CN106968601B - 开采干热岩地热资源的井身结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种开采干热岩地热资源的井身结构及方法，属于地热资源开发领域，可以大幅度提高采热效率、降低采热过程的热损失。井身结构包括常规钻完井段和超高温地层钻完井段；所述常规钻完井段从地面延伸到干热岩隔热层内，包括表层套管和设置于表层套管内部的技术套管，表层套管位于井眼顶端且与井眼间封固有表层水泥环，技术套管位于干热岩隔热层内的一端与表层套管间设置有技套水泥环；所述超高温地层钻完井段从干热岩隔热层内延伸到干热岩内；所述常规钻完井段的技术套管内部设置有上部隔热采热管，所述超高温地层钻完井段内设置有依次连接的下部隔热采热管和导热传热管，上部隔热采热管和下部隔热采热管通过流道变控器连接。
Description
技术领域
本发明涉及地热资源开发领域，尤其涉及一种开采干热岩地热资源的井身结构及方法。
背景技术
地热资源因其具有储量大、可再生、应用清洁等特征而受到能源开发领域的关注，作为最高品质地热资源的干热岩的开发更成为关注的焦点，如何有效开采干热岩地热资源是现在能源领域亟需解决的问题，也是新能源开发领域及可再生能源开发领域研究的热点。
井眼是实现干热岩地热资源热能快速传输到地面的有效通道之一，建立何种特征井眼、利用该井眼如何来传输干热岩地热资源热能关系着钻井方案的实施性及热能获取的可行性，是关系干热岩地热资源能否开发的重要问题。
现有技术对于地下热水的开采已有文献报道。CN102287945A公开一种多井合一水源热能交换方法及地热井，通过设置一定深度的地热井，将地表划分为地表浅水层、不透水层及地表深水层，地热井在地表以下分成上、中、下三部分；CN105804654A提供了一种地热井新型井身结构及完井方法，该井身结构为垂直钻井，从地面至井底依次设置有表层套管、固井段以及生产套管，表层套管由地面至固井段，并将固井段的上端一段周向包裹，固井段由井口固井段和井身固井段组成；CN106194124A提供了一种基于基岩地质的地热井，包括从上至下排列的固井段和过滤器井段，固井段包括9米长的井壁管，井壁管与井身之间采用水泥浆回灌；过滤器井段包括11米长的透水管，透水管与井身之间设有过滤器，且在透水管与井身之间填充鹅卵石；在过滤器井段底部设置有40米长的生产井段，该生产井段的直径小于固井段和过滤器井段的直径。
上述发明专利公布内容均是针对于地下热水的开采，并无涉及干热岩地热资源开采，而实际开采过程中干热岩温度远远超过地下热水温度，且井内不含热流体，这对井身结构、钻井工艺、钻井工具等都提出了新的挑战。现有的干热岩热量采出的方法均是借用油气开发方法，即压裂、注水再抽取热水，例如CN105840146A公开了一种分支井体积压裂自循环开采干热岩地热方法，但是在高温情况下，压裂工艺实施较难、注水再抽水也会增加能量的损耗及增加额外成本。因此，亟需针对开采干热岩地热资源的井身结构和方法，以满足热干岩高效、低成本开发的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开采干热岩地热资源的井身结构及方法，该井身结构可将干热岩钻完井划分为相对独立的常规钻完井段和超高温地层钻完井段两部分，利用该井身结构的开采方法将注入液体、采出液体用一口井来完成，可以大幅度提高采热效率、降低采热过程的热损失。
本发明的技术方案，一方面提供了开采干热岩地热资源的井身结构，包括常规钻完井段和超高温地层钻完井段；
所述常规钻完井段从地面延伸到干热岩隔热层内，包括表层套管和设置于表层套管内部的技术套管，表层套管位于井眼顶端且与井眼间封固有表层水泥环，技术套管位于干热岩隔热层内的一端与表层套管间设置有技套水泥环；
所述超高温地层钻完井段从干热岩隔热层内延伸到干热岩内；
所述常规钻完井段的技术套管内部设置有上部隔热采热管，所属超高温地层钻完井段内设置有依次连接的下部隔热采热管和导热传热管，上部隔热采热管和下部隔热采热管通过流道变控器连接。
进一步的，所述上部隔热采热管延伸至地面，所述流道变控器位于技术套管底端的干热岩隔热层内，所述导热传热管延伸至干热岩内。
