CN104713259A - 一种提取干热岩热能的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提取干热岩热能的方法及系统，其方法包括在干热岩热储层中设置一个注入井系统、一个水平井系统和一个产出井系统，且三者依次连接形成流通通道，通过注入井系统的调节阀将载热剂流体调节到合适流量，分别注入不同的注入井管中，流体依次流经注入井系统、水平井系统和产出井系统，并吸收干热岩热量，达到高效提取干热岩热量而同时保持载热剂的相对纯净度、不流失和不污染干热岩热储的目的。一种提取干热岩热能的系统包括注入井系统、水平井系统和产出井系统。本发明可实现载热剂流体无需消耗泵功的自持循环，并可提供载热剂流体在地表能量转换系统以及地表流动通道中的压力损失。本发明广泛应用于干热岩地热开发的增强型地热系统中。

Description

一种提取干热岩热能的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种提取地热的方法及系统，特别是关于一种提取干热岩热能的方法及系统。

背景技术

地热资源主要分为水热型和干热岩型。目前世界各国主要利用的水热型中低温地热仅占探明地热资源的极小一部分，而中高温干热岩地热资源在地球上的蕴藏量丰富且温度高。据国家有关部门最新数据显示，我国大陆3－10千米深处干热岩资源总量相当于860万亿吨标煤；若能开采出2％，就相当于2010年全国一次性能耗总量(32.5亿吨标煤)的5300倍。所以，中高温干热岩地热的开发极有可能为我国节能减排和新一轮能源结构调整做出重大贡献。

然而，地热技术多年未有发展，不能完成地热能源发展目标。地热能由于其清洁、运行稳定和空间分布广泛，已成为世界各国重点研究开发的新能源。目前我国地热发电装机容量为28MW(2009年全世界已安装的地热发电功率为1万兆瓦以上)，“十二五”能源规划提出“各类地热能开发利用总量1500万吨标准煤(其中，地热发电装机容量争取达到10万千瓦)”的目标还未完成。近期，“十三五”能源规划明确指出：“到2020年，地热能利用规模达到5000万吨标煤”，可见地热利用需呈现数倍于以往的发展速度，急需新技术的发展和突破。但是，中高温地热资源开发具有很大的技术挑战。因此，美国科学家提出采用增强型地热系统的方式进行开发。增强型地热系统是为了从低渗透性和/或低孔隙率的热量源提取具有一定经济数额的热能而创造的人工地下储水热交换系统。

由于干热岩具有渗透率低、孔隙率低、储层位置深等特性，其开发面临着诸多科学和技术方面的挑战，其中最大的挑战就是地热利用效率低，包括：(1)地层热提取效率低(美国示范项目表明干热岩项目热提取效率为1－5％)以及(2)地下换热流体流失率高(大约为7-12％)。将中高温储层中的热量高效提取出来并加以转换利用的问题亟需解决，该问题也是全世界中高温干热岩地热开发面临的共性问题。该问题的解决将有效提升干热岩中热能的开发利用水平，为规模化中高温地热资源利用提供技术支撑。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种地层热提取效率高、可防止流体流失、无需压裂以及流体流通通道稳定的提取干热岩热能的方法及系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种提取干热岩热能的方法，其包括以下步骤：1)根据干热岩热储层的地质参数、热物理性质和项目容量要求，在干热岩热储层中设置一个注入井系统、一个水平井系统和一个产出井系统，且注入井系统、水平井系统和产出井系统依次连接形成流通通道；2)通过设置在注入井系统上的调节阀将载热剂流体调节到合适流量，分别注入注入井系统的注入井管中，载热剂流体在注入井管中通过注入井管壁与干热岩热储层进行热量交换并且温度、压力升高；3)温度和压力升高的载热剂流体流入水平井系统的水平井管中，通过水平井管壁与干热岩热储层进行热量交换，温度得到进一步提高，压力有所降低；4)温度升高、压力有所降低的载热剂流体流入产出井系统的产出井管，在井底部分继续吸收干热岩热储层的热量，温度得到进一步提升，载热剂流体在产出井管中经过一个压力降低、温度也有所降低的流动到达地表，并由于在产出井管中的浮升力作用，到达地表的载热剂流体的压力高于注入压力，以实现载热剂流体的自持循环；5)到达地表的载热剂流体被地表能量转换系统利用，温度和压力降低到注入温度和压力；6)温度和压力降低到注入温度和压力的载热剂流体经过注入井系统的调节阀调节到合适流量后被重新回灌进注入井管，重复步骤2)～5)。

