本发明属于中深层地岩换热和干热岩换热领域，尤其是涉及一种提高“取热不取水”的增大地岩换热系统换热量的技术固井方法。
背景技术：
中深层地热能是从地壳抽取的天然地热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热能形式存在,在当今人们的环保意识日渐增强和能源日趋紧缺的情况下，地热能作为一种新的洁净能源，对地热资源的合理开发利用已愈来愈受到人们的青睐，但在现有技术中无法有效的计算地岩热量的传导能力及详细的温度分布情况，且计算过程也是比较复杂，因此如何有效提高地岩换热量成为亟待解决的问题。本发明专利根据天津柯瑞斯空调设备有限公司工厂内2000米中深层地岩换热系统装置试验换热井的固井工艺，在实验的基础上进一步改进的固井工艺和方法。
换热管是放置在凿井深孔内，通过固井工艺把换热管和凿井深孔固定为一体，从而形成地岩换热井，地岩换热井为中深层地岩换热系统的核心部分，影响整个系统的造价、运行状态和运行费用。
根据地质和传统取水井的资料显示，随着地下深度增加，温度逐渐升高，在地热异常区其温度梯度每100米可达到3℃以上。中深层地岩换热系统技术就是在不提取地下热水的前提下通过换热管提取热量来供给用户，在热量提取的过程中地岩换热井底部岩层的温度最高，能够有效的把地岩热传递给换热介质，上部地表温度较低，换热介质的热量会传递给地表土壤，造成热量损失。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明旨在提出一种增强中深层地岩换热量的固井方法，以克服现有技术的缺陷，增强换热管底部的换热效率、减少上部换热管的热量损失。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种增强中深层地岩换热量的固井方法，包括在至少两开的凿井深孔完成后，对凿井深孔内壁和换热管之间的区域采用上部绝热固井、下部增强换热固井的步骤。
优选的，所述的增强中深层地岩换热量的固井方法，包括在至少两开的凿井深孔完成后，对井内不同深度的温度进行探测，并绘制凿井深度和测量温度关系曲线的步骤；根据中深层地岩换热系统的设计回水温度确定导热材料和绝热材料沿凿井深孔深度方向设置的分割点的步骤；以及在凿井深孔内壁和换热管之间分割点以上低于设计回水温度的区域和凿井深孔内壁和换热管之间分割点以下高于设计回水温度的区域分别充注绝热材料和导热材料的步骤。
优选的，当分割点距井口的距离大于一开凿井深度时，在凿井深孔内壁和换热管之间分割点以上低于设计回水温度和以下高于设计回水温度的区域分别填充绝热材料和导热材料的过程包括以下步骤：
(1)将带有双层单向阀的换热管放置在凿井深孔后，换热管中注满清洁水，在换热管内下入一根管径小于换热管内径的第一注浆管，直至第一注浆管底部在两个单向阀之间的平台上为止，第一注浆管和换热管上部采用焊接或丝扣完全密封连接，保证两者连接处在2mpa压力下液体不泄露；
(2)采用高扬程泥浆泵将绝热材料通过第一注浆管注入凿井深孔，绝热材料通过双层单向阀沿凿井深孔的内壁和换热管外壁的缝隙向上流动；
(3)目标体积的绝热材料充注完毕后，接着更换导热材料充注；此处目标体积的绝热材料指与凿井深孔内壁和换热管外壁之间从分割点到一开凿井井口区域体积相当的绝热材料。
(4)目标体积的导热材料充注完毕后，接着用高扬程泥浆泵充注液体水；此处目标体积的导热材料是指与凿井深孔内壁和换热管外壁之间从分割点到整个凿井深孔底部区域以及换热管底部到整个凿井深孔底部区域的总体积相当的导热材料。
(6)液体水的充注量为第一注浆管的内容积量，充注完毕后，取出第一注浆管；
