CN103726820A - 一种地热脉冲压力波压裂系统及压裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地热脉冲压力波压裂系统，包括地热井、仪表、脉冲压力波发生器、压力泵和水池，所述脉冲压力波发生器的输出端与所述脉冲压力波控制阀的一端连接，水池的出水口与压力泵的进水口连接，压力泵的出水口与水泵控制阀的一端连接；本发明还公开了一种地热脉冲压力波压裂方法，采用静压力和脉冲压力相结合的方式压裂地层和梳理原有地热通道，静压力由压力泵和压力液产生，脉冲压力由脉冲压力波发生器产生。本发明将超声波叠加到地热井压裂静压上能产生一个远距离、大范围、周期性和持续性的压力作用区域，造成地热井壁破裂，形成新的温泉流动通道，由于脉冲压力波是一种机械能量波，能进一步将岩石裂缝扩大，直到达到满意的压裂效果。

Description

一种地热脉冲压力波压裂系统及压裂方法

技术领域

 本发明涉及一种地热压裂方法及压力方法，尤其涉及一种地热脉冲压力波压裂系统及压裂方法。

 

背景技术

 为解决能源短缺和减少温室气体排放，开发和利用可再生能源受到世界各国的高度重视。其中，地热能的开发和利用得到迅速发展，成为可再生能源的重要组成部分。据世界地热能协会估计，仅地壳50km以内的热量就可供人类9000万年的能源使用。因此，地热能视为取之不尽用之不竭的可再生能源。

地热的利用通常是从地下抽取具有一定温度的温泉、或蒸汽。然后再将热能转换成其它形式的能量，如机械能、电能等，或者将热能传输到特定区域进行利用，如供热、取暖、生活用热和洗浴等。无论是温泉，或是蒸汽，水都是热能的载体。地下温泉的数量都是有限的，因此随着温泉的不断抽取，水量和温度都会逐步下降，使地热资源逐步枯竭。为解决地下温泉逐步枯竭的问题，一是打通枯竭井的地下水通道，与附近新的热储通联。或是清除原有水道的淤积物，疏通水道。二是采用回灌技术，将利用以后低温全睡眠回灌到地下，让其再次吸收岩层热能，使地下水温度升高。将这些温度升高后的温泉再次抽取加以利用，就可以增加热泉流量，延长地热井的使用年限。这套技术称为地热回灌技术。

为了新增、扩大或疏通地热井和回灌井的通道。石油开采领域已经开发了压裂技术。这项技术从上世纪40年代开始应用，现已经基本成熟，广泛应用于全世界的实际工程中，并取得了极佳的社会效益和经济效益。       

随着节能环保产业的兴起，煤层气的开发利用得到广泛应用。近20多年来，将石油井的压裂技术用于煤层气井的压裂，以增加煤层气量和延长煤层气井的寿命受到高度关注，在技术上获得了重大进展，在工程实际应用中也取得了良好效果。

油层压裂是利用地面高压泵组，将高粘度液体以大排量注入井中，在井底附近憋起高压。当压力超过地应力及岩石的抗张强度后，在地层中形成裂缝。继续将带有支撑剂的压裂液注入裂缝，使裂缝向前延伸，并在裂缝中填充支撑剂。这样，就在地层中形成足够长度、一定宽度及高度的填砂裂缝。这个裂缝扩大了油气流动通道，改善了地层渗透性，能够起到增产增注的作用。

        石油井压裂技术的基本原理是：①通过高压泵用压裂液将油井壁压裂，形成新的裂缝，或者使原有裂缝扩大和增长。这一过程是通过压力泵来实现的；②由于地应力的作用，如果这些裂缝不进行支撑，很快就要重新闭合。因此需要对压裂的裂缝进行巩固和支撑。对于裂缝的支撑室通过加沙和向裂缝挤压填充支撑液来实现的；③需要形成新的、稳定的油气通道。图1是油井压裂工艺流程图。

尽管压力工艺和过程很复杂，但其关键环节是压裂、支撑和替挤。在油气井压裂技术中，无论是压裂、支撑和挤替都是通过压力泵作用于压力剂来实现的。因此，可以把整个压裂过程简化如果把这三个环节简化成压裂工艺原理图，如图2所示。