在上述步骤1)中，干热岩热储层的地质参数包括温度、渗透率、裂缝发育情况，干热岩热储层的热物理性质包括密度、热导率、比热。

注入井系统是由多个注入井依据流动和传热计算及项目容量要求分布于干热岩热储层中，且每个注入井中包含一根或多根注入井管。

产出井系统是由多个产出井依据流动和传热计算及项目容量要求分布于干热岩热储层中，且每个产出井中包含一根或多根产出井管。

水平井系统是依据一定的空间布局，在干热岩热储层中连通特定的注入井和产出井，并完成从干热岩热储层中吸收大部分热量任务的管路系统；水平井的空间布局是指在有效运行寿命内，各井不发生相互热干扰的必要间距，由传热计算确定。

一种提取干热岩热能的系统，其特征在于：它包括干热岩热储层、注入井系统、水平井系统和产出井系统；所述注入井系统包括若干根注入井管，各所述注入井管均包括布置在所述干热岩热储层外部的入口段和竖直布置在所述干热岩热储层内部的注入段，并且在所述注入井管的入口段上分别设置有调节阀；所述水平井系统包括若干根水平井管，所述水平井管等分为若干组水平井管组且分别布置在所述干热岩热储层不同的竖直断面内，且每组所述水平井管组中的各所述水平井管分别布置在所述干热岩热储层不同的水平断面内；每组所述水平井管组分别向任意一个方向延伸，各所述水平井管的入口端分别与各所述注入井管底端的出口端相连通；所述产出井系统包括若干根产出井管，各所述产出井管均包括竖直布置在所述干热岩热储层内部的产出段和布置在所述干热岩热储层外部的出口段，且各所述产出井管底端的入口端分别与所述水平井管的出口端相连通，所述产出井管等分为与所述水平井管组数量相等的产出井管组。

每一竖直断面内的各所述水平井管在所述干热岩热储层中的深度差由传热计算确定的传热无扰动断层深度确定。

每组所述产出井管组外部分别包裹有保温层，且各所述保温层由地面处开始向地下延伸，包裹的管长由传热计算确定。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用水平井布置方式，连通了注入井和产出井，从而避免了已有压裂方案中流体在地下储层中的泄漏，从减少工质漏失率的角度增强了热储取热效率，并节约了宝贵的水资源。2、本发明由于根据地下热储的温度分布，合理设计地热水平井的布置方式和流量参数，达到流量和温度匹配，提高了热储的取热效率，避免了已有压裂方案中地下储层压裂的盲目性和不可控性。3、本发明由于在产出井管中的浮升力作用，到达地表的载热剂流体的压力高于注入压力，即实现了载热剂流体无需消耗泵功的自持循环，并可提供载热剂流体在地表能量转换系统以及地表流动通道中的压力损失。4、本发明可以广泛应用于干热岩地热开发的增强型地热系统中。

附图说明

图1是本发明提取干热岩热能系统的示意图

图2是本发明提取干热岩热能系统的管路结构示意图

图3是本发明提取干热岩热能系统的注入井结构示意图

图4是本发明提取干热岩热能系统的水平井结构示意图

图5是本发明提取干热岩热能系统的产出井结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1～图5所示，本发明提供的提取干热岩热能的系统包括干热岩热储层1、注入井系统2、水平井系统3和产出井系统4。

