地热井双层真空保温结构及其使用方法与流程

本发明涉及地热开采技术领域，尤其涉及一种地热井双层真空保温结构及其使用方法。

背景技术：

进入21世纪以来，随着我国社会经济快速发展、能源供需矛盾的加剧、能源结构的调整、以及节能减排和环境保护的需要，可再生能源的开发利用日益受到全社会的重视。地热能作为一种清洁、无污染的替代能源，对缓解能源供应压力、改善生态环境发挥着重要的作用。因此，加快地热资源开发利用的速度势在必行。

直接采水取热是目前最高效的一种地热开发方式，但是地下水的大量采出会引发地下水位下降和地面沉降等问题，必须将尾水通过注入井回灌到地热储层。由于储层物性的限制，直接采水取热存在尾水回灌难的问题，尚未大规模推广利用。

为了确保地热资源的可持续开发利用，实现经济效益、社会效益和环境效益的统一，上世纪提出了“取热不取水”的地热开发方式，即在油套环空中注入冷水，通过水的不断流动，与周围高温地层形成对流换热，在井底处，水温达到最高，通过油管返排到地面，实现对地热资源的开发利用。但是在瑞典的现场应用中，实际出口温度总是低于预期，其中一个主要原因是中心管隔热保温性能较差。由于中心管中的水温始终高于环空中的水温，因此回水过程中会产生持续的热损失，降低了取热功率，限制了该种地热开发方式的推广。

提高中心管的保温性能有利于减少热损，但是目前，尚未有直接应用于数千米地热井的回水保温管。另外，近几年市场上也推出了几款真空保温管，不过主要是用于地面工程，对于地热井的应用有其局限性：首先，由于井深数千米，因此对保温管的抗拉强度、抗内压强度以及抗外挤强度均提出了更为严苛的要求。经过计算，并且考虑温度和高速水流的影响，其强度至少需达到几十个兆帕，甚至上百个兆帕；其次，根据地热钻探技术规程(dz/t0260-2014)，四开井筒直径仅为152.4mm，下入的尾管直径甚至仅为114.3mm，因此在保证足够的注水环空尺寸条件下，真空管尺寸将有极大地限制，需要额外的进行定制加工，提高了成本；再次，考虑到工程实际，不可能在地面上加工数千米的真空管再下入井底，即使真空管分段下入，但是由于不能实现全尺寸的真空保温，因此热损失会相对更高；最后，现场对于真空管的下入没有配套的设备和专业人员，需要额外投入更多的人力物力，并且还可能带来一些下入或起出过程的安全问题。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种地热井双层真空保温结构及其使用方法，以克服现有技术的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种地热井双层真空保温结构及其使用方法，克服现有技术中存在的普通中心管保温性能差和真空保温管安装困难、施工成本高、安全性无法保证的问题，该结构及其使用方法能在回水过程中隔热保温，最大限度地降低热损失，安全性高，有效提高经济效益。

本发明的目的是这样实现的，一种地热井双层真空保温结构；所述地热井双层真空保温结构包括内腔轴向贯通的外管结构，所述外管结构的顶部能拆卸地密封连接有抽真空结构，所述外管结构的底部能拆卸地密封设置有底封堵头，所述外管结构内同轴套设有能轴向固定的、且内腔轴向贯通的内管结构，所述内管结构的长度尺寸大于所述外管结构的长度，所述内管结构的顶部密封穿设通过所述抽真空结构，所述内管结构的底部能向下顶抵打开所述底封堵头后密封穿设通过所述外管结构，所述外管结构的内壁与所述内管结构的外壁之间能构成顶部与所述抽真空结构连通的底部密封的真空保温层。

在本发明的一较佳实施方式中，所述外管结构包括外钢管，所述外钢管的下部密封连接外管短节，所述外钢管的顶部设置有能密封连接所述抽真空结构的第一密封过孔，所述外钢管位于所述第一密封过孔的下方轴向贯通设置有直径尺寸大于所述内管结构的外壁直径尺寸的外管保温用孔，所述外管短节的下部设置有能密封穿设所述内管结构的第二密封过孔，所述外管短节位于所述第二密封过孔的上方轴向贯通设置有直径尺寸大于所述内管结构的外壁直径尺寸的外短节保温用孔，所述外管保温用孔、所述外短节保温用孔的侧壁与所述内管结构的外壁之间能构成所述真空保温层。

