同轴地热钻孔的套管的定向和支撑的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种具有外部套管的地热钻孔换热器的套管支撑件，所述套管支撑件包括：含有孔口的基底支撑元件，所述孔口贯穿所述基底支撑元件，所述基底支撑元件被布置成被钻孔周围的地面支撑；环形定向引导元件，所述环形定向引导元件位于所述基底支撑元件的上表面且具有与所述孔口连通的中央导管，所述定向引导元件的上表面相对于所述基底支撑元件的下支撑表面成选定的角度；以及套管支撑环，所述套管支撑环被安装在所述地热钻孔换热器的外部套管的周围，所述套管支撑环连接至所述定向引导元件以支撑所述钻孔中的套管，所述外部套管延伸通过所述套管支撑环、所述中央导管和所述孔口。
【专利说明】同轴地热钻孔的套管的定向和支撑
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种套管支撑件和用于定向和支撑地热能系统的同轴地热钻孔换热器的套管的方法。所述方法还涉及地热钻孔换热器和地热钻孔换热器的安装方法。
【背景技术】
[0002]一个多世纪以来，地热能在全球以多种形式被开采用于发电和直接供热。通常，这些设备被置于高焓源岩相对靠近或位于地球表面处的火山活动区域，例如美国西部、冰岛或菲律宾。很少为人所知但越来越重要的是，近几十年来，通过例如低温涡轮式发电机的应用以及通过将地源热泵(GSHP)用于供暖、制冷和蓄热，低焓地热资源已经得到了开发。
[0003]所涉及的基本原理是利用在地面下约10米以下的地层中存在的稳定的热条件。这种稳定性来自于地球的质量以及源自地球的熔融地核的地热通量。这种热通量实际上是可再生的、取之不尽的，这是因为地球的熔融地核是由核衰变维持的。在受控条件下，借助于利用工作流体作为热传递介质的插入地下且与地面上的热泵连接的管式换热器(单动式或可逆式构造)，地层可以供应、吸收或贮存大量热能。
[0004]已知的是，通过安装一个或多个钻孔换热器(BHE)来提取低温地热能用于建筑物取暖，所述各钻孔换热器均被安装在地下并与热泵(HP)相结合。该系统应用了在地下与建筑物的内部空间之间工作的可逆制冷循环。在闭路或开路中使用工作流体的各种专用布置已为人们所知。在本领域中这样的系统和方法是已知的且被称作“地源热泵(GSHP) ”技术。
[0005]使用被称为“同轴”或“同心”构造的垂直BHE是已知的。在其基本形式中，这是一种管中管布置，包括:用于排齐并支撑钻孔壁的外部圆柱形套管，在套管内安装有较小直径的匹配管，该匹配管是悬接的以使其开口端位于钻孔底部上方的短距离处。
[0006]理想地(尽管并非总是如此)，内部管位于外部套管的孔的中央，以利于BHE内的热流和液压流的最佳化。然后，通过在内部管中向下流动且在内部管和外部套管之间的环状区域内向上回流的水循环或者相反的水循环(根据设计需求)形成封闭环路。热传递通过传导传递向所述环状区域内的水流，效率受益于由外部套管提供的水与地层之间的更大的有效接触面积，使得水力条件最优化。
[0007]到目前为止，同轴构造还没有被GSHP行业广泛接受。其原因包括较高的投资成本和相对于U形管设计更复杂的构思。历史上，有限数量的同轴设备完全是由石油、天然气和水井钻探承包商来完成的，这些人不了解GSHP市场，这些设备的价格结构不合适并缺乏创新。
[0008]因此，以往在GSHP行业的支持下对同轴系统进行的研究与开发相对较少。然而，在追求更高的BHE效率以与大容量GSHP设备的要求相匹配的推动下，这种情况目前正在改变。因此，同轴设计的固有优点正逐渐地获得更多的注意。在某种程度上，相当多的研究机构也推动其进入大规模地热贮存应用，由于相同的原因，同轴设计在大规模地热贮存应用中也是有利的。到目前为止，一般来说，垂直BHE是以包括几十或几百个钻孔的大型阵列的形式应用于大型设备的，这些钻孔通常是采用常规的水井钻探设备钻至50-200米的深度并利用U形管来完成的。
[0009]由于需要保持钻孔之间的最小间隔，以避免热干扰，所以需要的地面面积可能是相当大的。由于上述原因，这种设计方式的操作和钻井的整体效率低。
