一种伞状地热井除垢装置及其除垢方法与流程

1.本发明属于地热能开发技术领域，具体涉及一种伞状地热井除垢装置及其除垢方法。


背景技术：

2.地热能是一种储量极大、分布范围很广的清洁能源，具有非常高的利用价值。干热岩地热资源是地热资源中的一种，相较水热型地热资源而言，干热岩地热资源更稳定，温度更高，更适合实现稳定发电的设计。但缺点是埋藏深度大，当前的主要开发手段是按照一定距离钻取生产井与注入井，并通过水力压裂等手段制造人工热储层。从注入井中注入的冷水经过热储层加热后即可在生产井产出高温水及水蒸气用于发电、供暖。
3.地热能提取的过程中，井壁极易产生钙垢，井壁产生钙垢的原理：地热流体在上升到生产井井口附近时压力快速降低，发生闪蒸现象，流体中溶解的co2快速释放到空气中，流体中ca
2
浓度与 co
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‑
浓度的乘积大于caco3的溶解度积，使得caco3从流体中析出，附着在井壁上形成钙垢，且经过原理分析可知，钙垢形成的深度普遍在井口向下100m的范围以内。
4.大量钙垢附着在井壁表面会使生产井的井筒直径减小，不仅会导致高温水的温度降低、流量减小，还会导致生产井的堵塞甚至报废。当前常规的清除井壁钙垢的方法是向生产井中注入化学药物或采用物理方法进行除垢。然而由于生成钙垢的位置位于距地表较远处，采用机械除垢方法对深部钙垢进行清除的效率较低，并且从生产井内壁被剔除下的钙垢会继续向下沉积，可能会将生产井部分井段堵死。同时由于钙垢的生成位置距地表较远，采用注入化学药物的方法进行除垢时，药物分布的均匀性很大程度上不受控制，加大注入药物剂量又会增加额外的经济成本。因此寻找一种能够快速完成地热井除垢作业且不会造成井段堵塞的新型的地热井钙垢清除装置和方法迫在眉睫。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，解决地热井筒内机械除垢的技术问题，本发明提供一种伞状地热井除垢装置及其除垢方法，本发明通过采用伞状地热井除垢装置，将化学药剂除垢和机械除垢有机结合，并在除垢的同时将钙垢排出地热井，避免钙垢继续向下沉积，实现地热井中钙垢的高效、彻底清除。
6.本发明通过以下技术方案予以实现。
7.一种伞状地热井除垢装置，它包括井下除垢系统、管道系统和地面辅助系统，其中：所述管道系统包括空心钻杆、注药主管道、注药支管道和抽采通道、下环形接头和上环形接头，所述空心钻杆上端敞口位置处通过上环形接头与封闭端头活动连接，空心钻杆的下端面上设置若干抽采孔，以实现抽采通道与地热井连通，空心钻杆的下方设置下环形接头；所述注药主管道由上至下依次贯穿封闭端头与空心钻杆，注药主管道的轴线方向
与空心钻杆的轴线方向共线，注药主管道与封闭端头固定连接，当空心钻杆旋转时注药主管道与封闭端头保持静止，空心钻杆外部的注药主管道与下环形接头连通，注药主管道与空心钻杆之间的环状空隙部分设置为抽采通道；所述井下除垢系统包括骨架、弹簧机构、高强度透水布和刀头，骨架为高强度钢材，若干所述骨架沿圆周方向均布于空心钻杆的底部，骨架的根部与空心钻杆的底部铰接，骨架倾斜向上设置，空心钻杆的转动驱动骨架同步转动，骨架内沿骨架的轴线方向设置注药支管道，注药支管道通过下环形接头与注药主管道连通，保证管道整体的密封效果，同时确保注药主管道与注药支管道之间可以发生相对转动；所述刀头分别安装于骨架的自由端，刀头与骨架之间采用装配式连接，刀头可更换，刀头上设置喷药孔，喷药孔与注药支管道连通，采用注药泵向注药主管道中泵送化学除垢药剂时，化学药剂可从刀头上的喷药孔向上、向井壁喷射化学除垢药剂；相邻骨架之间的扇形区域设置有高强度透水布，所述高强度透水布的边缘与两侧骨架的上表面固定连接，当骨架处于收缩状态时，高强度透水布出现一定程度的折叠收缩；当骨架张开时，高强度透水布也随之张开，高强度透水布在水平面上的投影面积基本与井筒面积相同。