在本发明的一较佳实施方式中，所述内管结构包括内钢管，所述内钢管的下部密封连接内管短节，所述内钢管的上部密封穿设通过所述抽真空结构，所述内管短节的下部能密封穿设通过所述第二密封过孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第二密封过孔与所述外短节保温用孔之间设置有直径向下渐缩的锥形引导面，所述内管短节的外壁上设置有与所述锥形引导面匹配设置的内管锥面，位于所述内管锥面下方的内管短节的长度尺寸大于位于所述锥形引导面下方的所述外管短节的长度尺寸。

在本发明的一较佳实施方式中，所述内管短节的外壁上沿轴向间隔设置有多个密封圈。

在本发明的一较佳实施方式中，所述内管短节的外壁上沿轴向间隔设置有多个密封环槽，各所述密封圈卡设于各所述密封环槽内。

在本发明的一较佳实施方式中，所述抽真空结构与所述第一密封过孔通过螺纹密封连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述抽真空结构包括真空短节，所述真空短节的顶部设置有能密封穿设通过所述内管结构的第三密封过孔，所述真空短节位于所述第三密封过孔的下方轴向贯通设置有直径尺寸大于所述内管结构的外壁直径尺寸的真空保温用孔，所述真空保温用孔与所述真空保温层连通设置，所述真空短节的外壁上设置有抽真空接口，所述抽真空接口的一端与所述真空保温用孔连通设置，所述抽真空接口的另一端与真空泵连通设置。

在本发明的一较佳实施方式中，所述外管结构的底部设置有直径向上渐缩的堵头安装孔，所述底封堵头的外壁上设置有与所述堵头安装孔的侧壁匹配的堵头锥面，所述堵头安装孔内能拆卸地密封设置所述底封堵头。

本发明的目的还可以这样实现，所述的地热井双层真空保温结构的使用方法，包括以下步骤：

步骤a、在入井前，首先将底封堵头通过胶水坐封于外管短节底部，然后将外管短节与外钢管密封连接；

步骤b、开始下入外管结构，当外管结构下入到合适位置后停止下放操作，在井口位置固定外钢管；

步骤c、将内管短节与内钢管连接，同时在内管短节上安装密封圈，开始向外管结构内下入内管结构；

步骤d、当内管短节下入到外管短节位置，在外管短节的锥形引导面导引下，内管短节进入到外管短节的第二密封过孔中，继续下放内钢管，内管短节的底端顶抵打开底封堵头，继续下放内管结构直至内管短节外壁上的内管锥面与外管短节的锥形引导面重合，外管保温用孔、外短节保温用孔的侧壁与内管结构的外壁之间构成真空保温层，在井口固定内管结构；

步骤d、在井口将抽真空结构密封套设于内管结构上，并将抽真空结构的下部密封连接于外管结构的顶部，将抽真空接口的另一端与真空泵连通，通过真空泵将真空保温层中的气体抽出形成真空；

步骤e、开启地热开采装置，回水经内管结构的内腔返排至地面。

由上所述，本发明提供的地热井双层真空保温结构及其使用方法具有如下有益效果：

(1)本发明的地热井双层真空保温结构保温效果好，通过同轴套设的内管结构和外管结构之间构成的全尺寸的真空保温层实现内管结构的真空绝热，保温效果好，最大限度地降低热损失；

(2)本发明的地热井双层真空保温结构可操作性强，所有管柱均为普通管柱，无需特殊加工与操作，正常起下钻作业人员即可完成；

(3)本发明的地热井双层真空保温结构安全性好，无运动部件，无高压作业，密封可长期有效；

(4)本发明的地热井双层真空保温结构经济性好，所有管柱均为普通管柱，且无需特殊绝热材料，无需特殊作业人员，操作方面，作业时间短，均降低了作业成本，特别适合地热开发，该结构使得地热能源得到更好地开发利用。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的地热井双层真空保温结构下入井中开始开采时的示意图。

