CN110685636A - 形成高效率地热井筒的方法 - Google Patents

Abstract

公开了适用于地热应用中的井筒综合技术。提供了实施例，其中在钻孔的同时将裸眼钻孔的井筒密封，以在井筒/地层界面处形成抗渗层。该技术可以是化学的、热的、机械的、生物的，并且就地层的渗透性而言完全意图不可逆地损伤地层。在渗透性被无效的情况下，井筒可以用来创建闭合回路表面对表面地热井，其在没有井套管的情况下可运行，以最大化对循环的工作流体的热传递。公开了工作流体和钻井液的配方。

Description

形成高效率地热井筒的方法

技术领域

本发明涉及创建地热井筒，并且更特别地，本发明涉及改变给定地层的渗透性以用于附加地以工作流体配方创建具有改善的热和机械特性的高效率地热井筒的方法，。

背景技术

地热能量回收是捕获能量的引人注目的方法，并且考虑到可再生性方面，具有明显的环境吸引力。

现有技术关注关于渗透性、井几何、工作流体、多横向井配置以及发电的若干问题。进而将讨论试图改进这些问题的示例。

最初，关于地层损伤，Badalyan等人在2015年4月19-25日澳大利亚墨尔本的世界地热会议2015(World Geothermal Congress 2015)论文集的地热储层中由于细粒迁移的地层损伤的实验室研究(Laboratory Study on Formation Damage in GeothermalReservoirs Due to Fines Migration)中教导了：

“我们在此提出新的方法来评估地热储层中的地层损伤。长久已知，地层损伤是由天然储层细粒(fines)的松动、迁移和应变造成的……速率诱发的细粒迁移造成岩石渗透性的非显著降低，导致初始地层损伤。之后的低离子强度水注入增大了粘土颗粒与砂表面之间的静电斥力，使颗粒进一步松动，导致地层损伤。由于孔喉阻塞，具有混合层伊利石(illite)/绿泥石(chlorite)矿物学(mineralogy)的松动的细粒造成岩石渗透性下降。”

细粒迁移是油气井中地层损伤的最广泛传播的物理学机制之一。许多最近的出版物报告了由地热田中的细粒迁移造成的井损害。

在美国新墨西哥州阿尔伯克基市、1981年1月21日的基质渗透性地热井中的地层损伤的机制会议：国际地热钻井和完井技术会议中(Mechanisms of Formation Damage inMatrix Permeability Geothermal Wells Conference:International GeothermalDrilling and Completions Technology Conference,Albuquerque,NM,USA)，Bergosh等人在他们的陈述的摘要中指出：

“基质渗透性地热地层在井钻孔和完井期间经受损伤。调查了近井筒渗透性损害，其可以由于微粒侵入，以及地层粘土、钻孔泥浆滤液与地层盐水之间的化学相互作用而发生。对东梅萨砂岩(East Mesa sandstone)的渗透性的各种过滤化学的测试指出，渗透性显著受低盐度地层盐水的流动的损害。该损伤归因于阳离子交换和移除过程，其改变了粘土结构的稳定性。流体剪切逐出颗粒，所述颗粒阻塞孔喉，不可逆地降低渗透性。调查泥浆运输的颗粒对地热地层的影响的测试程序仍在进行。描述了基本原理、设备和测试过程。该测试的最终结果将在会议呈现。”

显然，这些地热环境中的渗透性的损失对井筒的生产和伴随的能量回收具有显著影响。

Tchistiakov在2000年5月28日-6月10日、日本九州-东北的发展世界地热会议2000论文集的地热碎屑岩储层的粘土迁移和注入性下降的物理化学方面(Physico-Chemical Aspects of Clay Migration and Injectivity Decrease of GeothermalClastic Reservoirs)中，在其概述中陈述：

“渗透性损伤可能性可以仅经由开放思维和跨学科思考而不是通过数学公式和实验室测试结果的自动化应用来评价。我们确信粘土颗粒稳定性和多孔介质中的运输的基础物理化学原理的更好理解将有助于储层专家开发更好的技术且更高效地将现有的技术应用于防止原位粘土诱发的地热储层的地层损伤。”

该论文建立了对钻孔的井的渗透性的粘土损伤。

Barrios等人，萨尔瓦多圣特克拉，2012年3月11-17日由UNU-GTP和LaGeo组织的地热开发和地热井的短期课程(Geothermal Development and Geothermal Wells)，地热储层的酸刺激(Acid Stimulation of Geothermal Reservoirs)。在陈述中，作者指出：

“注入和生产井两者都可能被阻塞，将他们的生产能力和注入性降低为低于它们的现有潜力。这些障碍的主要原因可能是：

钻井液(主要是膨润土泥浆)侵入储层的微裂缝内侧；

在钻孔过程期间遭遇总损失循环时，岩石碎片或岩屑进入；大量总溶解固体进入；重新注入具有高硅土结垢潜力的水；由粘土迁移而移位的细颗粒固体的地层；由于维护之后的冷却和加热过程，非晶硅土碎片从重注入管线进入；射孔的衬管和/或生产套管中的方解石结垢。确保用于功率生成的连续流的关键是控制障碍的全部可能的原因。清楚已知的事实是，地热行业在最近50年中已经使用与石油行业相似的技术和实践。由于油气井关于结垢问题和泥浆损伤展示相似性，相似技术可以应用于防止渗透性问题，以便改善地热井中的注入性和生产能力。成本有效的和广泛应用的方案是应用酸来溶解由固体产生的垢和障碍。”

You等人在2015年6月3-5日、匈牙利布达佩斯的SPE欧洲地层损伤会议和展览(SPEEuropean Formation Damage Conference and Exhibition)的评估地热井中的地层损伤的新实验室方法(New Laboratory Method to Assess Formation Damage in GeothermalWells)中展示了论文，其摘要陈述：

“展示了评估地热储层中的渗透性损伤和预测井生产力衰减的新方法。开发的实验室方法注重确定来自天然储层细粒(fines)的松动、迁移和应变的渗透性衰减。已经进行以恒定和阶梯降低的离子强度的实验室岩芯注水测试，测量沿着岩芯的压力降和积累的流出(effluent)颗粒浓度。岩石渗透性的稳定发生在注入多孔体积之后，表示松动的颗粒与载体水速率相比漂移缓慢。低离子强度水增加粘土颗粒与砂粒表面之间的静电斥力，进一步松动颗粒并导致地层损伤。高岭石和伊利石/绿泥石混合层粘土矿物质由SEM-EDAX分析，并且是造成渗透性损伤的主要矿物质。已经观察到温度提高期间降低的水粘度和对粘附的颗粒浓度的弱化的静电引力竞争效应。细颗粒机械平衡的微建模显示，细颗粒粘附上的水粘度效应占主导地位。这导致高温下的减少的细粒脱离和渗透性衰减。”

转向钻井液，配方上已经取得许多进展，以缓解井筒加固问题、渗透、密封等等。这些还涉及上述关于地层损伤的讨论。

在2000年5月9日授权给Chatterji等人的美国专利No.6,059,036中提供了用于密封地下区域的方法和成分。总体上，文本指出：

“本发明提供改善的方法和成分，其用于密封地下区域并终止钻井液的损失、串流(crossflow)和/或地下井喷(blow-out)。本发明的用于密封地下区域的方法基本上包括以下步骤：制备本发明的粘稠延迟凝固密封成分，将密封成分设置在要密封的地下区域中，并且允许密封成分凝固为其中的硬性密封物质。

本发明的密封成分基本上由以下构成：水性碱金属硅酸盐溶液、用于提高溶液的粘度并推迟激活剂的胶凝剂，所述激活剂用于将碱金属硅酸盐聚合或交联并使密封成分凝固为硬性密封物质。

如上所述，在涉及需要低密度密封成分或遭遇到必须密封的大洞穴状地下区域的应用中，可以发泡密封成分，以形成充能的和膨胀的密封成分。非发泡的和发泡的成分还可以包含延展剂(extending agent)和/或桥堵剂(bridging agent)，以促进填充和密封区域”。

本文档有助于展示用于流体损失防止和总体井筒密封的碱金属硅酸盐成分的有效性。

Ballard在授权于2010年6月22日的美国专利No.7,740,068中公开了，用于稳定疏松地层的基于硅酸盐的井筒流体和方法。文本中陈述：

“有利地，本公开实施例可以提供处理流体或药剂(pill)，其可以用来稳定疏松或弱加固的地层区域。使用固体或微粒硅酸盐沉淀剂可以允许硅酸盐与硅酸盐沉淀剂之间的较慢反应或凝胶化时间。较慢反应时间可以允许凝胶成分、硅酸盐和硅酸盐沉淀剂在凝胶化之前更充分地渗透疏松地层。此外，通过提供硅酸盐沉淀剂作为微米或亚微米尺度的固体微粒物质，硅酸盐沉淀剂在渗透地层中可以经历较少的阻碍”。

