CN108412462A - 一种同井回灌开发地热能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种同井回灌开发地热能的方法，选取目标地热储层并确定注水段和抽水段，钻取垂直井眼，一开段内下入套管并注水泥固井，再次开钻并对二开段采取裸眼完井；将尾管下入井内，尾管上部封隔器和尾管下部封隔器位于注水段和抽水段之间时停止下入，尾管内腔通过第一防砂筛管与抽水段连通，套管的内腔底部与注水段连通，在保温内管的底部开口处连接潜水电泵，将保温内管下入井内，通过内管密封固定结构密封间隔抽水通道和注水通道；保温内管的顶部与换热器密封连通，换热器的出口与注水通道连通，高温水在换热器内进行换热，换热后的水返排至注水段。该方法能提高单井釆热的效率，进而实现水热型地热资源的经济可持续开发。

Description

一种同井回灌开发地热能的方法

技术领域

本发明涉及地热能开发技术领域，尤其涉及一种同井回灌开发地热能的方法。

背景技术

随着全球经济的进一步发展，世界能源需求增长强劲，供需矛盾日趋紧张，能源消费中占主导地位的石油、煤炭等能源的竞争更加激烈，能源安全面临严峻挑战，同时传统化石能源带来的资源枯竭和环境污染问题日益严重。另外，巴黎气候大会的成功召开以及《巴黎协定》的正式生效和实施表明世界各国在温室气体减排等重大问题上的认识和行动渐趋一致，能源结构转型因此进人加速期。

地热能〔Geothermal Energy〕是由地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是引致火山爆发及地震的能量。地热能是位于水力和生物质之后的第三大可再生资源。据相关数据统计，每年由地下传至地表的热量约相当于370亿吨标准煤的燃烧热，资源储量巨大。合理、高效地利用地热资源将对缓解能源危机，增进环境保护具有重要促进作用。

我国地热资源种类繁多，考虑地质构造特征、热流体传输方式、温度范围以及开发利用方式等因素，我国地热资源可分为浅层地热能资源、水热型地热资源和干热岩资源三种类型。其中浅层地热资源的单井产能较低，干热岩资源开发技术仍处于探索阶段，因此目前最具现实意义的为水热型地热资源的开发。

我国水热型地热资源量相对较为丰富，但是目前其开采率仅为0.2％，地热资源的开发利用潜力巨大。对于水热型地热资源的开发，目前直接采水取热仍是最高效的一种方式，但是地下水的大量开采引起的地下水位下降、地面沉降、地裂缝、地面塌陷等地质问题日渐显著。目前还存在一种异井回灌方法，但是异井回灌系统钻井数量较多，引发了占地面积较大、管理不便、初期投资高、回灌问题突出等问题，且对于聚集人数较少的农村地区而言经济性较差，限制了其大规模推广利用。同时，在现有技术中，井内全井段进行水泥固井，在完井过程中，固井水泥浆会与地层水作用形成大量结晶物和沉淀物，堵塞储层的孔隙喉道,甚至导致岩心渗透率最终恢复值只有35％-45％,严重制约了地下热水的人工回灌。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种同井回灌开发地热能的方法，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同井回灌开发地热能的方法，避免地下水过度开采引发的一系列问题，同时避免异井回灌过程中钻井数量多、初期投资高等问题，提高单井釆热的效率，进而实现水热型地热资源的经济可持续开发。

本发明的目的是这样实现的，一种同井回灌开发地热能的方法，包括以下步骤，

步骤a、根据地质勘查，选取目标地热储层，确定目标地热储层的顶部和底部；根据目标地热储层渗流条件，确定目标地热储层的注水段和抽水段，注水段和抽水段呈上下间隔设置；

步骤b、通过钻头钻取垂直井眼，钻头钻至目标地热储层的顶部上方第一距离处停钻，设定地面至目标地热储层的顶部上方第一距离的井段为一开段，下入套管，注入水泥浆进行一开段固井；再次开钻，钻至目标地热储层的底部下方第二距离处停钻；设定目标地热储层的顶部上方第一距离处至目标地热储层的底部下方第二距离处的井段为二开段；对二开段采取裸眼完井；

步骤c、取用底部密封且顶部开口的尾管，在尾管下部串接侧壁上设有第一透孔的第一防砂筛管，在尾管外壁上上下间隔的套设尾管上部封隔器和尾管下部封隔器，尾管下部封隔器位于第一防砂筛管的上方；

