强化中深层闭式地热单井取热性能的成井结构

本发明属于中深层地热能资源的开发利用，具体涉及一种强化中深层闭式地热单井取热性能的成井结构。

背景技术：

1、地热能是一种储量丰富、分布广泛、稳定可靠的可再生能源。传统中深层地热能利用模式主要是采灌结合的水热型地热资源开发利用，如公开号为cn107642914b的公开专利所述，由于地热地质条件限制，一些砂岩地层回灌困难，导致系统长期运行后出现水位下降、泵耗功增加等一系列问题。为进一步规范地热资源的科学管理，多地政府要求地热尾水须同层回灌且回灌率不低于95％，为此京津冀地区关停了一批无法满足回灌要求的地热井。如何高效可持续获取不同地热资源条件下的地热能，实现我国北方地区建筑的清洁供暖已成为地热行业的最大技术瓶颈。

2、近十年来，一种“取热不取水”的中深层闭式单井取热系统技术发展迅速，如公开号为cn112923592a的公开专利所述，该系统通过在封闭的地热井筒内安装同轴保温内套管，使得换热工质在井壁与内套管之间的环形空间从井口流至井底，沿途吸收近井壁处地层的热量，再从底部经中心保温内套管返回至井口完成换热过程。

3、目前，现有的中深层闭式单井在固井时，为常将高导热水泥浆从井底灌注到井口，用来驱替近井壁地层内导热系数较低的水，在一定程度上提高了地层的导热能力，但多个实际工程结果证明，灌注高导热水泥浆的技术手段对于提高取热功率效果并不明显。

4、一些专家学者提出了采用闭式连通井(cn104154668a)、闭式分支井(cn106948795b)和闭式水平井(cn108302833a)等多种井身结构提高中深层闭式单井取热功率，其核心思想是通过增大较高地层温度段的井筒换热面积来提升系统取热能力。然而，在地层和固井水泥导热系数受限的情况下，这些方法难以取得明显效果，加之中深层闭式单井取热系统较高的初投资和运行费用，限制了该模式的推广应用。

5、针对上述问题，需要根据不同地热地质条件优化设计中深层闭式单井取热系统，以提高单井取热功率，本发明提出一种强化中深层闭式单井取热性能的新型成井结构。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种强化中深层闭式地热单井取热性能的成井结构，能够在地层赋存高温含水层条件下，使得近井筒处形成自然对流，强化地层内流体循环流动，将闭式系统近井壁热储内的传热模式由常规导热模式转换为对流换热模式，有效提高中深层闭式单井的取热能力，且成井工艺简单、经济性好。

2、本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

3、一种强化中深层闭式地热单井取热性能的成井结构，包括固井单元及采热单元，所述采热单元包括井口及井口下方同轴设置的保温内套管，所述固井单元包括井口外围自上而下的低温地层、高温地层及含水层，所述低温地层段位于所述井口下方同轴设置大套管，所述大套管下方由外向内依次同轴安装滤水管及小套管，所述滤水管的下端穿过所述高温地层及含水层并连通至地热井底部，所述小套管的下端穿过所述高温地层及含水层并通过封堵头进行密封，所述小套管位于含水层段的外壁上安装垂向肋片；

4、所述滤水管与小套管之间为间隙设置，滤水管与小套管之间的间隙形成含水层内地热水的自然对流流动通道。

5、所述大套管及小套管与保温内套管之间的环形空间形成循环换热流体通道；所述保温内套管内部的圆形空间形成采热后的产出通道。

6、而且，所述垂向肋片的个数为若干个，且均匀分布周向设置于所述小套管外壁上。

7、而且，所述垂向肋片为三角形或锯齿形。

8、而且，所述低温地层与大套管之间填充固井水泥层，所述固井水泥层的水泥为高导热复合水泥。

9、本发明的优点和有益效果为：

10、1、本发明的成井结构，依托现有“取热不取水”的闭式取热模式，固井时上部低温地层段采用具有一定保温性能的复合水泥浆在大套管的外缘进行灌注，减少了换热工质向低温地层的散热量，降低了地热取热系统的热损失率。

11、2、本发明的成井结构，下部高温地层段和含水层段选用小套管作为地热井壁，在含水层段的近井壁处形成流体流动间隙，受径向方向冷热温差影响在间隙内引起自然对流，强化了高温含水层段与地热井内循环工质的换热过程，有效提高中深层地热单井的取热能力，实现低成本高效取热。

12、3、本发明的成井结构，无需在高温地层段和含水层段灌注水泥，通过安装滤水管来支撑上部的大套管，既能保证固井强度，又能减少下部固井水泥的费用，降低新建地热井的初投资。

13、4、本发明的成井结构，仅固井时下部安装滤水管，上部安装大套管即可，无其他特殊构件，不需对地热井结构进行特殊设计，总体的施工难度较小，适用范围非常广泛。

技术特征：

1.一种强化中深层闭式地热单井取热性能的成井结构，其特征在于：包括固井单元及采热单元，所述采热单元包括井口(1)及井口(1)下方同轴设置的保温内套管(10)，所述固井单元包括井口(1)外围自上而下的低温地层(2)、高温地层(6)及含水层(7)，所述低温地层(2)段位于所述井口(1)下方同轴设置大套管(3)，所述大套管(3)下方由外向内依次同轴安装滤水管(5)及小套管(4)，所述滤水管(5)的下端穿过所述高温地层(6)及含水层(7)并连通至地热井底部，所述小套管(4)的下端穿过所述高温地层(6)及含水层(7)并通过封堵头(9)进行密封，所述小套管(4)位于含水层(7)段的外壁上安装垂向肋片(8)；

2.根据权利要求1所述强化中深层闭式地热单井取热性能的成井结构，其特征在于：所述垂向肋片(8)的个数为若干个，且均匀分布周向设置于所述小套管(4)外壁上。

3.根据权利要求1所述强化中深层闭式地热单井取热性能的成井结构，其特征在于：所述垂向肋片(8)为三角形或锯齿形。

4.根据权利要求1所述强化中深层闭式地热单井取热性能的成井结构，其特征在于：所述低温地层(2)与大套管(3)之间填充固井水泥层(14)，所述固井水泥层(13)的水泥为高导热复合水泥。

技术总结
本发明涉及一种强化中深层闭式地热单井取热性能的成井结构，采热单元包括井口及井口下方同轴设置的保温内套管，固井单元包括低温地层、高温地层及含水层，低温地层位于井口下方同轴设置大套管，大套管下方由外向内依次同轴安装滤水管及小套管，滤水管的下端穿过高温地层及含水层并连通至地热井底部，小套管的下端通过封堵头进行密封，小套管位于含水层的外壁上安装垂向肋片。本发明的成井结构，能够在地层赋存高温含水层条件下，使得近井筒处形成自然对流，强化地层内流体循环流动，将闭式系统近井壁热储内的传热模式由常规导热模式转换为对流换热模式，有效提高中深层闭式单井的取热能力，且成井工艺简单、经济性好。

技术研发人员：戴传山,刘东喜,雷海燕,陈谦涵,王启龙,陈书焕,李延兴
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/28