(7)静置65-80小时等待绝热材料和导热材料凝固，然后用凿井钻头对井下反浆扫平至换热管深度。
优选的，所述绝热材料为导热系数为0.01-0.08w/m.k的膨胀珍珠岩水泥浆；步骤(7)中，静置时间为72小时。
优选的，膨胀珍珠岩水泥浆为水与水泥、膨胀珍珠岩的混合物，其中水的质量与水泥、膨胀珍珠岩两者的总质量相等；水泥和膨胀珍珠岩其体积配比为1:(3-7)；优选的，水泥和膨胀珍珠岩其体积配比为1:5。该绝热材料的制备方法为：将水泥和膨胀珍珠岩按体积配比混合，然后加入等质量的水混合搅拌而成。
优选的，当分割点距井口的距离小于等于一开凿井深度，且一开凿井直径大于二开凿井直径时，在凿井深孔内壁和换热管之间分割点以上低于设计回水温度和以下高于设计回水温度的区域分别填充绝热材料和导热材料的过程包括以下步骤：
(1)将带有双层单向阀的换热管放置在凿井深孔后，换热管中注满清洁水，在换热管内下入一根管径小于换热管内径的第一注浆管，直至第一注浆管底部在两个单向阀之间的平台上为止，第一注浆管和换热管上部采用焊接或丝扣完全密封连接，保证两者连接处在2mpa压力下液体不泄露；
(2)把导热材料通过第一注浆管注入凿井深孔，导热材料通过双层单向阀沿凿井深孔的内壁和换热管外壁的缝隙向上流动；
(3)将目标体积的导热材料充注完毕后，接着充注液体水；此处目标体积的导热材料是指与凿井深孔内壁和换热管外壁之间从分割点到整个凿井深孔底部区域以及换热管底部到整个凿井深孔底部区域的总体积相当的导热材料。
(4)液体水的充注量为第一注浆管的内容积量，充注完毕后，取出第一注浆管；
(5)选用管外径小于一开凿井孔径和二开凿井孔径差的一半的第二注浆管至少两根，沿换热管的外壁放置，放置深度与分割点距一开凿井井口的间距相等。
(6)沿第二注浆管注入目标体积的绝热材料，绝热材料注入完毕后，注入第二注浆管同体积的清水，然后取出第二注浆管。此处目标体积的绝热材料指与凿井深孔内壁和换热管外壁之间从分割点到一开凿井井口区域体积相当的绝热材料。
(7)静置65-80小时等待绝热材料和导热材料凝固，然后用凿井钻头对井下反浆扫平至换热管深度。
优选的，绝热材料为发泡水泥；优选的，绝热材料为导热系数为0.08～0.12w/m.k的发泡水泥，低于土壤和泥岩的导热系数(0.293w/m.k)，可起到保温效果；步骤(7)中，静置时间为72小时。
优选的，导热材料的导热系数大于底层岩石的导热系数。
优选的，导热材料为水泥浆和混合导热粉的混合物，其中混合导热粉为水泥浆质量的8％-15％；混合导热粉为导热石墨粉和纳米氧化铝导热粉的混合物。
优选的，所述水泥浆为水和水泥灰的混合物，其中水和水泥灰的质量比为(0.3-0.7)：1；水泥浆密度为1700-1900kg/m3；所述导热石墨粉和纳米氧化铝导热粉的质量比为(0.2-0.6):(0.4-0.8)；优选的，水泥浆中水和水泥灰的质量比为0.5：1，水泥浆密度为1800kg/m3，导热石墨粉和纳米氧化铝导热粉的质量比为0.4:0.6。
导热材料的制备方法为：采用水、水泥灰、导热石墨粉和纳米氧化铝导热粉，先把水泥灰和水混合成水泥浆，然后在水泥浆内加入8％～15％由导热石墨粉和纳米氧化铝导热粉混合而成的的混合导热粉，形成导热材料。
相对于现有技术，本发明所述的一种增强中深层地岩换热量的固井方法具有以下优势：
本发明所述的一种增强中深层地岩换热量的固井方法，凿井深孔完成后，根据其温度探测情况和地质分布情况，绘制出温度分布情况，再根据中深层地岩换热系统的设计回水温度确定导热材料和绝热材料的分割点，在分割点以上采用绝热固井工艺，可避免换热量的外界损失，相比常规固井工艺减少散热量30-50％；分割点以下采用导热材料增强换热固井工艺，可提高换热管的换热效率，相比常规固井工艺可提升换热量10-30％。