[0010]在过去的25年，已经存在了很多BHE的设计。大多数闭路GSHP设备采用了垂直BHE的两种主要的实用设计:第一种是所谓的U形管(通常是柔性塑料管的环路)，第二种是同轴(管中管)设计。同轴设计具有更高热效率的几何形状是已知的，但由于安装过程中需要重型设备因而对于大多数安装者而言是不实用的。然而，工业规模项目能够支持同轴设计。BHE的这两种类型均填充有工作流体，通常是含有防冻剂的水。
[0011]BHE设备设置有地面收集系统，用于从大量建筑物收集热能或向这些建筑物分配热能。这样的地面收集系统在总垂直管长度之外可能会包括用于地面热传递过程的高达100%的额外管子长度。这样的额外的地面管道导致持续的工作损耗，诸如热能和压力损耗。反过来这就需要用于弥补工作损耗的额外电能以及为了额外的地面收集系统的建设和维护而增加的成本。长期以来，这成为大型GSHP设备的限制因素。
[0012]参照图1和图2，示出了同轴地热钻孔换热器(BHE)的已知安装的截面图。图1示出了安装期间内的装配，图2示出了安装后的BHE和井口。图1具有倾斜的BHE定向，图2具有垂直的BHE定向。在钻井作业开始之前，通常在预设在地面2内且在地平面下的检查井室4中安装一个或多个BHE。井室4包括混凝土基底6和从混凝土基底6向上延伸的侧壁8。侧壁8可以包括混凝土管立方块且可以如图所示地包括井室4之内的内部出入踏板
24。钻孔换热器被安装成以选定角度穿过混凝土基底6。
[0013]在同轴地热钻孔换热器(BHE)的安装期间，标准做法是:通过以延伸穿过基底6中的孔10的方式设置不被粘固在基底6中适当位置处的临时表面套管12，以能够隔离不稳定的表面岩层进而能够使主钻孔的钻孔继续进行。该临时套管12被设计为成可回收和再利用的以降低成本或能够根据回收所花费的时间和使用的长度而被留在适当的位置。临时套管12的长度通常在5米与30米之间，尽管它可以更长或更短。同轴地热钻孔换热器(BHE) 14通过临时套管12向下延伸至被钻出的钻孔的底部。
[0014]如图2所示，在主钻孔部已经被钻通至钻孔的底部之后，临时套管12被移除并且围绕同轴BHE14的永久性套管12直达已经被钻出的钻孔的底部并由钻孔的底部支撑。
[0015]如图2所示，安装之后，每个BHE14在其上端连接至井口 16。井口 16具有用来连接至管道或流体流线22的配件，管道或流体流线22连接至地热能系统的换热器(未示出)。井室4被位于其处于侧壁8上方的上端处的盖子20封闭。盖子20可以具有用于在安装期间允许BHE18的长度向下穿过的中心孔。
[0016]将外部永久性套管12设置在钻孔底部效率低且可能因填充满了钻井作业结束后悬浮在钻井液中的钻井岩屑和其它固体而导致BHE长度不一致。为了适应这样的长度变化，由于可用的钻孔的不确定长度，过剩钻孔的大量额外长度被钻出并且大量的较短长度的套管12被用于使套管落在钻孔的底部。
[0017]由于使套管下落所花费的时间和较短的外部套管长度的成本，已知的安装过程增加了安装成本。此外，已知的安装过程不排除这样的结果:可能安装了不同长度的BHE(同一个地热系统内的不同的BHE的长度不同)，这反过来造成了由每个BHE中的变化的压力损耗而导致的热交换流体在每个BHE中的流动是不同的。每个BHE中的流动的差异能够导致BHE性能的不一致且仅能够通过单独地节制流向每个BHE的液流以平衡流向每个BHE的液流来消除。这既增加安装时间成本也增加安装设备成本。
[0018]套管12的不一致的设定深度也意味着每个井口 16可能处于井室4内的不同高度。这造成了这样的问题:连接至钻孔流线22的各个连接将会不同，需要现场定制。
[0019]本发明旨在至少部分地克服同轴地热钻孔换热器的已知的安装和套管结构的这些问题。
【发明内容】
[0020]本发明提供了一种被套管支撑件支撑在钻孔中的地热钻孔换热器，所述套管支撑件被装配在地热钻孔换热器的外部套管的周围且所述套管支撑件悬挂从所述套管支撑件向下延伸的钻孔内的钻孔换热器，所述套管支撑件限定所述钻孔内的所述钻孔换热器的上端的预定角度。
[0021]本发明还提供了一种井室，所述井室包括根据本发明的多个地热钻孔换热器，每个套管支撑件具有在各自的定向上从该套管支撑件向下延伸的钻孔换热器。
[0022]本发明还提供了一种地热钻孔换热器的安装方法，所述方法包括以下步骤:
[0023](a)设置第一套管支撑件部，所述第一套管支撑件部由地面支撑且所述第一套管支撑件部限定钻孔的预定钻孔角度；
[0024](b)通过所述第一套管支撑件部进行钻孔，所述第一套管支撑件部限定了所述钻孔的上端的预定角度；并且
