CN111022014A - 一种利用重力泄水技术开发干热岩资源的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用重力泄水开发干热岩地热资源的方法，所述方法包括注采井的设计和钻井，井间的压裂连通，高压注水生产三个步骤。钻井阶段，上下平行的两口水平井，进行垂向压裂，纵向连通，使上下注采双水平井达到流动连通和压力连通的要求；生产阶段，上部注入井注入低温水，经与地层进行充分的热交换后，从位于下部的生产井采出高温水，提取出来的热能进行发电等综合利用，处理后的水循环回注入干热岩层中。本发明提供的技术方案结合了重力沉降原理和裂缝辅助流体流动提高热交换效率的方法，大幅提高干热岩地热资源的开发效率。
Description
技术领域
本发明属于干热岩地热资源开发技术领域，尤其涉及一种利用重力泄水开发干热岩地热资源的方法。
背景技术
干热岩是一种新兴的清洁地热资源，它位于地下3-10千米处，温度在150-650℃，是一种不透水的致密岩体，国际上公认的高效低碳清洁能源。干热岩地热开采出的热量利用广泛，可用于发电，可用于供暖，可应用于石油的强化开采措施等方面。开发利用过程中几乎不产生N,S氧化物等污染物，十分环保。
若实现技术突破，规模化开发利用可有效降低温室效应和酸雨对环境的影响。干热岩发电技术不会受到季节和气候的制约，据有关资料报道，干热岩发电的成本仅为风力发电的1/2，只有太阳能发电的1/10。
干热岩的开发利用目前主要是利用岩体的热量，通过水平井，直井或U型井注入高压冷水，吸收热量，转化为蒸汽，通过同一平面的水平井，直井贯通的人工热储构造平面抽取到地表进行利用，提取了热量后将水回注干热岩中。达到“取热不取水”无干扰转换的目的。但是所有的注入井的生产井都处于同一平面。本身接触干热岩的面积小，吸热范围小，热量传递有限。而干热岩是成“体”量的地热资源，而现阶段的技术只局限在“面”上，使得收集的热量不充分，产热效率低。
据调查，如果利用干热岩发电，要求用于发电的激发体积要达到0.1Km3以上，创建的有效换热面积大于100×104m2，流体阻力小于0.1MPa/kg/s。如果能够将换热形状从“平面”改进到“体积”上开发干热岩，相信对于干热岩地热资源整体开发将会产生深远影响，而现有技术中还没有提出一种在干热岩层上打出两口同一立面平行井的可行性方案。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种利用重力泄水技术开发干热岩资源的方法。本发明的目的是提供一种能够更高效地与地层实现热交换，利用人造裂缝扩大换热面积和重力泄水原理，在块状干热岩中抽取更多的高质量地热热能，来实现干热岩地热资源的商业化开发利用，保护环境和提高经济效益。
本发明采用如下技术方案：
利用重力泄水技术开发干热岩资源的方法，包括以下步骤：
阶段一.在干热岩中部署注采井网。
在目的层中部署空间方向上平行的两口水平井井对，上层的为注入井，下部为生产井，注入井与生产井在纵向上的距离为5-7m。每一对注采井与另外一对注采井之间要求横向间距在30-100m，水平段长度在500-2000m。
目的层：即指勘探确认开发的干热岩层，深度在3000-5000m。
经过勘查，收集相关地质数据，利用软件模拟，以及安全施工和波及范围等数据，优选在干热岩层底部上方5-7m部署生产井水平段，在生产井水平段上方5-7m再部署注入水的注入井水平段。
阶段二.每对注采井钻完井后均进行完井和压裂操作。
进行高温钻井，开展高温高压测井，完井作业，采用稠油开采的钻井方法先完成上侧的注入井，后完成下侧的生产井钻井作业。
具体方法为，采用311.1mm的PDC钻头，井眼直径311.1mm，套管直径244.5mm，搭配203.2mm的浮阀，无磁钻铤，螺旋钻铤和MWD，配上加重钻杆127mm和139.7mm钻杆进行旋转导向钻井，完成两口水平井钻井。此钻具组合可耐高温，钻杆用S135钢级，匹配油基钻井液。200℃干热岩采用0.3-0.8％稠化剂+1.0％助排剂+1.0％破乳剂+0.5-0.1％温度稳定剂+0.2-0.8％交联调节剂+0.1％杀菌剂进行压裂，用大排量滑溜水进行裂缝支撑。