如图2、图3所示，本发明的注入井系统2包括八根注入井管21～28(仅以此为例，并不限于此)，各注入井管21～28均包括布置在干热岩热储层1外部的入口段和竖直布置在干热岩热储层1内部的注入段，并且在注入井管21～28的入口段上分别设置有调节阀51～58。

如图2、图4所示，本发明的水平井系统3包括八根水平井管31～38(仅以此为例，并不限于此)，八根水平井管31～38等分为四组水平井管组且分别布置在干热岩热储层1不同的竖直断面内，且每组水平井管组中的两根水平井管分别布置在干热岩热储层1不同的水平断面内。同时，每组水平井管组分别向呈90°夹角的四个方向中的一个延伸，各水平井管31～38的入口端分别与各注入井管21～28底端的出口端相连通。

在本实施例中，水平井管组并不仅限于四组，而可以为两组、三组或者五组等，每组水平井管组中的水平井管也可以为一根或三根以上。同时，每组水平井管组可以向任意一个方向延伸。与之相对应，注入井管和产出井管也随之变化。

在本实施例中，同一竖直断面内的水平井管在干热岩热储层1中的深度差由传热计算确定的传热无扰动断层深度确定。

如图2、图5所示，本发明的产出井系统4包括八根产出井管41～48(仅以此为例，并不限于此)，各产出井管41～48均包括竖直布置在干热岩热储层1内部的产出段和布置在干热岩热储层1外部的出口段，且各产出井管41～48底端的入口端分别与水平井管31～38的出口端相连通。

在本实施例中，八根产出井管41～48亦等分为四组产出井管组，每组产出井管组外部分别包裹有保温层61～64，且各保温层61～64由地面处开始向地下延伸，包裹的管长可由传热计算确定。

本发明提供的提取干热岩热能的系统的基本原理是：作为载热剂的水经过注入井系统2中各调节阀51～58的调节作用，以合适的流量分别注入相应各注入井管21～28中，经过由注入井管21～28、水平井管31～38和产出井管41～48依次连接形成的流通通道，在干热岩热储层1的不同断面上吸收热量。同时，通过水平井管31～38、产出井管41～48以及保温层61～64的合理布局，在保证经济性的前提下，使各水平井管31～38间的传热不相互影响，最终使干热岩热储层1的热量被尽可能地提取出来，而传热介质不与岩石进行质量传递，既可保证传热介质的相对纯净度也可防止传热介质在干热岩热储层1中的流失。

基于上述实施例中提供的提取干热岩热能的系统，本发明还提出了一种提取干热岩热能的方法，包括以下步骤：

1)获取干热岩热储层1的地质参数，包括温度、渗透率、裂缝发育情况等。

2)获取干热岩热储层1的热物理性质，包括密度、热导率、比热等。

3)根据干热岩热储层1的地质参数、热物理性质和项目容量要求，在干热岩热储层1中设置一个注入井系统2、一个水平井系统3和一个产出井系统4，且注入井系统2、水平井系统3和产出井系统4依次连接形成流通通道。

4)通过注入井系统2的调节阀51～58将作为载热剂的流体调节到合适流量，分别注入不同的注入井管21～28中，载热剂流体在注入井管21～28中通过注入井管壁与干热岩热储层1进行热量交换并受到重力做功而温度、压力升高；温度和压力升高的载热剂流体流入水平井管31～38中，通过水平井管壁与干热岩热储层1进行热量交换，吸收热量从而温度得到进一步提高，但由于流动阻力的影响压力有所降低；温度升高，压力有所降低的载热剂流体流入产出井管41～48，在井底部分继续吸收干热岩热储层1的热量，温度得到进一步提升，当管内载热剂流体温度大于周围岩石温度时会向外放热，产出井管41～48上设置有保温层61～64以减小热量损失，载热剂流体在产出井管41～48中经过一个压力降低、温度也有所降低的流动到达地表。由于在产出井管41～48中的浮升力作用，到达地表的载热剂流体的压力高于注入压力，即实现了载热剂流体无需消耗泵功的自持循环，并可提供载热剂流体在地表能量转换系统以及地表流动通道中的压力损失。