进一步的，所述技术套管为一层或多层，所述技术套管为多层时，相邻的技术套管间采用技套水泥环封固。
进一步的，最后一层的技套水泥环返高高于干热岩隔热层顶层。
进一步的，所述流道变控器包括与上部隔热采热管底端连通的左接头，左接头连接流道变控器主体，流道变控器主体另一侧连接右接头，右接头与下部隔热采热管顶端连通；流道变控器主体包括位于两侧的左柱体、右柱体和位于左柱体、右柱体中部的圆柱体；
所述右柱体内部设置有与下部隔热采热管顶端连通的入流主通道，入流主通道通过入流分通道与第一环空连通，所述第一环空为上部隔热采热管与相邻的技术套管构成的环空；
所述左柱体内部设置有与上部隔热采热管底端连通的回流主通道，回流主通道通过回流分通道与第二环空连通，所述第二环空包括超高温地层钻完井段的井眼与下部隔热采热管构成的环空以及超高温地层钻完井井段的井眼与导热传热管构成的环空。
进一步的，所述入流分通道和回流分通道均位于圆柱体内部，且所述入流分通道和回流分通道沿圆柱体中心轴周向交替分布，且互不相交。
进一步的，所述左柱体直径大于上部隔热采热管外径；所述右柱体直径大于下部隔热采热管外径；所述圆柱体直径大于所述左柱体或所述右柱体的直径；所述圆柱体直径小于最外层技术套管的内径。
进一步的，所述圆柱体内部设置有隔热密封安装槽，隔热密封安装槽内安装有隔热密封总成。
进一步的，所述超高温地层钻完井段的井眼为裸眼或下入支撑管柱的井眼。
本发明的技术方案另一方面还提供了利用上述井身结构开采干热岩地热资源的方法,包括如下步骤:
开采时，携热流体进入第一环空，流至流道变控器,经入流分通道进入入流主通道,经入流主通道进入下部隔热采热管内，再流经导热传热管；
携热流体流经导热传热管后进入第二环空进行热交换，返流至流道变控器,经回流分通道进入回流主通道,经回流主通道进入上部隔热采热管内，返至地面。
本发明的有益效果在于：
1、开采干热岩地热资源的井身结构，可将干热岩钻完井划分为常规钻完井段和超高温地层钻完井段两部分，实现两种钻完井过程的相对独立，两种钻完井施工中间环节有效衔接；
2、开采干热岩地热资源的井身结构，内部采热管柱可时时更换，有利于采热工艺的随时调整及损坏管柱的随时更换；
3、开采干热岩地热资源的井身结构，内部采热管柱可以有效降低采热过程的热损失，大幅度提高采热效率；
4、开采干热岩地热资源的方法可实现单个井眼内注液、出液的采热过程，显著降低了作业成本。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的开采干热岩地热资源的井身结构示意图；
图2为流道变控器沿铅垂面剖面图；
图3为流道变控器沿水平面剖面图；
图4为流道变控器横截面示意图；
图5为入流流道示意图；
图6为回流流道示意图；
其中：1、表层套管，2、表层水泥环，3、技术套管，4、技套水泥环，5、上部隔热采热管，6、流道变控器，7、下部隔热采热管，8、导热传热管，9、超高温地层钻完井段的井眼，10-第一环空，11-第二环空；
a、常温梯度地层，b、干热岩隔热层，c、干热岩；
601、流道变控器左接头，602、流道变控器左柱体，603、圆柱体，604、隔热密封总成，605、流道变控器右柱体，606、流道变控器右接头，607、入流主通道，608、入流分通道，609、回流主通道，610、回流分通道。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于图1所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参见图1，图1是本发明所提供的开采干热岩地热资源的井身结构示意图。开采干热岩地热资源的井身结构，包括常规钻完井段和超高温地层钻完井段，从图1可以看出，常规钻完井段大部分位于常温梯度地层a内，超高温地层钻完井段大部分位于干热岩c内，两段井身结构交汇于干热岩隔热层b内部。将开采干热岩地热资源的井身结构划分为上述的常规钻完井段和超高温地层钻完井段两部分，可实现两种钻完井过程的相对独立，两种钻完井施工中间环节有效衔接。
参见图1，常规钻完井段从地面延伸到干热岩隔热层b，包括表层套管1和设置于表层套管1内部的技术套管3，表层套管1位于井眼顶端且与井眼间封固有表层水泥环2，技术套管3位于干热岩隔热层b内的一端与表层套管1间设置有技套水泥环4；