本发明所述的一种增强中深层地岩换热量的固井方法，可用于地下2000米的中深层地岩换热系统，但其使用场所不局限于地下2000米的中深层地岩换热系统，在地下800至3500米的“取热不取水”的中深层地岩换热系统成井过程中都适用。
本发明所述的双层单向阀为本领域的技术人员所公知的，是指将两个单向阀用丝扣或法兰串接在一起使用。
附图说明
图1为本发明实施例1增强中深层地岩换热量的固井方法中凿井深孔的结构示意图；
图2为本发明实施例1增强中深层地岩换热量的固井方法中凿井深孔与换热管的相对位置结构示意图；
图3为本发明实施例1增强中深层地岩换热量的固井方法中凿井深孔、换热管和第一注浆管的相对位置结构示意图；
图4为本发明实施例1增强中深层地岩换热量的固井方法中液体/绝热材料/导热材料流动方向示意图；
图5为本发明实施例1增强中深层地岩换热量的固井方法中导热材料注入后的状态示意图；
图6为本发明实施例1增强中深层地岩换热量的固井方法中绝热材料注入后的状态示意图；
图7为本发明实施例1增强中深层地岩换热量的固井方法中导热材料和绝热材料均完成注入后的状态示意图；
图8为本发明实施例2增强中深层地岩换热量的固井方法中导热材料已完成注入、准备注入绝热材料的状态示意图；
图9为本发明实施例2增强中深层地岩换热量的固井方法中导热材料和绝热材料均完成注入后的状态示意图；
图10为本发明实施例3增强中深层地岩换热量的固井方法中导热材料已完成注入、准备注入绝热材料的状态示意图；
图11为本发明增强中深层地岩换热量的固井方法中凿井深度和测量温度的关系曲线图。
附图标记：
1-一开凿井；2-二开凿井；3-换热管；4-第一注浆管；5-第二注浆管；6-双层单向阀；7-地下岩层；8-绝热材料；9-导热材料。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例及附图来详细说明本发明。
实施例1
一种增强中深层地岩换热量的固井方法，在两开的凿井深孔完成后，对其井内不同深度的温度和地质分布情况进行探测，根据其温度探测情况和地质分布情况，绘制出凿井深度和测量温度关系曲线，再根据中深层地岩换热系统的设计回水温度t确定导热材料和绝热材料的分割点h4。低于设计温度t的凿井深度必须采用绝热材料固井的工艺，高于设计温度t的凿井深度必须采用导热材料固井的工艺，如图11所示。
绝热材料固井的工艺和导热材料固井的工艺具体来说就是：
在两开的凿井深孔完成后，对凿井深孔内壁和换热管3之间的区域采用上部绝热固井、下部增强换热固井。再细说就是，凿井深孔内壁和换热管3之间分割点以上低于设计回水温度的区域和凿井深孔内壁和换热管3之间分割点以下高于设计回水温度的区域分别充注绝热材料和导热材料。
如图1-7所示，当分割点距井口的距离大于一开凿井1深度时，在凿井深孔内壁和换热管3之间分割点以上低于设计回水温度和以下高于设计回水温度的区域分别填充绝热材料和导热材料的过程包括以下步骤：
(1)将带有双层单向阀6的换热管3放置在凿井深孔后，换热管3中注满清洁水，在换热管3内下入一根管径小于换热管3内径的第一注浆管4，直至第一注浆管4底部在两个单向阀之间的平台上为止，第一注浆管4和换热管3上部密封连接，保证两者连接处在2mpa压力下液体不泄露；
(2)采用高扬程泥浆泵将绝热材料通过第一注浆管4注入凿井深孔，绝热材料通过双层单向阀6沿凿井深孔的内壁和换热管3外壁的缝隙向上流动；
(3)目标体积v2的绝热材料充注完毕后，接着更换导热材料充注；
(4)目标体积v1的导热材料充注完毕后，接着用高扬程泥浆泵充注液体水；
