CN109740203B - 用于地热井开发的定向轨迹设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及连通井开发技术领域，是一种用于地热井开发的定向轨迹设计方法，第一步，测算出理论总采排量；第二步，根据热交换能量损耗，预测实际总采排量；第三步，计算出热交换区间内的总水平段段长；第四步，根据地面有效钻井空间的大小，得到每个单支连通井的最小水平段长度；第五步，建立平台式连通井，计算相邻的连通井之间的夹角和垂深落差参数；第六步，根据计算得到的参数，按照轨迹设计要求，输入专业定向软件中并计算得到准确的平台式连通井设计轨迹和设计数据。本发明改善了采热效率，减低成本，不仅解决了对地面开采空间是否受限，地下地热开发层温度高低的问题，而且初步确定开发所需采热总需求量。

Description

用于地热井开发的定向轨迹设计方法

技术领域

本发明涉及连通井开发技术领域，是一种用于地热井开发的定向轨迹设计方法。

背景技术

在钻井施工的过程中，针对地热能开采需要设计特殊的连通轨迹，达到钻井开发目的，最终实现地热能开采过程中的热交换。

为了实现这个特殊目的，就需要设计相应的连通轨迹设计，实现连通钻井。在现有技术中，一般设计为一口直井和一口定向井连通或者一口直井和一口水平井连通，通过连通水循环完成热交换。现有技术中的连通井开发过程中的热交换慢，时间长，有可能会受到地面建筑以及地下地热分布限制，导致地面开发限制，用户需求大得不到满足，钻井周期长、成本高等因素制约。

发明内容

本发明提供了一种用于地热井开发的定向轨迹设计方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现在设计连通钻井的定向轨迹时，因热交换慢、周期长，易受地面建筑以及地下地热分布限制，导致地面开发受限制、成本高的问题。

本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种用于地热井开发的定向轨迹设计方法，包括以下步骤：

第一步，根据用户的总体供热需求和采热地层温度，测算出理论总采排量，公式如下：

Q_理＝S×(V_c-V_r)  (1)

其中，Q_理为理论的总采排量，S为单位时间的采排量；V_c为出水口的温度；V_r为入水口的温度；

第二步，根据热交换能量损耗，预测实际总采排量，公式如下：

Q_实＝Q_理×k  (2)

其中，Q_实为实际总采排量，Q_理为理论的总采排量，K为损耗系数，K的取值范围为(0.8，0.9)；

第三步，根据理论总采排量，计算出热交换区间内的总水平段段长L，公式如下：

L＝Q_实/H×[C_r×(t_r-t_O)]  (3)

其中，L为热交换区间内的总水平段长度；H为地热井所利用的热储层厚度；C_r为热储层平均热容量；T_r为热储层地热平均温度，t_O为热储层地热的初始温度；

第四步，根据用户待开发地热井的地面有效钻井空间的大小，得到每个单支连通井的最小水平段长度，再根据总水平段段长L,计算将所有的连通井均连通的水平段组数，以用于实现连通井的整体热交换；

第五步，将所有的连通井连接以建立平台式连通井，为实现多对一的螺旋连通结构，计算相邻的连通井之间的夹角和垂深落差参数；

第六步，根据计算得到的每个单支连通井的水平段长度、各相邻的连通井之间的夹角和垂深落差参数，按照轨迹设计要求，输入专业定向软件中并计算得到准确的平台式连通井设计轨迹和设计数据。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述，对第六步计算得到平台式连通井轨迹进行优化，修改相邻的连通井之间的平均分布夹角θ，以用于优化井眼曲率，使设计参数符合动力钻具施工及井下安全的要求，连通井平均分布夹角θ的计算公式为：

θ＝360/n  (4)

其中，n为待开发地热井的分支个数。

上述第六步中，对于受地面空间限制钻机施工的连通井，将该连通井的方位和垂深落差进行优化调整，以用于实现采热效率，垂深落差的计算公式为：

ΔX＝H/n  (5)