在油气开采中，压裂工艺是增加油气产量、延长油气井的使用寿命。或者对回灌井压裂，增加回灌量。在地热开采中，压裂技术也有同样目的，即增加温泉或蒸汽产量，延长热井使用寿命。在地热利用中仍然需要回灌，因此将压裂技术用于热井回灌也可以达到增加回灌量和延长使用寿命的目的。但地热开采和油气开采以及煤气开采都有很大差别，这表现在以下方面：

1、地热温泉流量很大，单口径流量达到100吨/小时左右。日产热水3000吨以上。而油井的日产原液仅仅为1~5吨/天，流量相差600倍以上。因此，地热的压裂技术不能仅仅压出一条，或多条裂缝，二是要求压出的裂缝有较大尺寸的通道。油井的裂缝宽度只有几毫米，而地热井裂缝宽度至少需要在几十毫米以上，否则起的作用并不大。

2、单口油井地下的总储量大约为万吨的数量级，而单口地热井地下总储量大约为千万吨数量级。

3、油气井的压力只有微正压，而地热井的压力几个大气压，甚至十几个大气压。

4、油气井的温度较低，高温井的温度也只有几十摄氏度，而地热井的温度通常也在100摄氏度左右，有的高达200摄氏度以上。

5、油气井通常不存在相变，而地热井通常存在相变。

根据以上特征地热井的压裂裂缝尺寸要比油井大10倍以上，作用范围也要远远大于油气井。否则地热井的压裂技术起的作用并不大，其经济效益也不明显。因此，地热井的压裂必须是大尺度、大作用范围和低成本的。而现有的油井压裂技术不适用于地热井压裂。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题而提供一种作用范围大、成本低和经济效益好的地热脉冲压力波压裂系统及压裂方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种地热脉冲压力波压裂系统，包括地热井、仪表、脉冲压力波发生器、压力泵和水池，所述脉冲压力波发生器的输出端与所述脉冲压力波控制阀的一端连接，所述水池的出水口与所述压力泵的进水口连接，所述压力泵的出水口与所述水泵控制阀的一端连接，所述水泵控制阀的另一端和所述脉冲压力波控制阀的另一端分别与所述主控制阀的一端连接，所述主控制阀的另一端与所述仪表的输入端连接，所述仪表的输出端与所述地热井连接。

进一步地，所述压力泵为高压水泵。

作为优选，所述高压水泵的压头为5~100Mpa，流量为5~30m3/min。

一种用于如权利要求1所述的地热脉冲压力波压裂系统的压裂方法，包括以下步骤：①水池中准备充分的水源，安装脉冲压力波发生器、高压水泵、阀门、仪表和管道；②启动高压水泵，通过水泵控制阀逐步增大对地热井的静态压力，当静态压力逐步升高，达到岩层的屈服应力P0后，岩层被压裂；当岩层被压裂后，裂缝已经形成，静态压力被释放，又处于一个动态稳定压力状态P1；③启动脉冲压力波发生器，通过脉冲压力波控制阀逐步增大脉冲压力波的振幅和能量，对地热井施加脉冲压力波。

进一步地，所述脉冲压力波为超声波或高压气体脉冲波。

本发明的有益效果是：

本发明将超声波叠加到地热井压裂静压能产生一个远距离、大范围、周期性和持续性的压力作用区域，造成地热井壁破裂，形成新的温泉流动通道，或者清除原有通道内的堵塞，达到连通地热源连通和扩大温泉通道的目的。本发明能使新井连通更大的热储区域、有更大的流动通道；对枯竭井，本技术可以开发新的流动通道和清理原有通道；对废旧回灌井可以扩大、清理原有通道，也可以开辟新的回灌通道，从而增加回灌量和延长回灌井使用寿命。由于脉冲压力波是一种机械能量波，且脉冲压力波可以持续发生，它可以通过它发射的能量进一步将岩石裂缝扩大，同时也可以对地热井原有温泉通道进行清理、疏通和扩大，与传统的静压力压裂技术相比，脉冲脉冲和静压力叠加的压裂效果更好，更适用于地热井压裂。

 