(6)液体水的充注量为第一注浆管4的内容积量，充注完毕后，取出第一注浆管4；
(7)静置72小时等待绝热材料和导热材料凝固，然后用凿井钻头对井下反浆扫平至换热管3深度。
本实施例一开凿井1、二开凿井2、换热管3和第一注浆管4均为圆柱状；目标体积v2和v1的计算公式分别为：
v1＝π*b*b*(h2-h4)/4-π*c*c*(h3-h4)/4
v2＝π*[a*a*h1+b*b*(h4-h1)]/4-π*c*c*h4/4
上述公式中：
v1-为导热材料的填充量，m3；
v2-为绝热材料的填充量，m3；
a-为一开凿井1的孔直径，m；
b-为二开凿井2的孔直径,m；
c-为换热管3的直径,m；
h1-为一开凿井1的深度,m；
h2-为二开凿井2的深度,m；
h3-为换热管3的插入整个凿井深孔的深度,m；
h4-为绝缘材料固井深度，也即分割点所在位置的凿井深孔深度,m。
实际固井过程中，可按照上述公式计算出导热材料和绝热材料后，按照相应的体积准备材料。本实施例中，a＝273mm＝0.273m,b＝250mm＝0.25m，c＝177.8mm＝0.1778m，h1＝300m，h2＝2018m，h3＝2000m；设计温度t＝18℃,h4＝400m，则根据上述公式计算后，v1＝39.677m3，v2＝12.531m3。
所述绝热材料为导热系数为0.045w/m.k的膨胀珍珠岩水泥浆。
膨胀珍珠岩水泥浆为水与水泥、膨胀珍珠岩的混合物，其中水的质量与水泥、膨胀珍珠岩两者的总质量相等；水泥和膨胀珍珠岩其体积配比为1:5。
绝热材料的制备方法为：将水泥和膨胀珍珠岩按体积配比为1:5混合，然后加入等质量的水混合搅拌而成。
导热材料的导热系数大于底层岩石的导热系数,导热材料的导热系数由添加混合导热粉来确定。
导热材料为水泥浆和混合导热粉的混合物，其中混合导热粉为水泥浆质量的10％；混合导热粉为导热石墨粉和纳米氧化铝导热粉的混合物。
所述水泥浆为水和水泥灰的混合物，其中水和水泥灰的质量比为0.5：1；水泥浆密度为1800kg/m3；所述导热石墨粉和纳米氧化铝导热粉的质量比为0.4:0.6。
导热材料的制备方法为：采用水、水泥灰、导热石墨粉和纳米氧化铝导热粉，先把水泥灰和水混合成水泥浆，然后在水泥浆内加入10％由导热石墨粉和纳米氧化铝导热粉混合而成的混合导热粉，形成导热材料。
采用本实施例所述的增强中深层地岩换热量的固井方法对两开的凿井深孔进行上部绝热固井，可减少散热量50％；下部增强换热固井后，可提升换热量30％。
实施例2
一种增强中深层地岩换热量的固井方法，在两开的凿井深孔完成后，对其井内不同深度的温度和地质分布情况进行探测，根据其温度探测情况和地质分布情况，绘制出凿井深度和测量温度关系曲线，再根据中深层地岩换热系统的设计回水温度t确定导热材料和绝热材料的分割点h4。低于设计温度t的凿井深度必须采用绝热材料固井的工艺，高于设计温度t的凿井深度必须采用导热材料固井的工艺，如图11所示。
绝热材料固井的工艺和导热材料固井的工艺具体来说就是：
在两开的凿井深孔完成后，对凿井深孔内壁和换热管3之间的区域采用上部绝热固井、下部增强换热固井。再细说就是，凿井深孔内壁和换热管3之间分割点以上低于设计回水温度的区域和凿井深孔内壁和换热管3之间分割点以下高于设计回水温度的区域分别充注绝热材料和导热材料。
如图8和图9所示，当分割点距井口的距离等于一开凿井1深度，且一开凿井1直径大于二开凿井2直径时，在凿井深孔内壁和换热管3之间分割点以上低于设计回水温度和以下高于设计回水温度的区域分别填充绝热材料和导热材料的过程包括以下步骤：