图2：为本发明的外管结构的示意图。

图3：为本发明的内管结构下入外管结构中底封堵头未脱落时的示意图。

图4：为本发明的内管结构下入外管结构中底封堵头脱落时的示意图。

图中：

100、地热井双层真空保温结构；

1、外管结构；

11、外钢管；

111、第一密封过孔；112、外管保温用孔；

12、外管短节；

121、第二密封过孔；122、外短节保温用孔；123、锥形引导面；

13、堵头安装孔；

2、抽真空结构；

21、真空短节；

211、第三密封过孔；212、真空保温用孔；

22、抽真空接口；

3、内管结构；

31、内钢管；

32、内管短节；321、密封环槽；

33、内管锥面；

4、真空保温层；

5、底封堵头；51、堵头锥面；

6、密封圈。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1至图4所示，本发明提供一种地热井双层真空保温结构100，包括内腔轴向贯通的外管结构1，外管结构1的顶部能拆卸地密封连接有抽真空结构2，在本实施方式中，抽真空结构2通过螺纹密封连接于外管结构1的顶部；地热开采施工过程中，外管结构1先于内管结构3下入地热井中，为了避免外管结构1内充满井下液体，外管结构1的底部能拆卸地密封设置有底封堵头5。外管结构1内同轴套设有能轴向固定的、且内腔轴向贯通的内管结构3，内管结构3的长度尺寸大于外管结构1的长度，内管结构3的顶部能密封穿设通过抽真空结构2，内管结构3的底部能向下顶抵打开底封堵头5后密封穿设通过外管结构1，内管结构3的底端穿出外管结构1进入地热井内，地热开采中的回水经内管结构3的内腔返排到地面。外管结构1和内管结构3均采用普通管柱即可，无需特殊加工与操作，正常起下钻作业人员即可完成；外管结构1的内壁与内管结构3的外壁之间能构成顶部与抽真空结构2连通的底部密封的真空保温层4，真空保温层4为全尺寸保温层，其能包覆于内管结构3位于外管结构1内部的全段的外壁上，真空保温层4能够实现内管结构3的真空绝热，极少量的热量通过热辐射的方式散失，保温效果好，基本可以避免热量损失。

本发明的地热井双层真空保温结构保温效果好，通过同轴套设的内管结构和外管结构之间构成的全尺寸的真空保温层实现内管结构的真空绝热，保温效果好，最大限度地降低热损失；本发明的地热井双层真空保温结构可操作性强，所有管柱均为普通管柱，无需特殊加工与操作，正常起下钻作业人员即可完成；本发明的地热井双层真空保温结构安全性好，无运动部件，无高压作业，密封可长期有效；本发明的地热井双层真空保温结构经济性好，所有管柱均为普通管柱，且无需特殊绝热材料，无需特殊作业人员，操作方面，作业时间短，均降低了作业成本，特别适合地热开发。

进一步，如图1至图4所示，外管结构1包括外钢管11，外钢管11采用普通管柱即可，其长度和管径可以根据实际生产确定；外钢管11的下部密封连接外管短节12，在本实施方式中，外钢管11通过螺纹密封连接外管短节12，外钢管11的顶部设置有能密封连通抽真空结构2的第一密封过孔111，第一密封过孔111的内壁上设置有连接螺纹，外钢管11位于第一密封过孔111的下方轴向贯通设置有直径尺寸大于内管结构3的外壁直径尺寸的外管保温用孔112，外管短节12的下部设置有能密封穿设内管结构3的第二密封过孔121，外管短节12位于第二密封过孔121的上方轴向贯通设置有直径尺寸大于内管结构3的外壁直径尺寸的外短节保温用孔122，外管保温用孔112、外短节保温用孔122的侧壁与内管结构3的外壁之间能构成前述的真空保温层4。

进一步，如图1、图3、图4所示，内管结构3包括内钢管31，内钢管31采用普通管柱即可，其长度和管径可以根据实际生产与外钢管11匹配设置；内钢管31的下部密封连接内管短节32，在本实施方式中，内钢管31通过螺纹密封连接内管短节32，内钢管31的上部密封穿设通过抽真空结构2，内管短节32的下部能密封穿设通过第二密封过孔121。在本实施方式中，内管短节32的外壁上沿轴向间隔设置有多个密封圈6，在本发明的一具体实施例中，内管短节32的外壁上沿轴向间隔设置有多个密封环槽321，各密封圈6卡设于各密封环槽321内。密封圈6能够使内管短节32与第二密封过孔121之间的密封效果更好。