[0025](C)从所述第一套管支撑件部向下延伸的钻孔内的所述钻孔换热器悬挂于所述第一套管支撑件部，所述第一套管支撑件部限定所述钻孔内的所述钻孔换热器的上端的预定角度。
[0026]本发明还提供了一种具有外部套管的地热钻孔换热器的套管支撑件，所述套管支撑件包括:含有孔口的基底支撑元件，所述孔口贯穿所述基底支撑元件，所述基底支撑元件被布置为被钻孔周围的地面支撑；环形定向引导元件，所述环形定向引导元件位于所述基底支撑元件的上表面且具有与所述孔口连通的中央导管，所述定向引导元件的上表面相对于所述基底支撑元件的下支撑表面成选定的角度；和套管支撑环，所述套管支撑环被装配在地热钻孔换热器的外部套管的周围，所述套管支撑环连接至所述定向弓丨导元件以支撑所述钻孔中的套管，所述外部套管延伸通过所述套管支撑环、所述中央导管和所述孔口。
[0027]本发明还提出了一种井室，所述井室包括根据本发明的多个套管支撑件，每个套管支撑件具有在各自的定向上从该套管支撑件向下延伸的钻孔换热器。
[0028]本发明还提出了一种具有外部套管的地热钻孔换热器的套管支撑件的安装方法，所述方法包括以下步骤:
[0029](a)设置含有孔口的基底支撑元件，所述孔口贯穿所述基底支撑元件，所述基底支撑元件由地面支撑；以及环形定向引导元件，所述环形定向弓I导元件位于所述基底支撑元件的上表面且具有与所述孔口连通的中央导管，所述定向引导元件的上表面相对于所述基底支撑元件的下支撑表面成选定的角度；并且
[0030](b)以由所述定向引导元件预设的定向通过所述中央导管和所述孔口进行钻孔。
[0031]在从属权利要求中限定了本发明的所有这些方面的优选特征。[0032]本发明的优选实施例能够提供低成本的模块化系统以使得能够从上表面，尤其是井室表面支撑同轴地热BHE的外部套管。同轴地热BHE可以特别地悬接或悬挂于井室的底部井壁而不是由钻孔的底部来支撑。
[0033]本发明的优选实施例还能够提供:钻孔井室的底部可以是被密封的。
[0034]本发明的优选实施例还能够提供:钻孔的定向和倾斜度是预定的，这能够消除钻井过程的建立期间内的人为误差的可能性。
[0035]本发明的优选实施例的模块化系统还能够使制造和安装变得容易，因为能够将同一组组件用于各种钻孔深度和/或倾斜度。
[0036]在本发明的优选实施例中，通过消除单式地热系统中的多个BHE (可选择地，单个井室中存在多个BHE)的上端的高度变化这一问题，则能够使井口与流线之间的所有连接件标准化且能够在装配现场外制造这些连接件，减少安装时间和安装成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]现在参照附图仅通过示例的方式对本发明的实施例进行说明，其中:
[0038]图1是图示了安装期间内同轴地热钻孔换热器(BHE)的已知安装的示意性截面图；
[0039]图2是安装井口之后的图1的安装的示意性截面图；
[0040]图3是图示了根据本发明第一实施例的在安装期间内的同轴地热钻孔换热器(BHE)的安装的示意性截面图；
[0041]图4是图示了根据本发明第二实施例的在安装期间内的同轴地热钻孔换热器(BHE)的安装的示意性截面图；
[0042]图5是图1和图2的安装的井室组件的示意性分解截面图；
[0043]图6是图1的安装的定向引导件的示意性截面图；
[0044]图7是图2的安装的定向引导件的示意性截面图；
[0045]图8是图示了在安装井口之后图3所示的安装的变型结构的示意性截面图；
[0046]图9是图示了在安装井口之后图4所示的安装的变型结构的示意性截面图；
[0047]图10是图示了在定向引导件的安装期间内的图4的安装的示意性截面图；且
[0048]图11是根据本发明另一个实施例的含有多个一体化定向引导件的替代基底支撑元件的示意性截面图。
【具体实施方式】
[0049]图3和图4示意性地示出了根据本发明第一和第二实施例的地热能系统的钻孔换热器的安装系统。图3和图4示出了安装期间内的装配。图3的实施例具有垂直的BHE定向并且图4的实施例具有倾斜的BHE定向。在每个实施例中，在钻井作业开始之前，在预设在地面(未示出)内且在地平面下的检查井室中安装BHE。所述井室包括平板形式的基底支撑元件30。基底支撑元件30通常由预铸混凝土构成。基底支撑元件30具有从中贯穿延伸的孔口 36。基底支撑元件30具有用于所有钻孔倾角的标准尺寸。钢筋混凝土或其它材料能够支撑通过孔口 36而悬挂的多达15吨的重量。