超高温地层钻完井段从干热岩隔热层b内延伸到干热岩c内部；
常规钻完井段的技术套管3内部设置有上部隔热采热管5，超高温地层钻完井段内设置有依次连接的下部隔热采热管7和导热传热管8，上部隔热采热管5和下部隔热采热管7通过流道变控器6连接。
本发明的上述井身结构可以看出，内部的隔热采热管以及导热传热管可及时的更换，利于整个干热岩地热资源的开采施工进程的随时调整，能够及时更换损坏的管柱，保证开采的效率。
作为优选的实施例，参见图1，所述上部隔热采热管5延伸至地面，所述流道变控器6位于技术套管底端的干热岩隔热层b内，所述导热传热管8延伸至干热岩c内部。上部隔热采热管5延伸至地面利于携热流体的注液和出液，导热传热管8延伸入干热岩c内部可以保证充分进行热量的交换。流道变控器6位于干热岩隔热层b内部作为两个钻完井的枢纽利于干热地热资源的采集。具体的导热传热管8的延伸长度根据干热岩长度和传热的需求可以进行调整。
在实际的施工过程中，所述技术套管3为一层或多层，所述技术套管3为多层时，相邻的技术套管3间采用技套水泥环4封固，具体的技术套管的应用层数根据地下的实际工况而定。作为优选的实施例，最后一层的技套水泥环4返高高于干热岩隔热层b顶层。具体的返高程度也是根据地下工况确定的。
参见图2和图3，本发明的流道变控器6包括与上部隔热采热管5底端连通的左接头601，与下部隔热采热管顶端连通的右接头606；流道变控器主体包括位于两侧的左柱体602、右柱体605和位于左柱体602、右柱体605中部的圆柱体603；
具体的，参见图3，所述右柱体605内部设置有与下部隔热采热管7顶端连通的入流主通道607，入流主通道607通过入流分通道608与第一环空10连通，所述第一环空10为上部隔热采热管5与相邻的技术套管3构成的环空；
具体的，参见图2，所述左柱体602内部设置有与上部隔热采热管5底端连通的回流主通道609，回流主通道609通过回流分通道610与第二环空11连通，所述第二环空11包括超高温地层钻完井段的井眼9与下部隔热采热管7构成的环空以及超高温地层钻完井段的井眼9与导热传热管8构成的环空。流道变控器6与上部隔热采热管5和下部隔热采热管7以及导热传热管8构成采热管系进行热量的采集，并且采热管和导热传热管都是位于内部，有效降低了采热过程中的热损失，流道变控器控制，大幅度提高了采热效率。在流道变控器6中，入流主通道607和回流主通道609不贯通，保障热循环的顺利进行。
参见图4，所述入流分通道608和回流分通道610均位于圆柱体内部，且所述入流分通道608和回流分通道610沿圆柱体中心轴周向交替分布，分通道充分与环空相连通，提升携热流体的流速，同时，入流分通道608和回流分通道均匀分布与圆柱体周向，二者不交叉，有利于热量的传递。此外，分通道与环空连通不会冲蚀上部和下部的隔热采热管。
参见图5和图6，所述左柱体602直径大于上部隔热采热管5外径；所述右柱体605直径大于下部隔热采热管7外径；所述圆柱体603直径大于所述左柱体602或所述右柱体605的直径；所述圆柱体603直径小于最外层技术套管3的内径，上述设置可以利于携热流体的通入和通出。
作为优选的实施例，参见图2-4，所述圆柱体603内部设置有隔热密封安装槽，隔热密封安装槽内安装有隔热密封总成604，隔热密封总成的设计可以最大限度的防止热量流失，最大限度的保证热能传递到地面。
作为可选的实施例，参见图1，所述超高温地层钻完井段的井眼为裸眼或下入支撑管柱的井眼，减少成本，提高采热效率。
本发明实施例的另一方面还提供了利用上述井身结构开采干热岩地热资源的方法，具体的,包括如下步骤:
开采时，携热流体进入第一环空，流至流道变控器,经入流分通道进入入流主通道,经入流主通道进入下部隔热采热管内，再流经导热传热管；
携热流体流经导热传热管后进入第二环空进行热交换，返流至流道变控器,经回流分通道进入回流主通道,经回流主通道进入上部隔热采热管内，返至地面。
