一种地热井同轴套管内管分段配重系统的制作方法

1.本发明涉及地热井，具体涉及一种地热井同轴套管内管分段配重系统。


背景技术：

2.全球地热资源十分丰富，约为全球煤热值当量的1.7亿倍，是全世界现产煤炭总发热量的2000倍。以地下3km以内地热能计算，即使按1%的利用率来考虑，相当于29000亿吨标煤能量。随着能源行业产业政策调整和人类对能源需求不断提高，能源结构形式已由传统能源结构为主渐渐过渡到以新能源、清洁能源、可再生能源为主发展方向，“坚持绿色低碳引领，壮大清洁能源产业，推动高质量发展”的能源战略布局已将地热能应用技术发展推送到前沿。地热资源综合开发利用，其社会、经济和环境效益显著，在发展国民经济中已显示出越来越重要作用。
3.对中深层同轴套管地热井换热技术，由于内管长度长且材料密度一般低于换热介质密度，在地热异常区，井底温度一般可达90~110℃，对高温状态下材料热稳定性、伸缩率及拉伸强度等参数要求很高。
4.目前针对内管浮力解决还存在一些问题。常规方法是根据计算浮力差，在井底进行一次性配重，当中深层地热井深度达到3000m，配重需占用井底长度20m或更多。下部温度高，可作为良好的取热段，如被用作配重段占用，在目前取热不取水的技术条件下，底部很大一段管无法换热，造成很大浪费，没有充分发挥出地热管的经济性。第二方面，井底配置重量大，对材料高温环境下的承受拉伸强度要求更高，也给稳定安全运行带来很大隐患；中深层井深大，井下情况复杂，一旦发生材料开裂或断裂，将大大影响到取热效果，严重时，可导致换热失败。
5.中国实用新型专利cn215632769u公开了一种无干扰中深层地热井内套管配重设备，该设备包括由上到下一次串联连接的内套管连接器、多个配重器、连接钢丝和引导器组成，上述专利虽然在配重方面发挥一定作用，但该专利仍然存在问题，专利中采用的钢丝固定会存在不牢固及水下容易生锈脱离；配重器未做水力减阻处理措施，导致换热介质运行阻力过大；集中某一段进行配重，对靠近配重端负荷过大等问题需要解决。综上所述，现有技术未能很好的解决中心管配重稳定性、降低换热介质阻力等问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种地热井同轴套管内管分段配重系统。
7.一种地热井同轴套管内管分段配重系统，包括外管、内管和多个配重管，所述外管伸入并固定于所述地热井中，所述内管位于所述外管中，所述内管由多段不同分段的分管连接而成，所述多个配重管分别套设于所述不同分段的分管上。
8.可选的，所述配重管的内径比所述内管的外径大1-20mm；所述配重管的外径小于所述外管的内径20-40mm；在不同分段的分管结合处形成支撑所述配重管的凸环；所述分管通过热熔连接，通过翻边形成上述凸环；在所述配重管的两端形成倒角；在所述配重管的内
壁与所述内管的外壁间形成有装配空腔，在位于所述配重管两端的所述装配空腔中设置有l型橡胶密封圈；所述l型橡胶密封圈包括垫圈，在所述垫圈上形成环形凸起，所述垫圈的内径与所述环形凸起的内径相等，所述垫圈的外径大于所述环形凸起的外径；所述环形凸起采用圆台形，所述圆台的直径由上至下逐渐增加；在所述配重管的侧壁开设有排气口。
9.本发明的有益效果是：通过此种工艺设计，防止内管因浮力的问题而发生断裂情况，同时也为内管施加扶正器安全下放提供了条件；通过分段配重，使材料受力均衡，比一次性井底配重受力更小，避免局部受力过大，提高了材料使用寿命；分段配重及底部高温条件下，材料所受的拉伸强度大幅度减少，对优化内管材料选型提供了更多的选择空间，有利于降低内管成本，有效解决地热井初投资过大问题，推动清洁高效地热能开发利用。
附图说明
10.图1为分段配重系统的结构示意图；图2为图1中a部的局部放大图；图3为图1中b部的局部放大图；图4为l型橡胶密封圈的结构示意图。
具体实施方式
11.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
12.在下文描述和权利要求中使用的术语和词语不限于书面含义，而是仅由发明人使用从而能够清楚并一致地理解本发明。因此，对于本领域技术人员而言显而易见的是，提供本发明的各个实施例的下文描述仅出于说明的目的，而不是出于限制由所附权利要求及其等同物所限定的本发明的目的。
13.应当理解，单数形式的“一”、“一个”和“该”包括复数对象，除非上下文明确地另有所指。因此，例如，涉及“模组”包括涉及一个或多个这样的模组。通过参考下文实施例的详细描述和附图，可以更容易地理解本发明的优点和特征以及实现本发明的方法。然而，本发明可以以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使得本发明将是彻底和完整的，并且将本发明的概念充分传达给本领域技术人员。
14.如图1所示，本发明的地热井同轴套管内管分段配重系统包括外管1和内管2，外管1伸入并固定于地热井中，其可以采用金属管，外管1可以对地热井内壁起到支撑作用，防止井壁坍塌。内管2位于外管1中， 内管2主要用于实现热交换，内管2可以采用改性的pe或ppr基材，其具有高热阻、热胀系数低等特性。
15.内管2由多段分管连接而成，这些分管可以具有相同或不同的长度，例如从几米到几十米的长度，通过连接这些分管形成总长超过千米的内管2。在分管上套设有配重管3，配重管3材料可以为一定壁厚管状金属，具有高密度、耐锈蚀等特性。配重管3的内径大于内管2的外径，使得配重管3可以较为容易的套于内管2上，但不可过大，过大会使得配重管3相对
于内管2容易产生晃动，损害内管2，因此配重管3的内径比内管2的外径大1-20mm为宜；但配重管3的外径要小于外管1的内径，这样可以使得配重管3可以随内管2一起深入地热井内，另一方面，考虑到内管2较长，其在外管1中晃动较大，同时在内管2下管过程中，内管2会发生倾斜。配重管3的外径小于外管1的内径20-40mm为宜，这样配重管3可以对内管2起到扶正的作用，防止内管2在外管1中大幅晃动或者发生倾斜。