因此，从井壁剥离下来的钙垢均落在高强度透水布上，便于随后的抽采处理，避免了钙垢自由下沉可能导致的井段堵塞现象。弹簧机构分别设置于空心钻杆与对应的骨架之间，弹簧机构通过骨架驱动刀头始终压紧地热井的内壁，弹簧机构可以确保伞状地热井除垢装置在井筒中下降至指定位置后，骨架和高强度透水布充分张开，使刀头紧贴井壁；所述地面辅助系统包括钻机、注药泵、抽采泵和过滤装置，钻机可握紧空心钻杆，使钻机与空心钻杆紧密结合，实现管道系统与井下除垢系统的竖向移动以及动力输出。也可松开空心钻杆，使空心钻杆可与钻机发生相对移动，实现管道系统的延长。注药泵通过管道与注药主管道的上端连通，抽采泵通过管道与抽采通道的上部连通，抽采泵与抽采通道连通的管道上设置过滤装置，将抽采泵、过滤装置、抽采管道进行连接，可将被清除下来的钙垢从地热井中抽出并过滤。
8.进一步地，所述骨架的长度l不小于地热井的半径。
9.进一步地，所述刀头的刃口倾斜向上设置，刃口位置处设置有锯齿状切口。
10.一种伞状地热井除垢装置的除垢方法，包括以下步骤：s1、地热井停止生产，采用测井摄像机确定地热井中井壁钙垢附着区的最大深度h，根据最大深度h制作管道系统，使管道系统中的空心钻杆、抽采通道和注药主管道的长度均不小于h的1.2倍，根据实际情况将空心钻杆与注药主管道平均分为n段，空心钻杆单体与注药主管道单体按照每一段长度为1.2h/n进行管段预制作，其中10m≤1.2h/n≤20m，相邻空心钻杆单体连接处预留有螺纹接口，相邻注药主管道单体连接处预留有螺纹接口；s2、首先，将骨架铰接于第一段空心钻杆单体的下部，并且使第一段注药主管道单体与注药支管道连通；然后，钻机握紧第一段空心钻杆单体，确保第一段空心钻杆单体的中心轴、井下除垢系统的中心轴与地热井的中心轴共线；最后，钻机握紧第一段空心钻杆单体向下移动，使第一段空心钻杆单体、第一段注药主管道单体和井下除垢系统由井口进入地热井中；s3、注药主管道与空心钻杆吊装：a、将步骤s1预制好的第二段注药主管道单体吊装至第一段注药主管道单体的上
方，第二段注药主管道单体与第一段注药主管道单体通过螺纹接口螺纹连接，接缝位置处进行密封处理；b、将步骤s1预制好的第二段空心钻杆单体吊装至第一段空心钻杆单体的上方，第二段空心钻杆单体与第一段空心钻杆单体通过螺纹接口螺纹连接，接缝位置处进行密封处理；然后，钻机松开第一段空心钻杆单体后向上移动并握紧第二段空心钻杆单体，将第二段空心钻杆单体带动井下除垢系统向下移动；c、依次重复执行步骤a~b，将剩余的注药主管道单体与空心钻杆单体依次首尾相接，完成了管道系统的制备，同时将井下除垢系统和管道系统移动至预定位置；s4、步骤s3中井下除垢系统和管道系统在地热井中逐渐下降的过程中：首先，井下除垢装置刚开始进入地热井时，切削刀头紧贴井壁下降；然后，切削刀头下降至钙垢生成区内，钙垢通过压紧骨架压紧弹簧机构，高强度透水布向内侧收回；最后，刀头越过钙垢生成区，弹簧机构复位运动驱动骨架和高强度透水布向外张开恢复至初始状态，刀头重新紧贴井壁，井下除垢系统到达预定位置；s5、完成注药泵、抽采泵、过滤装置、封闭端头与管道系统的连接，在地面预先配制化学除垢药剂，启动地面辅助系统；首先，注药泵将化学除垢药剂泵入注药主管道中，化学除垢药剂沿着注药支管道运移，并从喷药孔喷出至井壁钙垢生成区；然后，钻机通过空心钻杆驱动井下除垢系统旋转上升，刀头沿着井壁旋转上升的过程中将钙垢生成区位置处的钙垢切削清除，与此同时启动抽采泵，被切削下来的钙垢碎渣在抽采泵的作用下沿抽采通道向上排出井筒，钙垢碎渣经过过滤装置的过滤后集中进行无害化处理，并将尾水回灌入地热井中；s6、钻机通过空心钻杆将井下除垢系统提升至离开地热井，完成钙垢清除作业，关闭地面辅助系统，移除伞状地热井除垢装置，恢复地热井正常生产。
