一种地热井开式同轴套管换热系统的制作方法

1.本技术涉及地源热井施工的领域，尤其是涉及一种地热井开式同轴套管换热系统。


背景技术：

2.地热能是由地壳抽取的天然热能，这种能量以热力形式存在的绿色清洁能源，开采地热资源可以减少对化石燃料的过度依赖而导致全球变暖和公共卫生风险等问题。地热能作为一种可再生能源，在清洁、可持续的能源体系中占据重要地位。
3.相关技术中的地热能的提取换热多采用地埋管的方式进行。具体来说就是将地埋管埋入地下后，在地埋管内通入工质流体，工质流体流入地下后与地层通过地埋管的管壁进行换热，工质流体吸热后回流至地面，再通过地源热泵将工质流体内的热量提取出来。
4.然而采用地埋管方式提取地下热，钻孔及埋管的数量多，占地面积大，地热井结构复杂，开井难度大，因此，亟需提供一种结构简单，便于施工的换热系统。


技术实现要素：

5.为了降低地热换热系统的施工难度，本技术提供一种地热井开式同轴套管换热系统。
6.本技术提供的一种地热井开式同轴套管换热系统采用如下的技术方案：一种地热井开式同轴套管换热系统，包括设置在井下的井下部分；井下部分包括插设在井下的换热外管和同轴插设在换热外管内部的换热内管，换热内管包括靠近井口设置的安装管，设置在安装管下方的泵室管，设置在泵室管下方的取水管，取水管靠近下端的外周面上还开设有若干射孔；换热外管和换热内管之间还插设有回水管。
7.通过采用上述技术方案，当井下装置工作时，泵室管内的潜水泵将井下取水管中的热水抽出到地面上，热水通过地面上的换热装置换热后，温度降低，然后通过回水管回灌入换热外管与换热内管之间的环形空间中，重新与地下的地层进行换热，回灌水经过与地层换热后温度升高，并再次从射孔进入取水管内，从而体系内水流循环，将地下地层内的热量连续引出并加以利用。换热内管同轴穿插在换热外管内部，从而精简了地热井的结构，降低了地热井的钻井难度，同轴套管安装在地热井内，施工简单。
8.回灌水分布在换热外管与换热内管之间的环形空间中，从而提高了换热面积，增大了热提取量，提高了换热效率。
9.进一步的，换热内管需要进行保温处理，减小了保温内管内的热水与环形空间内冷的回灌水之间的热量交换，提高出水温度。
10.可选的，取水管的下端连接有配重件，所述配重件包括固定管，固定管的下端同轴固接有配重盘，固定管上套设有若干配重环，配重环放置在配重盘上。
11.通过采用上述技术方案，配重件的设置，降低了换热内管整体的重心，提高了换热
内管工作时的稳定性，减小了由于潜水泵工作而造成的换热内管震动，影响抽水效率的情况。工作人员可以根据实际的井深以及取水管的规格等因素选择安装不同数量的配重环，从而改变配重件整体的重量，以便与不同的热井进行适配，提高了安装的便捷性以及配重件对于多种情况的地热井的适应性。
12.可选的，所述配重件与取水管之间设置有连接组件，所述连接组件包括同轴设置在固定管朝向取水管一端的连接管，连接管内周面均匀分布有至少三个卡位件，所述卡位件包括压板，压板朝向取水管的一端设置有一用于压靠在取水管内壁的压块，压板远离压块的一端设置有一铰接杆，铰接杆的两端分别与压板和连接管的内壁相互铰接；连接组件还包括滑移连接在连接管内，用于抵触压板并使压块压紧在取水管内壁上的驱动块。
13.通过采用上述技术方案，由于取水管为pe