16.参阅图2，在分管与另一分管的结合处形成支撑配重管3的凸环6，例如可以将分管采用热熔连接后，通过翻边形成的上述凸环6。凸环6的外径大于配重管3的内径，这样通过凸环6可以对配重管3提供稳定的支撑，防止配重管3由于重力从内管2上向下滑落。
17.配重管3可以套设于多个不同的分管上，相邻配重管3间的分段间隔距离可依据实际项目需要及材料特性计算得到。需要进一步说明的是，不要求每段分管都形成凸环6，凸环6可以仅形成于要求设置配重管3的分管上，这样可以减少不必要的热熔翻边工艺，从而节提高了施工效率。
18.在配重管3的两端形成倒角4，优选为45度倒角，具体而言，相对于内管2的轴线配重管3下端的倒角与轴线间夹角为45度，而相对于内管2的轴线配重管3上端的倒角与轴线间夹角为135度。通过对配重管3两端进行倒角处理，可以减少换热介质阻力损失。
19.一并参阅图2、图3与图4，在配重管3的内壁与内管2的外壁间形成有装配空腔5，由于装配空腔5的存在，一方面，在施工过程中配重管3会产生晃动，这种晃动会对内管2与凸环6产生冲击，从而降低内管2的使用寿命；另一方面，工作过程中，配置管3会对内管凸环6在重力和换热介质流动作用下产生剪切和挤压。对此，本发明在位于配重管3两端的装配空腔5中设置有l型橡胶密封圈4，l型橡胶密封圈4套于内管2上，通过将l型橡胶密封圈4紧紧插入装配空腔5中可以对配重管3起到稳固作用，从而可以消除其在施工过程中产生的晃动；另一方面，l型橡胶密封圈4对装配空腔5进行了密封，可以减少换热介质流动所产生剪切和挤压，提高其使用寿命。
20.如图4所示，l型橡胶密封圈4具有良好耐热、耐压及柔韧性等特性，其包括垫圈10，在垫圈10上形成环形凸起9，垫圈10的内径与环形凸起9的内径相等，垫圈10的外径大于环形凸起9的外径。安装时，环形凸起9插入装配空腔5中，垫圈10抵接配重管3的上端或下端。优选的，环形凸起9采用圆台形，圆台直径由上至下（以垫圈所在方向为下方）逐渐增加，这样的圆台结构可以便于将环形凸起9插入装配空腔5中，同时又可以起到良好的稳固密封作用。
21.进一步的，在配重管3上的侧壁开设有排气口7，排气口7可以开设多个，通过排气口7可以将装配空腔5内的空气排出，从而可以防止由于装配空腔5内压力过大将l型橡胶密封圈8从装配空腔5顶出。
22.下面结合附图对具体的施工过程做详细介绍。
23.配重管3需根据浮力、内管长等计算分段数量及分段配重的重量。浮力计算可根据浮力公式，分段间隔距离可依据实际项目需要及材料特性计算分段。
24.内管2在采用热熔连接后，通过翻边形成的内管2外部凸环6；通过计算单节分管材料的重量和不同深度处的浮力情况，结合内管2尺寸，选择常用标准规格的耐腐蚀配重管3；通过计算选择相应的长度，在热熔连接的内管2处，先套上l型橡胶密封胶圈8，再放入配重管3，防止配重管3对热熔连接处凸环6产生挤压剪切；在配重管3的上端，也套入l型橡胶密
封胶圈8，进行压实封堵。
25.施工过程：第一步，确定管内外径、管长、换热介质密度等参数，计算内管2浮力和配重管3对凸环6的剪切力，根据浮力、管长并考虑内管2的凸环6承载力阈值进行分段计算；第二步，确定配重管3重量及分段间距，预制配重管3，将配重管3进行倒角4处理和贯通排气孔7；第三步，外套管1下井并固井完毕后，再下内管2，内管采用热熔连接，热熔连接确保内管2的凸环6向外凸出达到一定尺寸以上；第四步，根据计算出来的配重及间距布置配重管3，配重管3与内管2上下端都布置l型橡胶密封胶圈8；第五步，重复步骤四，直到完成全部配重管3配重。
26.通过本发明，可以防止内管因浮力的问题而发生断裂情况，同时也为内管施加扶正器安全下放提供了条件；通过分段配重，使材料受力均衡，比一次性井底配重受力更小，避免局部受力过大，提高了材料使用寿命；分段配重及底部高温条件下，材料所受的拉伸强度大幅度减少，对优化内管材料选型提供了更多的选择空间，有利于降低内管成本，有效解决地热井初投资过大问题，推动清洁高效地热能开发利用。
27.实例应用：一口中深层同轴套管地热井深约为3000m，内管密度0.9g/cm3，低于换热介质密度1.0g/cm3，下放内管将产生浮力。内管外径110mm，内管内径90mm。内管根据耐高温高压改性无规共聚聚丙烯型深层地热顶管配重:f浮力=0.785
×
（0.11
2-0.092)
×
3000
×
（1000-900）kg=942kg。考虑内管串与套管之间的自然摩擦阻力和地热井施工过程中存在局部井斜导致的摩擦力等综合因素，确定内管配重质量为1200kg。
28.考虑到配重对管材的负荷影响以及井斜和下管阻力的问题，需要在中心管底部配重540公斤的配重以保证中心管的下放动力，同时在中心管上分段配重1200-540=660kg，以降低配重对管材负荷，以每百米设置一个分段配重钢管，重量为660
÷
29=22.8kg，钢管长度取1.97m，钢管型号φ121
×
4，单重为11.54kg/m，厚度≤4mm，将钢管套置于中心管外（中心管外径为110mm为柔性材质），钢管可较容易套入柔性内管。
29.虽然技术已经关于一个或者多个实施方式进行说明和描述，但是在不脱离所附权利要求书的精神和范围的情况下可以对所说明的示例做出变更和/或修改。特别是关于由上述部件或结构(组件、器件、电路、系统等)所执行的各种功能，用于描述这样的部件的术语(包括对“装置”的参考)旨在对应于执行所描述的部件的指定功能的任何部件或者结构(例如，功能上等价)，即便在结构上不等价于执行本文所说明的示例实施方式中的功能的所公开的结构，除非另外指明。另外，虽然特定特征可能已经关于若干实施方式中的一个实施方式被公开，但是如可能对于任何给定或者特定应用所期望且有利的，这样的特征可以与其他实施方式中的一个或者多个其他特征组合。此外，就详细描述或者权利要求书中使用术语“包含了”、“包含”、“具有了”、“具有”、“含有”或其变形而言，这样的术语以类似于术语“包括”的方式旨在是包括性的。

