CN109458167A - 地热井压裂增导工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地热能开发技术领域，具体指一种地热井压裂增导工艺，包括以下步骤：A、在地热井内下入套管后，向套管与地热井的井壁之间的环形空间内注入水泥进行固井；B、待固井水泥凝固后在地热井的高温段进行分段射孔，在地热井高温段的不同高度上射出通孔；C、射孔后采用压裂系统向通孔处进行水力压裂，在地热井高温段对应的通孔处向岩层压裂产生裂缝，持续向裂缝注入带有导热支撑剂的填充液，裂缝向前延伸填充液填充裂缝空间；D、裂结束后地热井保压、缓慢降压，填充液中的水回流到地热井内，导热支撑剂沉降停留在裂缝中并闭合裂缝，形成导热带；E、步骤D地热井保压后，待井口压力达到1.0MPa控制放喷，排出井内的液体。
Description
技术领域
本发明涉及地热能开发技术领域，具体指一种地热井压裂增导工艺。
背景技术
地球地表10km内有丰富的地热能可供开采，地热资源是一种无污染的清洁可再生能源，随着石油、煤炭等传统能源逐渐枯竭，地热资源将成为未来能源的一个重要组成部分。地热可以分为三类：浅层地温能、水热型地热资源、干热岩。传统的地热通常指地热水，但地热水资源有限，需要特定的条件才能形成，而干热岩分布广泛。地热提取技术应该做到只取热，不取水，利用地热的同时保护地下水资源，提取的地热可以用于供热、供冷及发电。
地热提取可通过直井U型换热器和对接井换热的形式实现换热，井下对接系统采用U型对接井或水平对接井开采，通过定向技术在干热岩层段实现对接，在井下形成密闭的循环系统，地面冷水注入地热井中，与井下干热岩层进行热量交换，达到加热水的目的。采用井下对接系统可避免水量的流失，产出的热水经地面热交换站换热后可供地面采暖、制冷或发电。
目前中深层地岩热利用必须进行钻井、下套管、固井，固井指的是向井眼和套管之间的环形空间注入水泥的施工作业。由于岩石导热系仅有1.6-3.6 W/(m· K)，导热系数较低，而在套管外注入水泥浆固定后，水泥浆导热系数仅有0.19 W/(m· K) - 0.65 W/(m·K)，相当于在套管与岩石之间形成了一层隔热层，热阻很大，远离地热井的高温岩层的热量很难导入井中，导致目前地热井产热量低，效益差。另外，现有的地热井与岩石之间换热能力差，需要开挖多个相互连通的地热井以提高换热效果，这样不仅增加工程量，而且会改变地下岩层结构，增加地面沉降的风险。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的缺陷，提供一种使地热井导热效果好，换热量大，产热量高的压裂增导工艺。
本发明的技术方案如下：
地热井压裂增导工艺，包括以下步骤：
A、地热井钻井达到设计的深度，在地热井内下入套管后，向套管与地热井井壁之间的环形空间内注入水泥进行固井，形成固井水泥环；
B、待固井水泥凝固后在地热井的高温段进行分段射孔，在地热井高温段的不同高度上射出通孔，射穿套管、固井水泥环及地层；
C、射孔后以水为压裂液采用压裂系统向通孔处进行水力压裂，使岩层破裂产生裂缝，岩层产生裂缝后，采用压裂系统向裂缝中高压注入带有导热支撑剂的填充液，使裂缝向前延伸并填以导热支撑剂，直至裂缝延伸到预设的长度；
D、压裂结束后地热井保压、缓慢降压，填充液中的水回流到地热井内，导热支撑剂沉降停留在裂缝中并闭合裂缝，形成导热带；
E、步骤D地热井保压后，待井口压力达到1.0MPa控制放喷，排出井内的液体。
步骤C所述的导热支撑剂包括石墨烯、高导热碳粉、银、铜、金、铝、钠、钼、钨、锌、镍、铁、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅中的一种或几种成分。
步骤C中所述的填充液为水与导热支撑剂的混合液，水与导热支撑剂的重量配比为100:（5-60）。
优选地，所述导热支撑剂为粉末状或粒径为0.15-0.45mm、0.45-0.90mm或0.85-1.20mm的颗粒状。
本发明的有益效果在于：
1. 本发明将具有导热功能的导热支撑剂压入高温岩层形成裂缝，压裂结束后导热支撑剂填充裂缝，大幅度改善地热在地下岩层中的传导条件，使远离地热井岩层中的热量能够快速的源源不断的进入地热井进行热交换，使地热井产热能力大幅度增加。