其中，ΔX为垂深落差，H为待开采目的层厚度，n为待开发地热井的分支个数。

本发明改善了采热效率，减低成本，不仅解决了对地面开采空间是否受限，地下地热开发层温度高低的问题，而且初步确定开发所需采热总需求量。本发明首先通过计算采热的段长，再次将分散的多组连通井综合到一个平台上，实现多对一的连通方式，通过优化分支井分布角度，落差情况等，最后确认最优轨迹设计方案，达到高效开发目的。本发明不但可以减少钻直井数量，同时减少搬迁，降低开发成本，解决了地面开发空间受限的约束，无论是开发难度上还是工艺上都有很大的优越性。

附图说明

附图1为本发明实施例1的流程图。

附图2为本发明实施例2的平台式轨迹设计垂直投影图。

附图3为本发明实施例2的平台式轨迹设计水平投影图。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

实施例1：如附图1所示，一种用于地热井开发的定向轨迹设计方法，包括以下步骤：

第一步，根据用户的总体供热需求和采热地层温度，测算出理论总采排量，公式如下：

Q_理＝S×(V_c-V_r)  (1)

其中，Q_理为理论的总采排量，S为单位时间的采排量；V_c为出水口的温度；V_r为入水

口的温度；

第二步，根据热交换能量损耗，预测实际总采排量，公式如下：

Q_实＝Q_理×k  (2)

其中，Q_实为实际总采排量，Q_理为理论的总采排量，K为损耗系数，K的取值范围为(0.8，0.9)；

第三步，根据理论总采排量，计算出热交换区间内的总水平段段长L，公式如下：

L＝Q_实/H×[C_r×(t_r-t_O)]  (3)

其中，L为热交换区间内的总水平段长度；H为地热井所利用的热储层厚度；C_r为热储层平均热容量；T_r为热储层地热平均温度，t_O为热储层地热的初始温度；

第四步，根据用户待开发地热井的地面有效钻井空间的大小，得到每个单支连通井的最小水平段长度，再根据总水平段段长L,计算将所有的连通井均连通的水平段组数，以用于实现连通井的整体热交换；

第五步，将所有的连通井连接以建立平台式连通井，为实现多对一的螺旋连通结构，计算相邻的连通井之间的夹角和垂深落差参数；

第六步，根据计算得到的每个单支连通井的水平段长度、各相邻的连通井之间的夹角和垂深落差参数，按照轨迹设计要求，输入专业定向软件中并计算得到准确的平台式连通井设计轨迹和设计数据。

上述的优化轨迹设计过程涉及到的专业定向轨迹设计软件是Landmark，Landmark为本领域的现有公知技术，在此不做赘述。

上述总水平段段长L等于每个单支连通井的最小水平段长度之和，通过计算出热交换区间内的总水平段段长L以及每个单支连通井的最小水平段长度，使直井套管尺寸在原有的基础上做对应增大来满足钻排量需求，可减少钻直井的数量，大幅度降低整体开发成本。

本发明改善了采热效率，减低成本，不仅解决了对地面开采空间是否受限，地下地热开发层温度高低的问题，而且初步确定开发所需采热总需求量。本发明首先通过计算采热的段长，再次将分散的多组连通井综合到一个平台上，实现多对一的连通方式，通过优化分支井分布角度，落差情况等，最后确认最优轨迹设计方案，达到高效开发目的。本发明不但可以减少钻直井数量，同时减少搬迁，降低开发成本，解决了地面开发空间受限的约束，无论是开发难度上还是工艺上都有很大的优越性。

可根据实际需要，对上述用于地热井开发的定向轨迹设计方法作进一步优化或/和改进：

如附图1所示，对第六步计算得到平台式连通井轨迹进行优化，修改相邻的连通井之间的平均分布夹角θ，以用于优化井眼曲率，使设计参数符合动力钻具施工及井下安全的要求，连通井平均分布夹角θ的计算公式为：

θ＝360/n  (4)

其中，n为待开发地热井的分支个数。

如附图1所示，第六步中，对于受地面空间限制钻机施工的连通井，将该连通井的方位和垂深落差进行优化调整，以用于实现采热效率，垂深落差的计算公式为：

ΔX＝H/n  (5)