本文档有助于证实，硅酸盐化合物在稳定地层中具有实用性。

在2014年9月2日授权给Quintero等人的美国专利No.8,822,386中，提供了用于钻孔和完井流体的纳米流体和方法。

本文档还增添了对钻井液的工作内容，并且教导了这样的流体在钻孔期间的有用性。文本就此提供了其他细节。

“在一个非限制性示例中，期望含有纳米颗粒的钻井液对在钻孔期间稳定井筒是有用的，特别是在钻孔期间遭遇的页岩区域，其可能含有倾向于陷落到裸井眼(borehole)中的区域，或具有粘土，粘土在与作为钻井液的一部分引入的水接触时不合期望地膨胀。这样的钻井液可以是诸如WBM的水基的流体、诸如OBM或SBM的非水基的流体、或其组合，即，乳化液。表面活性剂可能存在一定量，有效使纳米颗粒在流体中悬浮。期望在这样的页岩稳定流体中有用的纳米颗粒是含有与页岩相关联的功能并在其原始条件下或尽可能接近其原始条件下帮助其的纳米颗粒，即强化裸井眼壁。具有表面电荷的纳米颗粒可以辅助该页岩稳定，诸如碳纳米管。另外，小尺寸的纳米颗粒允许它们对页岩基质的极佳的可进入性，以约束粘土的外表面和内表面两者，从而最小化对页岩的结构的损伤”。

2015年12月15日授权给McDonald的美国专利No.9,212,304中公开了在钻井液中使用高比例水性碱硅酸盐。其教导提供了这样的成分用于油气产业中的实用性的其他证据。文档指出：

“本发明提供了在常规和非常规能量源的井的钻孔中的井筒稳定的方法，包含但不限于常规油气井、页岩气和‘沥青砂(tar sand)’。方法提供了钻井液，除其他之外，其还可以与页岩反应以防止水合和分散，密封微裂缝，防止页岩层离，防止沥青粘着(bitumenaccretion)，允许钻孔耗尽区域。

本发明使用更大、更复杂的聚硅酸盐阴离子，其在水性、高比例碱硅酸盐中找到。这些高比例水性硅酸盐超出传统的、商业可得的硅酸盐的比例。与标准比例水性硅酸盐相比，这些聚硅酸盐阴离子促进更快沉淀和聚合反应。较高比例导致硅酸盐具有较低盐度，得到更加环境友好的钻井液。高比例、水性碱硅酸盐可以以宽范围的浓度添加到钻井液，以实现必要井筒稳定。钻井液中的可溶硅土水平可以在以钻井液的重量计从0.25％至约6％的范围内。钻井液的pH优选地维持在pH 10以上。”

Stephen Bauer等人在加利福尼亚州的斯坦福的斯坦福大学、2005年1月31日-2月2日的地热储层工程的第十三届研讨会(Workshop on Geothermal ReservoirEngineering)中展示的具有硅酸盐的高温塞地层(High Temperature Plug Formationwith Silicates)中公开了用于临时堵塞特定损失循环区域的方法，其通常在油、气和地热行业中的钻孔操作中遭遇到。“该工作描述了化学溶液，其利用硅酸盐的独特凝胶性质，以环境友好和成本有效的方式来形成堵塞，以用于水截流策略、蒸汽驱(steam flooding)，以及对损失循环的高温灌浆/堵塞”。该论文没有设想基于硅酸盐的钻井液的配方和应用，以密封井筒和多横向部(multilateral)连接件以形成闭合回路的地热系统。

哈里伯顿能量服务(Halliburton Energy Services)在PCT申请WO 03/106585中描述了形成化学套管的方法“用钻井液钻取井筒，钻井液具有在从约6至约10范围内的pH，并且由以下构成：水，能够接收和提供吸附在疏松粘土、页岩、砂岩等上的质子的聚合物阳离子催化剂，可由热固性树脂交联并导致树脂在固化时坚硬和坚固的水溶性或可分散聚合物，以及水溶性或可分散热固性树脂，其将聚合物交联，并且由催化剂催化和固化，并且加固弱的区域或地层，从而防止塌陷。”

该文档没有设想钻井液的配方和应用来密封井筒和多横向部连接件，以形成闭合回路的地热系统，也没有考虑在地热系统的50年或更长的典型寿命上的密封的维护。

多横向部领域的另一示例见于哈里伯顿能量服务的美国专利9,512,705中，其教导了机械多横向部井筒连接件，以将若干水平井与周围的岩石隔离。要求多个安装步骤的复杂且昂贵的机械或注水泥的连接件在现有技术中是典型的。所述多个安装步骤需要打断前进钻孔操作，诸如将钻头和井下仪器串带到表面或等待水泥。

多横向部连接件的现有技术的另一缺陷是缩小井筒的内径，其大大复杂化随后的多横向部的钻孔，并且可能要求更大的垂直井和母眼直径。

关于现有技术的总体井几何和功率/电生成方面，Halff在授权于2001年10月16日的美国专利No.6,301,894中教导了基于闭合回路的地表下换热器的地热厂。该专利关注与发电机位置、水节约和纯度以及具有多个回路的效率相关的益处。该公开没有提及在不使用套管的情况下高效创建闭合回路的井筒的技术。

McHargue在2001年3月3日公布的美国专利公布20110048005教导了闭合回路地热系统。“新方案经由连续地下管线循环流体或气体(此处称为生产流体)通过地下热岩石地层，地下管线由沿着两个或更多个分开的裸井眼的交叉处形成的路径水泥固井连续管道形成”。

本公开没有提及在不使用套管的情况下高效创建闭合回路的井筒的技术。

Greenfire能量有限公司在PCT/US/2016/019612中提供了使用封闭回路系统从高温、低渗透性地理地层地热热量回收用于发电(Geothermal Heat Recovery from High-Temperature,Low-Permeability Geologic Formations for Power Generation UsingClosed Loop Systems)。该案的文本陈述：

“一种方法或设备，其使用闭合回路井系统中的流体来从地热源提取热量以产生功率，地热源位于高温、低渗透性地理地层中或附近。在一些实施例中，闭合回路系统可以包含一个或多个热交换区，其中一个或多个热交换区中的至少部分可以设置在具有至少350℃温度的地下区域内。地下区域可以在塑性区内或在塑性区的1000米内，塑性区具有至少每千米深度80℃的温度梯度。

根据一些实施例，本文中描述的生产地热能量的方法可以包含井的不用金属管套管的部分，而这些部分的壁可以是已经用硬化的密封剂密封的地层岩石，并且这些部分中的井壁由这样的硬化的密封剂的边界限定，其在一些实施例中，将使得井的直径在这些部分中较大，并且在一些情况下远远大于这些井的金属套管的部分。

在放置闭合回路热交换系统之后，流体可以循环通过闭合回路地热热交换系统，以加热流体并用加热的流体产生能量。例如，从地下地层提取的能量可以被转化为热量、电力，或如本领域技术人员已知的其他适当形式的能量。

除确定温度分布和热补充分布之外，根据本文中的实施例的方法可以进一步估计地层的长期活性，以基于温度分布和热补充分布生产地热能量。这样的分析可以通过模拟作为时间的函数的井的性能进行，其考虑变量，诸如温度、热通量、随时间的靠近井的地层的塑性形变以及其他因素，以估计系统随时间的能量提取和能量转化效率上的改变。还可以进行这样的分析，以比较给定地层的各部分，以确定一个或多个适当位置以处理热交换回路。

如上所述，本文中公开的实施例涉及设备和方法，其用于天然发生或通过刺激从不含裂缝或空隙的高温不可渗透地理地层提取热量。先前教导和共识指示一定程度的渗透性，并且因此有效热传递和发电需要对流，与之相反本发明人已经发现，不可渗透岩石可以提供提取地热能量的高效且可持续的来源，以例如生产电力。

然后可以基于地下地层的确定的温度分布和确定的热补充分布，将闭合回路地热热交换系统设置在地下地层内。闭合回路地热热交换系统的放置可以包含钻孔、套管、射孔、水泥固井、用裂缝膨胀无套管井壁、密封无套管井壁，以及与钻孔过程和在其中放置井回路相关联的其他步骤，如本领域技术人员已知的。在一些实施例中，放置可以包含，在地层塑性区或脆性-韧性过渡区内设置闭合回路井系统热交换区。在一些实施例中，放置可以包含或附加地包含在地层的脆性区内设置闭合回路井系统的热交换区，以及刺激靠近热交换区的脆性区。”

前面陈述了，“闭合回路地热热交换系统的放置可以包含钻孔、套管、射孔、水泥固井、用裂缝膨胀无套管井壁、密封无套管井壁，以及与钻孔过程和在其中放置井回路相关联的其他步骤。”。

关于没有套管的裸眼(openhole)井筒的密封长度、随时间维持密封，以及维持井筒完整性，没有公开关于方法、序列、化学或技术的教导。

Mortensen在热干岩石：新的地热能量源，能量，第3卷第5期，1978年10月，639-644页(Hot Dry Rock:A New Geothermal Energy Source,Energy,Volume 3,Issue 5,October 1978,Pages 639-644)中，在她的文章的摘要中，教导了以下：

“Los Alamos科学实验室正在进行的项目是试图展示从热、干岩石地热源提取能量的技术和经济可行性。正测试的系统由两个深裸井眼构成，两个深裸井眼被钻孔到热、不可渗透岩石中，并且由液压产生的裂缝连接。在1977年9月，首次封闭了循环回路，并且将水循环通过井下储层且通过一对10-MW(热)换热器。为1978年计划了一系列长期试验，以便评价能量提取系统的热、化学和机械性质”。