生产井直井段考虑加装保温管柱，注入井水平段下入，注入流体分配管柱，确保注入流体在整个水平段均匀分配。选用高温水泥浆进行高温固井，安装配备好管柱完成完井作业。
注采井的水平段进行裸眼完井，或者下筛管或者射孔完井。
生产井的竖直井段的配备井筒保温层，使采出的液体在直井段减少热量损失，选用高温水泥浆进行高温固井，安装配备好管柱完成完井作业。
注入井水平段整体和生产井水平段上部同时开展分段压裂，在注采井之间和近井地带产生垂直裂缝，实现注入井与生产井之间地层的垂向上联通。
阶段三.进行地热能生产，整体开发干热岩地热资源。
向注入井中连续注入高压水，注入水沿井筒与压裂后的高温干热岩地层进行热交换，在重力作用下沿裂缝流向下部的生产井，生产井内的高温水通过泵抽吸至地面，待与热电传感器完成热交换后，再次注入注入井中，形成了一个连续的生产过程。由于注采井之间的裂缝大幅度增加了注入水与地层的换热面积，有利于提高注入水的速率和与地层的换热量，改善干热岩的地热开采效率。
本发明的有益效果：
1.本发明经过大量收集干热岩地层资料，了解到干热岩地层的岩层为变质岩和结晶岩，一般包括黑云母片麻岩、花岗岩和花岗闪长岩等，岩石硬度大，抗压强度高，片麻岩的极度压碎强度在1400-1800MPa之间，闪长岩的极度压碎强度在1800-2500MPa之间，岩石单轴抗压强度一般在200MPa以上，干热岩地层温度高，一般在150-650℃，地温梯度每100m大于4.0℃。由于高温环境产生的热冲击，岩石内产生热裂解现象，力学性质裂化，变形特征发生变化，弹性模量、抗压强度、抗拉强度、峰值应力和应变明显减小，岩石致密，孔隙度小，渗透率极低，基本不含流体。
地层发育裂隙和断层，不适合压裂作业，由于井壁围岩稳定性差，在钻井过程中，井壁围岩受到温度场、渗流长和应力场的多场耦合作用，井壁热破裂现象明显，形成大量裂纹，岩石强度明显降低，极易造成掉块、卡钻和憋钻，很容在立体层面钻井过程及压裂过程中引起井塌，因此本发明采用稠油开采技术中钻井方法，并结合干热岩地质特点，提出针对干热岩地层的钻井方式，采用耐高温钻具及辅助钻井液，克服了在干热岩层同一立面上打两口井的技术难题，结合干热岩地层高温、高压的特点，找到了注入井水平段与水平井水平段最佳契合距离5-7m。
2.本发明使用分段压裂的定向压裂技术，射孔只需上部射孔即可实现生产井上部压裂。
3.本发明通过重力泄水井网将干热岩的地热开采从“面连通”变为“体连通”，由于采用水力压裂技术和重力泄水原理相结合的方法，实现地热资源的连续和高效开采。相同井数下，“体型”井网比“面型”井网所覆盖的干热岩有效开采范围更大。由于干热岩的埋藏深度普遍超过3000米，采用注入井和生产井的水平段长度达500-1000米，使单井水平接触干热岩区域大大增加，有利于降低钻井费用和生产运营成本，提高干热岩开采的经济性。本发明提出的方法还具有以下效果，能大幅度提高热传递效率，能连续生产，提高热能开采速率，与现有技术相比钻井数较少，节约了开发的成本。
附图说明
图1为本发明中经压裂连通后的一对注采井示意图；
图2为本发明中部署的俯视多井对井网分布示意图；
图3为本发明中生产井的井筒保温层示意图。
图中：1-干热岩层、2-地面、3-注水井、4-生产井、5-井筒保温层、6-压裂后相互连通的裂缝、7-生产流体流动方向、8-耐800℃的硅酸盐管壳、9-耐450℃的玻璃棉管壳、10-做好内外防腐层的井筒。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
水力压裂是指采油或采气过程中，通过泵入高压液体，使油气层形成裂缝的一种增产方法。压裂是人为地使地层产生裂缝，改善油在地下的流动环境，使油井产量增加。
本发明的一种利用重力泄水整体开发干热岩地热资源的方法。
利用重力泄水技术开发干热岩资源的方法，包括以下步骤：
