一种群孔干热岩人工热储建造系统及建造方法

摘要

本发明公开了一种群孔干热岩人工热储建造系统及建造方法，是针对干热岩人工热储建造的一种新思路，以群孔建造法为核心，综合水力压裂和化学刺激等手段，进行干热岩人工热储建造，有效提高干热岩开发中注入井与开采井的连通效率和波及范围，增大岩体裂缝的密度和数量，延长了水流交换通道，显著提高干热岩开发中人工热储有效体积和换热面积，循环式水压激发干热岩储层，实现岩体的渐进式破坏，改善了裂隙的发展宽度及质量，一方面，一定程度上缓解了裂隙通道连通不佳的缺点，另一方面，避免了持续高水压诱发岩体瞬间发生剪切破坏，降低了诱发地震灾害的可能性，保证干热岩人工热储具有足够的开采效率和服务寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及高温地热资源开采技术领域，尤其涉及一种群孔干热岩人工热储建造系统及建造方法。

背景技术

现今，世界能源危机和环境问题日益严峻，发展储藏量大且环境友好的新型替代能源逐渐受到了各国科学家的重视。其中，地热资源以其极高的清洁性，运行稳定性和空间分布的广泛性已成为世界各国重点研究和开发的新型清洁能源。

依据产出方式，主要分为水热型和干热岩型两种类型。干热岩是指埋藏于地下数千米内部不含水或蒸汽的高温岩体，以火成岩为主，温度高于180℃，具有高温、坚硬和致密的特点。干热岩资源开发潜力巨大，据估计地壳深部3-10千米深度范围内干热岩所蕴含的能量相当于全球化石能源总能量的30倍。

干热岩的应用过程是利用钻井装置建立注入井和开采井，并通过建造范围足够大的人工换热储层(人工热储)，最终形成“人造地热田”，将高压水从注入井泵入地下，冷水流经过干热岩中的人工裂隙被加热成为高温水或水蒸汽(温度可达150-200℃)，并从开采井泵送出来，通过热交换提取裂缝中的地热能，从而达到地热发电和综合供暖利用目标。然而，因干热岩的低渗透、高致密的特性，如何建造高效的人工热储成为了干热岩开发利用的难题。

目前，国内外干热岩项目一般采用单井水力压裂和双井注水循环进行人工热储层建造。干热岩为坚硬致密岩石，破裂压力极高(60-90MPa)，单井水力压裂过程中裂缝的扩展和延伸受限，容易形成单一裂缝，波及范围小；双井注水循环作业时受限于单井压裂的缝长和波及范围，注入井的开采井都处于同一平面，本身接触干热岩的面积小，吸热范围小，热量传递有限，最终形成的人工热储体积和换热面积很难有显著提高。

现已有相似储层改造领域发明专利一项，名称为：水压致裂与毫秒微差爆破协同建造干热岩人工热储的方法；中国专利申请号：201911407535.X。但是该专利没有考虑到开采井井筒保温，而且爆破方式很可能诱发地震灾害问题。本发明采用开采井井筒保温技术，大大提高了保温效果，而且长短水平井组延长了水流的热交换通道，大大提高了热交换效率。

发明内容

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明首先提供一种群孔干热岩人工热储建造系统，包括位于地下的注入井、开采井和水平井，以及位于地上的混液车、化学刺激液罐、清水罐、添加剂罐和混沙车；