基于地热能量采集的发展，Sonju等人在授权于2019年4月16日的美国专利No.10,260,778中要求保护：

“建立用于从具有低孔隙率的热干岩石地层提取热能量的地热能量厂的方法，其中组合供给和返回孔(22)被钻到第一预定深度，然后将孔钻到第二预定深度，形成组合供给和返回孔的下部部分(22')，其中第一歧管区(8)限定在所述第二预定深度处，组合供给和返回孔的下部部分(22')通过以相同或更小的直径的孔(1')钻孔而延伸至其中限定第二歧管区(9)的最大深度，由此钻取一个或多个生产孔(P)，以形成第一歧管区(8)与第二歧管区(9)之间的闭合回路，其中可以循环工作流体，其中管(5)设置在组合供给和返回孔(22，22')中，并且密封(66)件安装在所述第一和第二歧管区(8，9)之间，密封组合供给和返回孔(22')的下部部分与管(5)之间的环空空间(20)，以分开供给和返回流”。

鉴于现有技术，仍存在从地理地层提取热量的方法的需求，其可以适合于地热应用的井筒密封和维护，封闭路线/回路几何，以及多横向部效率方面，而不受岩石类型、渗透性等等限制。

本发明的技术解决多种技术领域中的不完善，并且唯一地巩固用于建立地热行业的新方向的方法。

发明内容

本发明的一个目标是总体上对井筒地层技术并且在地热能量回收的领域中提供显著改善。

一个实施例的另一目标是提供适用于地热热回收的、钻取井筒到地层中的方法，包括：

在钻取井筒时，使用热机制、机械机制、化学机制和生物机制中的至少一者对井筒诱发不可逆的地层损伤；以及

在井筒与地层之间形成界面，所述界面对流体实质上不可渗透。

在有赖于流体迁移通过孔隙、裂纹裂隙等的井筒地层领域中，且特别是地热领域中，地层损伤技术的使用是反直觉的。作为第一步骤，本技术具有密封地层内促进流体迁移的裂纹、裂隙和其他区域的机制。

本方法采用破坏性技术来降低井壁的渗透性，使得仅从地层中的周围岩石的热传导将热量传递到设计为回收传递的热量的工作流体中。

由此技术产生直接益处，即，减少使用或完全不使用套管和连接件。这一特征导致钻孔过程中的巨大节约，后者包括地热开发相关的大部分成本。

关于本发明的一个实施例的另一目标，提供了形成适用于地热热回收的井的方法，所述井具有地层中的入口井和出口井，包括：

在钻取所述井筒时，使用化学机制对井筒诱发不可逆地层损伤，所述井筒在所述入口井与所述出口井之间延伸，以在所述井筒与所述地层之间形成对流体实质上不可渗透的界面；

在所述井筒内循环化学成分，所述化学成分能够与所述界面诱发沉淀形成，以增强所述界面的密封能力和机械完整性；以及

在所述密封的井筒内循环工作流体，所述工作流体含有界面维持添加剂，所述界面维持添加剂用于在所述井内循环所述工作流性体期间维持不可渗透性体。

通过化学化合物和处理序列的创新选择，合成井筒与周围地层之间的不可渗透界面。所得的是有衬垫的、自我修复的井筒，当其整合到真正的表面对表面闭合回路路线时，为基于压裂的地热操作和整个路线上依赖于套管的地热操作提供了优越的替代方案。

本领域技术人员将理解，化学成分的过剩可以用来实现界面的合成。为此，可以使用钻井液中的随围绕井筒的岩石沉淀的所述化合物。对于第二处理，可以使用与第一处理之后剩余的任何未沉淀的成分反应的任意适当化合物。最终，可以选择循环通过回路的工作流体，以进一步与在界面中随时间发展的任何裂纹、裂隙、不规则等反应。

选择工作流体以最优化地热系统的热动力学性能，并且增强井筒的机械完整性。可以采用井筒的附加处理操作，以在钻孔之后实现。

与现有技术的多步骤不同，可以在一个操作中使利用本文中的技术形成的井适用于闭合回路的地热目的。显然，单元操作的数目减少，存在伴随的经济益处。这是本技术的主要特征，使得其远优于当前采用的方法。

从操作的角度，钻孔过程期间不规律或改变的条件可以随着它们演化而迅速地被解决。这是本技术的另一显著特征，即，适应性和灵活性。由于本方法是基于破坏性技术以在地层中形成井，该技术与现有技术干扰，该技术开启最坏情况，以使得地层适于作为闭合回路的地热系统，而不论渗透性或地质学。

关于替代，本发明的一个实施例的另一目标是，在地热地层内提供形成用于能量回收的井的方法，包括：

钻取裸眼井筒到地热地层中；

将反应性化学成分引入所述井筒中，以在所述井筒与所述地层之间反应而形成流体抗渗界面，所述界面包含未反应的反应性化学成分；以及

将工作流体引入到所述井筒中，所述工作流体能够与所述未反应的反应性化学成分反应，以进一步形成所述界面。

由于存在未反应的反应性成分的有效储备，井筒可以在界面处的任何密封问题的事件中自我修复。相应地，工作流体不仅出于最大操作效率而从地层提取热能量，还结合低维护确保密封完整性。

为了促进本文提出的明确的环境负责的方法，本发明的一个实施例的另一目标是提供修复井筒的方法，井筒包含由压裂技术在地球地层内创建的压裂段，包括：

用第一化学成分处理井筒和压裂段孔隙空间，第一化学成分能够在一些段处形成沉淀抗渗界面；以及

用第二化学成分处理界面，以沉淀任何未反应的第一化学成分，从而进一步密封界面。

本文的密封技术使得可以修复，并且可以将基于压裂的现有地热操作转化。

如此，本发明的一个实施例的另一目标是提供将具有裂缝、疏松岩石和砂、处于流体连通的入口井和出口井中的至少一者的开放地热系统转化为闭合回路地热井，包括：

引入第一化学成分，所述第一化学成分能够在所述入口井和所述出口井之间和在裂缝、疏松岩石和砂中的至少一者中形成沉淀抗渗界面，由此以所述裂缝、疏松岩石和砂、入口井、所述出口井以及其间的区域中的至少一者形成封闭密封回路；以及

用第二化学成分处理所述界面，以沉淀任何未反应的第一化学成分，从而进一步密封所述界面。

附图说明

图1是表示，针对各种流体配方，作为时间的平方根的函数的滤液体积的图；

图2是表示示例1中描绘的化学密封岩芯注水(core flood)测试的作为时间的函数的压力差和渗透性数据的图；

图3是入口井和出口井之间的横向段中没有套管的情况下密封的井的示意性截面图示；

图4与图3相似的视图，其图示了横向段中的套管柱部和其与密封剂的关系；

图5是与图4相似的视图，其图示了以具有裂纹的可忽略渗透性地层的密封的井筒布置；

图6是横向互连井段的多横向部布置的示意性图示；

图7是图6中参考的密封的多横向部井筒段的放大示意性图示；

图8是替代地热井配置的示意性图示；

图9是地热井配置的另一替代实施例的示意性图示；

图10是地热井配置的另一替代实施例的示意性图示；

图11是地热井配置的另一替代实施例的示意性图示；

图12是地热井配置的另一替代实施例的示意性图示；

图13图12的俯视图；

图14是地热井配置的另一替代实施例的示意性图示；

图15是地热井配置的另一替代实施例的示意性图示；

图16是图示未反应的密封剂的储备的在高渗透性地层内的钻孔的井筒的截面；

图17是与图16相似的视图，其图示了与工作流体循环接触之后的井筒界面的转化；

图18是在低渗透性地层中钻孔并与周围地层相接的井筒的示意性截面图示；

图19是地热井筒方法的功率循环实现方式的示意性图示；

图20是图19的替代实施例的示意性图示；

图21是图19的另一替代实施例的示意性图示；

图22是整合由地热工作流体直接驱动的涡轮和发电机的集成地热路线的示意性图示；

图23是图22的替代实施例的示意性图示。

图24是不同工作流体的随距离的温度数据的图表示；

图25是W形或菊花式链接的地热井配置的示意性图示；

图25A是图25的互连井地层的放大视图。

图26是图25的替代实施例的示意性图示；

图27是图25的替代实施例的示意性图示；以及

图28是图25的替代实施例的示意性图示。

图中使用相似的附图标记指代相似元件。

本技术具有在地热技术和地热场的修复中的实用性。

具体实施方式

在概览中，本文中的技术涉及井筒地层，并且设计有用于闭合回路的地热井筒的示例。设计方面包含：

i).在钻孔时密封井筒；

ii).在钻孔之后用化学处理增强密封；以及

iii).用循环工作流体替换钻井液，循环工作流体以自我修复任何剩余或产生的渗透性而增强和维持密封，并维持井筒完整性。

方案的灵活性允许这些方面中的每一个分开使用，取决于地层的特定地质学，然而，它们在集成并协同工作以创建并维持闭合回路的地热系统时最有效。

井筒可以为任意数目的配置，诸如：具有入口/出口的单个U形管；其中入口井和出口井位于相同表面的U形管；“管中管”配置，其可以为垂直、倾斜或水平的；并且包含将这些井筒中的若干个“菊花式链接”在一起；L形等等。这些是示例，并且不意图是限制性的。其他适当布置将被本领域技术人员理解。

