CN105863569A - 一种单井压裂重力自循环开采干热岩地热方法 - Google Patents

一种单井压裂重力自循环开采干热岩地热方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及地热开发领域，提供了一种单井压裂重力自循环开采干热岩地热方法。该方法利用不同深度的射孔孔眼，采用水射流技术及体积压裂技术增加干热岩储层压裂体积，从而利用压裂裂缝高效沟通储层上下部区域。低温携热流体在环空注入后，沿上部射孔孔眼流向干热岩压裂储层，并在驱替压力和上下部压裂裂缝位能差造成的重力作用下，流向下部压裂裂缝区域。最终在地面抽吸泵作用下，加热的携热流体经下部射孔孔眼沿隔热油管流回地面。本发明采用单井油管‑环空循环注采携热流体进行地热开发，大大降低了常规干热岩地热开采时钻取注采双井的费用，同时高隔热油管的使用降低了携热流体在油管采出过程中热损失，大大提高了携热流体的采热能力。

Description

一种单井压裂重力自循环开采干热岩地热方法
技术领域
本发明涉及地热能开发领域，具体的涉及一种单井压裂重力自循环开采干热岩地热方法。
背景技术
地热是具有前景的可再生能源之一，与其他新能源如太阳能、风能和生物质能相比，具有分布广、受外界影响小(如昼夜，风速，温差)、碳排放量及维护成本低等特点。中国地处环太平洋地热带和地中海-喜马拉雅地热带区域，地热资源丰富。但是传统地热储层通常坐落在地面温度较高、地质构造活跃和/活火山附近，受限于其储层地点和储量限制，丰富的地热能无法合理利用。随着地质探勘开发技术的进步，储层深部地热资源如干热岩等受到广大的关注。干热岩地热资源分布广，储量大，不受地理限制，是未来地热能开发的重要领域。
深部地热能以中高温干热岩地热资源为主，还包括一切具有地热开采价值的中高温地热资源，如地压型地热。据中国石油大学(华东)张亮等人研究表明，单中国区域，2000-6000m内地压型地热可采储量约为2.74×1019J，3000-8000m内干热岩地热可采储量约为1.49×1021J，约为2014年全国能源消费总量的几十倍。因此，加强干热岩地热资源的勘探与开发是推动中国地热资源规模化利用，尤其是地热发电快速发展与突破的关键和希望所在。合理经济的开采干热岩地热能不仅可能起到节能减排和能源调整，更可为偏远地区能源需求提供切实的帮助。
美国为最早对干热岩地热开发研究最早的国家。1977年成功钻得4500m干热岩层，并于1984成功建立世界上第一座干热岩发电站，发电功率最高可达10MW。1880年日本政府开展了干热岩发电可行性研究，并在山形县钻入干热岩层进行了水压测试。1977-1986年，欧共体资助德国在巴伐利亚东北部的Falkenberg开展了一项EGS研究，研究干热岩裂缝形成机制以及水在这些裂缝中的运移机制。国际能源署于1997-2001年开采了为期4年的“Hot Dry Rock Task”，组织了多个国家进行了干热岩相关研究。澳大利亚于2003年在库珀盆地对干热岩地热资源进行了探查，结果显示该盆地地热储量高达500亿桶油当量。Geodynamics公司在2003年9月成功在花岗岩岩体上完成一口注水井，并压裂并形成了一系列永久的连通裂缝。中国高温岩体地热开发研究起步较晚，仅少数科研单位做了理论探讨并参与了干热岩或EGS国际合作。2015年5月21日，我国第一口干热岩科学钻探工程在附件漳州龙海市开钻，标志着我国干热岩探勘开发进入实践探索阶段。
干热岩埋藏深，孔隙度和渗透率极小，进行地热开发时，需要进行大规模直井压裂技术，人为构建注采井间高渗流区域，使得携热流体(如水或超临界CO2)可以在注采井间循环流动，从而携带地热。实际干热岩开采时，受限于井控技术及导航技术的限制，不能精确定位注入井和生产井在干热岩储层中具体位置，导致注采井间压裂裂缝不能有效对接，从而无法建立高渗流区域，使得地热开采效果不理想。同时，受限于直井压裂技术的限制，单一的压裂主缝很难取得预期的高效渗流区域，因此必须采用更好的干热岩地热开发技术，增加携热流体在干热岩储层的渗流能力和热交换面积。