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rt材质，而配重件中的固定管为钢材质，为了提高配重件与取水管之间连接的稳定性，使用连接组件将取水管与配重件固定。固定管与连接管均为钢材质，故可以通过焊接，法兰连接，螺接等方式进行固定，然后工作人员将卡位件塞入取水管内，并控制驱动块向取水管的方向滑移，驱动块驱动卡位件抵紧在取水管的内壁上，通过卡位件与取水管内壁之间的摩擦力将连接组件固定在取水管上，操作简单，提高了安装效率可选的，所述驱动块的侧壁上固接有一控制板，连接管周面上开设有容纳控制板伸出的滑道，滑道的长度方向平行于连接管轴线设置。
14.通过采用上述技术方案，工作人员可以操作控制板沿滑道长度方向滑动，从而使得驱动块沿连接管轴向滑移，进而提高了驱动块驱动卡位件压紧在取水管内壁上的稳定性。
15.可选的，所述压块背离压板的一侧设置有若干销钉，销钉的尖端位于远离压块的一端并且沿朝铰接杆的方向倾斜设置。
16.通过采用上述技术方案，工作人员还可以将取水管的端部加热软化，然后将滑移驱动块，使得销钉钉入取水管的内壁，通过销钉与取水管之间的相互卡位，提高了卡位件与取水管固定的稳定性。
17.可选的，所述连接管朝向取水管的一端设置有一套筒，套筒套设在取水管的外侧。
18.通过采用上述技术方案，套筒套设在取水管的外侧，对取水管进行了支撑，一方面减少了由于若干卡位件的外扩压力过大，造成的取水管容易开裂的情况，另一方面，取水管在经过加热软化后，容易受到卡位件的挤压而发生变形，套筒的设置，使得取水管仍可以保持整体外形，从而减少了连接组件与套筒相互固定时，取水管变形的情况，套管的设置，在提高连接组件与取水管固定稳定性的同时，还保护了取水管的结构。
19.可选的，所述连接管与套筒通过法兰连接，套筒的外周面同轴固接有安装法兰，安装法兰和控制板上同时穿设有对拉螺栓，对拉螺栓上螺纹配合有对。
20.通过采用上述技术方案，工作人员可以通过旋拧对拉螺母，控制板带动驱动块向套筒的方向滑移，对拉螺栓的设置，提高了工作人员操作驱动块挤压卡位件的便捷性，并且对拉螺栓和对拉螺母的配合，还限制了驱动块与卡位件的脱离，提高了卡位件对取水管内壁卡位的稳定性。
21.可选的，所述换热外管的周面上开设有若干将换热外管内外贯穿的换热孔，所述换热孔内设置有过滤网。
22.通过采用上述技术方案，换热孔的设置，使得换热外管外侧的地下热水可以通过换热外管上换热孔进入环形空间内，从而有效的提高了热井内的换热效率，与此同时环形空间内的水可以通过换热孔流出到换热外管外，并与换热外管外的地层进行深度换热，并补充的地层内流失的水分，提高了换热效率以及地热井周地层的稳定性。过滤网的设置，对井周的岩石土壤等碎屑进行阻拦，减少了碎屑进入环形空间，影响换热系统正常工作的情况。
23.可选的，所述换热外管的外壁还设置有若干围护环，若干围护环与若干换热孔一一对应，围护环为半圆环，围护环同轴设置在换热孔外侧，围护环位于换热孔轴线以下。
24.通过采用上述技术方案，围护环设置在换热孔的轴线以下，当工作人员在向地热井下入换热外管时，围护环可以起到扩孔的作用，从而减少了下入换热外管的过程中，地层中的土壤、碎石等杂质堵塞换热孔，从而影响换热外管内外水交换的效率。围护环的设置，还提高了换热外管安装在地热井内部的稳定性、可选的，所述换热外管的顶端还设置有安装板，所述安装板的中心同轴开设有一容纳换热内管穿过的第一安装孔，安装板上还开设有若干第一固定孔，第一固定孔绕第一安装孔的轴线均匀分布，第一固定孔内插设有回水管；安装板下方设置有一固定板，固定杆上开设有容纳换热内管穿过的第二安装孔，安装板上绕第二安装孔的轴线还开设有容纳回水管穿过的第二固定孔。
25.通过采用上述技术方案，换热内管中的安装管穿过第一安装孔并与安装板通过法兰固定连接，从而将换热内管固定。安装管依次穿过第一安装孔和第二安装孔，通过第一安装孔和第二安装孔的限位，提高了换热内管整体的稳定性，减少了由于潜水泵工作而导致换热内管震动的情况。