2. 通过压裂形成导热裂缝后，在地热井井底附近的高温岩层内形成多条具有高导热能力的导热裂缝带，可使单个地热井的产热量增加2-30倍，大大提高经济效益。同时在形成导热裂缝带后，提高单位时间和同样水流速下的换热量，进而可减少开挖地热井的数量，减小地面沉降的风险，提高投资收益。
附图说明
图1为本发明所述地热井的结构示意图；
图中各序号及对应的结构名称如下：
1-地热井，2-套管，3-通孔，4-裂缝，5-固井水泥环。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1
地热井压裂增导工艺，包括以下步骤：
A、地热井1钻井达到设计的深度，在地热井1内下入套管2后，向套管2与地热井1井壁之间的环形空间内注入水泥进行固井，形成固井水泥环；
B、待固井水泥凝固后在地热井1的高温段进行分段射孔，在地热井高温段的不同高度上射出通孔3，射穿套管、固井水泥环及地层；
C、射孔后以水为压裂液采用压裂系统向通孔3处进行水力压裂，使岩层破裂产生裂缝4，岩层产生裂缝4后，采用压裂系统向裂缝4中高压注入带有导热支撑剂的填充液，使裂缝向前延伸并填以导热支撑剂，直至裂缝4延伸到预设的长度；
D、压裂结束后地热井1保压、缓慢降压，填充液中的水回流到地热井1内，导热支撑剂沉降停留在裂缝4中并闭合裂缝，形成导热带；所谓的保压，即地面高压泵组压力撤除后，闭合地热井，使地热井内的水压缓慢降低，使裂缝内的水缓慢回流到地热井内；
E、步骤D地热井1保压后，待井口压力达到1.0MPa控制放喷，排出井内的液体。
步骤C所述的导热支撑剂包括石墨烯、高导热碳粉、银、铜、金、铝、钠、钼、钨、锌、镍、铁、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅中的一种或几种成分，可根据压裂设计要求灵活选择导热支撑剂种类、形状、粒度，选择携带容易、导热性能好、适合地层条件的导热材料，一般选择导热系数高、价格低廉的铜、铝、铁、氧化铝的其中一种作为导热支撑剂。
步骤C中所述的填充液为水与导热支撑剂的混合液，水与导热支撑剂的重量配比为100:5。
所述导热支撑剂形状为粉末状或粒径为0.15mm的颗粒状。
实施例2
地热井压裂增导工艺，包括以下步骤：
A、地热井1钻井达到设计的深度，在地热井1内下入套管2后，向套管2与地热井1井壁之间的环形空间内注入水泥进行固井，形成固井水泥环；
B、待固井水泥凝固后在地热井1的高温段进行分段射孔，在地热井高温段的不同高度上射出通孔3，射穿套管、固井水泥环及地层；
C、射孔后以水为压裂液采用压裂系统向通孔3处进行水力压裂，使岩层破裂产生裂缝4，岩层产生裂缝4后，采用压裂系统向裂缝4中高压注入带有导热支撑剂的填充液，使裂缝向前延伸并填以导热支撑剂，直至裂缝4延伸到预设的长度；
D、压裂结束后地热井1保压、缓慢降压，填充液中的水回流到地热井1内，导热支撑剂沉降停留在裂缝4中并闭合裂缝，形成导热带；
E、步骤D地热井1保压后，待井口压力达到1.0MPa控制放喷，排出井内的液体。
步骤C所述的导热支撑剂包括石墨烯、高导热碳粉、银、铜、金、铝、钠、钼、钨、锌、镍、铁、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅中的一种或几种成分，可根据压裂设计要求灵活选择导热支撑剂种类、形状、粒度，选择携带容易、导热性能好、适合地层条件的导热材料，一般选择导热系数高、价格低廉的铜、铝、铁、氧化铝的其中一种作为导热支撑剂。
步骤C中所述的填充液为水与导热支撑剂的混合液，水与导热支撑剂的重量配比为100:10。
所述导热支撑剂形状为粉末状或粒径为0.30mm的颗粒状。
实施例3
地热井压裂增导工艺，包括以下步骤：
A、地热井1钻井达到设计的深度，在地热井1内下入套管2后，向套管2与地热井1井壁之间的环形空间内注入水泥进行固井，形成固井水泥环；
B、待固井水泥凝固后在地热井1的高温段进行分段射孔，在地热井高温段的不同高度上射出通孔3，射穿套管、固井水泥环及地层；
C、射孔后以水为压裂液采用压裂系统向通孔3处进行水力压裂，使岩层破裂产生裂缝4，岩层产生裂缝4后，采用压裂系统向裂缝4中高压注入带有导热支撑剂的填充液，使裂缝向前延伸并填以导热支撑剂，直至裂缝4延伸到预设的长度；
D、压裂结束后地热井1保压、缓慢降压，填充液中的水回流到地热井1内，导热支撑剂沉降停留在裂缝4中并闭合裂缝，形成导热带；
E、步骤D地热井1保压后，待井口压力达到1.0MPa控制放喷，排出井内的液体。