[0050]侧壁32从基底支撑元件30向上延伸。侧壁32可以包括堆叠的混凝土立方块且可以如图所示地包括井室内的内部出入踏板。具有出入开口 35的盖子34位于侧壁32上。图5中以分解形式示出了盖子34、侧壁32和基底支撑元件30。
[0051]如下文所述，钻孔换热器被安装为以选定角度通过基底支撑元件30。
[0052]此外，参照分别与图3和图4的实施例相对应的图6和图7，环形定向引导元件38、58被安装至基底支撑元件30的上表面40。
[0053]在图1至图10图示出的实施例中，定向引导元件38、58与基底支撑元件30是分离的但是被装配至基底支撑元件30。一般而言，定向引导元件38、58位于基底支撑元件30的上表面40，且在替代实施例中，基底支撑元件30和定向引导元件38、58是例如由预铸混凝土的单体构成的一体化的基底支撑元件30和定向引导元件38、58。该单体可以包括多个定向引导单元，这些定向弓I导单元位于各自的位置处并且相对于垂直方向具有各自的倾角。在这样的一体化布置的情况下，布置或安装位于检查井室底部的基底支撑元件30也就同时在基底支撑元件30的上表面40处布置或安装了一体化的定向引导元件38、58。图11示出了这样的结构:基底支撑元件130与一体化的定向引导元件138、158是例如预铸混凝土的单体。尽管两个一体化的定向引导元件被设置为单体，但是任何数量的一体化定向引导元件可以与基底支撑元件一起存在和形成，并且可以提供任何定向或定向的组合。
[0054]定向引导元件38、58具有中央导管52、60，中央导管52、60与孔口 36相连通。定向引导元件38、58具有上表面39、59，上表面39、59相对于基底支撑元件30的下支撑表面
37、57成选定的角度。基底支撑元件30和定向引导元件38、58设置有互锁元件48、50，互锁元件48、50 —起相互配合以将定向引导元件38、58相对于基底支撑元件30定位于关于孔口 36的纵轴的预设转动位置。通常,互锁元件48、50包括阳元件和阴元件。互锁元件48、50确保基底支撑元件30与定向引导元件38、58之间的防故障安全对齐。
[0055]定向引导元件38、58的上表面39、59与定向引导元件38、58的下表面41、61平行或者以一定角度倾斜于定向引导兀件38、58的下表面41、61。在图3和图6的实施例中，定向引导元件38的上、下表面是平行的而在图4和图7的实施例中，定向引导元件58的上、下表面以锐角(在实施例中为15度)相互倾斜。定向引导元件58的上、下表面可以通常以从5至45度中的任何期望的角度相互倾斜。
[0056]定向引导元件38、58通常由预铸混凝土构成且具有标准的选择的钻孔倾角，例如
0、5、10或15度。钢筋混凝土或其它材料能够支撑通过孔口 36悬挂的多达15吨的重量。
[0057]套管支撑环54被装配于地热钻孔换热器的外部套管46的上端44的周围。套管支撑环54连接至定向引导元件38、58以支撑钻孔中的套管46。外部套管46延伸通过支撑环54、导管52、60和孔口 36。套管支撑环54具有与外部套管46的上端44的外部圆柱形表面配合的内部环形表面。通常，套管支撑环54的内部环形表面与外部套管46的上端44的外部圆柱形表面螺纹配合。
[0058]这样的装配将外部套管46定向在期望的垂直或非垂直方向上，如图3和图4中的轴线B和轴线C所示。井室具有垂直轴线A。
[0059]在图3和图4的实施例中，如图10详细地所示，套管支撑环54包括被安装于同轴钻孔换热器80的上端72周围的内部元件68和被安装在定向弓I导元件58上的外部起落弓I导件62。图10示出了安装期间内的布置。安装之后，内部元件68被装配在外部起落引导件62中。内部元件68的外部和起落引导件62的内部具有互补的圆锥形渐变配合表面70、64以使得内部元件68能够被向下安装进起落引导件62的导管66中。
[0060]钻孔表面套管42围绕着钻孔内的钻孔换热器的外部套管46的上部且被装配至套管支撑环54，特别地，被装配至套管支撑环54的外部起落引导件62。通常，钻孔表面套管42被螺纹装配至起落引导件62的向下延伸的法兰75的内部环形表面。