26.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：1.回水管灌入换热外管与换热内管之间的环形空间后，与地层通过换热外管的管壁进行换热，吸热后温度上升的热水进入到取水管内并被潜水泵抽出到地面并对热水中的热量加以利用，换热内管和换热外管同轴设置的结构，降低了地热井施工难度，提高了换热效率。
27.2.参与换热的地下水不仅可以在换热外管和换热内管内流动，还可以通过换热孔进入到换热管外，换热管外的地下热水可以进入到换热管内部，从而进一步的提高了换热效率。
28.3.连接组件的设置，提高了取水管与配重件连接的稳定性，并且方便了工作人员在取水管上连接配重件，提高了安装的便捷性。
附图说明
29.图1是本技术实施例井下部分的整体结构示意图；图2是体现安装板与固定板的安装位置示意图；图3是体现取水管与配重件的连接关系示意图；图4是体现连接组件工作原理的剖视图；附图标记说明：1、换热外管；11、安装板；111、第一安装孔；112、第一固定孔；12、固定板；121、第二安装孔；122、第二固定孔；123、定位孔；13、卡环；131、定位销；14、回水管；
15、换热孔；151、围护环；2、换热内管；21、安装管；22、泵室管；23、转换管；24、取水管；241、射孔；25、钢塑转换接头；3、配重件；31、固定管；32、配重盘；33、配重环；34、固定螺杆；35、固定螺母；4、连接组件；5、连接管；51、固定法兰；52、滑道；6、卡位件；61、压板；62、压块；63、铰接杆；64、第一铰接轴；65、第二铰接轴；66、销钉；67、控制板；7、驱动块；71、滑移段；72、挤压段；8、套筒；81、安装法兰；82、对拉螺栓；83、对拉螺母。
具体实施方式
30.以下结合附图1
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4对本技术作进一步详细说明。
31.本技术实施例公开一种地热井开式同轴套管换热系统。地热井开式同轴换热系统包括设置在井下的井下部分和设置在井上的地面部分。
32.参照图1，井下部分主要包括设置在井下的换热外管1和换热内管2，其中换热内管2同轴插设在换热外管1内部；井上部分包括板式换热器和地源热泵，地下热水从换热内管2抽出后，依次经过板式换热器和地源热泵并逐级换热后，将井下热水中的热量提取出来，温度降低后的地下水回灌入换热内管2和换热外管1之间的环形空间中，重新与地层之间进行热量交换。
33.如图1所示，换热内管2包括由上至下依次设置的安装管21，泵室管22，转换管23，取水管24。其中泵室管22内部安装有潜水泵，为了提高换热内管2工作的稳定性，减少由于潜水泵工作时的震动而影响内管之间管道连接稳定性的情况，安装管21，泵室管22，转换管23均采用钢管材质，并且钢管的外周需要进行保温处理，具体的，可以是在钢管外周包覆保温棉，并在保温棉外侧做防水处理，如覆盖防水薄膜等。由于泵室管22内部安装有潜水泵，泵室管22的管径需求更大，泵室管22的管径大于固定管31管径，固定管31与泵室管22之间需要做变径处理；泵室管22的管径大于转换管23的管径，泵室管22与转换管23之间同样需要做变径处理。安装管21或转换管23可以采用多段钢管螺纹连接的方式进行延长，多段钢管拼接延长的方式提高了运输，安装的便捷性。取水管24为pe