步骤C所述的导热支撑剂包括石墨烯、高导热碳粉、银、铜、金、铝、钠、钼、钨、锌、镍、铁、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅中的一种或几种成分，可根据压裂设计要求灵活选择导热支撑剂种类、形状、粒度，选择携带容易、导热性能好、适合地层条件的导热材料，一般选择导热系数高、价格低廉的铜、铝、铁、氧化铝的其中一种作为导热支撑剂。
步骤C中所述的填充液为水与导热支撑剂的混合液，水与导热支撑剂的重量配比为100:20。
所述导热支撑剂形状为粉末状或粒径为0.45mm的颗粒状。
实施例4
地热井压裂增导工艺，包括以下步骤：
A、地热井1钻井达到设计的深度，在地热井1内下入套管2后，向套管2与地热井1井壁之间的环形空间内注入水泥进行固井，形成固井水泥环；
B、待固井水泥凝固后在地热井1的高温段进行分段射孔，在地热井高温段的不同高度上射出通孔3，射穿套管、固井水泥环及地层；
C、射孔后以水为压裂液采用压裂系统向通孔3处进行水力压裂，使岩层破裂产生裂缝4，岩层产生裂缝4后，采用压裂系统向裂缝4中高压注入带有导热支撑剂的填充液，使裂缝向前延伸并填以导热支撑剂，直至裂缝4延伸到预设的长度；
D、压裂结束后地热井1保压、缓慢降压，填充液中的水回流到地热井1内，导热支撑剂沉降停留在裂缝4中并闭合裂缝，形成导热带；
E、步骤D地热井1保压后，待井口压力达到1.0MPa控制放喷，排出井内的液体。
步骤C所述的导热支撑剂包括石墨烯、高导热碳粉、银、铜、金、铝、钠、钼、钨、锌、镍、铁、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅中的一种或几种成分，可根据压裂设计要求灵活选择导热支撑剂种类、形状、粒度，选择携带容易、导热性能好、适合地层条件的导热材料，一般选择导热系数高、价格低廉的铜、铝、铁、氧化铝的其中一种作为导热支撑剂。
步骤C中所述的填充液为水与导热支撑剂的混合液，水与导热支撑剂的重量配比为100:30。
所述导热支撑剂形状为粉末状或粒径为0.9mm的颗粒状。
实施例5
地热井压裂增导工艺，包括以下步骤：
A、地热井1钻井达到设计的深度，在地热井1内下入套管2后，向套管2与地热井1井壁之间的环形空间内注入水泥进行固井，形成固井水泥环；
B、待固井水泥凝固后在地热井1的高温段进行分段射孔，在地热井高温段的不同高度上射出通孔3，射穿套管、固井水泥环及地层；
C、射孔后以水为压裂液采用压裂系统向通孔3处进行水力压裂，使岩层破裂产生裂缝4，岩层产生裂缝4后，采用压裂系统向裂缝4中高压注入带有导热支撑剂的填充液，使裂缝向前延伸并填以导热支撑剂，直至裂缝4延伸到预设的长度；
D、压裂结束后地热井1保压、缓慢降压，填充液中的水回流到地热井1内，导热支撑剂沉降停留在裂缝4中并闭合裂缝，形成导热带；
E、步骤D地热井1保压后，待井口压力达到1.0MPa控制放喷，排出井内的液体。
步骤C所述的导热支撑剂包括石墨烯、高导热碳粉、银、铜、金、铝、钠、钼、钨、锌、镍、铁、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅中的一种或几种成分，可根据压裂设计要求灵活选择导热支撑剂种类、形状、粒度，选择携带容易、导热性能好、适合地层条件的导热材料，一般选择导热系数高、价格低廉的铜、铝、铁、氧化铝的其中一种作为导热支撑剂。
步骤C中所述的填充液为水与导热支撑剂的混合液，水与导热支撑剂的重量配比为100:40。
所述导热支撑剂形状为粉末状或粒径为0.85mm的颗粒状。
实施例6
地热井压裂增导工艺，包括以下步骤：
A、地热井1钻井达到设计的深度，在地热井1内下入套管2后，向套管2与地热井1井壁之间的环形空间内注入水泥进行固井，形成固井水泥环；
B、待固井水泥凝固后在地热井1的高温段进行分段射孔，在地热井高温段的不同高度上射出通孔3，射穿套管、固井水泥环及地层；
C、射孔后以水为压裂液采用压裂系统向通孔3处进行水力压裂，使岩层破裂产生裂缝4，岩层产生裂缝4后，采用压裂系统向裂缝4中高压注入带有导热支撑剂的填充液，使裂缝向前延伸并填以导热支撑剂，直至裂缝4延伸到预设的长度；
D、压裂结束后地热井1保压、缓慢降压，填充液中的水回流到地热井1内，导热支撑剂沉降停留在裂缝4中并闭合裂缝，形成导热带；
E、步骤D地热井1保压后，待井口压力达到1.0MPa控制放喷，排出井内的液体。