以上提出的方面在用于形成多横向部井筒时特别有效，其中多个横向部连接到垂直井，典型地在具有连接垂直套管的入口井和垂直套管的出口井的多个水平横向部的U形管配置中。当用于多横向部配置中时，实现本领域中未认识到的若干优点。这些包含：

i)可以裸眼发起、钻取并完成横向部，避免与安装套管相关联的花费和时间；

ii)可以在钻孔时在单个步骤中创建和密封“裸眼”连接件。这避免了复杂机械连接件、水泥放置、钻出塞或金属段、到表面的多个起下钻(trip)，以及总体上与复杂井下工艺相关联的复杂和花费和造成的向前钻孔的推迟；

iii)不存在内直径中的材料减少，允许钻取无限数目的横向部；

iv)不存在由隔热水泥层或钢衬管与岩石之间的停滞环产生的热导率上的下降；以及

v)允许用磁测距设备重进入多横向部井，以横断其他横向井筒并创建封闭U形管井筒配置。

关于在钻孔时密封的方面，这可以通过在钻井液自身中包含添加剂实现，添加剂导致不可逆地层损伤并且将渗透性降为零或可忽略水平。

添加剂可以是生物生长促进剂，诸如微生物促进采油回收中使用的技术，创建不可渗透滤饼的物理微粒，或化学密封剂，所述化学密封剂一经接触并穿透到地理地层中即反应，诸如时间凝固或热凝固的树脂和环氧树脂、凝胶，以及聚合物。

在钻孔时密封井筒的另一方法是用熔化井筒壁的极高温度热密封岩石表面，例如通过使用高温等离子体或基于激光的钻头。

优选的方法是使用化学密封剂，例如具有大于10.5的pH的基于碱硅酸盐的钻井液，其在井筒内保持液态，但一经与岩石接触并穿透到岩石中即沉淀为固态。相对于不可渗透岩石(诸如硬页岩或粉砂岩)，钻井液的技术功能在可渗透岩石中(例如砂岩或压裂的岩基(basement))不同。在可渗透地层中，液态碱硅酸盐钻井液在反应和凝固为固态之前穿透任何可用流路径。所得固态沉淀浸渍并融合到岩石自身内的孔隙空间和天然裂缝中，并且在井筒与地理地层之间创建流体抗渗屏障。

与之不同，在具有接近零的渗透性的岩石(诸如页岩)中，钻井液的功能不是密封渗透性——岩石已经没有渗透性。反之，钻井液的功能是在岩石与井筒之间提供机械和化学屏障，并且填充任何天然裂缝、裂纹或劈裂平面。最终结果是相同的，在井筒与地理地层之间创建流体抗渗屏障。

密封剂还可以用来加固疏松砂，提高岩石的抗压强度，并且防止砂生产和塌陷。

如已知的，可溶硅酸盐含有三种成分，即，硅土、碱，以及水。硅土(二氧化硅，SiO₂)是可溶硅酸盐的主要成分，并且由碱稳定。碱可以选择自钠、钾或锂氧化物(Na₂O、K₂O，或Li₂O)，并且有助于维持硅土的溶解度。

适当硅酸盐包含钾、钠和铝硅酸钠。这些产品以液态和粉末形式可得。在此技术中期望使用硅酸盐，因为它们可以经历不同类型的化学反应，即，凝胶化(pH下降)，其是可溶硅酸盐结构的自聚合或凝聚，以形成硅酸盐的水合的、非晶凝胶结构。凝胶化由pH的下降带来，而聚合在低于10.5的pH下开始迅速发生。

硅酸盐可以经历的另一类型的反应是与阳离子(诸如钙)沉淀。硅酸盐的沉淀是硅酸盐分子通过多价阳离子(即，Ca⁺²、Mg⁺²、Al⁺³、Fe⁺³等)的交联。这些阳离子存在于地层水，因此钻井液对地层流体相互作用导致孔隙空间内的固体沉淀。

硅酸盐可以经历的另一类型的反应是脱水。随着水被从液态硅酸盐移除，硅酸盐逐渐地变得粘性且更加粘稠，并且最终变为玻璃状(glassy)膜。这些是随着来自钻井液的滤液与岩石基质内的流体混合而发生在井筒附近的反应。

硅酸盐对此地热应用尤其有吸引力，因为它们在环境条件下并且在极高温下是稳定的密封剂。例如，在铸造(foundry)和液态金属铸造(casting)行业中，碱硅酸盐和砂被在650℃和以上的温度下使用，并且该基本化学反应还用来在环境温度下密封混凝土结构。

碱硅酸盐钻井液配制为不含固体且低粘度，以最大化井筒流体侵入和喷射(spurt)损失，从而化学地密封井筒。对于多横向部水平井段，摩擦力是显著的挑战，因此添加与硅酸盐盐水兼容的润滑剂，并且实质上不干扰密封剂性质。

活性碱硅酸盐在水中以质量计的浓度可以为0.3％-10％，当更可能为3％-6％。最优浓度一定程度上取决于地理性质，诸如原位盐水成分和温度。更高的岩石温度可能导致沉淀反应上的推迟。同样，其中原位盐水具有低浓度(例如，低于1000mg/L)的多价阳离子的地层会导致较慢反应。因此，随着岩石温度提高和多价阳离子浓度降低，碱硅酸盐的浓度应当增大。

硅酸盐盐水的附属的益处包含增强的穿透率(ROP)，以及提高的钻头寿命。

组合岩石/密封剂材料的物理性质主要衍生自岩石，但可以通过小心选择密封剂的性质而改变。导热的添加剂(诸如石墨烯纳米颗粒)可以被包含在钻井液中，从而所得密封剂具有高热导率。

闭合回路的地热系统的能量输出可以使用热动力学井筒模型确定，其由离散化的井筒构成，具有流体温度与远场岩石温度之间的多个热阻。每个离散化的部段具有进行的能量和质量平衡，其中流体性质和计算用状态热动力学方程处理。热传递阻抗包含岩石、水泥、钢套管，以及井筒自身内的对流热传递阻抗。

作为数量性示例，使用7”套管的(7”cased)且注水泥的井，其与地理地层接触，具有3W/m K的热导率，5年操作之后岩石、水泥、套管和管流对流的热阻分别为2.2E-02、2.1E-03、2.9E-05和5.0E-5。热传递受穿过岩石的径向传导支配，并且全部其他热阻相比之下可忽略。使用本文中描述的化学密封剂，不存在来自套管或水泥的热传递的阻抗，因此热效率近似9％高于现有技术方法。套管增强全岩(bulk rock)/密封剂材料的热导率，热传递可以进一步提高。

碱硅酸盐密封剂可以通过整合固体微粒进一步增强，固体微粒配制为化学嵌入/结合在碱硅酸盐沉淀内，以改善密封性能和机械完整性。诸如剥离型粉灰、表面活化的石墨烯和氧化石墨烯、碳纤维及其他的补强材料可以被整合到钻井液中。这些可以处于纳米分散或微分散状态，并且与沉淀的硅土化学结合。

在钻孔时进行初始密封之后，测试密封的完整性。典型地，这是通过加压井筒系统并监测降压(如果存在)的速率进行的，如行业中常见的。另一方法是通过长期测量循环操作期间的漏失速率。在此情况下，钻井液被移除并以工作流体替代，工作流体的首要目的是传递能量到表面，并且在常规操作期间测量漏失速率。

尽管密封将实质上在钻孔之后完成，可能存在一些具有剩余较小渗透性的小区域，诸如在钻孔时未被充分密封的压裂区或高度可渗透通道。因此，可以在进行或返回正常操作之前使用化学冲洗或处理增强密封。

当采用如前描述的碱硅酸盐钻井液时，钻井液与原位地层流体反应为凝胶，并且最终凝固为硬的、高强度的固体。这些反应发生在硅酸盐钻井液与地层流体之间的混合界面处。在高渗透性通道或裂缝中，钻井液可以如此之快地迁移通过地层，使得地层流体被替换离开井筒，并且混合界面被实质上推到岩石中，或地层盐水可极淡，使得硅酸盐凝胶，但不完全地沉淀。

在这些情景下，部分或实质上的密封深入岩石内实现，但近井筒区域含有“未用尽的”或未反应的液态碱硅酸盐钻井液，而没有与之反应的地层盐水。因此，化学冲洗的目的是以足够压力将化学处理剂泵送通过井筒系统，以造成从井筒到近井筒地层中的漏失，接触从钻孔过程剩余的未用尽的液态碱硅酸盐，并且发起沉淀反应。适当化学物质为氯化钙盐水、酸、CO₂、表面活性剂、酯以及其他行业已知物。

在增强密封的另一实施例中，化学处理剂可以以足够压力被泵送通过井筒系统，以造成从井筒漏失到近井筒地层中，其中化学处理剂由“塞(plug)”或一定体积的碱硅酸盐构成，随后是由氯化钙盐水、酸、CO₂、表面活性剂、酯或其他行业中已知物构成的反应化学物质。两种化学物质可以交替地泵送若干次，导致近井筒区域中实质上的混合。碱硅酸盐和反应物的体积可以用隔离剂分开，以防止在井筒内混合或直接接触。

转到在操作期间维持密封和井筒完整性，如油气和地热行业中通常采用的钻孔过程，要求维护井筒完整性和部分井筒密封(即，滤饼)，以用于临时持续时间，直至在孔眼中套管被注水泥或安装衬管。通过适当的工程学和应用钻井液创建裸眼(在安装套管或衬管之前)井筒完整性和部分密封。