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rt管，为了提高pe材质的取水管24与钢质的转换管23之间连接的稳定性，取水管24与泵室段通过钢塑转换接头25连接。取水管24的下端开设有若干射孔241，从而换热外管1与换热内管2之间的地下热水可以通过射孔241进入换热内管2内，并被潜水泵抽出，作为热水进入地面部分进行换热。经过换热后的热水温度降低，被回灌至换热外管1与换热内管2之间的环形空间中，通过换热外管1管壁与地层之间进行换热，回灌水吸收地层内部的热量后温度上升，当回灌水流动至取水管24射孔241处时，再次通过射孔241进入换热内管2内，从而实现循环，以达到连续取热的目的。
34.如图2所示，地热井的井口处设置有一安装板11，安装板11盖设在换热外管1上方并且安装板11与换热外管1通过法兰连接。安装板11上开设有一容纳固定管31穿过的第一安装孔111，安装板11上绕第一安装孔111的轴线开设有若干第一固定孔112。第一固定孔112位于换热外管1与换热内管2之间的环形空间内，每个第一固定孔112内穿设有一回水管14，回水管14从换热外管1与换热内管2之间的环形空间伸入井下并深入到液面下，从而向环形空间内补充回灌水。换热内管2中的安装管21与安装板11通过法兰连接固定。
35.如图2所示，安装板11的下方还设置有一固定板12，固定板12为圆板，并且固定板12与换热外管1同轴设置。固定板12上开设有一第二安装孔121和若干第二固定孔122，第二
安装孔121与第一安装孔111同轴设置，第二固定孔122绕第二安装孔121轴线均匀分布，第二固定孔122与第一固定孔112的数量相等并且每个第二固定孔122与对应第一固定孔112同轴设置。换热外管1的内壁上固接有一卡环13，上述固定板12放置在卡环13上，通过卡环13的承接将固定板12位置固定。安装管21同时穿过第一固定孔112和第二固定孔122，回水管14同时穿过第一安装孔111和第二安装孔121。第一固定孔112和第二固定孔122的设置，提高了换热内管2安装的稳定性；同理，第一安装孔111和第二安装孔121的设置，提高了回水管14安装在换热内管2与换热外管1之间固定的稳定性，从而使得回灌水的水流流动更加稳定，减少了由于水流波动而造成水流内部产生气泡从而加快管路氧化的情况。并且水流的稳定流动还使得回灌水的温度沿高度方向分布的更加均匀，即回灌水的温度随高度降低而逐渐升高，从而提高了换热效率。
36.如图2所示，卡环13上还固接有定位销131，对应固定板12上开设有与定位销131配合卡位的定位孔123。当固定板12放置在卡环13上时，定位销131插入进定位孔123内，从而通过定位销131与定位孔123的相互配合，限制了固定板12绕自身轴线的转动，提高了固定板12对安装管21与回水管14固定的稳定性。
37.如图1所示，换热外管1的外壁上开设有若干换热孔15，若干换热孔15绕换热外管1的周向均匀分布。换热孔15位于换热外管1靠近底端的管壁上，换热孔15将换热外管1管壁贯穿，从而使得换热外管1内外贯通，地热井内位于换热外管1外侧的地下水可以通过换热孔15进入换热外管1与换热内管2之间的环形空间内。并作为热量载体参与到地热井开式同轴套管换热系统中，环形空间内部的回灌水可以通过换热孔15流入换热外管1外侧的地层中，补充地层内水分并进行深层换热，从而提高了换热效率。