所述注入井和开采井通过地下干热岩人工热储和位于最下层的水平井相连通，其他水平井一端连接注入井，另一端距离开采井100-200cm，且不与开采井连通；

所述清水罐和添加剂罐通过地面高压管线与混液车连接，通过打开添加剂罐前的阀门一和清水罐前的阀门二向混液车供应配制压裂液所需的添加剂和清水；

所述混液车通过地面高压管线与主泵连接，向主泵供应压裂液；

所述化学刺激液罐通过地面高压管线与主泵连接，通过打开化学刺激液罐前的阀门三向主泵供应化学刺激液；

所述混沙车通过地面高压管线与主泵连接，向泵供应石英砂支撑剂；

所述主泵的另一端连接井内注入管柱；

所述井内注入管柱延伸至注入井内，并通过安装在注入井内的封隔器封隔上下地层；

所述开采井上端井筒安装保温管柱，所述保温管柱在地面处设置高温井口，所述开采井内设置潜水泵。

其中，所述注入井的数量为1眼。

所述水平井的数量为3-5眼。

所述开采井的数量为1眼。

所述保温管柱为耐300-500℃硅酸盐管柱或者为填充混凝土、石棉或粘土的井筒保温层。

所述水平井长度在300-1000m。

所述潜水泵采用电潜泵或有杆泵。

本发明还提供了上述的群孔干热岩人工热储建造系统的建造方法，包括以下步骤：

一、根据地质勘探资料确定干热岩目标层的深度和范围，确定开发场地井组布置方案，确定注入井和开采井的位置和深度；

二、对注入井和开采井进行高温钻井施工，当注入井和开采井施工到目标层时，停止钻井；开采井的干热岩储层上部井段配备保温管柱，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；

三、在目标层内钻进若干个上下平行式水平钻孔，构成多个水平井，相邻的水平井之间的距离小于或等于两个水平井由于水压致裂形成裂缝的长度之和；

四、在多个水平井内同时实施分段式水力压裂和化学刺激作业，采用混液车混合来自清水罐和添加剂罐的液体，形成压裂液并向主泵供应，化学刺激液罐向主泵供应化学刺激液，切换注入压裂液与化学刺激液，主泵通过井内注入管柱向注入井进行注入实施热储建造，采用由水压控制器控制的正半弦式循环水压，经过多次循环打开裂隙通道后停止水压压裂，在此过程期间，通过混沙车不断向裂隙通道内泵入石英砂支撑剂，保证裂隙通道处于张开状态，取得上下水平井之间地层的垂向连通；

五、向注入井中连续注入高压常温水，注入水沿井筒在压力和重力的作用下沿裂缝流向下部的水平井及附近裂缝，与压裂后的高温干热岩地层进行充分热交换后到开采井，开采井利用潜水泵抽吸高温流体以维持开采井井口压力在饱和蒸汽压力之上，开采井内的高温水通过潜水泵抽吸至地面，待与热交换器完成热交换后，再次注入注入井中，形成了一个连续的生产过程。

其中，步骤四所述的压裂液为常温的清水或低粘度压裂液，所述常温的温度＜25℃。

步骤五所述的高压常温水为压力2-10MPa、温度＜25℃的水。

本发明的有益效果为：

本发明的群孔干热岩人工热储建造系统及建造方法，是针对干热岩人工热储建造的一种新思路，以群孔干热岩人工热储建造系统及建造方法为核心，综合水力压裂和化学刺激等手段，进行干热岩人工热储建造，可有效增大岩体裂缝的密度和数量，采用多个水平井，可有效提高干热岩开发中注入井与开采井的连通效率和波及范围，延长了水流交换通道，增大人工热储的有效体积和换热面积，保证干热岩人工热储具有足够的开采效率和服务寿命；同时采用了循环式水压激发干热岩储层，实现岩体的渐进式破坏，改善了裂隙的发展宽度及质量，一方面，一定程度上缓解了裂隙通道连通不佳的缺点，另一方面，避免了持续高水压诱发岩体瞬间发生剪切破坏，降低了诱发地震灾害的可能性。本发明的系统和方法实现了干热岩有效大规模人工热储建造，提高干热岩开发的经济效益，以满足商业性开发的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的群孔干热岩人工热储建造系统的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的保温管柱和高温井口的截面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