5)到达地表的载热剂流体被地表能量转换系统(该系统为现有技术)利用，温度和压力降低到注入温度和压力。

6)温度和压力降低到注入温度和压力的载热剂流体经过注入井系统2的调节阀51～58调节到合适流量后被重新回灌进注入井管21～28，重复步骤4)～5)。

在上述实例中，注入井系统2是由多个注入井依据流动和传热计算及项目容量要求分布于干热岩热储层1中，且每个注入井中包含一根或多根注入井管。

在上述实例中，产出井系统3是由多个产出井依据流动和传热计算及项目容量要求分布于干热岩热储层1中，且每个产出井中包含一根或多根产出井管。

在上述实例中，水平井系统3是依据一定的空间布局，在干热岩热储层1中连通特定的注入井和产出井，并完成从干热岩热储层1中吸收大部分热量任务的管路系统。水平井的空间布局是指在有效运行寿命内，各井不发生相互热干扰的必要间距，由传热计算确定。

实施例：

高温干热岩热储层1位于地下5000m深处，其温度为300℃。在整个地热项目运行的30年之内，要求产出井温度大于140℃。

依据钻井、固井、完井技术操作，施工注入井系统2、水平井系统3和产出井系统4。其中，在固井和完井技术和工艺操作时，要求注入井管、水平井管和接近井底的部分产出井管达到与干热岩紧密接触，管壁外与干热岩之间要填充传热性能良好的材料，以尽量减少管壁与干热岩之间的传热热阻。另一方面，要在余下的产出井管的管壁和干热岩间填充保温材料，以尽量增大二者之间的传热热阻，保温工艺的具体实施深度依据传热计算确定，其目的是充分利用产出井管的传热特点吸收干热岩热储层的热量，在本实施例中，保温层的设置深度为3400m。水平井管的长度与用于提取热量的工作流体的流量要精确设计，以保证有足够的热量被提取出来。

在30年的使用寿命内，本发明一种干热岩热量提取的系统的工作情况如下：将流量为80kg/s、温度为70℃和压力为5MPa的载热剂水注入注入井系统2，每根注入井管中的流量为10kg/s。注入井管内的载热剂水受到管壁外干热岩的加热以及重力做功的作用，温度升高到100℃。温度为100℃的载热剂水进入水平井管，在其中通过管壁继续吸收干热岩热储的热量，温度升高、压力降低，当到达水平井管末端，产出井井底时，温度已达到180℃。温度为180℃的载热剂水进入产出井管，在产出井的底部，由于干热岩热储的温度高于载热剂水的温度，水继续从热储中吸收热量，当水到达深度3400m时，水温达到200℃，与热储层温度基本达到一致，此时产出管的外壁开始有保温层作用而与热储层之间达成热绝缘，热量不再在流体与干热岩之间传递。在产出管中，由于阻力损失和重力势能提高产生的节流作用，工作流体的温度降低，到达产出井井口时温度为188℃，压力为7.5MPa。温度188℃、压力7.5MPa的水可作为地上地热电站的工质或热源输出电能。经过地上地热电站利用后的水温度降低到70℃，压力降低到5.0MPa，被重新回灌到注入井系统2中，从而持续不断地从干热岩热储中吸收热量。

经过本系统，针对本热储层的深度和温度品位所设计的水平井布局、长度和流量以及产出井的保温措施，可保证载热剂水能够在有效运行年限内取出有做功能力的热量。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和方法步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种提取干热岩热能的方法，其包括以下步骤：

1)根据干热岩热储层的地质参数、热物理性质和项目容量要求，在干热岩热储层中设置一个注入井系统、一个水平井系统和一个产出井系统，且注入井系统、水平井系统和产出井系统依次连接形成流通通道；

2)通过设置在注入井系统上的调节阀将载热剂流体调节到合适流量，分别注入注入井系统的注入井管中，载热剂流体在注入井管中通过注入井管壁与干热岩热储层进行热量交换并且温度、压力升高；