体积压裂技术是油气开发领域，针对致密油气藏有效开发发展而来的压裂技术。致密油气藏具有低孔、低渗等特点，储层流体无法在储层中高效流动，为此在水力压裂过程中，通过在主裂缝上形成多条分支裂缝，形成不同于常规压裂的复杂裂缝网络，从而增大流体的渗流面积和渗流能力。干热岩储层与致密油气藏相似，采用常规直井压裂技术，很难构建高渗流能力的人工压裂储层。可以借鉴油气田领域体积压裂技术，在干热岩储层地热开采时，进行体积压裂，从而增加压裂面积和渗流能力。
基于油气田分支井钻完井技术，结合井筒中油管-环空自循环技术(压裂液返排时用到油管-环空循环流动)，针对注采井压裂裂缝不能有效对接问题，提出了利用一种分支井体积压裂自循环开采干热岩地热方法。该方法利用位于干热岩储层不同深度的射孔孔眼分布，最大化压裂干热岩储层，并利用上部压裂裂缝与下部压裂裂缝间位能差造成的重力作用，环空-油管注采携热流体，进行地热能开发。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种单井压裂重力自循环开采干热岩地热方法，充分利用井筒上下部压裂造成的位能差，促进携热流体在井筒周围干热岩储层中的渗流携热，从而对干热岩进行有效的开发。
本发明的技术方案为：一种单井压裂重力自循环开采干热岩地热方法，具体步骤如下：
(1)选取一中高温干热岩储层，采用常规钻井设备，钻穿干热岩储层地面表层，提钻后，下入表层套管，同时采用水泥浆固井；
(2)安装井口及地面防喷设备，然后更换钻头进行二开，直至钻穿干热岩储层，并钻进至干热岩储层底部区域；
(3)提钻后，沿井眼轨迹下入高导热生产套管，并采用新型导热水泥固井；
(4)地面安装射孔设备，将射孔枪下入干热岩储层上部区域，采用地面点火设备，引爆射孔弹，将干热岩储层上部区域套管、水泥环和干热岩储层射穿，从而在干热岩上部区域形成均匀分布的射孔孔眼；
(5)上部射孔完成后，将射孔枪写入干热岩储层下部区域并进行射孔，从而在干热岩储层下部区域形成一定的射孔孔眼；
(6)下入普通油管，同时采用压裂工艺分层压裂干热岩上下区域储层，压裂液沿射孔孔眼压入干热岩储层，从而大范围内压裂干热岩储层，并连接干热岩上下区域；
(7)压裂后，起出普通油管，下入新型预应力隔热油管，从而提供携热流体采出通道；
(8)沿油套环空下入封隔器，将封隔器安装在干热岩上下射孔区域中间，阻止携热流体在油套环空中流动；
(9)打开地面注入泵，将携热流体沿油套环空注入，携热流体将沿上部射孔井眼及压裂裂缝流入井筒周围干热岩储层，并在注入压力以及重力作用下，流向井筒周围及干热岩储层下部；
(10)打开地面抽吸泵，携热流体将从压裂裂缝流入下部射孔井眼，并沿隔热油管流回地面，通过热交换设备，开采其中的地热能，并将冷却后的携热流体通过环空注入干热岩储层，实现单井携热流体循环流动。
优选的是：步骤(1)中，钻地面表层时，所选钻头直径应大于60cm。
优选的是：步骤(2)中，二开所选钻头直径应大于30cm。
优选的是，步骤(2)中，钻头应钻至干热岩储层底部区域上部10-30m。
优选的是，步骤(3)中，生产套管导热系数应大于100W/(m·K)。
优选的是，步骤(3)中，新型导热水泥浆导热系数应大于10W/(m·K)。
优选的是，步骤(4)中，井筒上部射孔孔眼周向均匀分布4-8个，密度40-100。
优选的是，步骤(5)中，井筒下部射孔孔眼分布于上部射孔孔眼分布相对应，周向均匀分布4-8个，密度40-100。
优选的是，步骤(7)中，隔热油管为新型预应力隔热油管，油管内外壁间填充低导热材料，导热系数小于0.02W/(m·K)。
优选的是，步骤(9)中，携热流体可以选择常规携热流体-水，可以选择新型携热流体-CO2，还可以选择其他具有优良携热能力的携热流体。
优选的是，步骤(10)中，地热利用方式优选先采用高温流体发电，然后继续利用后续较高温流体热能，多级利用地热能。