与之不同，本文公开的发明要求在地热设施的操作寿命上维持裸眼密封和井筒完整性，其典型地为50年或更长。

除在钻孔时创建密封并可选地以分开的化学处理增强密封之外，操作工作流体自身在维持密封和维持井筒完整性中起到关键作用。工作流体的首要功能是从地表下岩石运输能量到表面，热量在表面处被直接使用或转化为电力或冷却。因此，工作流体必须具有用于能量传递并且最大化系统的热动力学效率的关键物理性质。例如，流体可以具有选自以下组的至少一种性质，该组包括：

a)在大于10MPa的压力和小于180℃的温度，入口井与出口井之间的横向互连段内的实质上非线性温度焓关系，以最大化流体与围绕的井下热源之间的温差和热传递；

b)能够经历压敏可逆反应，其于升高的压力下吸热，并且于低于升高的压力的压力放热；

c)流体混合物，含有化学吸收反应，其在横向互连部内吸热；

d)水性电解质溶液，具有温度和压力相关的溶解度，导致横向互连部内的吸热效应；

e)水基流体，含有湍流减阻成分；

f)超临界流体，诸如CO₂；

g)氨-乙烷混合物；以

h)a)至g)的功能组合。

除最大化热动力学效率之外，工作流体还具有钻井液的许多性质，即，以：

i)将可能聚集在井筒中的固体微粒运输到表面，在表面典型地用沉降池、过滤器，或水力旋流器(hydrocyclone)将固体微粒移除；

ii)维持井筒的密封，使得其对流体实质上不可渗透；以及

iii)维持井筒稳定性和完整性。

在一个实施例中，可以通过提供工作流体内的固体微粒维持密封，固体微粒沿着裸井眼壁形成滤饼或桥堵(bridge)并堵塞天然裂缝。这些微粒可以是碳纤维、矿物纤维、纤维素纤维、硅土、粉灰、石墨、石墨烯、氧化石墨烯、碳酸钙、膨润土或行业已知的其他微粒。如果是水基的，则这些固体典型地以工作流体的0.5与2.0％重量比之间添加，并且对于其他工作流体等同的体积浓度。

当采用如前述的碱硅酸盐钻井液时，钻井液与原位地层流体反应为凝胶，并且最终凝固为硬的、高强度的固体。这些反应发生在硅酸盐钻井液与地层流体之间的混合界面处。在高渗透性通道或裂缝中，钻井液可能如此快地迁移通过地层，使得地层流体被替换离开井筒，并且混合界面实质上被推到岩石中，或地层盐水可能极淡，导致硅酸盐胶凝但不完全沉淀。在这些情景下，部分或实质上的密封实现在岩石内深处，但近井筒区域含有“未用尽的”或未反应的液态碱硅酸盐钻井液，而没有其他地层盐水与之反应。因此，维持密封的另一方法是包含反应物添加剂，其一经从井筒漏失到近井筒地层中，则接触从钻孔过程剩余的未用尽的液态碱硅酸盐，并且发起沉淀反应。

由定义，井筒的在钻孔之后留存渗透性的任何区域将会具有碱硅酸盐的可观的流入，并且在近井筒地层中含有未用尽的液态碱硅酸盐。因此，在工作流体内包含反应物将天然地密封剩余的可渗透段。适当化学物质为氯化钙盐水、酸、CO₂、表面活性剂、酯以及其他行业已知的。

为维持井筒稳定性和完整性，除密封岩石之外，工作流体必须在地层上施加足够压力，以提供足够抗压强度来防止破口(breakout)、塌陷，以及岩石部分坍塌到井筒中。操作工作流体提供的压力可以使用集成的热动力学井筒模型计算，模型包含相变要考虑的状态的等式、流体性质随着压力和温度的改变，以及水力摩擦损失。当适当设计时，工作流体必须通过在入口井的顶部施加足够高的压力(加压的流体)，或通过改变工作流体的密度，而在整个井筒上供给最小抗压强度。流体密度可以通过添加诸如重晶石的配重剂而增大，或通过可溶盐，以及其他技术行业已知的。

维持井筒稳定性的另一方法是在工作流体内包含页岩抑制剂化学物质。该化学物质具有阻止粘土和页岩的水合、膨胀和解体的功能，并且是钻井液中的常见添加剂。适当添加剂为基于胺类的化学物质、乳胶，或钾盐的水性溶液，以及其他行业已知的。

上述添加剂和功能的组合得到工作流体，其不仅将能量高效地运输到表面，还补强并维持井筒密封，“自我修复”任何产生的渗透性，并且维持井筒稳定性和完整性，以保护对流体实质上不可渗透的闭合回路的地热井筒系统。

至关重要的要求是，密封剂添加剂不干扰工作流体的热动力学性质。在一个实施例中，工作流体由以下构成：水，1至10L/m³之间的商业可得腐蚀抑制剂，0.05至0.3mol/L之间的溴化钾，3至7mM之间的十六烷基三甲基铵盐(cetyltrimethylammonium)表面活性剂，8至16mM之间的水杨酸钠，以及0.5重量％的碳酸钙固体微粒。

上述溶液在适用于直接使用的地热热供给温度范围上维持大于60％的湍流减阻，这对于热动力学地高效运行是关键的。其在根据API RP 13i通过热滚动(Hot Rolling)的页岩分散(Shale Dispersion)过程测试时还具有40％以上的回收率，与未用尽的碱硅酸盐反应以形成强壮的固体材料，且碳酸钙颗粒桥堵并堵塞天然裂缝和基质渗透性。

在另一实施例中，工作流体自身简单地为改性碱硅酸盐盐水。

在另一实施例中，工作流体是超临界CO₂，其尤其有价值，因为在许多地热情景下，超临界CO₂具有优越于水的热动力学效率，并且其还是使碱硅酸盐液体凝固为强壮固体材料的极佳反应物。

现将在以下示例中描绘各种密封机制。

示例1–化学密封

在渗透性堵塞设备中进行硅酸盐系统的密封能力的初始测试。

渗透性堵塞设备测试：

-20μm，3000mD盘(由OFITE提供)被在30％氯化钙溶液中浸泡过夜(近似16小时)，以便使空隙以盐水充分饱和，并且创建‘重症(severe case)’原位流体，以用于硅酸盐钻井液与之反应

-根据OFITE指令手册和API RP 13i–钻井液的实验室测试的推荐实践，运行渗透性堵塞测试(PPT)

-250mL的下述测试流体被转移到PPT单元(cell)，并且预浸泡的盘被放置在设备中。在加压设备和开始测试之前，允许钻井液接触盘45分钟

-在室温温度和500psi下进行测试30分钟

-在1、5、7.5、15，和30分钟之后记录滤液体积

图2是一些数据的绘图，其是在1/4”厚的过滤盘上的典型的测试。聚合物控制流体流动通过，并且不存在滤液体积的材料减少。当不同类型的硅酸盐被添加时，过滤速率随着沉淀发生而急剧减慢。注意，即使在具有渗透性的3000mD的1/4”厚盘中，渗透性也已经接近消除。

流体制备：

-通过将黄原胶(xanthan gum)(Kelzan XCD^TM)使用Silverson混合器在中等剪切速率下混合到淡水中近似30分钟，制备1000mL的5kg/m³聚合物流体。

-控制流体为以上聚合物流体。

-配方A，30mL的Ecodrill^TM 317(来自PQ公司的商业可得产品)与270mL的以上聚合物流体组合，以产生300mL份的3％活性可溶硅酸钾。

-配方B，30mL的Ecodrill^TM K45(来自PQ公司的商业可得产品)与270mL的以上聚合物流体，以产生300mL份的3％(V/V)活性可溶硅酸盐。

对于配方A，总PPT体积为273.8mL，计算了257mL的喷射损失(spurt loss)，并且计算了3.1mL/min的静态过滤速率。对于配方B，总PPT体积为103.8mL，计算了103.8mL的喷射损失，并且计算了3.7mL/min的静态过滤速率。使用API 13i中表达的公式计算值。

还进行了岩芯注水/重获渗透性/岩芯损伤研究。这些类型的测试通常用来研究钻井液或钻井液添加剂对获得自关注的目标生产区的岩芯的渗透性的效果。通常，研究的目标是为了最小化损伤或最大化重获渗透性。通过使岩芯以本地盐水、油或一些盐水/油混合物饱和，并且使(多种)地层流体在储层压力和温度条件下流通通过岩芯，而建立并测量初始渗透性。然后将测试流体注入到岩芯表面上一定时间，可以测量滤液的体积、流体的侵入，以及滤饼的厚度。然后在流动的相逆方向上将地层流体注入，以确定渗透性在暴露于测试流体之后可能已经下降的程度或甚至提高的程度。在此研究中，目标是通过硅酸盐测试流体与合成盐水饱和的岩芯的凝胶化和沉淀反应来损伤岩芯。