[0061]在具有外部套管46的地热钻孔换热器的套管支撑件的安装方法中，首先，设置含有贯穿的孔口 36的基底支撑元件30以使得基底支撑元件30被地面支撑，优选地在位于地下的井室中被地面支撑。将环形定向引导元件38、58安装至基底支撑元件30的上表面上，定向引导元件38、58具有与孔口 36连通的中央导管52、60。定向引导元件38、58的上表面相对于基底支撑元件30的下支撑表面成选定的角度。安装套管支撑环54以使其连接至定向引导元件38、58。装配钻孔表面套管42以使其围绕钻孔的上部并且将钻孔表面套管42装配至套管支撑环54。以由定向引导元件38、58预设的方向通过中央导管52、60和孔口36进行钻孔。钻孔之后，将钻孔换热器装配到钻孔中，并且套管支撑环54被装配于地热钻孔换热器的外部套管46的周围并且支撑钻孔中的外部套管46，外部套管延伸通过环54、导管52,60和孔口 36。
[0062]进一步参照图10的详图，在图3和图4的实施例中，如果安装之后不回收表面套管42，那么将套管支撑环54安装在表面套管42的顶部。表面套管42是在钻井和灌浆作业期间存在的表面套管的钻井导管长度以将钻井液和钻井屑转移至表面处理。
[0063]同轴钻孔换热器80的上端72可以包括套管的额外短接头，通常长度是50cm，以用于运行和安装外部起落引导件62中的内部元件68。然后将井口 60附接至套管的该短接头。
[0064]内部元件68将成串的外部套管46的重量传递到外部起落引导件62，并进而传递至定向引导元件38、58，然后传递至作为BHE的外部套管46的最终负载承载支撑件的基底支撑兀件30。
[0065]参照图8和图9所示的替代实施例(它们分别是图3和图4的变型例)，钻孔表面套管42可以仅是临时性的且仅在安装期间内处于上述位置中，并且在安装之后被移除。在这种情况下，套管支撑环54包括起落引导件62，起落引导件62被直接装配至(例如，通过螺纹连接被直接装配至)钻孔换热器的外部套管46的上部44。在这些实施例中，表面套管42将被回收。套管支撑环54被直接安装至外部套管46。套管支撑环54具有用于临时支撑钻孔表面套管42的第一环形螺纹和与外部套管46配合的第二环形螺纹。套管支撑环54安置在定向引导元件38、58上并将外部套管46的重量传递到定向引导元件38、58，进而传递至作为BHE的外部套管46的最终负载承载支撑件的基底支撑元件30。
[0066]钻孔换热器46向下延伸至大于100米的深度，可选择地，从100米到200米的深度。安装之后，井口 60被装配至钻孔换热器46的上端且连接至地热系统的流线56。每个套管支撑件具有在各自的定向上从该套管支撑件向下延伸的钻孔换热器46。在多个钻孔换热器46的地热系统中，至少一些钻孔换热器46的定向是不同的，各个定向是通过各个定向引导元件38、58的对应的选择定向来设置的。当多个BHE被安装在预设在地面内的同一检查井室中时，这些BHE可以具有不同的定向。在单个井室中使用多个钻孔减小了钻孔所需的地面的表面积。
[0067]当安装任何一个实施例中的定向引导元件38、58和套管支撑环54时，使用密封剂来密封定向引导元件38、58与基底支撑元件30之间的接触区域以及套管支撑环54与定向引导元件38、58之间的接触区域。这确保从钻孔升上来的地表水不会进入井室，从而保护井口以及相关联的连接、流线不会被腐蚀。
[0068]对本发明的各种实施例的其它修改对本领域技术人员而言将是显而易见的。
【权利要求】
1.一种地热钻孔换热器，其被套管支撑件支撑在钻孔中，所述套管支撑件被装配在所述地热钻孔换热器的外部套管的周围，且所述套管支撑件悬挂着从所述套管支撑件向下延伸的钻孔内的所述钻孔换热器，所述套管支撑件限定所述钻孔内的所述钻孔换热器的上端的预定角度。
2.根据权利要求1所述的地热钻孔换热器，其中，所述套管支撑件悬挂所述钻孔内的所述钻孔换热器的全部重量。
3.根据权利要求1或2所述的地热钻孔换热器，其中，所述套管支撑件具有与所述外部套管的上端的外部圆柱形表面配合的内部环形表面。
4.根据权利要求3所述的地热钻孔换热器，其中，所述套管支撑件的所述内部环形表面与所述外部套管的上端的所述外部圆柱形表面螺纹配合。
5.根据前述任一项权利要求所述的地热钻孔换热器，其中，所述套管支撑件包括内部元件和外部起落引导件，所述内部元件被安装在所述钻孔换热器的上端周围，所述外部起落引导件被安装在位于井室中的定向弓丨导元件上，所述内部元件被装配在所述外部起落引导件中。