(1)将带有双层单向阀6的换热管3放置在凿井深孔后，换热管3中注满清洁水，在换热管3内下入一根管径小于换热管3内径的第一注浆管4，直至第一注浆管4底部在两个单向阀之间的平台上为止，第一注浆管4和换热管3上部密封连接，保证两者连接处在2mpa压力下液体不泄露；
(2)采用高扬程泥浆泵把导热材料通过第一注浆管4注入凿井深孔，导热材料通过双层单向阀6沿凿井深孔的内壁和换热管3外壁的缝隙向上流动；
(3)将目标体积v1的导热材料充注完毕后，接着用高扬程泥浆泵充注液体水；
(4)液体水的充注量为第一注浆管4的内容积量，充注完毕后，取出第一注浆管4；
(5)选用管外径小于一开凿井1孔径和二开凿井2孔径差的一半的第二注浆管5四根，沿换热管3的外壁放置，放置深度与分割点距一开凿井1井口的间距相等。
(6)沿第二注浆管5注入目标体积v2的绝热材料，绝热材料注入完毕后，注入第二注浆管5同体积的清水，然后取出第二注浆管5。
(7)静置72小时等待绝热材料和导热材料凝固，然后用凿井钻头对井下反浆扫平至换热管3深度。
本实施例一开凿井1、二开凿井2、换热管3、第一注浆管4和第二注浆管5均为圆柱状；目标体积v2和v1的计算公式分别为：
v1＝π*b*b*(h2-h1)/4-π*c*c*(h3-h1)/4
v2＝π*(a*a*h1)/4-π*c*c*h1/4
上述公式中：
v1-为导热材料的填充量，m3；
v2-为绝热材料的填充量，m3；
a-为一开凿井1的孔直径,m；
b-为二开凿井2的孔直径,m；
c-为换热管3的直径,m；
h1-为一开凿井1的深度,m；
h2-为二开凿井2的深度,m；
h3-为换热管3的插入整个凿井深孔的深度,m；
h4-为绝缘材料固井深度，也即分割点所在位置的凿井深孔深度,m。
实际固井过程中，可按照上述公式计算出导热材料和绝热材料后，按照相应的体积准备材料。本实施例中，a＝273mm＝0.273m，b＝250mm＝0.25m，c＝177.8mm＝0.1778m，h1＝300m，h2＝2018m，h3＝2000m；如果设计温度t＝16.2℃,h4＝300m，则根据上述公式计算后，v1＝42.102m3，v2＝10.107m3。
绝热材料为导热系数为0.10w/m.k的发泡水泥。
导热材料的导热系数大于底层岩石的导热系数,导热材料的导热系数由添加混合导热粉来确定。
导热材料为水泥浆和混合导热粉的混合物，其中混合导热粉为水泥浆质量的12％；混合导热粉为导热石墨粉和纳米氧化铝导热粉的混合物。
所述水泥浆为水和水泥灰的混合物，其中水和水泥灰的质量比为0.5：1；水泥浆密度为1750kg/m3；所述导热石墨粉和纳米氧化铝导热粉的质量比为0.3:0.7。
导热材料的制备方法为：采用水、水泥灰、导热石墨粉和纳米氧化铝导热粉，先把水泥灰和水混合成水泥浆，然后在水泥浆内加入12％由导热石墨粉和纳米氧化铝导热粉混合而成的混合导热粉，形成导热材料。
采用本实施例所述的增强中深层地岩换热量的固井方法对两开的凿井深孔进行上部绝热固井，可减少散热量45％；下部增强换热固井后，可提升换热量24％。
实施例3
一种增强中深层地岩换热量的固井方法，在两开的凿井深孔完成后，对其井内不同深度的温度和地质分布情况进行探测，根据其温度探测情况和地质分布情况，绘制出凿井深度和测量温度关系曲线，再根据中深层地岩换热系统的设计回水温度t确定导热材料和绝热材料的分割点h4。低于设计温度t的凿井深度必须采用绝热材料固井的工艺，高于设计温度t的凿井深度必须采用导热材料固井的工艺，如图11所示。
绝热材料固井的工艺和导热材料固井的工艺具体来说就是：
在两开的凿井深孔完成后，对凿井深孔内壁和换热管3之间的区域采用上部绝热固井、下部增强换热固井。再细说就是，凿井深孔内壁和换热管3之间分割点以上低于设计回水温度的区域和凿井深孔内壁和换热管3之间分割点以下高于设计回水温度的区域分别充注绝热材料和导热材料。