步骤d、将尾管下入井内，尾管上部封隔器和尾管下部封隔器位于注水段和抽水段之间时停止下入，尾管内腔通过第一防砂筛管与抽水段连通，套管的内腔底部与注水段连通，坐封尾管上部封隔器和尾管下部封隔器固定尾管；

步骤e、取用内腔上下贯通的保温内管，在保温内管的底部开口处连接潜水电泵，在保温内管的外壁底部固定套设内管密封固定结构，将保温内管下入井内，直至潜水电泵位于尾管上部封隔器和尾管下部封隔器之间的深度处，第一防砂筛管、尾管的内腔、潜水电泵和保温内管的内腔构成抽水通道；保温内管的外壁与套管的内壁之间构成能与注水段连通的注水通道；保温内管通过内管密封固定结构与尾管固定连接，内管密封固定结构密封间隔保温内管的底部开口与注水段、注水通道；在井口进行保温内管的顶部的固定；

步骤f、保温内管的顶部开口通过管线与换热器密封连通，换热器的出口通过管线与注水通道连通，潜水电泵自抽水段抽出的高温水，高温水经抽水通道流出后在换热器内进行换热，换热后的水经换热器的出口、注水通道返排至注水段。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤a中，注水段和抽水段之间的间距为100—150米。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤b中，第一距离为20米，第二距离为20米。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤d中，尾管顶部通过尾管悬挂器固定于套管的内壁底部；在尾管上部串接侧壁上设有第二透孔的第二防砂筛管，第二防砂筛管位于尾管上部封隔器的上方，注水通道通过第二透孔与注水段连通。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤e中，内管密封固定结构为管内封隔器，管内封隔器密封套设在保温内管的外壁底部，管内封隔器的外壁能密封坐封于尾管的内壁上，管内封隔器密封间隔保温内管的底部开口与注水段。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤e中，在保温内管位于管内封隔器上方的位置设置电缆过孔，潜水电泵的电缆密封穿过电缆过孔后与地面的电源连接。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤d中，尾管的顶部与套管的底部呈上下间隔设置构成注水缓冲空间，注水通道通过注水缓冲空间与注水段连通。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤e中，内管密封固定结构为转换接头，转换接头密封套设在保温内管的外壁底部，转换接头的外壁能密封连接于尾管的内壁顶部，转换接头密封间隔保温内管的底部开口与注水段。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤e中，转换接头上设置电缆过孔，潜水电泵的电缆密封穿过电缆过孔后与地面的电源连接。

在本发明的一较佳实施方式中，步骤f中，换热器的出口与注水通道连通的管线上串接循环泵。

由上所述，本发明提供的一种同井回灌开发地热能的方法具有如下有益效果：

(1)本发明的同井回灌开发地热能的方法安全可靠且效率较高，生产过程中采用的管柱结构安全可靠，抽水通道与注水通道同井间隔设置，下层抽取高温水、上层回灌低温水同时进行，实现同井回灌高效取热，其取热效率可达常规单井取热不取水方法的4—5倍，进而实现水热型地热资源的经济可持续开发；

(2)本发明的同井回灌开发地热能的方法适应性较强，对于不同的地热储层均可采用裸眼完井的方式进行完井，建井周期短，节省成本，能够有效地加快地热产能的建设；

(3)本发明的同井回灌开发地热能的方法中，目标地热储层内采取裸眼完井，不进行固井注水泥作业，避免了水泥对目标地热储层的伤害，提高了目标地热储层回灌能力，同时节省了成本；

(4)本发明的同井回灌开发地热能的方法中采用的管柱结构简单，大部分为常规管柱，经济性较强，具有较大的市场潜力；

(5)本发明的同井回灌开发地热能的方法采用同井回灌方式，严格满足环保需求。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为存在出砂问题时本发明的同井回灌开发地热能的方法的状态图。