6.根据权利要求5所述的地热钻孔换热器，其中，所述内部元件的外部锥形配合表面与所述外部起落引导件的内部锥形配合表面是互补的，以使所述内部元件能够被向下装配至所述外部起落引导件中。
7.根据前述任一项权利要求所述的地热钻孔换热器，还包括:钻孔表面套管，所述钻孔表面套管围绕着所述钻孔内的所述钻孔换热器的上部且被装配至所述套管支撑件中。
8.根据引用权利要求5时的权利要求7所述的地热钻孔换热器，其中，所述钻孔表面套管被螺纹装配至所述外部起落引导件的内部环形表面。
9.根据前述任一项权利要求所述的地热钻孔换热器，其中，所述钻孔换热器向下延伸至大于100米的深度。
10.一种井室，其包括根据前述任一项权利要求所述的多个地热钻孔换热器，每个套管支撑件具有在各自的定向上从该套管支撑件向下延伸的钻孔换热器。
11.根据引用权利要求5时的权利要求10所述的井室，其中，至少一些所述钻孔换热器的定向是不同的，各所述定向是由各定向引导元件的对应的选择定向而设置的。
12.一种地热钻孔换热器的安装方法，所述方法包括以下步骤: (a)设置第一套管支撑件部，所述第一套管支撑件部由地面支撑并且限定钻孔的预定钻孔角度； (b)通过所述第一套管支撑件部进行钻孔，所述第一套管支撑件部限定所述钻孔的上端的预定角度；并且 (c)使从所述第一套管支撑件部向下延伸的钻孔之内的钻孔换热器悬挂于所述第一套管支撑件部，所述第一套管支撑件部限定所述钻孔内的所述钻孔换热器的上端的预定角度。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括在步骤(b)与步骤(c)之间的以下步骤: (d)将第二套管支撑件部装配在所述地热钻孔换热器的外部套管的周围；并且 (e)将所述第一和第二套管支撑件部连接在一起以形成被装配至所述钻孔换热器的组合的套管支撑件，并且所述组合的套管支撑件适于悬挂所述钻孔内的所述钻孔换热器。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述套管支撑件悬挂所述钻孔内的所述钻孔换热器的全部重量。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述第二套管支撑件部支撑所述钻孔中的钻孔换热器的外部套管，所述外部套管延伸通过所述套管支撑件，所述第二套管支撑件部具有与所述外部套管的上端的外部圆柱形表面配合的内部环形表面。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第二套管支撑件部的所述内部环形表面与所述外部套管的上端的所述外部圆柱形表面螺纹配合。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，所述第二套管支撑件部包括内部元件和外部起落引导件，所述内部元件安装在所述钻孔换热器的上端周围，所述外部起落引导件被安装在所述第一套管支撑件部上，所述内部元件被装配于所述外部起落引导件中。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述内部元件的外部锥形配合表面与所述外部起落引导件的内部锥形配合表面是互补的，且所述内部元件向下装配至进所述外部起落引导件中。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的方法，还包括:装配钻孔表面套管以使其围绕着所述钻孔内的所述钻孔换热器的上部并且被装配至所述套管支撑件。
20.根据引用权利要求17时的权利要求19所述的方法，其中，将所述钻孔表面套管螺纹装配至所述外部起落引导件的内部环形表面。
21.根据权利要求 12至20中任一项所述的方法，其中，所述钻孔换热器向下延伸至大于100米的深度。
22.一种根据权利要求12至21中任一项所述的多个套管支撑件的安装方法，每个套管支撑件具有在各自的方向上从该套管支撑件向下延伸的钻孔换热器。
23.根据引用所述权利要求15时的权利要求22所述的方法，其中，至少一些所述钻孔换热器的定向是不同的，各所述定向是由各所述套管支撑件的对应的选择定向而设置的。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其中，将所述钻孔换热器的上端安装在所述套管支撑件上方的预设高度，并且还包括将井口装配至所述钻孔换热器的上端。