阶段一.在干热岩中部署注采井网。
在目的层中部署空间方向上平行的两口水平井井对，上层的为注入井，下部为生产井，注入井与生产井在纵向上的距离为5-7m。每一对注采井与另外一对注采井之间要求横向间距在30-100m，水平段长度在500-2000m。
目的层：即指勘探确认开发的干热岩层，深度在3000-5000m。
经过勘查，收集相关地质数据，利用软件模拟，以及安全施工和波及范围等数据，优选在干热岩层底部上方5-7m部署水平井，在水平井上方5-7m再部署注入水的水平井组。
阶段二.每对注采井钻完井后均进行完井和压裂操作。
进行高温钻井，采用稠油开采的钻井方法先完成上侧的注入井，后完成下侧的生产井钻井作业，开展高温高压测井，完井作业，选用高温水泥浆进行高温固井，安装配备好管柱完成完井作业。
具体方法为，采用311.1mm的PDC钻头，井眼直径311.1mm，套管直径244.5mm，搭配203.2mm的浮阀，无磁钻铤，螺旋钻铤和MWD，配上加重钻杆127mm和139.7mm钻杆进行旋转导向钻井，完成两口水平井钻井。此钻具组合可耐高温，钻杆用S135钢级，匹配油基钻井液。200℃干热岩采用0.3-0.8％稠化剂+1.0％助排剂+1.0％破乳剂+0.5-0.1％温度稳定剂+0.2-0.8％交联调节剂+0.1％杀菌剂进行压裂，用大排量滑溜水进行裂缝支撑。
生产井直井段考虑加装保温管柱，注入井水平段下入，注入流体分配管柱，确保注入流体在整个水平段均匀分配。
注采井的水平段进行裸眼完井，或者下筛管或者射孔完井。
对注入井和生产井同时开展分段压裂，在注采井之间和近井地带现场垂直裂缝，取得上下井之间地层的垂向连通。
阶段三.进行地热能生产，整体开发干热岩地热资源。
向注入井中连续注入高压水，注入水沿井筒与压裂后的高温干热岩地层进行热交换，在重力作用下沿裂缝流向下部的生产井，生产井内的高温水通过泵抽吸至地面，待与热电传感器完成热交换后，再次注入注入井中，形成了一个连续的生产过程。由于注采井之间的裂缝大幅度增加了注入水与地层的换热面积，有利于提高注入水的速率和与地层的换热量，改善干热岩的地热开采效率。
实施例1
如图1和图2所示，注入井3与生产井4为两口水平井，并且平行，水平段垂直距离为7米。每对注采井对水平间距为50m，水平段长度750m，每对井口在一起，相邻井对方向一致，便于集液。生产井的直井段的注入管线配备井筒保温层，具体构造详见图3。此设计适用于干热岩温度在150-350℃的干热岩岩层。循环次数增多，减少热量损失。
保温层的使用可保证采出的液体在直井段减少热量损失，注入井管线不需要加保温层，以便注入流体与地层进行充分的热交换。注入井水平段考虑下入注入流体分配管柱，确保注入流体在整个水平段均匀分配。所有井的钻井采用高温钻井模式，完井后进行射孔压裂，(所有井采用耐高温钻头和钻杆进行钻井，完井后进行水平段分段射孔，多级压裂。压裂时使用耐高温压裂液)促进注采井井间连通。井场建设完备后进行连续生产，采出液经过抽取热量后进行回注操作。“体型”开发效果显著，采出的热能较以前的直井开发方式成倍提高。
实施例2
注入井3与生产井4为两口水平井，并且平行，水平段垂直距离为5米。每对注采井对水平间距为30m，水平段长度1000m，每对井口在一起，相邻井对方向一致，便于集液。生产井的直井段的注入管线配备井筒保温层，具体构造详见图3。此设计适用于干热岩温度在200-500℃的干热岩岩层。循环次数增多，减少热量损失。
保温层的使用可保证采出的液体在直井段减少热量损失，注入井管线不需要加保温层，以便注入流体与地层进行充分的热交换。注入井水平段考虑下入注入流体分配管柱，确保注入流体在整个水平段均匀分配。所有井的钻井采用高温钻井模式，完井后进行射孔压裂，(所有井采用耐高温钻头和钻杆进行钻井，完井后进行水平段分段射孔，多级压裂。压裂时使用耐高温压裂液)促进注采井井间连通。井场建设完备后进行连续生产，采出液经过抽取热量后进行回注操作。“体型”开发效果显著，采出的热能较以前的直井开发方式成倍提高。