图2：为不存在出砂问题时本发明的同井回灌开发地热能的方法的状态图。

图3：为图1中Ⅰ处的放大图。

图中：

1、目标地热储层；

11、注水段；12、抽水段；

2、套管；20、水泥层；

3、尾管；

31、尾管悬挂器；32、管内封隔器；33、转换接头；

41、第一防砂筛管；42、第二防砂筛管；

51、尾管上部封隔器；52、尾管下部封隔器；

60、注水缓冲空间；61、抽水通道；62、注水通道；

7、保温内管；

71、内管柱；72、外管柱；73、真空层；

8、潜水电泵；

91、换热器；92、循环泵。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

本发明提供一种同井回灌开发地热能的方法，包括以下步骤，其状态示意图如图1、图2所示，

步骤a、根据地质勘查，选取目标地热储层1，确定目标地热储层1的顶部和底部；根据目标地热储层渗流条件，确定目标地热储层1的注水段11和抽水段12，注水段11和抽水段12呈上下间隔设置，注水段11和抽水段12尽量靠近目标地热储层1的底部，以便能够获取更多的热量；在本发明的一具体实施例中，注水段和抽水段之间的间距为100—150米。

步骤b、通过钻头钻取垂直井眼(常规钻井技术)，钻头钻至目标地热储层1的顶部上方第一距离处停钻，设定地面至目标地热储层1的顶部上方第一距离的井段为一开段，下入套管2，注入水泥浆构成水泥层20进行一开段固井；再次开钻，钻至目标地热储层1的底部下方第二距离处停钻，设定目标地热储层1的顶部上方第一距离处至目标地热储层1的底部下方第二距离处的井段为二开段；对二开段采取裸眼完井。

为了保证目标地热储层1温度较高，通常钻井较深，一开段可能会钻遇易塌、易漏等复杂地层,因此现场通常会对一开段注水泥固井，封隔这些复杂地层，保证钻井顺利进行；而二开段通常只有100多米，距离较短，可以进行裸眼完井，避免了水泥浆对储层的伤害，提高地热井回灌能力，节省成本。

在本发明的一具体实施例中，第一距离为20米，第二距离为20米。

步骤c、取用底部密封且顶部开口的尾管3，在尾管3下部串接侧壁上设有第一透孔的第一防砂筛管41，第一透孔为防砂透孔(现有技术，能过滤部分储层岩砂)；在尾管3外壁上上下间隔的套设尾管上部封隔器51和尾管下部封隔器52，尾管下部封隔器52位于第一防砂筛管41的上方；尾管3、第一防砂筛管41采用现有技术中存在的尾管和筛管即可。

根据地层条件的不同，第一防砂筛管41可以由镂空管替代。目标地热储层1为砂岩地热储层时，往往存在出砂问题，需要在尾管3下部串接第一防砂筛管41，不存在出砂问题时，第一防砂筛管41可以由镂空管替代；目标地热储层1为灰岩地热储层时，不存在出砂问题，则第一防砂筛管41可以由镂空管替代。

尾管上部封隔器51和尾管下部封隔器52为压缩式封隔器，该类封隔器为现有技术，有利于降低生产成本。

步骤d、将尾管3下入井内，尾管上部封隔器51和尾管下部封隔器52位于注水段11和抽水段12之间时停止下入，尾管上部封隔器51和尾管下部封隔器52实现井筒内注水段11和抽水段12的封隔；

尾管3内腔通过第一防砂筛管41与抽水段12连通，套管2的内腔底部与注水段11连通，坐封尾管上部封隔器51和尾管下部封隔器52固定尾管3；

如图1所示，目标地热储层1存在出砂问题时(目标地热储层为砂岩地热储层)，尾管3的顶部与套管2的内壁固定连接，尾管3顶部通过尾管悬挂器31固定于套管2的内壁底部，在尾管3上部串接侧壁上设有第二透孔的第二防砂筛管42，第二防砂筛管42位于尾管上部封隔器51的上方；

如图2所示，目标地热储层1不存在出砂问题(目标地热储层为灰岩地热储层或者未见出砂的砂岩地热储层)时，尾管3的顶部与套管2的底部间隔设置，尾管3的顶部与套管2的底部呈上下间隔设置构成注水缓冲空间60。

步骤e、取用内腔上下贯通的保温内管7，在保温内管7的底部开口处连接潜水电泵8，在保温内管7的外壁底部固定套设内管密封固定结构，将保温内管7下入井内，直至潜水电泵8位于尾管上部封隔器51和尾管下部封隔器52之间的深度处，第一防砂筛管41、尾管3的内腔、潜水电泵8和保温内管7的内腔构成抽水通道61；保温内管7的外壁与套管2的内壁之间构成能与注水段11连通的注水通道62；保温内管7通过内管密封固定结构与尾管3固定连接，内管密封固定结构密封间隔保温内管7的底部开口与注水段11、注水通道62；在井口进行保温内管7的顶部的固定(该技术为现有技术，不再赘述)；