进行了岩芯注水/重获渗透性/岩芯损伤研究如下：

具有近似30mD的渗透性的贝雷(Berea)砂岩岩芯被在真空下以合成盐水饱和，并且以3％溶液的硅酸钾且含有2％的专用润滑剂测试。

以下提出测试过程、参数以及结果。

过程：

1)将塞称重并在15inHg真空下以盐水预饱和一周。

2)放置在岩芯流中，并且测试对盐水的渗透性。

3)将硅酸钾泥浆混合并加热到95℃。

4)以3mL/min的连续速率将泥浆注入到岩芯中。

5)随时间监测压力。

6)压力差随时间指数地积累，直至～2500psi。观察到流体的突破。

7)岩芯不完全堵塞，然而失去～99％的渗透性。

8)收集流出物以确定流体替换(侵入的深度)。

参数：

仪器：Chandler地层响应测试器

岩芯塞：1.5”x3.0”砂岩

温度：95℃

测试流体：3％硅酸钾与2％润滑剂

孔隙体积：16.78

初始渗透性：对盐水28.32mD

在泥浆处理之后渗透性：0.197mD

渗透性降低：>99％

流率：3mL/min

盐水成分：

NaCl-230.303g

CaCl₂-79.054g

KCl-8.346g

MgCl₂-13.79g

然后进行页岩分散测试，以确定碱硅酸盐溶液与润滑剂对页岩样本密封和提供机械完整性的能力。方法是根据API RP 13i用于通过热滚动的页岩分散的过程，如下：

·将近似2kg的一片皮埃尔(Pierre)页岩碾碎，以获得近似900g的-5/+10网目(Mesh)(2-4mm)的片。皮埃尔页岩具有比典型地存在于适用于地热的深度的成熟、硬的页岩地层相比于远更高的反应性和对水的易受影响性。其被选作保守基线，对成熟页岩的实际性能将更好

·-5/+10网目的片被用ASTM筛和Ro-Tap摇筛器筛2分钟

·近似10g的页岩被放置在250mL的测试流体中

·样本被在120℃下滚动24小时

·然后在滚动之后将样本倒入20目筛网

·陈化单元被用抑制流体(7％KCl)冲洗，以逐出粘附到内壁的任何材料

·在20网目上回收的材料的总量被在炉中以100℃烘干至恒定质量

·然后将每个样本重筛并且记录-5/+10分量的质量

以下展示了若干不同流体配方的结果。

实现97％以上的回收率，指示页岩的极佳的密封和强度。矿物油不具有与页岩的反应性，而仅回收～85％的质量。质量的损失是由于滚动期间的机械降解。因此，高的97％回收率指示，不仅形成了化学密封，而且还实现了机械硬度改善。具有添加的页岩抑制剂的工作流体也具有44％回收率，其被从具有1％回收率的淡水实质上改善。

示例2

测试工作流体，其由以下构成：水、商业可得的腐蚀抑制剂、溴化钾、十六烷基三甲基铵盐表面活性剂、水杨酸钠，以及0.5重量％的碳酸钙固体微粒。

使用2”的200L容量加热的流测试了湍流的特征和压力降(i.e.，阻力)的测量值。回路配备有离心机(GIW，LCC-M 50-230)和螺杆腔泵(Moyno^TM，2F090)，其分别具有高和低剪切力。最大雷诺数(Re number)达到500,000，并且回路可以以15％体积浓度的固体运行。压力降被以淡水校准，并且与使用工作流体的、在相同流率下的摩擦压力降作比较。在适用于直接使用热量应用的温度范围上实现63％的湍流减阻。

为测试与近井筒中的未用尽的碱硅酸盐的反应性，将Ecodrill^TM 317，比例为2.5的SiO₂:K₂O的29.1％活性溶液混合到工作流体的样本中。使用NaOH来调整pH至11-12，并且在温和搅拌下将碱硅酸盐溶液注入到工作流体的样本中，以得到3％(v/v)和1％(v/v)溶液。选择这些低浓度，以保守地表示近井筒未用尽的碱硅酸盐钻井液。在每种情况下，将硅酸盐溶液添加到工作流体中造成沉淀，并且在24小时之后，硅酸盐凝固。结果显示，工作流体将补强并增强井筒密封，使得其对流体实质上不可渗透。

为评估工作流体维持井筒完整性和稳定性的能力，进行改性页岩分散测试。测试方法涉及以相同样本的背靠背的2个页岩分散运行。首先，样本被在密封剂中热滚动，如上所述，然后重新浸泡在工作流体中，以确定页岩在密封之后的机械强度和化学隔离。在用钻井液密封剂的初始页岩分散运行之后，样本被烘干、称重，并且浸没在工作流体化学物质中，并且滚动24小时。

在滚动之后，然后将样本倒入20目筛网，并且将在20网目上回收的材料的总量在炉中以100℃干燥至恒定质量。然后将每个样本重筛，并且记录-5/+10分量的质量，并且与密封并烘干之后的样本的质量作比较。有趣地，来自多个运行的结果显示96％以上的质量回收率，指示工作流体维持井筒完整性的极佳能力。

示例3–机械方法

在一个实施例中，可以通过将固体颗粒添加到钻井液中实现该机制，固体颗粒天然地迁移到孔隙空间/裂缝中，以降低渗透性。这总体上已知为损失循环材料(LCM)。

固体颗粒可以为粒状材料、纤维材料和片状材料及其组合，并且以降低渗透性必要的尺寸存在(分散在钻井液中)。适当尺寸可以在尺寸上为纳米至毫米。

Abrams规则和/或理想堆积理论(Ideal Packing Theory)概念对于创建最适当材料是有用的。Abrams规则提出，桥堵剂的颗粒尺寸应等于或稍大于目标地层的中孔喉尺寸的1/3。

理想堆积理论提出全范围的颗粒尺寸分布，以有效地密封全部空隙，包含由桥堵剂创建的空隙。

颗粒还可以尺寸化为在桥堵之前穿透到孔隙空间中。

此外，钻孔岩屑可以增强LCM并且充当堵塞材料。

在完成钻孔过程之后，任意这些LCM产品可以用于修复井筒泄漏。使用LCM的进一步粘稠扫掠(sweep)可以在降低的速率下被泵送通过裸眼段，以允许LCM侵入并密封任何泄漏。

最终，固体硅酸盐(可能是包封的)也可以提供有效的化学/机械组合机制以密封储层。

示例4–生物方法

微生物增强石油回收(MEOR)是一种工程领域，其管理微生物的设计、生长和刺激，以提高石油回收。最深的地理地层在孔隙空间内含有厌氧细菌。与近表面微生物相比，这些细菌具有非常低的能量和营养供给，并且因此具有低的种群密度。

一种MEOR技术是用营养物处理原生微生物，以刺激它们的生长并最终用生物材料堵塞岩石孔隙。营养物可以为任意化学物质，但典型地包含硝酸钾和磷酸一钠。由于细菌生长是指数的，如果供给以足够原材料和适当条件，则可以诱发细菌生长并完全堵塞它们居于之中的孔隙空间，使得岩石对流体实质上不可渗透。

另一技术是引入新的微生物到岩石地层中并同时为它们供给营养物。这些微生物可以被工程化为仅在特定温度下生长，并且因此可以通过注入到热地层中而激活。

任意技术可以应用于常规钻井液，使得岩石对流体实质上不可渗透，并且形成闭合回路的地热系统。

示例5–热方法

地理地层具有变化的化学物质，并且因此变化的熔点，尽管多数沉积地层在1200℃或以下熔化。若干技术处于研究、开发和测试阶段，其可以使用热解体而非机械接触来穿透岩石。

一种方法是通过电流或核能创造等离子体。等离子体熔化岩石并使连续钻孔成为可能。

另一方法是发射激光到岩石的表面，提高温度直至岩石开始剥落(spall)、解体，并最终熔化。

另一方法是发射高速率抛射物，其在撞击时释放足够能量，提高温度数百度。

这些技术中的每一种具有在钻孔时熔化孔隙和可渗透岩石的能力，然后其可以被冷却并退火以形成对流体实质上不可渗透的硬的、持久的屏障。

已经讨论了技术的方法细节，现将参考附图参考特定实现方式。

现参考图1，所示的是表示对于不同配方的随着时间平方根的函数的滤液体积的图。

图2是表示对于示例1中所描绘的化学密封岩芯注水测试的作为时间的函数的压力差和渗透性数据的图。

图3是井的截面，其具有入口井10，入口井10具有用于地表水保护的表面套管12。中间套管14注水泥就位，如图所示。全部这些组件为本领域已知。从中间套管14延伸的是横向段16，其在此示例中不包含套管，而是开放密封的井筒。围绕横向段16的孔隙空间被用密封剂密封，如本文前面所描述的。密封的孔隙空间由附图标记18指代。密封的横向段连续到中间套管14。所述中间套管然后与出口井20连续地连接。出口井以套管12完结。

图4图示了替代情景。在此示例中，横向段16可以间断地密封，得到未密封的岩石表面22。在此情况下，套管24示出为衬管，意味着没有水泥。衬管22从而改良未密封的岩石表面，并且维持从入口10到出口20的连续线路。在可以与连续地密封的段结合使用。这将取决于地层的特定地质学。

关于多孔或压裂的岩石中的密封的区域，密封剂不与岩石表面融合，而是在以上讨论的化学示例中嵌入到岩石内。总体上，图2和图3绘示了硬的岩石。

现参考图5，所示的是一示例，其中井设置在地层内的较低渗透性段中，其示例是沉积页岩或泥岩段。在此情景下，地层可能具有少见的裂纹、裂缝、劈裂平面等，其总体上由附图标记26指代。可以采用化学衬管28以完成入口10与出口20之间的连续性，其中化学衬管成分28填充裂纹、裂缝和劈裂平面，如所示。