3)温度和压力升高的载热剂流体流入水平井系统的水平井管中，通过水平井管壁与干热岩热储层进行热量交换，温度得到进一步提高，压力有所降低；

4)温度升高、压力有所降低的载热剂流体流入产出井系统的产出井管，在井底部分继续吸收干热岩热储层的热量，温度得到进一步提升，载热剂流体在产出井管中经过一个压力降低、温度也有所降低的流动到达地表，并由于在产出井管中的浮升力作用，到达地表的载热剂流体的压力高于注入压力，以实现载热剂流体的自持循环；

5)到达地表的载热剂流体被地表能量转换系统利用，温度和压力降低到注入温度和压力；

6)温度和压力降低到注入温度和压力的载热剂流体经过注入井系统的调节阀调节到合适流量后被重新回灌进注入井管，重复步骤2)～5)。

2.如权利要求1所述的一种提取干热岩热能的方法，其特征在于：在上述步骤1)中，干热岩热储层的地质参数包括温度、渗透率、裂缝发育情况，干热岩热储层的热物理性质包括密度、热导率、比热。

3.如权利要求1所述的一种提取干热岩热能的方法，其特征在于：注入井系统是由多个注入井依据流动和传热计算及项目容量要求分布于干热岩热储层中，且每个注入井中包含一根或多根注入井管。

4.如权利要求2所述的一种提取干热岩热能的方法，其特征在于：注入井系统是由多个注入井依据流动和传热计算及项目容量要求分布于干热岩热储层中，且每个注入井中包含一根或多根注入井管。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种提取干热岩热能的方法，其特征在于：产出井系统是由多个产出井依据流动和传热计算及项目容量要求分布于干热岩热储层中，且每个产出井中包含一根或多根产出井管。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种提取干热岩热能的方法，其特征在于：水平井系统是依据一定的空间布局，在干热岩热储层中连通特定的注入井和产出井，并完成从干热岩热储层中吸收大部分热量任务的管路系统；水平井的空间布局是指在有效运行寿命内，各井不发生相互热干扰的必要间距，由传热计算确定。

7.如权利要求5所述的一种提取干热岩热能的方法，其特征在于：水平井系统是依据一定的空间布局，在干热岩热储层中连通特定的注入井和产出井，并完成从干热岩热储层中吸收大部分热量任务的管路系统；水平井的空间布局是指在有效运行寿命内，各井不发生相互热干扰的必要间距，由传热计算确定。

8.如权利要求1～7任一项所述的一种提取干热岩热能的系统，其特征在于：它包括干热岩热储层、注入井系统、水平井系统和产出井系统；所述注入井系统包括若干根注入井管，各所述注入井管均包括布置在所述干热岩热储层外部的入口段和竖直布置在所述干热岩热储层内部的注入段，并且在所述注入井管的入口段上分别设置有调节阀；所述水平井系统包括若干根水平井管，所述水平井管等分为若干组水平井管组且分别布置在所述干热岩热储层不同的竖直断面内，且每组所述水平井管组中的各所述水平井管分别布置在所述干热岩热储层不同的水平断面内；每组所述水平井管组分别向任意一个方向延伸，各所述水平井管的入口端分别与各所述注入井管底端的出口端相连通；所述产出井系统包括若干根产出井管，各所述产出井管均包括竖直布置在所述干热岩热储层内部的产出段和布置在所述干热岩热储层外部的出口段，且各所述产出井管底端的入口端分别与所述水平井管的出口端相连通，所述产出井管等分为与所述水平井管组数量相等的产出井管组。

9.如权利要求8所述的一种提取干热岩热能的系统，其特征在于：每一竖直断面内的各所述水平井管在所述干热岩热储层中的深度差由传热计算确定的传热无扰动断层深度确定。

10.如权利要求8或9所述的一种提取干热岩热能的系统，其特征在于：每组所述产出井管组外部分别包裹有保温层，且各所述保温层由地面处开始向地下延伸，包裹的管长由传热计算确定。