間形成循環(huán)換熱流體通道；所述保溫內(nèi)套管內(nèi)部的圓形空間形成采熱后的產(chǎn)出通道。

6、而且，所述垂向肋片的個數(shù)為若干個，且均勻分布周向設(shè)置于所述小套管外壁上。

7、而且，所述垂向肋片為三角形或鋸齒形。

8、而且，所述低溫地層與大套管之間填充固井水泥層，所述固井水泥層的水泥為高導熱復(fù)合水泥。

9、本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果為：

10、1、本發(fā)明的成井結(jié)構(gòu)，依托現(xiàn)有“取熱不取水”的閉式取熱模式，固井時上部低溫地層段采用具有一定保溫性能的復(fù)合水泥漿在大套管的外緣進行灌注，減少了換熱工質(zhì)向低溫地層的散熱量，降低了地熱取熱系統(tǒng)的熱損失率。

11、2、本發(fā)明的成井結(jié)構(gòu)，下部高溫地層段和含水層段選用小套管作為地熱井壁，在含水層段的近井壁處形成流體流動間隙，受徑向方向冷熱溫差影響在間隙內(nèi)引起自然對流，強化了高溫含水層段與地熱井內(nèi)循環(huán)工質(zhì)的換熱過程，有效提高中深層地熱單井的取熱能力，實現(xiàn)低成本高效取熱。

12、3、本發(fā)明的成井結(jié)構(gòu)，無需在高溫地層段和含水層段灌注水泥，通過安裝濾水管來支撐上部的大套管，既能保證固井強度，又能減少下部固井水泥的費用，降低新建地熱井的初投資。

13、4、本發(fā)明的成井結(jié)構(gòu)，僅固井時下部安裝濾水管，上部安裝大套管即可，無其他特殊構(gòu)件，不需對地熱井結(jié)構(gòu)進行特殊設(shè)計，總體的施工難度較小，適用范圍非常廣泛。

技術(shù)特征：

1.一種強化中深層閉式地熱單井取熱性能的成井結(jié)構(gòu)，其特征在于：包括固井單元及采熱單元，所述采熱單元包括井口(1)及井口(1)下方同軸設(shè)置的保溫內(nèi)套管(10)，所述固井單元包括井口(1)外圍自上而下的低溫地層(2)、高溫地層(6)及含水層(7)，所述低溫地層(2)段位于所述井口(1)下方同軸設(shè)置大套管(3)，所述大套管(3)下方由外向內(nèi)依次同軸安裝濾水管(5)及小套管(4)，所述濾水管(5)的下端穿過所述高溫地層(6)及含水層(7)并連通至地熱井底部，所述小套管(4)的下端穿過所述高溫地層(6)及含水層(7)并通過封堵頭(9)進行密封，所述小套管(4)位于含水層(7)段的外壁上安裝垂向肋片(8)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述強化中深層閉式地熱單井取熱性能的成井結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述垂向肋片(8)的個數(shù)為若干個，且均勻分布周向設(shè)置于所述小套管(4)外壁上。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述強化中深層閉式地熱單井取熱性能的成井結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述垂向肋片(8)為三角形或鋸齒形。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述強化中深層閉式地熱單井取熱性能的成井結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述低溫地層(2)與大套管(3)之間填充固井水泥層(14)，所述固井水泥層(13)的水泥為高導熱復(fù)合水泥。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種強化中深層閉式地熱單井取熱性能的成井結(jié)構(gòu)，采熱單元包括井口及井口下方同軸設(shè)置的保溫內(nèi)套管，固井單元包括低溫地層、高溫地層及含水層，低溫地層位于井口下方同軸設(shè)置大套管，大套管下方由外向內(nèi)依次同軸安裝濾水管及小套管，濾水管的下端穿過高溫地層及含水層并連通至地熱井底部，小套管的下端通過封堵頭進行密封，小套管位于含水層的外壁上安裝垂向肋片。本發(fā)明的成井結(jié)構(gòu)，能夠在地層賦存高溫含水層條件下，使得近井筒處形成自然對流，強化地層內(nèi)流體循環(huán)流動，將閉式系統(tǒng)近井壁熱儲內(nèi)的傳熱模式由常規(guī)導熱模式轉(zhuǎn)換為對流換熱模式，有效提高中深層閉式單井的取熱能力，且成井工藝簡單、經(jīng)濟性好。

技術(shù)研發(fā)人員：戴傳山,劉東喜,雷海燕,陳謙涵,王啟龍,陳書煥,李延興
受保護的技術(shù)使用者：天津大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/28