转到图6，示出了井配置的第一示例。在示例中，入口10和出口20中的每一个包含常规套管的段30，其与多横向部井系统36的入口32和出口34连通。系统设置在地热地层38内。系统36包含多个横向井16，其可以被部分地套管，取决于关于图3和图4概述的情况。在地层38中可以采用任意数目的井系统36。这垂直地和水平地由附图标记6n表示，“n”表示以系统36的形状的或任意其他适当配置的任意数目的其他井。

入口32和出口34在多横向部连接件中以套管的段30集成，其现将参考后面的附图。

图7图示了一种可能的多横向部布置。入口32与密封的多横向部井筒连接件40连接，横向段16从多横向部井筒连接件40连续地延伸。横向段16彼此间隔开，以最大化从地层38内的热回收(图6)。横向段16可以包含套管，如关于图3至图5所讨论的。系统36的出口34将包含相似的连接件40(未示出)。

转到图8，示出了L形井配置，总体上由附图标记42指代。在此示例中，井具有延伸段44，段44具有末端46裸眼井筒，其被如前述示例密封。隔离的管48在井内延伸，以用于流体递送。延伸段44可以处于任意选择的角度。

图9图示了垂直取向的示例。

在图10中，提供了W形井，其由附图标记50表示。表面由附图标记52指代。在此示例中，来自一个井的输出成为其他井的输入。流动方向以箭头示出。可以重复该模式以用于附加的循环。在此示例中，裸眼井筒16被如以前面的附图所讨论而密封，并且可以整合套管的段与简单地密封的井筒段的交替模式。这将取决于地层地质学。

图11图示了多横向部系统的其他变化，类似于在图3中初始参考的，其将入口和出口管路组合为单个井筒，多横向段的设置可以处于地层内的任意角度。在此示例中，横向段16会聚在末端54处。

图12是单个场布置56的侧视图，其中入口井10和出口井20总体上接近。为横向段16示出了流体路线。如之前的示例，裸眼井筒在进行钻孔时被密封，而围绕孔隙空间在过程期间被密封。附图标记12n具有与图6中参考的6n相同的含义。

图13中图示了其他变化。示出了多横向部井布置的俯视图。示出了共用共同入口井10的多个井中的单独井16，延伸出地层的地热区(在此附图中未示出)内，并在封闭路线中返回到共同出口井20。流动方向用箭头示出，并且流动可以被隔离为每个单独回路或分开的回路之中的菊花式链接。这对于小的占地面积(footprint)同时允许地热区内的最大热开采是有利的。

图14绘示了其他变化，其中存在提供的多个井布置，而同时维持归因于图13的实施例的小的占地面积。

图15将多横向部井系统50整合以结合图13中最初呈现的井配置。在此配置中，两个离散的单个场56可以以最小的表面侵袭性跨越大的面积，来开采大的地下地热区域。流动方向用箭头示出，并且流动可以被隔离为每个单独回路或在分开的回路之中的菊花式链接。本文所讨论的密封技术的有效性允许提供这样的混合配置的灵活性。这进而允许在各种地理情况中热开采，允许实践本文的方法的另一自由度。

在更关注的细节中，图16图示了钻孔的井筒的截面，本文中也称为横向段16。地热地层38在此示例中是高渗透性地层。由于渗透性，散播出地层中的孔隙空间并紧邻井筒16的密封剂保持未反应，由附图标记60指代。从未反应的密封剂空间向外是以密封剂密封的孔隙空间，如之前的示例中，由附图标记18指代。

图17图示了将来自图16的井筒暴露于工作流体的结果。在此处理之后，围绕井筒的地层区域变得密封，形成井筒自身的内部体积与围绕其的地层之间的抗渗界面。这是尤其有利的，因为密封的井筒16被未反应的密封剂60的储备围绕。在井筒密封由地震活动或其他有害活动受损时，井筒可以通过可用反应物的储备与工作流体之间的反应进行自我修复而维持其完整性和密封能力。就降低随时间的运行和维护成本而言，这显然具有非常显著的优势，其当然大大缓解了与初始合成井系统相关联的。

关于具有低或平均渗透性的岩石(其示例是花岗岩、泥岩或页岩)，可以用密封剂绕井筒16外围填充孔隙空间、裂缝、裂纹、劈裂平面等，以在单个步骤中形成抗渗界面，而不需要反应性工作流体或进一步处理。相应地，将认识到，考虑到本文所讨论的方法，地理渗透性不呈现任何地热热开采问题。

作为附属的益处，技术可以扩展到修复和翻新(retrofit)领域。本文中的技术的基础之一是环境友好溶液，以在地热田中能量创建，其避免要求无吸引力的流体处理的压裂。第二基础是，该技术提供真正闭合回路系统，而与现有技术中已经不恰当地表达为闭合回路的系统不同。

由于技术允许高度有效密封方案，其具有许多地热回收益处，已经发现，技术可以应用于修复无效的、未使用的或其他不可操作的地热井。这些井可能由于任意数目的问题而是不可用的或不可操作的，诸如有效裂缝、疏松地层中的低流率和因此的砂产生问题，来自盐水或由于浸出问题的过度腐蚀，以及其他。相应地，在不可能翻新如本文所讨论的新的非压裂地热布置的情况下，或在需昂贵和环境争议操作(诸如压裂或潜在通过重新钻孔整个井)可能修复的情况下，不可操作的场将被通过移除不必要的套管和附属的组件而废弃。鉴于渗透性程度不是问题的事实，密封技术呈现有吸引力的修复益处。

关于转化或翻新现有的地热井，预先存在的井允许以显著经济优势部署技术，消除对压裂流体管理、诱发地震以及环境风险的需要，并且使得翻新场(之前普遍认为是环境不友好的能量源)作为从之进一步建造的绿色能量平台。

就技术范围的附加实现方式而言，现将参考之后的附图。

在图19中，井回路64包括闭合回路系统，其具有设置在地理地层内的入口井10和出口井20，地理地层可以是例如地热地层、低渗透性地层、沉积地层、火山地层或“岩基(basement)”地层，其更恰当地描述为产生在沉积盆(sedimentary basin)下方的晶体岩石(均未示出)。

井回路64和功率循环66通过换热器68处于热接触，换热器68从地层中的回路64中的工作流体循环回收热量，热量随后被用来以循环66中的发电机70生成功率。作为示例，地层的温度可以在80℃与150℃之间的范围内。

在图示的布置中，使用两种不同的工作流体。将在后文中讨论关于流体的其他细节。在低温下可以改变系统的井回路操作中使用的工作流体。

如此，当前可用的功率生成模块通常将功率循环工作流体的输入温度在初级换热器中限制为0℃以上。通过将工作流体温度降至零以下，允许较高的涡轮压力比。然而，常规地热项目受地热流体在换热器另一侧上潜在冻结的限制。

本技术中的这些限制通过实施与闭合回路井组合的隔离功率循环系统而克服。

流体可以用添加剂改性，以防止在0℃以下的温度冻结。适当添加剂包含抗结垢剂、抗腐蚀剂、摩擦力降低剂，以及抗冻结化学物质、制冷剂、杀菌剂、烃类、醇类、有机流体及其组合。

与隔离功率循环组合的定制井-回路工作流体的实质上的益处是，其不受很冷的环境温度的影响，并且因此在结合图19中提出的井回路使用时，促进使用任何一般功率循环(包含ORC、卡林那循环、碳载体循环、CTPC)来增加更高的净发电。在该布置中，当第二工作流体温度为0℃或0℃以下时，从第一工作流体传递热量到第二工作流体。

具有隔离路线的可选的布置在图20和图21中图示。

图20图示了整合了井回路12的隔离路线，井回路12与两个不同的换热器18热接触，每个换热器18具有其自己的发电机22，其形成平行布置。相似地，图21图示了串联布置。

集成的井回路功率循环是闭合回路系统，其中选择的工作流体在井回路内循环，并且然后流入到地面的涡轮中，如图22所示。附图标记72示意性指代总体工艺。在此工艺中，使用单个流体而非具有离散井回路流体和次级功率循环工作流体。在此闭合回路中的工作流体可以操作为跨临界循环，由此流体在高的工作压力是超临界的，而在低的工作压力是亚临界的，或者作为完全超临界循环，由此流体在低工作压力保持超临界。

如已知的，跨临界循环是其中工作流体经历亚临界和超临界状态两者的热动力学循环。设备还包含冷却装置，在示例中示出为空气冷却器74和具有发电机78的涡轮76。空气冷却器74用来将工作流体冷却到环境温度以上、1℃与15℃之间的温度。还应注意到，工作流体可以被冷却到0℃以下的温度。参考图24描绘了性能数据。

此集成的循环中的驱动机制是非常强的温差环流系统(thermosiphon)，其由于入口垂直井10与出口垂直井20之间的密度差而产生。流体在入口井10中处于超临界流体状态，随着其沿着横向互连段80行进而被加热，并且在出口井20中以超临界状态离开，其创建显著的压力。

温差环流效应可以完全消除对在正常操作条件下的表面泵的需求，除起动期间之外。有利地，这消除了对操作泵的功率需求并增大净电功率输出。

与井回路路线协同工作的是定制化流体和混合物的使用，其对井筒布置、深度、长度以及环境温度定制。现有技术仅讨论使用二氧化碳或纯烃类流体。用诸如本文所讨论的闭合回路的系统，流体混合物的初始成本和复杂度仅是总体紧急性增大次要因素。因此可以使用其他流体，诸如具有选自以下组中的至少一种性质的流体，该组包括：

