CN109989736A - 一种设计egs热储压裂和改造方案的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种设计EGS热储压裂和改造方案的方法，考虑了热储中流体工质的不均匀流动特征，揭示了热储的结构特征对系统采热性能的影响。相较于目前常用的基于均匀热储模型模拟结果来设计EGS热储工程方案的方法，本发明所述方法，能够对各种压裂状况下的EGS热储可采量进行更准确地预测，并在实际热储的压裂情况与热储可采量之间建立起定量化的描述关系，可以更加准确高效地指导EGS热储的压裂和改造工作。

Description

一种设计EGS热储压裂和改造方案的方法

技术领域

本发明涉及地热开采技术领域，特别是涉及一种设计EGS热储压裂和改造方案的方法。

背景技术

增强或工程型地热系统(EGS)是一种旨在开采深层干热岩地热资源的人工地热系统。其构建方式为：通过水力压裂、化学腐蚀等方法增加地下深层岩石的渗透性形成人工热储，然后建设流体循环系统，经由注入井注入冷流体工质，其在人工热储被加热后由采出井输送至地面电厂，发电后的流体经进一步的梯级利用后再灌注到地下热储，循环利用，从而实现深层地热能的持续开采。

人工热储的建立是EGS建设过程中的关键环节，水力压裂是通常采用的方法。该方法通过往深层岩石中持续注入高压液体，使岩石中的天然裂缝发生扩张和延伸，形成结构复杂的裂隙网络，增加岩石的渗透性。热储的裂隙结构直接影响流体在热储中渗流换热过程，是决定热储可开采热能的关键因素。当热储激发体积较小或存在明显的短路情况时，热储使用寿命会大大降低，很多EGS工程都因此而失败。为了尽可能地获得性能较好的人工热储，避免热储中的流体短路情况，通常还需要在热储连通之后，再根据从压裂过程或循环实验中获得的数据对热储进行一些改善工作，例如设置多井、二次激发，以及热储密封。

为了对热储的激发过程与改善工作进行设计或指导，更清楚地了解热储结构对EGS采热性能的影响十分重要。

由于热储位置通常在地下数千米，准确描述热储的裂隙结构在目前来看依然十分困难，因此很多研究者都将热储简化为均匀结构。这种处理方法极大地降低了热储建模难度，在很大程度上便利了对EGS采热性能的定量化分析。

但由于岩石构造不同、天然裂缝的差异以及压裂过程的各种不确定性因素，热储裂隙网络并不均匀，热储中往往存在着明显的流体短路情况，可能会引起EGS采热性能的下降。Garg(2010)使用了蒙特卡罗方法估计了非均质热储在运行周期内的可采量，结果发现其可采量大致分布在5％到15％之间，而在使用均匀热储或平行裂隙热储的模拟研究中，其可采量的预测结果通常在30％到70％之间(Sanyal,2005)。

可以看出，对于实际热储，其裂隙网络的非均质性可能会使其真实可采量显著低于基于均匀热储模型的预测结果。基于上述情况，亟需一种准确并高效地评价各种压裂情况下的EGS热储采热性能的方法，用以设计热储的压裂和改造方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设计EGS热储压裂和改造方案的方法，该方法基于EGS热储实际可采量的准确高效评价。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种设计EGS热储压裂和改造方案的方法，包括如下步骤：

根据目标区域的地温地质参数，通过均匀热储模型模拟各种热储尺寸和压裂状况下热储的采热量或发电量，结合预期采热量和发电量，初步设计热储的压裂方案；

根据热储在所述压裂方案下各压裂段的导流能力，估算热储中各个流通路径的流量分配情况；

根据热储中各个流通路径的流量分配情况，计算热储的不均匀度；

根据热储的不均匀度和均匀热储模型下的模拟可采量，预测热储的实际可采量；

比较预期采热量和预测的实际可采量，确定所述压裂方案下热储不均匀度的可接受范围，并据此设计合适的热储压裂和改造方案。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种设计EGS热储压裂和改造方案的方法，考虑了热储中流体工质的不均匀流动特征，揭示了热储的结构特征对系统采热性能的影响。相较于目前常用的基于均匀热储模型模拟结果来设计EGS热储的方法，本发明所述方法，能够对各种压裂状况下的EGS热储可采量进行更准确地预测，并建立实际热储的压裂情况与热储可采量之间的定量化描述关系，可以更加有效地指导热储的压裂和改造施工。

附图说明

图1为本发明设计EGS热储压裂和改造方案的方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式。同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