其中，ΔX为垂深落差，H为待开采目的层厚度，n为待开发地热井的分支个数。

如果分支较多，会影响热交换效率，需考虑加大垂深落差ΔX，设计时可以根据需要调整长短，以确保供热层具备提供源源不断的能量的能力，每支连通井选择好各自垂深布局。这里对连通井的分布夹角θ的优化调整是为了与地热温度相适应，对连通井的方位和垂深落差ΔX的优化调整是为了对连通井套管的内外温差进行补偿，实现动态平衡和能量补充的过程，实现多对一的螺旋连通结构,同时确保热量有效传递利用。连通井的分布夹角θ和垂深落差ΔX的优化调整，为确定地热连通井开发的定位轨迹提供理论依据。

本发明对比实际各项施工条件限制和要求，如地面空间限制，动力螺杆钻具的造斜能力限制，井深结构要求，完井下套管要求等，做对应的调整，确保定向轨迹的切实可行，同时对水平段长度和方向做对应的调整，充分展示了平台式连通井三维螺旋设计的适应范围广、适用性强的特点。

本发明采用的平台式连通井三维螺旋轨迹设计方法，构思巧妙，易于变通，有效的解决了地热井开发过程中所遇到地面空间限制的问题，减少了零星施工搬迁的成本，减少了钻井总开发的直接成本，实现了多井连通自我调节热采温度的功能，达到了集中开采统一管理的标准化模式。

实施例2：

如图2、3所示，对8口水平井U-H-A,U-H-B,U-H-C,U-H-D,U-H-E，U-H-F,U-H-G,U-H-H与1口直井U-V(井深3200m)的开发的定向轨迹设计，将以上根据实施例1所述的方法计算所得理论数据以及采集得到的模拟井口坐标，地面海拔，热交换底层垂深等数据，按照轨迹设计要求，输入专业定向软件计算出准确的设计轨迹，设计结果如图2、图3所示。

通过计算，以8口水平井U-H-A,U-H-B,U-H-C,U-H-D,U-H-E,U-H-F,U-H-G,U-H-H与1口直井U-V(井深3200m)之间的关系夹角为45°，垂深落差20米。

以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (1)

1.一种用于地热井开发的定向轨迹设计方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，根据用户的总体供热需求和采热地层温度，测算出理论总采排量，公式如下：

Q_理＝S×(V_c-V_r)                 (1)

其中，Q_理为理论的总采排量，S为单位时间的采排量；V_c为出水口的温度；V_r为入水口的温度；

第二步，根据热交换能量损耗，预测实际总采排量，公式如下：

Q_实＝Q_理×k                   (2)

其中，Q_实为实际总采排量，Q_理为理论的总采排量，K为损耗系数，K的取值范围为(0.8，0.9)；

第三步，根据理论总采排量，计算出热交换区间内的总水平段段长L，公式如下：

L＝Q_实/H×[C_r×(t_r-t_O)]   (3)

其中，L为热交换区间内的总水平段长度；H为地热井所利用的热储层厚度；C_r为热储层平均热容量；T_r为热储层地热平均温度，t_O为热储层地热的初始温度；

第四步，根据用户待开发地热井的地面有效钻井空间的大小，得到每个单支连通井的最小水平段长度，再根据总水平段段长L,计算将所有的连通井均连通的水平段组数，以用于实现连通井的整体热交换；

第五步，将所有的连通井连接以建立平台式连通井，为实现多对一的螺旋连通结构，计算相邻的连通井之间的夹角和垂深落差参数；

第六步，根据计算得到的每个单支连通井的水平段长度、各相邻的连通井之间的夹角和垂深落差参数，按照轨迹设计要求，输入专业定向轨迹设计软件Landmark中并计算得到准确的平台式连通井设计轨迹和设计数据；

其中对计算得到平台式连通井轨迹进行优化，修改相邻的连通井之间的平均分布夹角θ，以用于优化井眼曲率，使设计参数符合动力钻具施工及井下安全的要求，连通井平均分布夹角θ的计算公式为：

θ＝360/n                     (4)

其中，n为待开发地热井的分支个数；

其中对于受地面空间限制钻机施工的连通井，将该连通井的方位和垂深落差进行优化调整，以用于实现采热效率，垂深落差的计算公式为：

ΔX＝H/n                (5)

其中，ΔX为垂深落差，H为待开采目的层厚度，n为待开发地热井的分支个数。

Images