本发明的有益效果为：本发明①采用单井压裂技术，在干热岩储层上下部区域分别进行压裂，形成了高效连通的裂缝网络，改善了干热岩储层近井地带的裂缝系统和岩石力学性质，不仅降低了常规的干热岩注采井压力开发时双井压裂的高昂费用，还能避免注采井压裂施工时压裂裂缝连通性差等问题。②地热开采时，可以充分利用干热岩储层上下部不同深度重力势能，提高携热流体在干热岩压裂储层中渗流能力，从而降低地面注采泵功率。③利用单井油管-油套环空循环流动方式，降低了常规地热开采时双井钻完井费用，还可以利用高导热套管充分促进携热流体与井筒周围储层的热交换，提高携热流体温度，同时，采用高隔热油管，有效降低了携热流体在油管返排流动时温度的热损失，提高了携热流体的采热能力，同时，携热流体在地面热交换后可再次注入储层，循环利用。
附图说明
图1为单井压裂重力自循环开采干热岩地热示意图。
其中，1、盖层，2、干热岩储层，3、干热岩压裂储层，4、压裂裂缝，5、上部射孔孔眼，6、封隔器，7、井底封隔器，8、下部射孔孔眼，9、表层套管，10、水泥环，11，生产套管，12、隔热油管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
一种单井压裂重力自循环开采干热岩地热方法，具体步骤如下：
(1)选取一中高温干热岩储层2，采用常规钻井设备，选取直径大于60cm的钻头，钻穿干热岩储层地面表层，提钻后，下入表层套管9，同时采用水泥浆固井；
(2)安装井口及地面防喷设备，然后更换直径大于30cm的钻头进行二开。钻遇盖层1后，继续钻井，直至钻穿干热岩储层后，并钻进至距干热岩储层底部10-30m区域；
(3)提钻后，沿井眼轨迹下入导热系数大于100W/(m·K)的导热生产套管11，并采用新型导热水泥10固井，水泥导热系数需大于10W/(m·K)；
(4)地面安装射孔设备，将射孔枪下入干热岩储层上部区域，采用地面点火设备，引爆射孔弹，将干热岩储层上部区域套管、水泥环空和干热岩储层射穿，从而在干热岩上部区域形成均匀分布的射孔孔眼5。由于射孔密度增加，地层破裂压力减低，且射孔密度要高于孔深对破裂压力的影响，为了降低施工风险，每一个射孔段长度为0.05～0.2m，射孔相位为60°-80°；
(5)上部射孔完成后，将射孔枪携入干热岩储层下部区域并进行二次射孔，从而在干热岩储层下部区域形成一定分布的射孔孔眼8；
(6)下入普通油管，同时采用压裂工艺分层压裂干热岩上下区域储层，压裂液沿射孔孔眼压入干热岩储层，形成沿井筒周围分布的压裂裂缝4，建造供携热流体渗流热交换的干热岩压裂储层3；
(7)成功压裂后，起出普通油管，下入新型预应力隔热油管12，从而提供携热流体采出通道。油管应采用新型隔热介质，尽量减少携热流体从干热岩储层底部返排时造成的热损失；
(8)沿油套环空下入封隔器6，将封隔器安装在干热岩上下射孔区域中间，将井筒分成2段，阻止携热流体在油套环空中流动，确保携热流体充分沿上部射孔进入压裂裂缝中；
(9)打开地面注入泵，将携热流体沿油套环空注入，携热流体将沿上部射孔井眼及压裂裂缝流入井筒周围干热岩储层，并在注入压力以及重力作用下，流向井筒周围及干热岩储层下部；
(10)打开地面抽吸泵，携热流体在受到重力及抽吸作用后，将沿压裂裂缝流入下部射孔井眼，并沿隔热油管流回地面，通过热交换设备，开采其中的地热能。冷却后的携热流体可重复利用，通过环空再次注入干热岩储层，开采地热，实现单井携热流体的循环流动，有效节省开采成本，提高经济效益。
为了提高单井压裂裂缝延伸长度以及裂缝面积，可在井筒射孔后，采用水射流技术，利用高压射流的水力破岩作用在干热岩储层中不同方位定向钻出多个直径1.5～2英寸对的定向井眼，并水力喷射出长70～100m，直径40mm的细长通道，增加井眼的泄流半径，然后再采用压裂技术，从而在干热岩储层中形成较大的压裂体积。水射流射孔和压裂联合作业技术能够有效扩展裂缝体积。同时，其有助于裂缝沿目的层延伸，更好改造干热岩储层。该作用方式适不仅适用于干热岩储层，还适用于其他深部地热储层如地压型地热的开采，应用前景广阔。