11.与现有技术相比本发明的有益效果为：1.采用本发明可提高地热井除垢速度，提高地热井除垢效果，同时很大程度上可以避免单纯采用机械方法进行除垢对地热井井筒造成的损伤；2.采用本发明可以将井壁剥离下来的钙垢收集起来并排出地热井外，避免了采用普通机械除垢方法，导致剥落的钙垢向下自由沉积，甚至堵塞部分井段的后果；3.本发明结构简单，可适用于不同尺寸的地热井除垢工作中。
附图说明
12.图1为伞状地热井除垢装置的俯视结构示意图；图2为图1中a
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a面剖视结构示意图；图3为图1中b
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b面剖视结构示意图；图4为刀头与骨架装配结构立体示意图；图5为空心钻杆底部的开孔示意图；图6为下环形接头与注药主管道和注药支管道的连接示意图；图7为上环形接头与封闭端头和空心钻杆的连接示意图；图8为伞状地热井除垢装置的使用过程流程图；在本技术中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明发明的原理，并且未按照实
际比例绘制。
13.图中，100井下除垢系统，200为管道系统，300为地面辅助系统；1为地热井；2为井壁钙垢附着区；101为骨架；102为弹簧装置；103为高强度透水布；104为刀头；105为喷药孔；201为空心钻杆；202为注药主管道，203为注药支管道；204为抽采通道；205为下环形接头；206为上环形接头；207为封闭端头，208为抽采孔；301为钻机；302为注药泵；303为抽采泵；304为过滤装置。
具体实施方式
14.以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例均按照常规实验条件。
15.如图1至图7所示的一种伞状地热井除垢装置，它包括井下除垢系统、管道系统和地面辅助系统，其中：所述管道系统200包括空心钻杆201、注药主管道202、注药支管道203和抽采通道204、下环形接头205和上环形接头206，所述空心钻杆201上端敞口位置处通过上环形接头206与封闭端头207活动连接，空心钻杆201的下端面上设置若干抽采孔208，空心钻杆201的下方设置下环形接头205；所述注药主管道202由上至下依次贯穿封闭端头207与空心钻杆201，注药主管道202的轴线方向与空心钻杆201的轴线方向共线，注药主管道202与封闭端头207固定连接，当空心钻杆201旋转时注药主管道202与封闭端头207保持静止，空心钻杆201外部的注药主管道202与下环形接头205连通，注药主管道202与空心钻杆201之间的环状空隙部分设置为抽采通道204；所述井下除垢系统100包括骨架101、弹簧机构102、高强度透水布103和刀头104，若干所述骨架101沿圆周方向均布于空心钻杆201的底部，骨架101的根部与空心钻杆201的底部铰接，骨架101倾斜向上设置，骨架101内沿骨架的轴线方向设置注药支管道203，注药支管道203通过下环形接头205与注药主管道202连通；所述刀头104分别安装于骨架101的自由端，刀头104上设置喷药孔105，喷药孔105与注药支管道203连通，相邻骨架101之间的扇形区域设置有高强度透水布103，弹簧机构102分别设置于空心钻杆201与对应的骨架101之间，弹簧机构102通过骨架101驱动刀头104始终压紧地热井1的内壁；所述地面辅助系统包括钻机301、注药泵302、抽采泵303和过滤装置304，注药泵302通过管道与注药主管道202的上端连通，抽采泵303通过管道与抽采通道204的上部连通，抽采泵303与抽采通道连通的管道上设置过滤装置304。