上述开采方法结合图5和图6的流道示意图，携热流体从第一环空进入后通过入流分通道进入超高温地层钻完井段内部的采热管道，即图5的流向，通过干热岩进行采热的同时从导热传热管进入第二环空返流，返流的流体进入回流主通道后进入常规钻完井段内部的采热管道，即图6的流向，返至地面。通过本发明的开采干热岩的井身结构以及开采方法，仅通过单个井眼即可完成采热的注液和出液过程，显著降低了作业的成本，提高了采热的效率。
Claims (9)
1.开采干热岩地热资源的井身结构，其特征在于，包括常规钻完井段和超高温地层钻完井段；
所述常规钻完井段从地面延伸到干热岩隔热层(b)内，包括表层套管(1)和设置于表层套管(1)内部的技术套管(3)，表层套管(1)位于井眼顶端且与井眼间封固有表层水泥环(2)，技术套管(3)位于干热岩隔热层(b)内的一端与表层套管(1)间设置有技套水泥环(4)；
所述超高温地层钻完井段从干热岩隔热层(b)内延伸到干热岩(c)内；
所述常规钻完井段的技术套管(3)内部设置有上部隔热采热管(5)，所述超高温地层钻完井段内设置有依次连接的下部隔热采热管(7)和导热传热管(8)，上部隔热采热管(5)和下部隔热采热管(7)通过流道变控器(6)连接；
所述流道变控器(6)包括与上部隔热采热管(5)底端连通的左接头(601)，左接头(601)连接流道变控器主体，流道变控器主体另一侧连接右接头(606)，右接头(606)与下部隔热采热管(7)顶端连通；流道变控器主体包括位于两侧的左柱体(602)、右柱体(605)和位于左柱体(602)、右柱体(605)中部的圆柱体(603)；
所述右柱体(605)内部设置有与下部隔热采热管(7)顶端连通的入流主通道(607)，入流主通道(607)通过入流分通道(608)与第一环空(10)连通，所述第一环空(10)为上部隔热采热管(5)与相邻的技术套管(3)构成的环空；
所述左柱体(602)内部设置有与上部隔热采热管(5)底端连通的回流主通道(609)，回流主通道(609)通过回流分通道(610)与第二环空(11)连通，所述第二环空(11)包括超高温地层钻完井段的井眼(9)与下部隔热采热管(7)构成的环空以及超高温地层钻完井段的井眼(9)与导热传热管(8)构成的环空。
2.根据权利要求1所述的开采干热岩地热资源的井身结构，其特征在于，所述上部隔热采热管(5)延伸至地面，所述流道变控器(6)位于技术套管(3)底端的干热岩隔热层(b)内，所述导热传热管(8)延伸至干热岩(c)内部。
3.根据权利要求2所述的开采干热岩地热资源的井身结构，其特征在于，所述技术套管(3)为一层或多层，所述技术套管(3)为多层时，相邻的技术套管(3)间采用技套水泥环(4)封固。
4.根据权利要求3所述的开采干热岩地热资源的井身结构，其特征在于，最后一层的技套水泥环(4)返高高于干热岩隔热层(b)顶层。
5.根据权利要求1所述的开采干热岩地热资源的井身结构，其特征在于，所述入流分通道(608)和回流分通道(610)均位于圆柱体(603)内部，且所述入流分通道(608)和回流分通道(610)沿圆柱体(603)中心轴周向交替分布，且相互不相交。
6.根据权利要求1所述的开采干热岩地热资源的井身结构，其特征在于，所述左柱体(602)直径大于上部隔热采热管(5)外径；所述右柱体(605)直径大于下部隔热采热管(7)外径；所述圆柱体(603)直径大于所述左柱体(602)或所述右柱体(605)的直径；所述圆柱体(603)直径小于最后一层技术套管(3)的内径。
7.根据权利要求5或6所述的开采干热岩地热资源的井身结构，其特征在于，所述圆柱体(603)内部设置有隔热密封安装槽，隔热密封安装槽内安装有隔热密封总成(604)。
8.根据权利要求5或6所述的开采干热岩地热资源的井身结构，其特征在于，所述超高温地层钻完井段的井眼(9)为裸眼或下入支撑管柱的井眼。
9.利用权利要求1-6任意一项所述的井身结构开采干热岩地热资源的方法，其特征在于，包括如下步骤：
开采时，携热流体进入第一环空，流至流道变控器，经入流分通道进入入流主通道，经入流主通道进入下部隔热采热管内，再流经导热传热管；
携热流体流经导热传热管后进入第二环空进行热交换，返流至流道变控器，经回流分通道进入回流主通道，经回流主通道进入上部隔热采热管内，返至地面。
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