图1为本发明提供的基于EGS热储采热性能评价以设计热储的压裂和改造方案的一个实施例的流程图。如该图所示，所述设计EGS热储压裂和改造方案的方法包括：

步骤S101：根据岩石热物性、地温梯度、井布局以及预期采热量或发电量，通过均匀热储模型下的模拟结果，初步设计热储压裂方案。

本实施例中，系统采用双井式EGS，预期使用寿命为20年，循环流量为50L/s，预期发电量为2MW。我们将依据以上数据确定热储的激发体积和平均渗透率。

对于EGS电站，其输出功率由如下公式进行计算：

其中，W_prod为电站输出功率；Q_res为热储可采量；η为热电转化效率；t为运行年限；W_pump为循环泵功。所述运行年限，为生产井达到最大允许温降时，系统所经历的开采时间。本实施例中生产井允许的最大温降为20℃。

在均匀热储假设下，均匀热储可采量可以根据热储激发体积、压裂间距、岩石热物性、热储平均温度、工质注入温度计算得到。本实施例，基于均匀等效多孔介质模型，对裂隙间隔为50m，热储体积为400×400×400m和500×500×500m的两种情况进行了模拟计算，其热储的可采量的计算结果如下所示：

表1均匀热储可采率和可采量的模拟计算结果

应当指出的是，本实施例中的热储形状仅为举例说明。实际应用中，热储也可以是长方体、圆柱体、椭球等形状。

热电转化效率可由如下公式进行计算：

η＝η₀·η_oi·η_m·η_g

其中η₀为理想热效率；η_oi，η_m，η_g分别为汽轮机内效率，汽轮机机械效率和发电机效率，其取值分别为0.75,0.98和0.99；理想热效率可以由卡诺定理计算得到：

其中，T_out为生产井出口温度，在该实施例中，考虑到生产井热量损失的影响，认为该温度比热储平均温度低15℃，即为185℃。可以计算出，本实施例中热电转化效率为0.103。

循环泵功计算公式如下：

W_pump＝R·(q_v)²

其中，R为循环流阻；q_v为循环体积流量。

基于模拟结果，当热储尺寸为500×500×500m，热储渗透率为20mD时，循环流阻约为0.151MPa/(L/s)；当热储尺寸为400×400×400m，热储渗透率为20mD时，循环流阻约为；0.189MPa/(L/s)；此外，根据达西定律，渗透率与循环流阻成反比，可以据此估计渗透率变化时循环流阻的大小。

将以上公式带入到地热电站输出功率的计算公式中，并引入相关参数，即可求得地热电站的净输出电量：

表2不同热储渗透率和热储尺寸下EGS开采年限和电站净输出电量的预测结果(基于均匀热储模型)

从上表中可以看出，当热储渗透率为20mD，热储激发体积为500×500×500m时，可以满足设计要求。所述热储渗透率，可以根据裂隙间距折算成每条裂隙的导流能力。本实施例中，裂隙间距为50m，因此其裂隙平均导流能力应为1000mD·m。

考虑到该预测结果为均匀热储模型下的预测结果，热储的实际可采量可能会低于预测结果，因此在确定压裂方案时，应适当提升热储设计标准，以便热储改造工作的进行。

步骤S102，根据单井压裂过程中各个压裂段的导流能力，估算实际热储中各个流动路径下的流量分配情况。

本实施例中，以50m的间距分段压裂10次，各个压裂段的导流能力如下表所示：

表3各个裂隙导流能力

为了估计热储中各个裂隙的流量分配情况，首先将热储等效为若干相互平行的流通路径组成的等效热储，其数目根据井内用于分段压裂的射孔数目确定。本实施例中，分段压裂射孔数目为10，因此该等效热储被假设为由10个平行的流通路径构成。

每个压裂区段的流量系数(该区段的循环流量与系统总循环流量之比)可由如下公式计算得到：

其中，f_i为各个流通路径的质量流量分数；I_i为各个流通路径裂隙的导流能力；m为流通路径的数目，其值为10。

步骤S103，基于各个流动路径下的流量分配情况，计算热储不均匀度。

热储不均匀度通过如下公式进行计算：

其中，α为热储不均匀度；m为流通路径的数目，其值为10；f_i为各个流通路径的质量流量分数；n为调节指数。

调节指数n表示了热储不均匀度α对优势流通路径的敏感程度(其值越大，则优势流动路径的流量分数对热储不均匀度α影响越大)，其取值与系统达到使用寿命时的生产井温降程度有关。随着采热过程的进行，优势流体路径会最先发生热穿透显示，随后从优势流动层流入出口井的流体温度将发生下降，从而引起生产井温度的下降。由此可以看出，在EGS系统刚刚发生热穿透时，系统的采热性能主要受到优势流通路径的影响，与其他流通路径关系不大。因此，当生产井温度下降程度较小时，应使用较大的调节指数n。另一方面，当热穿透发生之后，随着采热过程的进一步进行，由于优势流通路径的流体流量只占生产井总流量的一部分，因此生产井温度的下降速度会小于通过优势流通路径的流体温度的下降速度，这时优势流通路径的特性对EGS系统整体的采热性能的影响也会逐渐减弱。这时则需要使用较小的调节指数n，以便热储不均匀度α能够更好地表征实际热储的采热性能。基于大量的数值模拟计算结果，我们将调节指数n与生产井温降的关系总结为如下公式：