16.图4仅展示了刀头104的一种形式，任何可以实现切削钙垢的同时向井壁释放化学除垢药剂的切削刀头均属于本发明的保护内容。
17.进一步地，所述骨架101的长度l不小于地热井1的半径。
18.进一步地，所述刀头104的刃口倾斜向上设置，刃口位置处设置有锯齿状切口。
19.如图8所示的一种伞状地热井除垢装置的除垢方法，包括以下步骤：s1、地热井1停止生产，采用测井摄像机确定地热井1中井壁钙垢附着区2的最大深度h，根据最大深度h制作管道系统200，使管道系统200中的空心钻杆201、抽采通道204和注药主管道202的长度均不小于h的1.2倍，根据实际情况将空心钻杆201与注药主管道202平
均分为n段，空心钻杆单体与注药主管道单体按照每一段长度为1.2h/n进行管段预制作，其中10m≤1.2h/n≤20m，相邻空心钻杆单体连接处预留有螺纹接口，相邻注药主管道单体连接处预留有螺纹接口；s2、首先，将骨架101铰接于第一段空心钻杆单体的下部，并且使第一段注药主管道单体与注药支管道203连通；然后，钻机301握紧第一段空心钻杆单体，确保第一段空心钻杆单体的中心轴、井下除垢系统100的中心轴与地热井1的中心轴共线；最后，钻机301握紧第一段空心钻杆单体向下移动，使第一段空心钻杆单体、第一段注药主管道单体和井下除垢系统100由井口进入地热井1中；s3、注药主管道与空心钻杆吊装：a、将步骤s1预制好的第二段注药主管道单体吊装至第一段注药主管道单体的上方，第二段注药主管道单体与第一段注药主管道单体通过螺纹接口螺纹连接，接缝位置处进行密封处理；b、将步骤s1预制好的第二段空心钻杆单体吊装至第一段空心钻杆单体的上方，第二段空心钻杆单体与第一段空心钻杆单体通过螺纹接口螺纹连接，接缝位置处进行密封处理；然后，钻机301松开第一段空心钻杆单体后向上移动并握紧第二段空心钻杆单体，将第二段空心钻杆单体带动井下除垢系统100向下移动；c、依次重复执行步骤a~b，将剩余的注药主管道单体与空心钻杆单体依次首尾相接，完成了管道系统200的制备，同时将井下除垢系统100和管道系统200移动至预定位置；s4、步骤s3中井下除垢系统100和管道系统200在地热井1中逐渐下降的过程中：首先，井下除垢装置100刚开始进入地热井1时，切削刀头104紧贴井壁下降；然后，切削刀头104下降至钙垢生成区2内，钙垢通过压紧骨架101压紧弹簧机构102，高强度透水布103向内侧收回；最后，刀头104越过钙垢生成区2，弹簧机构102复位运动驱动骨架101和高强度透水布103向外张开恢复至初始状态，刀头104重新紧贴井壁，井下除垢系统100到达预定位置；s5、完成注药泵302、抽采泵303、过滤装置304、封闭端头207与管道系统200的连接，在地面预先配制化学除垢药剂，启动地面辅助系统300；首先，注药泵302将化学除垢药剂泵入注药主管道202中，化学除垢药剂沿着注药支管道203运移，并从喷药孔105喷出至井壁钙垢生成区2；然后，钻机301通过空心钻杆201驱动井下除垢系统100旋转上升，刀头104沿着井壁旋转上升的过程中将钙垢生成区2位置处的钙垢切削清除，与此同时启动抽采泵303，被切削下来的钙垢碎渣在抽采泵303的作用下沿抽采通道204向上排出井筒，钙垢碎渣经过过滤装置304的过滤后集中进行无害化处理，并将尾水回灌入地热井1中；s6、钻机301通过空心钻杆201将井下除垢系统100提升至离开地热井1，完成钙垢清除作业，关闭地面辅助系统300，移除伞状地热井除垢装置，恢复地热井1正常生产。
20.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。