25.一种具有外部套管的地热钻孔换热器的套管支撑件，所述套管支撑件包括:基底支撑元件，所述基底支撑元件含有从中贯穿的孔口，所述基底支撑元件被布置成在钻孔周围被地面支撑；环形定向引导元件，所述环形定向引导元件位于所述基底支撑元件的上表面并且具有与所述孔口连通的中央导管，所述定向引导元件的上表面相对于所述基底支撑元件的下支撑表面成选定的角度；和套管支撑环，所述套管支撑环被装配在地热钻孔换热器的外部套管的周围，所述套管支撑环连接至所述定向引导元件以支撑所述钻孔中的套管，所述外部套管延伸穿过所述套管支撑环、所述中央导管和所述孔口。
26.根据权利要求25所述的套管支撑件，其中，所述基底支撑元件和所述定向引导元件是一体化的。
27.根据权利要求26所述的套管支撑件，其中，所述基底支撑元件和所述定向引导元件是由预铸混凝土构成的。
28.根据权利要求25至27中任一项所述的套管支撑件，其中，所述定向引导元件相对于所述基底支撑元件位于关于所述孔口的纵轴的预设转动位置处。
29.根据权利要求25至28中任一项所述的套管支撑件，其中，所述定向引导元件的上表面以一定的角度倾斜于所述基底支撑元件的下表面。
30.根据权利要求29所述的套管支撑件，其中，所述角度是从5度到45度的角度。
31.根据权利要求25所述的套管支撑件，其中，所述环形定向引导元件适于被装配至所述基底支撑元件的上表面上。
32.根据权利要求31所述的套管支撑件，其中，所述基底支撑元件包括板。
33.根据权利要求32所述的套管支撑件，其中，所述基底支撑元件是由预铸混凝土构成的。
34.根据权利要求31至33中任一项所述的套管支撑件，其中，所述基底支撑元件和所述定向引导元件设置有互锁元件，所述互锁元件一起相互配合以将所述定向引导元件相对于所述基底支撑元件定位于关于所述孔口的纵轴的预设转动位置。
35.根据权利要求34所述的套管支撑件，其中，所述互锁元件包括阳元件和阴元件。
36.根据权利要求31至35中任一项所述的套管支撑件，其中，所述定向引导元件的上表面与所述定向引导元件的下表面平行，或者所述定向引导元件的上表面以一定的角度倾斜于所述定向引导元件的下表面。
37.根据权利要求36所述的套管支撑件，其中，所述定向引导元件的上表面和下表面以从5度到45度的角度相互倾斜。
38.根据权利要求25至37中任一项所述的套管支撑件，其中，所述套管支撑环具有与所述外部套管的上端的外部圆柱形表面配合的内部环形表面。
39.根据权利要求38所述的套管支撑件，其中，所述套管支撑环的所述内部环形表面与所述外部套管的上端的所述外部圆柱形表面螺纹配合。
40.根据权利要求38或39所述的套管支撑件，其中，所述套管支撑环包括内部元件和外部起落引导件，所述内部元件安装在同轴钻孔换热器的上端周围，所述外部起落引导件被安装在所述定向引导元件上，所述内部元件被装配于所述外部起落弓丨导件中。
41.根据权利要求40所述的套管支撑件，其中，所述内部元件的外部锥形配合表面与所述外部起落弓丨导件的内部锥形配合表面是互补的，以使所述内部元件能够被向下安装进所述外部起落引导件中。
42.根据权利要求25至41中任一项所述的套管支撑件，还包括钻孔表面套管，所述钻孔表面套管围绕着所述钻孔内的所述钻孔换热器的上部且被装配至所述套管支撑件。
43.根据引用权利要求40时的权利要求42所述的套管支撑件，其中，所述钻孔表面套管被螺纹装配至所述外部起落引导件的内部环形表面。
44.根据权利要求25至43中任一项所述的套管支撑件，其中，所述钻孔换热器向下延伸至大于100米的深度。
45.一种井室，其包括根据权利要求25至44中任一项所述的多个套管支撑件，每个套管支撑件具有在各自的方向上从该套管支撑件向下延伸的钻孔换热器。
46.根据权利要求45所述的井室，其中，至少一些所述钻孔换热器的定向是不同的，每个所述定向是由各定向引导元件的对应的选择定向设置的。
47.一种具有外部套管的地热钻孔换热器的套管支撑件的安装方法，所述方法包括以下步骤: (a)设置含有孔口的基底支撑元件，所述孔口贯穿所述基底支撑元件，所述基底支撑元件由地面支撑；和环形定向引导元件，所述环形定向引导元件位于所述基底支撑元件的上表面且具有与所述孔口连通的中央导管，所述定向引导元件的上表面相对于所述基底支撑元件的下支撑表面成选定的角度；并且 (b)以由所述定向引导元件预设的定向通过所述中央导管和所述孔口进行钻孔。