其中，T_res为热储的体积平均温度，其值为200℃；T_in为工质的注入温度，其值为30℃；ΔT_a为该系统可以承受的最低生产温度，本实施例中其值为20℃。从以上数据及公式，可计算得在本实施例中n值为2.48。

将步骤S102中所得各个流动路径下流量分配情况的预测结果带入到上述公式中，可以计算出其热储不均匀度为0.301。

步骤S104，根据热储不均匀度和均匀热储可采量的模拟结果，计算热储实际可采量。

计算公式如下所示：

γ＝α·γ₀

其中，γ为实际热储可采量；γ₀为均匀热储可采量，其值从步骤S101均匀热储模型下的模拟结果中获得，本实施例中均匀热储可采量为20.0PJ。实际热储可采量计算结果如下表所示：

表4实际热储可采量的预测结果

步骤S105，比较实际热储可采量的预测结果和设计预期，确定该设计方案下热储不均匀度的可接受范围，进而决定热储的压裂和改造方案。

本实施例中，热储预期使用寿命为20年，预期发电功率为2MW，则热储预期可采量可根据如下公式进行计算：

其中，Q_res为热储预期可采量；W_prod为预期发电功率；t为预期运行年限；η为热电转化效率，本实施例中为0.103；W_pump为循环泵功，本实施例中为0.378MW。带入数据可得，热储预期采热量为14.6PJ。

根据S104中热储可采量的预测结果可以看出，此时的热储并不能达到设计要求，需要对热储进行改造。改造方案可由如下方法确定：

根据预期的热储可采量计算出的热储不均匀度的可接受范围如下表所示：

表5该设计方案下热储不均度的可接受范围

在本实施例中，分别给出了两种具体热储改造方案：方案1，对导流能力最高的裂隙进行适当封堵；方案2，对导流能力最差的裂隙进行二次压裂。表6和表7中分别给出了两种改造方案下热储不均匀度的计算结果：

表6采用方案1时的热储不均匀度计算结果

表7采用方案2时的热储不均匀度计算结果

从表6和表7可以看出，相比于对导流能力最差的裂隙进行二次压裂(即方案2)，封堵导流能力最高的裂隙(即方案1)能取得更好的效果，并且当封堵效果达到方案1d所显示的水平时，该EGS热储的总采热量可以达到预期的设计目标。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种设计EGS热储压裂和改造方案的方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据目标区域的地温地质参数，通过均匀热储模型模拟各种热储尺寸和压裂状况下热储的采热量或发电量，结合预期采热量和发电量，初步设计热储的压裂方案；

根据热储在所述压裂方案下各压裂段的导流能力，估算热储中各个流通路径的流量分配情况；

根据热储中各个流通路径的流量分配情况，计算热储的不均匀度；

根据热储的不均匀度和均匀热储模型下的模拟可采量，预测热储的实际可采量；

比较预期采热量和预测的实际可采量，确定所述压裂方案下热储不均匀度的可接受范围，并据此对所述压裂方案进行调整。

2.根据权利要求1所述的一种设计EGS热储压裂和改造方案的方法，其特征在于，

所述均匀热储模型为多孔介质模型或等间距平行裂隙模型。

3.根据权利要求2所述的一种设计EGS热储压裂和改造方案的方法，其特征在于，

为了估算热储中各个流通路径的流量分配情况，先将热储等效为由若干相互平行的流通路径构成的等效热储，流通路径的具体数目根据生产井内用于分段压裂的射孔数目确定，然后根据各压裂段的导流能力，计算等效热储中各个流通路径的流量分配情况。

4.根据权利要求3所述的一种设计EGS热储压裂和改造方案的方法，其特征在于，

热储不均匀度的计算公式如下：

其中，α为热储不均匀度；m为流通路径的数目；f_i为各个流通路径的质量流量分数；n为调节指数，其值与生产井允许的最大温降有关。

5.根据权利要求4所述的一种设计EGS热储压裂和改造方案的方法，其特征在于，

热储实际可采量的预测值通过下式计算：

γ＝α·γ₀

其中，γ为热储实际可采量的预测值；γ₀为均匀热储模型下的模拟可采量。

6.根据权利要求5所述的一种设计EGS热储压裂和改造方案的方法，其特征在于，

在初步设计的压裂方案下，如果热储不均匀度超出可接受范围，可以采用以下几种热储压裂和改造方法：

对导流能力较差的裂隙进行二次激发；

对导流能力较高的裂隙进行适当封堵；

增加裂隙数目。