如图1所示，目标地热储层1存在出砂问题时(目标地热储层为砂岩地热储层)，尾管3的顶部与套管2的内壁固定连接，尾管3上部串接第二防砂筛管42，注水通道62通过第二防砂筛管42上的第二透孔与注水段11连通；此时，内管密封固定结构为管内封隔器32，管内封隔器32密封套设在保温内管7的外壁底部，管内封隔器32的外壁能密封坐封于尾管3的内壁上，管内封隔器32密封间隔保温内管7的底部开口与注水段11，实现了抽水通道61与注水通道62的密封间隔，同井设置抽水通道61与注水通道62同井间隔设置，下层抽取高温水(目标地热储层内高于常温的水，其具体温度由目标地热储层确定)、上层回灌低温水(温度低于目标地热储层内的水温)同时进行，实现同井回灌高效环保取热。为了实现潜水电泵8与电源连接，在保温内管7位于管内封隔器32上方的位置设置电缆过孔，潜水电泵8的电缆密封穿过电缆过孔后与地面的电源连接。

如图2所示，目标地热储层1不存在出砂问题(目标地热储层为灰岩地热储层或者未见出砂的砂岩地热储层)时，尾管3的顶部与套管2的底部间隔设置，注水通道62通过注水缓冲空间60与注水段11连通；此时，内管密封固定结构为转换接头33，转换接头33密封套设在保温内管7的外壁底部，转换接头33的外壁能密封连接于尾管3的内壁顶部，转换接头33密封间隔保温内管7的底部开口与注水段11，实现了抽水通道61与注水通道62的密封间隔，抽水通道61与注水通道62同井间隔设置，下层抽取高温水、上层回灌低温水同时进行，实现同井回灌高效环保取热。为了实现潜水电泵8与电源连接，转换接头33上设置电缆过孔，潜水电泵8的电缆密封穿过电缆过孔后与地面的电源连接。

为了减少高温水在保温内管7内的热量损失，保温内管7采用双层保温管，如图3所示，其包括同轴设置的内管柱71和外管柱72，内管柱71和外管柱72之间夹设真空层73。

步骤f、保温内管7的顶部开口通过管线与换热器91密封连通，换热器91的出口通过管线与注水通道62连通，潜水电泵8自抽水段抽出的高温水，并将高温水举升上行，高温水经抽水通道61流出后在换热器91内进行换热，通过换热器91实现了取热；换热后的水经换热器91的出口、注水通道62返排至注水段11，补充地下水，实现了地热资源的高效环保提取。

若地层条件较好，换热后的水的压力满足返排要求，可以采用自然回灌的方式实现换热后的水返排回灌；当换热后的水的压力无法满足返排要求，为了使换热后的水能够顺利返流，在换热器91的出口与注水通道62之间的管线上串接循环泵92，循环泵92实现换热后的水的补压。

换热器91和循环泵92的规格型号根据实际用户需求确定。

由上所述，本发明提供的一种同井回灌开发地热能的方法具有如下有益效果：

(1)本发明的同井回灌开发地热能的方法安全可靠且效率较高，生产过程中采用的管柱结构安全可靠，抽水通道与注水通道同井间隔设置，下层抽取高温水、上层回灌低温水同时进行，实现同井回灌高效取热，其取热效率可达常规单井取热不取水方法的4—5倍，进而实现水热型地热资源的经济可持续开发；

(2)本发明的同井回灌开发地热能的方法适应性较强，对于不同的地热储层均可采用裸眼完井的方式进行完井，建井周期短，节省成本，能够有效地加快地热产能的建设；

(3)本发明的同井回灌开发地热能的方法中，目标地热储层内采取裸眼完井，不进行固井注水泥作业，避免了水泥对目标地热储层的伤害，提高了目标地热储层回灌能力，同时节省了成本；