如图1-2所示，本发明提供的一种群孔干热岩人工热储建造系统，包括位于地下的注入井1、开采井2和水平井4，以及位于地上的混液车8、化学刺激液罐9、清水罐10、添加剂罐11和混沙车12；其中，所述注入井1的数量为1眼。所述水平井4的数量为3-5眼。所述开采井5的数量为1眼。

所述注入井1和开采井2通过地下干热岩人工热储3和位于最下层的水平井相连通，其他水平井4一端连接注入井1，另一端距离开采井100-200cm，且不与开采井2连通；所述水平井4长度在500-1000m。

所述清水罐10和添加剂罐11通过地面高压管线19与混液车8连接，通过打开添加剂罐11前的阀门一16和清水罐10前的阀门二17向混液车8供应配制压裂液所需的添加剂和清水；

所述混液车8通过地面高压管线19与主泵7连接，向主泵供应压裂液；

所述化学刺激液罐9通过地面高压管线19与主泵7连接，通过打开化学刺激液罐9前的阀门三18向主泵供应化学刺激液；

所述混沙车12通过地面高压管线19与主泵7连接，向泵供应石英砂支撑剂；

所述主泵7的另一端连接井内注入管柱6；

所述井内注入管柱6延伸至注入井1内，并通过安装在注入井内的封隔器21封隔上下地层；

所述开采井2上端井筒安装保温管柱14，具体地，所述保温管柱14为耐300-500℃硅酸盐管柱或者为填充混凝土、石棉或粘土的井筒保温层。

所述保温管柱14在地面处设置高温井口13，所述开采井2内设置潜水泵15。具体地，所述潜水泵15采用电潜泵或有杆泵。

本发明还提供了上述的群孔干热岩人工热储建造系统的建造方法，包括以下步骤：

一、根据地质勘探资料确定干热岩目标层的深度和范围，确定开发场地井组布置方案，确定注入井1和开采井2的位置和深度；

二、对注入井1和开采井2进行高温钻井施工，当注入井1和开采井2施工到目标层时，停止钻井；开采井2的干热岩储层上部井段配备保温管柱14，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；

三、在目标层内钻进若干个上下平行式水平钻孔，构成多个水平井4，即群孔，相邻的水平井4之间的距离小于或等于两个水平井4由于水压致裂形成裂缝的长度之和；其中位于最下方的一口水平井来连通注入井与开采井，其他水平井连接注入井，距离开采井100-200cm，且不与开采井连通；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；

四、在多个水平井4内同时实施分段式水力压裂和化学刺激作业，采用混液车8混合来自清水罐10和添加剂罐11的液体，形成压裂液并向主泵7供应，化学刺激液罐9向主泵供应化学刺激液，切换注入压裂液与化学刺激液，压裂液为常温的清水或低粘度压裂液，所述常温的温度＜25℃。

主泵7通过井内注入管柱6向注入井进行注入实施热储建造，采用由水压控制器20控制的正半弦式循环水压，经过多次循环打开裂隙通道后停止水压压裂，在此过程期间，通过混沙车12不断向裂隙通道内泵入石英砂支撑剂，保证裂隙通道处于张开状态；通过实施分段式水力压裂和化学刺激作业，在干热岩目标层水平井4之间和近井地带产生一系列最大主应力方向延伸的多条垂直裂缝，取得上下水平井之间地层的垂向连通；

五、向注入井1中连续注入高压常温水，高压常温水为压力2-10MPa、温度＜25℃的水。注入水沿井筒在压力和重力的作用下沿裂缝流向下部的水平井4及附近裂缝，与压裂后的高温干热岩地层进行充分热交换后到开采井，开采井2利用潜水泵15抽吸高温流体以维持开采井2井口压力在饱和蒸汽压力之上，开采井2内的高温水通过潜水泵15抽吸至地面，待与热交换器完成热交换后，再次注入注入井1中，形成了一个连续的生产过程。由于水平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。

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，但这些修改或者替换，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。