38.换热孔15内设置有过滤网，过滤网用于阻挡地下水中的杂质进入到开式同轴套管换热系统内，提高了换热外管1内部水质的清洁性，进而减少了砂石堵塞管道或砂石影响潜水泵工作稳定性的情况。换热外管1的外壁上还固接有若干围护环151，围护环151为半圆环状态，若干围护环151与若干换热孔15一一对应，围护环151固接在换热孔15的外沿处，并且围护环151位于换热孔15轴线以下。当工作人员向吸热井下安装换热外管1时，围护环151将热井井壁的地层排开，从而减少了在下入换热外管1时，地热井井壁的土壤堆积在换热孔15内，堵塞换热孔15影响换热效率的情况；围护环151的设置同时还保护了过滤网，减少了过滤网被井壁内砂石磨损的情况。
39.如图3和图4所示，为了提高取水管24工作的稳定性，取水管24的下端还设置有配重件3，配重件3包括同轴设置在取水管24下端的固定管31，固定管31的下端同轴固接有一配重盘32，配重盘32的直径大于固定管31的外径，固定管31上套设有若干配重环33，配重环33放置在配重盘32上，配重盘32上固接有固定螺杆34，固定螺杆34轴向平行于固定管31的轴线设置，固定螺杆34穿过若干配重环33并且螺纹配合有一固定螺母35，固定螺母35位于配重环33背离配重盘32的一侧，通过固定螺母35与固定螺杆34之间的螺纹配合从而将配重环33固定在配重盘32上，提高了配重件3的整体性，工作人员可以根据井深等参数调整配重环33的具体数量，从而改变配重重量，使配重件3可以适应不同规格的地热井开式同轴套管换热系统，提高了配重件3使用的便捷性。
40.如图3和图4所示，固定管31选用钢材质，为了与pe材质的取水管24稳定连接，固定管31与取水管24之间设置有连接组件4，连接组件4包括与固定管31同轴设置的连接管5，连
接管5与固定管31之间可以采用螺接或焊接或法兰连接等方式连接固定。连接管5内设置有卡位件6，卡位件6设置在固定管31的内壁上并且卡位件6绕连接管5的周向均匀设置有4个。卡位件6包括压板61，压板61朝向取水管24的一端固接有一压块62，压块62位于压板61朝向取水管24内壁的一面设置。压板61远离压块62的一端设置有一铰接杆63，铰接杆63朝向压板61的一端穿设有第一铰接轴64，第一铰接轴64穿过压板61并与压板61转动连接，铰接杆63远离压板61的一端穿设有第二铰接轴65，第二铰接轴65与连接管5的内壁转动连接。第一铰接轴64的轴向垂直于连接管5的轴向设置，第一铰接轴64的轴向还垂直于连接管5的径向设置。第二铰接轴65的轴线平行于第一铰接轴64的轴线设置。
41.如图4所示，连接管5内还设置有一用于抵触压板61并使压块62压紧在取水管24内壁上的驱动块7。驱动块7为两段直径不同的圆柱体同轴固接而成，具体的，驱动块7包括与连接管5内径等大的滑移段71和内径小于滑移段71的挤压段72。挤压段72位于滑移段71朝向取水管24的一端。
42.当工作人员在使用连接组件4时，首先将连接管5与固定管31相互连接固定，然后将压板61固接有压块62的一端塞入取水管24内部，然后工作人员控制驱动块7向取水管24的方向滑移，挤压段72挤压压板61，并使得压板61上压块62与取水管24内壁贴紧，通过压块62对取水管24内壁的挤压，从而将连接管5与取水管24相互固定。提高了钢材质的配重件3与pe材质的取水管24相互连接的稳定性。
43.如图4所示，随着驱动块7进一步的向取水管24的方向滑移，压板61在挤压段72的挤压下，与挤压段72的周面相互贴靠，此时压板61远离压块62的一端向挤压段72的方向转动，与此同时铰接杆63相适应的由倾斜于连接管5径向的状态转动至平行于连接管5径向的状态。由于铰接杆63上第二铰接轴65转动连接在连接管5内壁上，当铰接杆63发生适应性转动时，铰接杆63上安装有第一铰接轴64的一端向远离取水管24的方向摆动，并拉动压板61向配重件3的方向滑移，此时由于压块62已经与取水管24内壁抵紧固定，进而使得连接管5与取水管24相互靠近，提高了连接管5与取水管24相互固定的稳定性。