进一步，如图1、图2所示，第二密封过孔121与外短节保温用孔122之间设置有直径向下渐缩的锥形引导面123，内管短节32的外壁上设置有与锥形引导面123匹配设置的内管锥面33。内管结构3滑设于外管结构1内，并下移至内管短节32上的内管锥面33与锥形引导面123抵靠接触时，内管结构3停止下移。如图3、图4所示，位于内管锥面下方的内管短节32的长度尺寸l1大于位于锥形引导面下方的外管短节的长度尺寸l2，以满足内管短节32将外管短节12底部的底封堵头5顶抵打开的要求。

进一步，如图1所示，抽真空结构2呈帽状结构，包括真空短节21，真空短节21的顶部设置有能密封穿设通过内管结构3的第三密封过孔211，真空短节21位于第三密封过孔211的下方轴向贯通设置有直径尺寸大于内管结构3的外壁直径尺寸的真空保温用孔212，真空保温用孔212与真空保温层4连通设置，真空保温用孔212与真空保温层4共同构成密封的保温空间层，真空短节21的侧壁上设置有抽真空接口22，抽真空接口22的一端与真空保温用孔212连通设置。抽真空接口22的另一端与真空泵(现有技术，图中未示出)连通设置。

进一步，如图1至图4所示，外管结构1的底部设置有直径向上渐缩的堵头安装孔13，底封堵头5的外壁上设置有与堵头安装孔13的侧壁匹配的堵头锥面51，堵头安装孔13内能拆卸地密封设置底封堵头5。在本发明的一具体实施例中，外管结构1下入地热井之前，将底封堵头5通过胶水密封固定在堵头安装孔13内。

使用本发明的地热井双层真空保温结构100进行地热开采时，在入井前，首先将底封堵头5通过胶水坐封于外管短节12底部的堵头安装孔13内，然后将外管短节12与外钢管11通过螺纹连接，开始下入外管结构1，在水压作用下，底封堵头5被压紧于堵头安装孔13内，当外管结构1下入到合适位置后停止下放操作，在井口位置固定外钢管11；然后将内管短节32与内钢管31通过螺纹连接，同时在内管短节32上安装密封圈6，开始向外管结构1内下入内管结构3(其状态如图3所示)，当内管短节32下入到外管短节12位置，在外管短节12的锥形引导面123导引下，内管短节32进入到外管短节12的第二密封过孔121中，继续下放内钢管31，当内管短节32到达底封位置，在重力的作用下内管短节32的底端顶抵打开底封堵头5，继续下放内管结构3直至内管短节32外壁上的内管锥面33与外管短节12的锥形引导面123重合，内管短节32的底端处于地热井中，内管结构3的内腔与地热井连通。外管保温用孔112、外短节保温用孔122的侧壁与内管结构3的外壁之间构成真空保温层4(其状态如图4所示)，在井口调节内管结构3的高度以便安装抽真空结构2，并在井口固定内管结构3；如图1所示，在井口将抽真空结构2的真空短节21密封套设于内钢管31上，并将真空短节21的下部密封连接于外钢管11的第一密封过孔111内，将抽真空接口22的另一端与真空泵连通，通过真空泵将真空保温层4中的气体抽出形成真空，实现地热开采过程中的全尺寸真空保温，开启地热开采装置，进行地热开采，回水经内管结构3的内腔返排至地面。

由上所述，本发明提供的地热井双层真空保温结构及其使用方法具有如下有益效果：

(1)本发明的地热井双层真空保温结构保温效果好，通过同轴套设的内管结构和外管结构之间构成的全尺寸的真空保温层实现内管结构的真空绝热，保温效果好，最大限度地降低热损失；

(2)本发明的地热井双层真空保温结构可操作性强，所有管柱均为普通管柱，无需特殊加工与操作，正常起下钻作业人员即可完成；

(3)本发明的地热井双层真空保温结构安全性好，无运动部件，无高压作业，密封可长期有效；

(4)本发明的地热井双层真空保温结构经济性好，所有管柱均为普通管柱，且无需特殊绝热材料，无需特殊作业人员，操作方面，作业时间短，均降低了作业成本，特别适合地热开发，该结构使得地热能源得到更好地开发利用。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。