附图说明

图1为油井压裂工艺的流程图；

图2为油井压裂工艺的原理图；

图3为本发明一种地热脉冲压力波压裂系统的结构示意图。

图4为本发明一种地热脉冲压力波压裂技术的原理图；

    图5为静压力与脉冲压力相叠加的压力波形图；

图6为静压力压裂技术压力波形图。

    图中：1-地热井，2-仪表，3-主控制阀，4-脉冲压力波控制阀，5-水泵控制阀，6-脉冲压力波发生器，7-压力泵，8-水池。

 

具体实施方式

如图3所示，本发明一种地热脉冲压力波压裂系统，包括地热井1、仪表2、脉冲压力波发生器6、压力泵7和水池8，脉冲压力波发生器6的输出端与脉冲压力波控制阀4的一端连接，水池8的出水口与压力泵7的进水口连接，压力泵7的出水口与水泵控制阀5的一端连接，水泵控制阀5的另一端和脉冲压力波控制阀4的另一端分别与主控制阀3的一端连接，主控制阀3的另一端与仪表2的输入端连接，仪表2的输出端与地热井1连接。压力泵7为高压水泵。高压水泵的压头为5~100Mpa，流量为5~30m3/min。

如图4所示，一种地热脉冲压力波压裂方法的原理，采用静压力和脉冲压力波相结合的方式压裂地层和梳理原有地热通道，所述静压力由压力泵和压力液产生，所述脉冲压力波由脉冲压力波发生器6产生。所述静压力和所述脉冲压力波相结合能够产生如图5所示的相叠加的压力波形图。所述压力液为水或乳化液。

所述脉冲压力波为超声波或高压气体脉冲波。超声波是由超声波发生器发出的机械波，它可以产生瞬间高温，或高压。在局部范围内气泡破裂的压力可达到100MPa以上，造成局部破坏。现已广泛用于锅炉吹灰、清洗、医疗碎石和污泥细胞破壁等领域。由于超身波能远距离传输，并产生周期性的震荡。让其叠加在强大的静压（10~100Mpa）作用下不仅能让地层破裂，而且能够持续扩大通道和清除原有留到中的淤积，从而达到连通隔离的热储、扩大流通截面和增加流量的目的。用气体压缩机产生周期性气体脉冲，再让其叠加到静压压力上，能够达到图5所示的脉冲波压力效果。特别是，这种压力脉冲的功率更大，可以达到几百，甚至可以达到几千千瓦，能够形成大型热田和大流量热井。

   脉冲压力波压裂技术与传统静压力压裂技术在压裂机理和功能上有本质区别，这些区别有：

①  脉冲压力波波形不同

在传统油井压裂工艺中，如图6所示，当压裂泵启动，对油井施压时，压力迅速从0上升至P0，此时压力超过了岩石的屈服应力，将岩石压裂。当岩石压裂以后，压力泵的压力又回到一个稳定的静压状态P1 ，直到压裂过程结束。

当采用脉冲压力波压裂技术时，在静压力上叠加了一个脉冲压力波，其压力曲线如图5所示：对于脉冲压力波压裂技术的压力曲线是在图6的压力曲线上增加了一个脉冲压力，其波形曲线如图5中的P2所示，它是一条方波压力曲线，与图6的直线压力曲线有本质的区别。

②两者的作用方式不同

静压力与脉冲压力对岩石的作用方式也有本质区别。其中，最主要的区别在于，当静压力作用于岩石时，在没有压破岩石前，静压力是不做功的。只有在压裂的一瞬间破碎岩石才做功。当岩石被压裂以后，静压力又保持一个基本恒定的水平，静压力又基本保持不做功的状态。正是静压力基本不做功，使得静压力不能压裂大尺寸裂缝，并且作用范围有限，也不具备疏通原有通道的功能。

与静压力不同的是，脉冲压力波是一种机械能量波，它不仅具有能量，而且在传播过程中是连续做功的。特别是对于大功率机械波具备了强大的破坏力、做功能力和远程传播能力，并且脉冲波的作用范围是三维立体传播。因此，脉冲波具有远距离、三维立体作用和持续做功能力，可以大范围、持久破坏岩石，同时可以疏通原有通道中的障碍，扩大地热井的通道。