技术特征：
1.一种地热井同轴套管内管分段配重系统，其特征在于，包括外管、内管和多个配重管，所述外管伸入并固定于所述地热井中，所述内管位于所述外管中，所述内管由多段不同分段的分管连接而成，所述多个配重管分别套设于所述不同分段的分管上。2.根据权利要求1所述的分段配重系统，其特征在于，所述配重管的内径比所述内管的外径大1-20mm。3.根据权利要求1所述的分段配重系统，其特征在于，所述配重管的外径小于所述外管的内径20-40mm。4.根据权利要求1所述的分段配重系统，其特征在于，在不同分段的分管结合处形成支撑所述配重管的凸环。5.根据权利要求4所述的分段配重系统，其特征在于，所述分管通过热熔连接，通过翻边形成上述凸环。6.根据权利要求1所述的分段配重系统，其特征在于，在所述配重管的两端形成倒角。7.根据权利要求1所述的分段配重系统，其特征在于，在所述配重管的内壁与所述内管的外壁间形成有装配空腔，在位于所述配重管两端的所述装配空腔中设置有l型橡胶密封圈。8.根据权利要求7所述的分段配重系统，其特征在于，所述l型橡胶密封圈包括垫圈，在所述垫圈上形成环形凸起，所述垫圈的内径与所述环形凸起的内径相等，所述垫圈的外径大于所述环形凸起的外径。9.根据权利要求8所述的分段配重系统，其特征在于，所述环形凸起采用圆台形，所述圆台的直径由上至下逐渐增加。10.根据权利要求1所述的分段配重系统，其特征在于，在所述配重管的侧壁开设有排气口。

技术总结
本发明公开了一种地热井同轴套管内管分段配重系统，包括外管、内管和多个配重管，所述外管伸入并固定于所述地热井中，所述内管位于所述外管中，所述内管由多段不同分段的分管连接而成，所述多个配重管分别套设于所述不同分段的分管上。本发明通过分段配重，使材料受力均衡，比一次性井底配重受力更小，避免局部受力过大，提高了材料使用寿命。提高了材料使用寿命。提高了材料使用寿命。


技术研发人员：李彦 唐远程 韦启珍 孙志云 卢小龙 陈贺伟 李俊宇
受保护的技术使用者：中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/8/9