48.根据权利要求47所述的方法，其中，所述基底支撑元件和所述定向引导元件是一体化的。
49.根据权利要求48所述的方法，其中，由预铸混凝土构成所述基底支撑元件和所述定向引导元件。
50.根据权利要求47至49中任一项所述的方法，其中，将所述定向引导元件相对于所述基底支撑元件定位于关于所述孔口的纵轴的预设转动位置处。
51.根据权利要求47至50中任一项所述的方法，其中，所述定向引导元件的上表面以一定的角度倾斜于所述基底支撑元件的下表面。
52.根据权利要求51所述的方法，所述角度是从5度到45度的角度。
53.根据权利要求47所述的方法，所述方法包括以下步骤: (a)设置含有孔口的基底支撑元件，所述孔口贯穿所述基底支撑元件，所述基底支撑元件由地面支撑； (b)将环形定向弓丨导元件装配至所述基底支撑元件的上表面上，所述定向弓丨导元件具有与所述孔口连通的中央导管，所述定向引导元件的上表面相对于所述基底支撑元件的下支撑表面成选定的角度；并且 (C)以由所述定向引导元件预设的定向通过所述中央导管和所述孔口进行钻孔。
54.根据权利要求53所述的方法，其中，所述基底支撑元件包括板。
55.根据权利要求54所述的方法，其中，由预铸混凝土构成所述基底支撑元件。
56.根据权利要求53至55中任一项所述的方法，其中，所述基底支撑元件和所述定向引导元件设置有互锁元件，所述互锁元件一起相互配合以将所述定向引导元件相对于所述基底支撑元件定位于关于所述孔口的纵轴的预设转动位置处。
57.根据权利要求56所述的方法，其中，所述互锁元件包括阳元件和阴元件。
58.根据权利要求53至57中任一项所述的方法，其中，所述定向引导元件的上表面与所述定向引导元件的下表面平行，或者所述定向引导元件的上表面以一定的角度倾斜于所述定向引导元件的下表面。
59.根据权利要求58所述的方法，其中，所述定向引导元件的上表面和下表面以从5度到45度的角度相互倾斜。
60.根据权利要求47至59中任一项所述的方法还包括:安装套管支撑环，所述套管支撑环被装配至地热钻孔换热器的外部套管的周围并且所述套管支撑环连接至所述定向引导元件以支撑所述钻孔中的套管，所述外部套管延伸通过所述套管支撑环、所述中央导管和所述孔口，所述套管支撑环具有与所述外部套管的上端的外部圆柱形表面配合的内部环形表面。
61.根据权利要求60所述的方法，其中，所述套管支撑环的所述内部环形表面与所述外部套管的上端的所述 外部圆柱形表面螺纹配合。
62.根据权利要求60或61所述的方法，其中，所述套管支撑环包括内部元件和外部起落引导件，所述内部元件被安装在同轴钻孔换热器的上端周围，所述外部起落引导件被安装在所述定向引导元件上，所示内部元件被装配在所述外部起落弓丨导件中。
63.根据权利要求62所述的方法，其中，所述内部元件的外部锥形配合表面与所述外部起落引导件的内部锥形配合表面是互补的，且所述内部元件被向下装配进所述外部起落引导件中。
64.根据权利要求60至64中任一项所述的方法，还包括:将钻孔表面套管装配为围绕着所述钻孔内的所述钻孔换热器的上部且被装配至所述套管支撑环。
65.根据引用权利要求62时的权利要求64所述的方法，其中，将所述钻孔表面套管螺纹装配至所述外部起落引导件的内部环形表面。
66.根据权利要求60至65中任一项所述的方法，其中，所述钻孔换热器向下延伸至大于100米的深度。
67.—种根据权利要求60至66中任一项所述的方法的多个套管支撑件的安装方法,每个套管支撑件具有在各自的定向上从该套管支撑件向下延伸的钻孔换热器。
68.根据权利要求67所述的方法，其中，至少一些所述钻孔换热器的定向是不同的，各所述定向是由各定向引导元件的对应的选择定向来设置的。
69.根据权利要求67或68所述的方法，其中，所述钻孔换热器的上端安装在所述基底支撑元件上方的预设高 度，并且还包括将井口装配至所述钻孔换热器的上端。
【文档编号】E21B19/24GK104040270SQ201280066859
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2012年11月9日 优先权日:2011年11月11日
【发明者】詹姆斯·约纳塞恩·斯图尔特, 迈克尔·刘易斯·阿迪斯 申请人:绿地玛斯特Ipco有限公司