如图10所示，当分割点距井口的距离小于一开凿井1深度，且一开凿井1直径大于二开凿井2直径时，在凿井深孔内壁和换热管3之间分割点以上低于设计回水温度和以下高于设计回水温度的区域分别填充绝热材料和导热材料的过程包括以下步骤：
(1)将带有双层单向阀6的换热管3放置在凿井深孔后，换热管3中注满清洁水，在换热管3内下入一根管径小于换热管3内径的第一注浆管4，直至第一注浆管4底部在两个单向阀之间的平台上为止，第一注浆管4和换热管3上部密封连接，保证两者连接处在2mpa压力下液体不泄露；
(2)采用高扬程泥浆泵把导热材料通过第一注浆管4注入凿井深孔，导热材料通过双层单向阀6沿凿井深孔的内壁和换热管3外壁的缝隙向上流动；
(3)将目标体积v1的导热材料充注完毕后，接着用高扬程泥浆泵充注液体水；
(4)液体水的充注量为第一注浆管4的内容积量，充注完毕后，取出第一注浆管4；
(5)选用管外径小于一开凿井1孔径和二开凿井2孔径差的一半的第二注浆管5六根，沿换热管3的外壁放置，放置深度与分割点距一开凿井1井口的间距相等。
(6)沿第二注浆管5注入目标体积v2的绝热材料，绝热材料注入完毕后，注入第二注浆管5同体积的清水，然后取出第二注浆管5。
(7)静置72小时等待绝热材料和导热材料凝固，然后用凿井钻头对井下反浆扫平至换热管3深度。
本实施例一开凿井1、二开凿井2、换热管3、第一注浆管4和第二注浆管5均为圆柱状；目标体积v2和v1的计算公式分别为：
v1＝π*b*b*(h2-h1)/4+π*a*a*(h1-h4)/4-π*c*c*(h3-h4)/4
v2＝π*(a*a-b*b)*h4/4
v1-为导热材料的填充量，m3；
v2-为绝热材料的填充量，m3；
a-为一开凿井1的孔直径，m；
b-为二开凿井2的孔直径，m；
c-为换热管3的直径，m；
h1-为一开凿井1的深度,m；
h2-为二开凿井2的深度,m；
h3-为换热管3的插入整个凿井深孔的深度,m；
h4-为绝缘材料固井深度，也即分割点所在位置的凿井深孔深度,m。
实际固井过程中，可按照上述公式计算出导热材料和绝热材料后，按照相应的体积准备材料。本实施例中，a＝273mm＝0.273m，b＝250mm＝0.25m，c＝177.8mm＝0.1778m，h1＝300m，h2＝2018m，h3＝2000m；如果充分利用其地岩换热井的设计温度可设为10℃，根据测井温度其土壤温度能够传递到换热管内部，这时h4＝150m，则根据上述公式计算后，v1＝47.155m3，v2＝1.413m3。
绝热材料为导热系数为0.1w/m.k的发泡水泥。
导热材料的导热系数大于底层岩石的导热系数，导热材料的导热系数由添加混合导热粉来确定。
导热材料为水泥浆和混合导热粉的混合物，其中混合导热粉为水泥浆质量的14％；混合导热粉为导热石墨粉和纳米氧化铝导热粉的混合物。
所述水泥浆为水和水泥灰的混合物，其中水和水泥灰的质量比为0.5：1；水泥浆密度为1800kg/m3；所述导热石墨粉和纳米氧化铝导热粉的质量比为0.4:0.6。
导热材料的制备方法为：采用水、水泥灰、导热石墨粉和纳米氧化铝导热粉，先把水泥灰和水混合成水泥浆，然后在水泥浆内加入14％由导热石墨粉和纳米氧化铝导热粉混合而成的混合导热粉，形成导热材料。
采用本实施例所述的增强中深层地岩换热量的固井方法对两开的凿井深孔进行上部绝热固井，可减少散热量30％；下部增强换热固井后，可提升换热量13％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。