③脉冲波具有抽吸作用

与静压力不同的是，脉冲波不仅具有压裂作用，而且还有抽吸作用。从图6脉冲压力特性曲线看到，脉冲压力波一部分高于静压力P1，而另一部分则低于P1.当脉冲压力高于静压力时，它具有压裂作用，并且压裂强度大大高于静压力的作用。当脉冲压力低于静压力P1时，脉冲压力波具有抽吸作用。脉冲压力波的这一功能对疏通原有地热通道有很好的效果。同时，在压裂过程中通过这种周期性的抽吸，对形成大尺寸的地热裂缝很有帮助。

地热井脉冲压力波压裂方法如下：

施工准备工作包括在水池中准备充分的水源，脉冲压力波发生器6、高压水泵、阀门、仪表2、管道等设施安装到位，工作正常。当施工准备工作准备完毕后，首先启动高压水泵，通过水泵控制阀逐步增大对地热井的静态压力。当静态压力逐步升高，达到岩层的屈服应力P0后，岩层被压裂。当岩层被压裂后，裂缝已经形成，静态压力被释放，又处于一个动态稳定压力状态P1。因此，它已经不能够进一步加大裂缝。在这种情况下，启动脉冲压力波发生器6，通过脉冲压力波控制阀4逐步增大脉冲压力波的振幅和能量，进一步对地热井1施加脉冲压力波。由于脉冲压力波是一种机械能量波，它可以通过它发射的能量进一步将岩石裂缝扩大，同时也可以对地热井原有温泉通道进行清理、疏通和扩大。由于脉冲压力波可以持续发生，它对岩石的作用和对裂缝的梳理也可以长时间进行，直到达到满意的压裂效果。

脉冲压力波对岩石的作用于静压力对岩石的作用还有一个本质区别。当静态压力作用于岩石，并将压裂以后，静态压力就得到释放，它对岩石裂缝就仅仅起到维持裂缝的状态。因此，静态压力又维持一个新的平衡态P1。而脉冲压力波它是一种能量波，并不会因为裂缝的存在而使其作用消失。而是以一种反复冲击的方式，将机械能量作用于岩石和障碍物，从而不断扩大岩石裂缝和原有的温泉通道。因而，脉冲压力波所压裂的裂缝将远远大于静态压力压裂的裂缝，并且具有静态压力所不具备的清障功能。

Claims (5)

1.一种地热脉冲压力波压裂系统，其特征在于：包括地热井、仪表、脉冲压力波发生器、压力泵和水池，所述脉冲压力波发生器的输出端与所述脉冲压力波控制阀的一端连接，所述水池的出水口与所述压力泵的进水口连接，所述压力泵的出水口与所述水泵控制阀的一端连接，所述水泵控制阀的另一端和所述脉冲压力波控制阀的另一端分别与所述主控制阀的一端连接，所述主控制阀的另一端与所述仪表的输入端连接，所述仪表的输出端与所述地热井连接。

2.根据权利要求1所述的一种地热脉冲压力波压裂系统，其特征在于：所述压力泵为高压水泵。

3.根据权利要求2所述的一种地热脉冲压力波压裂方法，其特征在于：所述高压水泵的压头为5~100Mpa，流量为5~30m3/min。

4.一种用于如权利要求1所述的地热脉冲压力波压裂系统的压裂方法，其特征在于：包括以下步骤：①水池中准备充分的水源，安装脉冲压力波发生器、高压水泵、阀门、仪表和管道；②启动高压水泵，通过水泵控制阀逐步增大对地热井的静态压力，当静态压力逐步升高，达到岩层的屈服应力P0后，岩层被压裂；当岩层被压裂后，裂缝已经形成，静态压力被释放，又处于一个动态稳定压力状态P1；③启动脉冲压力波发生器，通过脉冲压力波控制阀逐步增大脉冲压力波的振幅和能量，对地热井施加脉冲压力波。

5.根据权利要求4所述的一种用于如权利要求1所述的地热脉冲压力波压裂系统的压裂方法，其特征在于：所述脉冲压力波为超声波或高压气体脉冲波。

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