实施例3.本发明的一种利用重力泄水整体开发干热岩地热资源的方法。
如图1和图2所示，注入井3与生产井4为两口水平井，并且平行，水平段垂直距离为5米。每对注采井对水平间距为80m，水平段长度1500m，每对井口在一起，相邻井对方向一致，便于集液。生产井的直井段的注入管线配备井筒保温层，具体构造详见图3。此设计适用于干热岩温度在350-550℃的干热岩岩层。循环次数减少，热量传递效率更高。
综合各实施例数据可以知道，本发明所述的重力泄水整体开发干热岩地热资源的方法，通过采用重力泄水，利用重力原理和裂缝辅助流体流动提高热交换效率等特点，使得干热岩热能整体开发过程周期缩短，可实现连续生产，热能利用率显著提升，促进干热岩地热资源的整体开发，为商业化利用提供了技术保证。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种利用重力泄水技术开发干热岩资源的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.在干热岩中部署注采井网
在干热岩的目的层中部署竖直方向平行的两口水平井，两口水平井视作注采井，上方的视为注入井，下方的视为生产井；
步骤2.每对注采井钻完井后均进行完井和压裂操作
进行高温钻井，开展高温高压测井，完井作业；
利用耐高温钻杆和钻头进行高温钻井，配备高温钻井液，采用稠油开采的钻井方法先完成上侧的注入井，后完成下侧的生产井钻井作业；利用耐高温和高压的测井设备放入井中进行测井作业；
注采井水平段进行裸眼完井下筛管，再压裂；或者先下套管，再下油管完成套管，完井后射孔再压裂；
步骤3.进行地热能生产，开发干热岩地热资源
向注入井中连续注入高压水，注入水沿井筒与高温地层进行热交换，在重力作用下沿裂缝流向下部的生产井，生产井内的高温水通过泵抽吸至地面，待与热电传感器完成热交换后，再次注入注入井中，形成了一个连续的生产过程。
2.根据权利要求1所述的一种利用重力泄水技术开发干热岩资源的方法，其特征在于，步骤1中注采井与注采井之间横向距离为30-100m，注入井水平段与生产井水平段的纵向距离为5-7m，水平段长度500-2000m。
3.根据权利要求1所述的一种利用重力泄水技术开发干热岩资源的方法，其特征在于，在干热岩层底部上方5-7m部署生产井水平段。
4.根据权利要求1所述的一种利用重力泄水技术开发干热岩资源的方法，其特征在于，步骤2中高温钻井，开展高温高压测井，完井作业，利用耐高温钻杆和钻头进行高温钻井，配备高温钻井液；利用耐高温和高压的测井设备放入井中进行测井作业具体操作为：
采用311.1mm的PDC钻头，井眼直径311.1mm，套管直径244.5mm，搭配203.2mm的浮阀，无磁钻铤，螺旋钻铤和MWD，配上加重钻杆127mm和139.7mm钻杆进行旋转导向钻井，完成两口水平井钻井；
此钻具组合耐高温，钻杆用S135钢级，匹配油基钻井液；
200℃干热岩采用0.3-0.8％稠化剂+1.0％助排剂+1.0％破乳剂+0.5-0.1％温度稳定剂+0.2-0.8％交联调节剂+0.1％杀菌剂进行压裂，用大排量滑溜水进行裂缝支撑。
5.根据权利要求1所述的一种利用重力泄水技术开发干热岩资源的方法，其特征在于，步骤2中，生产井的竖直井段的配备井筒保温层，使采出的液体在直井段减少热量损失，选用高温水泥浆进行高温固井，安装配备好管柱完成完井作业。
6.根据权利要求1所述的一种利用重力泄水技术开发干热岩资源的方法，其特征在于，步骤2中注入井水平段下入注入流体分配管柱，确保注入流体在整个水平段均匀分配。
7.根据权利要求1所述的一种利用重力泄水技术开发干热岩资源的方法，其特征在于，步骤2中注入井水平段整体和生产井水平段上部同时开展分段压裂，在注采井之间和近井地带产生垂直裂缝，实现注入井与生产井之间地层的垂向上联通。
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