为了保证开采效果，对两次射孔方位有一定的要求，第二次射孔应尽量设在干热岩储层底部，距离井底5-30m处，充分利用携热流体在储层中重力效果。压裂方式应选择体积压裂，在储层中形成复杂缝网。传统的储集层压裂主要设计两翼对称的单条细长裂缝，裂缝的设计以优化导流能力和缝长为主；而体积压裂理念以设计缝网为目标，缝网的设计以优化改造体积为主，有效增加裂缝带宽、半长、及高度，利用形成的缝网使携热流体在其中高效流动。
以上是本发明的一个具体实施方式，本发明具体实施方式不能仅限于此，对于本领域内的技术人员来说，在未脱离本发明思路的前提下，还可做出其他类似的改变，而这都应视为本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种单井压裂重力自循环开采干热岩地热方法，其特征在于：其具体地工艺步骤为：
(1)选取一中高温干热岩储层，采用常规钻井设备，钻穿干热岩储层地面表层，提钻后，下入表层套管，同时采用水泥浆固井；
(2)安装井口及地面防喷设备，然后更换钻头进行二开，直至钻穿干热岩储层，并钻进至干热岩储层底部区域；
(3)提钻后，沿井眼轨迹下入高导热生产套管，并采用新型导热水泥固井；
(4)地面安装射孔设备，将射孔枪下入干热岩储层上部区域，采用地面点火设备，引爆射孔弹，将干热岩储层上部区域套管、水泥环和干热岩储层射穿，从而在干热岩上部区域形成均匀分布的射孔孔眼；
(5)上部射孔完成后，将射孔枪写入干热岩储层下部区域并进行射孔，从而在干热岩储层下部区域形成一定的射孔孔眼；
(6)下入普通油管，同时采用压裂工艺分层压裂干热岩上下区域储层，压裂液沿射孔孔眼压入干热岩储层，从而大范围内压裂干热岩储层，并连接干热岩上下区域；
(7)压裂后，起出普通油管，下入新型预应力隔热油管，从而提供携热流体采出通道；
(8)沿油套环空下入封隔器，将封隔器安装在干热岩上下射孔区域中间，阻止携热流体在油套环空中流动；
(9)打开地面注入泵，将携热流体沿油套环空注入，携热流体将沿上部射孔井眼及压裂裂缝流入井筒周围干热岩储层，并在注入压力以及重力作用下，流向井筒周围及干热岩储层下部；
(10)打开地面抽吸泵，携热流体将从压裂裂缝流入下部射孔井眼，并沿隔热油管流回地面，通过热交换设备，开采其中的地热能，并将冷却后的携热流体通过环空注入干热岩储层，实现单井携热流体循环流动。
2.如权利要求1所述的单井压裂重力自循环开采干热岩地热方法，其特征在于：步骤(1)中，钻地面表层时，所选钻头直径应大于60cm。
3.如权利要求1所述的单井压裂重力自循环开采干热岩地热方法，其特征在于：步骤(2)中，二开所选钻头直径应大于30cm。
4.如权利要求1所述的单井压裂重力自循环开采干热岩地热方法，其特征在于：步骤(2)中，钻头应钻至干热岩储层底部区域上部10-30m。
5.如权利要求1所述的单井压裂重力自循环开采干热岩地热方法，其特征在于：步骤(3)中，生产套管导热系数应大于100W/(m·K)。
6.如权利要求1所述的单井压裂重力自循环开采干热岩地热方法，其特征在于：步骤(4)、(5)中，井筒射孔孔眼周向均匀分布4-8个，密度40-100。
7.如权利要求1所述的单井压裂重力自循环开采干热岩地热方法，其特征在于：步骤(7)中，隔热油管为新型预应力隔热油管，油管内外壁间填充低导热材料，导热系数小于0.02W/(m·K)。
8.如权利要求1所述的单井压裂重力自循环开采干热岩地热方法，其特征在于：步骤(9)中，携热流体可以选择常规携热流体-水，可以选择新型携热流体-CO2，还可以选择其他具有优良携热能力的携热流体。
9.如权利要求1所述的单井压裂重力自循环开采干热岩地热方法，其特征在于：步骤(10)中，地热利用方式优选先采用高温流体发电，然后继续利用后续较高温流体热能，多级利用地热能。
10.如权利要求1所述的单井压裂重力自循环开采干热岩地热方法，其特征在于：本发明方法不仅局限于干热岩地热开采，对于其他类型地热如地压型地热、深部盐水层型地热和油气田地热均可使用本发明进行地热开采。
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