步骤C所述的导热支撑剂包括石墨烯、高导热碳粉、银、铜、金、铝、钠、钼、钨、锌、镍、铁、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅中的一种或几种成分，可根据压裂设计要求灵活选择导热支撑剂种类、形状、粒度，选择携带容易、导热性能好、适合地层条件的导热材料，一般选择导热系数高、价格低廉的铜、铝、铁、氧化铝的其中一种作为导热支撑剂。
步骤C中所述的填充液为水与导热支撑剂的混合液，水与导热支撑剂的重量配比为100:60。
所述导热支撑剂形状为粉末状或粒径为1.2mm的颗粒状。
如图1所示，上述实施例1-6中的井为水平对接井，即钻两口井，分别下入套管2，两根套管2的底端通过在井底岩层钻孔实现水平对接，分别在两根套管2对应的高温岩层段开设通孔3并进行压裂形成裂缝4，裂缝4填充导热支撑剂形成导热带，使用时，从地面上向左侧的地热井灌入冷水，冷水在套管2内流动，裂缝4内的导热带将远离地热井1岩层内的热量传递到地热井内，从而最大限度地提升水的温度，进行热量交换后升温的水从右侧井排出，可供地面采暖、制冷或发电。
上述实施例1至实施例6中，地热井压裂时采取分段压裂。所谓分段压裂技术，就是在井筒内沿着垂直井眼方向的不同高度或沿着水平井眼方向的不同位置，根据地热高温段热储层特征，在直井段、或水平段上，以较短的时间、安全地压裂形成多条导热裂缝，且压裂后快速地排液，实现地热井的分段压裂。地热井的压裂即在地热井高温段，利用地面高压泵组，将压裂液以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底形成高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，便在井底岩层产生裂缝；产生裂缝后继续注入填充液，裂缝向前延伸并填以导热支撑剂，关井后裂缝闭合在导热支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸并连续的具有高导热能力的导热裂缝。
采用上述实施例的地热井增导压裂工艺，将具有导热功能的导热支撑剂压入岩层形成裂缝，根据压裂时预设的压力可控制裂缝的长度，压裂结束后导热支撑剂填充裂缝，大幅度改善地热在地下岩层中的传导条件，使远离地热井岩层中的热量能够快速的源源不断的进入地热井进行热交换，使地热井产热能力大幅度增加。
通过压裂形成导热裂缝后，在地热井井底附近的高温岩层内形成多条具有高导热能力的导热裂缝带，可使单个地热井的产热量增加2-30倍，大大提高经济效益。在形成导热裂缝带后，提高单位时间和同样水流速下的换热量，进而可减少开挖地热井的数量，减小地面沉降的风险。
Claims (4)
1.地热井压裂增导工艺，其特征在于，包括以下步骤：
A、地热井（1）钻井达到设计的深度，在地热井（1）内下入套管（2）后，向套管（2）与地热井（1）井壁之间的环形空间内注入水泥进行固井，形成固井水泥环（5）；
B、待固井水泥凝固后在地热井（1）的高温段进行分段射孔，在地热井高温段的不同高度上射出通孔（3），射穿套管、固井水泥环及地层；
C、射孔后以水为压裂液采用压裂系统向通孔（3）处进行水力压裂，使岩层破裂产生裂缝（4），岩层产生裂缝（4）后，采用压裂系统向裂缝（4）中高压注入带有导热支撑剂的填充液，使裂缝向前延伸并填以导热支撑剂，直至裂缝（4）延伸到预设的长度；
D、压裂结束后地热井（1）保压、缓慢降压，填充液中的水回流到地热井（1）内，导热支撑剂沉降停留在裂缝（4）中并闭合裂缝，形成导热带；
E、步骤D地热井（1）保压后，待井口压力达到1.0MPa控制放喷，排出井内的液体。
2.如权利要求1所述的地热井压裂增导工艺，其特征在于，步骤C所述的导热支撑剂包括石墨烯、高导热碳粉、银、铜、金、铝、钠、钼、钨、锌、镍、铁、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅中的一种或几种成分。
3.如权利要求2所述的地热井压裂增导工艺，其特征在于，步骤C中所述的填充液为水与导热支撑剂的混合液，水与导热支撑剂的重量配比为100:（5-60）。
4.如权利要求1-3任一项所述的地热井压裂增导工艺，其特征在于，所述导热支撑剂为粉末状或粒径为0.15-0.45mm、0.45-0.90mm或0.85-1.20mm的颗粒状。
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