(4)本发明的同井回灌开发地热能的方法中采用的管柱结构简单，大部分为常规管柱，经济性较强，具有较大的市场潜力；

(5)本发明的同井回灌开发地热能的方法采用同井回灌方式，严格满足环保需求。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种同井回灌开发地热能的方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤a、根据地质勘查，选取目标地热储层，确定目标地热储层的顶部和底部；根据目标地热储层渗流条件，确定目标地热储层的注水段和抽水段，注水段和抽水段呈上下间隔设置；

步骤b、通过钻头钻取垂直井眼，钻头钻至目标地热储层的顶部上方第一距离处停钻，设定地面至目标地热储层的顶部上方第一距离的井段为一开段，下入套管，注入水泥浆进行一开段固井；再次开钻，钻至目标地热储层的底部下方第二距离处停钻；设定目标地热储层的顶部上方第一距离处至目标地热储层的底部下方第二距离处的井段为二开段；对二开段采取裸眼完井；

步骤c、取用底部密封且顶部开口的尾管，在尾管下部串接侧壁上设有第一透孔的第一防砂筛管，在尾管外壁上上下间隔的套设尾管上部封隔器和尾管下部封隔器，尾管下部封隔器位于第一防砂筛管的上方；

步骤d、将尾管下入井内，尾管上部封隔器和尾管下部封隔器位于注水段和抽水段之间时停止下入，尾管内腔通过第一防砂筛管与抽水段连通，套管的内腔底部与注水段连通，坐封尾管上部封隔器和尾管下部封隔器固定尾管；

步骤e、取用内腔上下贯通的保温内管，在保温内管的底部开口处连接潜水电泵，在保温内管的外壁底部固定套设内管密封固定结构，将保温内管下入井内，直至潜水电泵位于尾管上部封隔器和尾管下部封隔器之间的深度处，第一防砂筛管、尾管的内腔、潜水电泵和保温内管的内腔构成抽水通道；保温内管的外壁与套管的内壁之间构成能与注水段连通的注水通道；保温内管通过内管密封固定结构与尾管固定连接，内管密封固定结构密封间隔保温内管的底部开口与注水段、注水通道；在井口进行保温内管的顶部的固定；

步骤f、保温内管的顶部开口通过管线与换热器密封连通，换热器的出口通过管线与注水通道连通，潜水电泵自抽水段抽出的高温水，高温水经抽水通道流出后在换热器内进行换热，换热后的水经换热器的出口、注水通道返排至注水段。

2.如权利要求1所述的同井回灌开发地热能的方法，其特征在于，步骤a中，注水段和抽水段之间的间距为100—150米。

3.如权利要求1所述的同井回灌开发地热能的方法，其特征在于，步骤b中，第一距离为20米，第二距离为20米。

4.如权利要求1所述的同井回灌开发地热能的方法，其特征在于，步骤d中，尾管顶部通过尾管悬挂器固定于套管的内壁底部；在尾管上部串接侧壁上设有第二透孔的第二防砂筛管，第二防砂筛管位于尾管上部封隔器的上方，注水通道通过第二透孔与注水段连通。

5.如权利要求4所述的同井回灌开发地热能的方法，其特征在于，步骤e中，内管密封固定结构为管内封隔器，管内封隔器密封套设在保温内管的外壁底部，管内封隔器的外壁能密封坐封于尾管的内壁上，管内封隔器密封间隔保温内管的底部开口与注水段。

6.如权利要求5所述的同井回灌开发地热能的方法，其特征在于，步骤e中，在保温内管位于管内封隔器上方的位置设置电缆过孔，潜水电泵的电缆密封穿过电缆过孔后与地面的电源连接。

7.如权利要求1所述的同井回灌开发地热能的方法，其特征在于，步骤d中，尾管的顶部与套管的底部呈上下间隔设置构成注水缓冲空间，注水通道通过注水缓冲空间与注水段连通。

8.如权利要求7所述的同井回灌开发地热能的方法，其特征在于，步骤e中，内管密封固定结构为转换接头，转换接头密封套设在保温内管的外壁底部，转换接头的外壁能密封连接于尾管的内壁顶部，转换接头密封间隔保温内管的底部开口与注水段。

9.如权利要求8所述的同井回灌开发地热能的方法，其特征在于，步骤e中，转换接头上设置电缆过孔，潜水电泵的电缆密封穿过电缆过孔后与地面的电源连接。

10.如权利要求1所述的同井回灌开发地热能的方法，其特征在于，步骤f中，换热器的出口与注水通道连通的管线上串接循环泵。