44.进一步的，在本技术其他实施例中连接管5的内径可以等于取水管24的外径，则当铰接杆63转动并驱动连接管5与取水管24相互靠近时，连接管5可以套设在取水管24的外周，从而对取水管24提供支撑，减少了由于压块62压紧在取水管24内壁上，取水管24受压变形，从而影响固定稳定性的情况。
45.如图4所示，压块62背离压板61的一面固接有若干销钉66，销钉66的尖端背离压块62并且销钉66沿朝向铰接杆63的方向倾斜设置。当压块62压紧在取水管24内壁时，销钉66钉入取水管24内壁，通过销钉66与取水管24内壁的相互卡位，从而提高了连接组件4与取水管24固定的稳定性。工作人员在使用将连接组件4与取水管24固定时，还可以对取水管24的端部进行加热，使其软化，从而销钉66可以更容易的插入取水管24内部，随着取水管24的回冷并逐渐硬化后，销钉66被固定在取水管24内，提高了销钉66与pe管固定的稳定性如图4所示，滑移段71的外周面上固接有控制板67，控制板67沿滑移段71的径向设置，并且控制板67的两端分别突出于滑移段71设置。控制板67相互垂直的设置有两个，对应的连接管5上设置有用于容纳控制板67伸出的滑道52，滑道52为长条状并且滑道52的长度方向平行于连接管5的轴线设置。控制的设置使得工作人员可以通过控制板67控制驱动块7的滑移，提高了操作的便捷性。
46.连接管5背离配重件3的一端设置有一套筒8，套筒8的内径等于取水管24的外径，从而套筒8围设在取水管24的外侧并对取水管24进行稳定的支撑，减少了由于支撑管受压块62的压力变形而影响固定稳定性的情况。套筒8外周面上固接有一安装法兰81，对应连接管5的外周面固接有固定法兰51，连接管5与套筒8通过法兰连接。
47.如图4所示，控制板67的两端分别设置有一对拉螺栓82。对拉螺栓82同时穿设在控制板67和安装法兰81上，对拉螺栓82的端部还螺纹配合有一对拉螺母83，通过对拉螺栓82与对拉螺母83之间的螺纹配合而使驱动块7向取水管24的方向滑移，从而提高了驱动块7推动压板61将取水管24内壁压紧的稳定性，并且对拉螺栓82的设置还对驱动块7起到了限位作用，减少了驱动块7向远离取水管24方向滑移而造成卡位件6松动的情况，提高了连接组件4对配重件3与取水管24固定的稳定性。
48.本技术实施例一种地热井开式同轴套管换热系统的实施原理为：当工作人员在将取水管24与配重件3相互固定时，工作人员首先将连接管5与固定管31螺纹连接，然后将套筒8与连接管5法兰连接，接着将卡位件6塞入取水管24内，旋拧对拉螺栓82和对拉螺母83从而控制驱动块7挤压卡位件6，进而将连接组件4与取水管24固定。工作人员将换热外管1下入井下，并将换热内管2下入换热外管1内。然后在换热外管1与换热内管2之间的环形空间中放置固定板12，并在井口处固定安装板11，安装板11分别与换热外管1与换热内管2固定，从而完成开设同轴套管换热系统的安装。当开设同轴套管换热系统工作时，潜水泵将取水管24内的地下热水抽出，并将其送入地面上的板式换热器以及地源热泵处进行换热，经过放热后温度降低的地下热水，通过回水管14回灌至换热外管1与换热内管2之间的环形空间中，回灌水逐渐下流并通过换热外管1的管壁与吸收地层热量，当回灌水流动至热井底部时，回灌水通过射孔241进入取水管24，从而使得开式同轴套管换热系统实现连续取热。
49.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。