用于从地热井回收热能量的工作流体，地热井具有入口井、出口井以及其间的互连井段，所述工作流体具有选自下组中的至少一种性质，该组包括：

a)在大于10MPa的压力和小于180℃的温度，在互连部内实质上非线性的温度焓关系，以最大流体与围绕的井下热源之间的化温差和热传递；

b)能够经历压敏可逆反应，压敏可逆反应在升高的压力吸热，并且在低于升高的压力的压力放热；

c)流体混合物，含有化学吸收反应，其在互连/横向段内吸热；

d)水性电解质溶液，具有温度和压力相关的溶解度，导致在互连/横向段内吸热效应；

e)水基流体，含有湍流阻力摩擦降低成分，其在暴露于高剪切力时不降解；

f)超临界流体；

g)氨-乙烷混合物；

h)a)至g)的功能组合。

已经发现，在井回路的互连段部分内展现实质上非线性的温度-焓关系的流体和/或展现压敏可逆反应(其在升高的压力下吸热并且在压力低于升高的压力放热)可以可观地增大发电。此进展是因为远场岩石温度与循环流体温度平均温差增大，驱动从地理地层的增大的热传递。

用于隔离配置中的此类型的流体的示例是具有温度相关的溶解度的水性沉淀/电解质溶液，其中水在入口井顶部是过饱和的。固体颗粒以抗结垢剂(抗絮凝剂)并以湍流(相似于钻孔泥浆)保持悬浮。在横向段中，温度升高，因此悬浮中保持的固体的溶解度也提高。这允许溶液随着固体颗粒溶解到水中吸热地从岩石吸收热量(基本上提高流体的有效热容量)。在去往隔离的热-功率循环的换热器中，温度下降，因此固体物质放热沉淀。

有用的流体包含水性溶液和作为示例的以下溶质：

乙酸铵、磷酸二氢铵、甲酸铵、硝酸铵、溴化钾、氯化钾、甲酸钾、碳酸氢钾、硝酸钾、乙酸钠、碳酸钠以及磷酸一钠。

使用单个涡轮并且在环境条件的整个范围上具有足够的效率是有问题的。已经发现，串联或并联的针对不同环境条件优化的两个或更多个涡轮的使用解决了该问题。在较冷温度期间，控制逻辑(未示出)自动地将工作流体切换到合适的涡轮，以整年维持高效率。

现参考图25和图25A，所示的是井的菊花式链接的示意性图示，全局地由附图标记82指代。在此实施例中，每个表面位置(总体上由附图标记84指代)包含连接到横向井管路或互连部88和生产井90的注入井86。以此方式，连续井结构呈总体上U形结构。横向井段可以包括井系统36，如图3中讨论的或之前讨论的任意其他配置。

如图示的，每个位置84是离散的并且以简练和有利的方式联接到附近位置。作为示例，位置之间的距离可以是3,500米至6000米。当然，这将依情况变化。

在操作中，工作流体在一个位置84的注入井86中循环，可选地通过例如发电设备(未示出)处理，以回收热量能量并且随后作为输出蒸汽通过，以作为附近位置84的注入井86的入口给送蒸汽。链线92图示了此中继或菊花式链接序列。因为不是全部热量被回收，附近位置的井86的入口给送蒸汽被预加热，以注入到互连段管路88中。然后重置过程，以用于下一位置84中的重复。

现转向图26，示出的是本发明的其他实施例，例如8,000kW至12,000kW系统。在此示例中，单独回路可以在集中位置94连接，以便集中发电设备(未示出)来提高功率和效率。

图27和图28图示了较小规模的操作，4,000kW-6,000kW(图27)和2,000kW-3,000kW(图28)。

采用菊花式链接实现方式的一个显著特征是不需要近地表返回管路。当需要时，如在常规井回路布置中，资本成本超出总项目资本的10％，可能需要协商通行权(rightsof way)，并且～3℃热损失和压力损失结果导致较低效率。

相比之下，由于井回路从前联接到后，菊花式链接消除对近地表返回管路的需求。另外，配对的回路充当彼此的返回管路，其中该对使用废热作为输入，以产生上述预热的蒸汽。

其他优点包含提高发电而没有表面破坏(占地面积)，因为全部都是在地下，并且缩短位置84之间的距离。如果由于预加热的给送蒸汽设计的提高的温度可以使用较短的管路88，则这相当地降低成本。

示例中的井通过以所描述的的方法钻孔同时采用密封而形成。应认识到，井配置的任意组合可以整合为菊花型布置。另外，破坏性技术的任意组合可以用来形成菊花示例中的井筒以及全部附图中所示的任意其他配置。在一些附图中，连同图号的包含参考“n”的指代。示例是图6，其具有指代为6n的区域。这是表示任意数目(从而n)的附加井可以垂直地叠置或设置为并联关系或都与所示的一个叠置。井类型可以与附加井不同或相同。

如示例所列举的，本文中提出的技术是基于将地热地层形成为最大传导性的能量高效井筒的能力，而与渗透性无关。当与高度有效工作流体结合时，此能力导致卓越的方法。

井内的流体循环可以以促进效率的任意模式和方向发生。这将部分地由地层的性质决定，并且将被本领域技术人员确定和理解。

Claims (48)

1.一种适于地热热回收的向地层中钻取井筒的方法，包括：

在钻取所述井筒时，使用热机制、机械机制、化学机制和生物机制中的至少一者对所述井筒诱发不可逆的地层损伤；以及

在所述井筒与所述地层之间形成界面，所述界面对流体实质上不可渗透。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述井筒是闭合回路，具有所述界面的连续环路至少在所述回路的入口井与出口井之间延伸。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述机制是化学机制。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述化学机制包括利用碱硅酸盐基的钻井液。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述碱硅酸盐基的钻井液包含钾、钠和铝硅酸钠中的至少一者。

6.如权利要求4所述的方法，其中所述钻井液含量在水中以质量计为0.3％与9％之间。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述钻井液含量在水中以质量计为3％与6％之间。

8.如权利要求6所述的方法，其中所述钻井液的pH不小于10.5。

9.如权利要求1所述的方法，还包含在进一步化学单元操作中增强所形成的界面的密封能力和机械完整性的步骤。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述进一步化学单元操作包括用氯化钙盐水、酸、CO₂、表面活性剂和酯中的至少一者处理所述界面。

11.如权利要求9所述的方法，其中所述化学单元操作包括用能够化学地结合到所述所形成的界面的化合物处理所述所形成的界面。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述化合物包括剥离型粉灰。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述化合物包括表面活化的石墨烯、氧化石墨烯、碳纤维及其混合物中的至少一者。

14.如权利要求1所述的方法，还包括在所述井筒内循环工作流体，所述工作流体含有用于在使用中维持不可渗透性的界面维持添加剂。

15.如权利要求14所述的方法，还包括在需要时将所述井筒内的工作流体压力维持在足以维持所述井筒的结构完整性的压力。

16.如权利要求14所述的方法，其中所述工作流体具有选自以下组的至少一种性质，所述组包括：

a)在大于10MPa的压力和小于180℃的温度，在所述入口井与所述出口井之间的互连井筒段内实质上非线性的温度焓关系，以最大化所述流体与周围地层之间的温差和热传递；

b)能够经历压敏可逆反应，所述压敏可逆反应在升高的压力下是吸热的，并且在低于所述升高的压力的压力下是放热的；

c)流体混合物，含有化学吸收反应，所述化学吸收反应在所述互连井段内是吸热的；

d)水性电解质溶液，具有温度相关的溶解度，导致所述连接段内的吸热反应；

e)水基流体，含有湍流减阻成分，其在暴露于高剪切力时不降解；

f)超临界流体；

g)氨-乙烷混合物

h)a)至g)的功能组合。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述超临界流体是CO₂。

18.如权利要求9所述的方法，还包括在所述井筒内循环工作流体，所述工作流体含有用于在使用中维持不可渗透性的界面维持添加剂。

19.如权利要求14所述的方法，其中所述界面维持添加剂诱发所述界面的任意渗透性受损区域的自我修复。

20.如权利要求18所述的方法，其中所述界面维持添加剂诱发所述界面的任意渗透性受损区域的自我修复。

21.如权利要求14所述的方法，其中所述界面维持添加剂使从所述钻孔过程剩余的未反应的碱硅酸盐沉淀。

22.一种适用于地热热回收的、用于在地层中形成具有入口井和出口井的井的方法，包括：

在钻取所述井筒时，使用化学机制对井筒诱发不可逆的地层损伤，所述井筒在所述入口井与所述出口井之间延伸，以在所述井筒与所述地层之间形成对流体实质上不可渗透的界面；

在所述井筒内循环化学成分，所述化学成分能够与所述界面诱发沉淀形成，以增强所述界面的密封能力和机械完整性；以及

在密封的井筒内循环工作流体，所述工作流体含有界面维持添加剂，所述界面维持添加剂用于在所述井内循环所述工作流性体期间维持不可渗透性。

23.如权利要求22所述的方法，其中所述井是闭合回路，具有所述界面的连续线路至少在所述回路的入口井与出口井之间延伸。

24.如权利要求23所述的方法，其中所述工作流体具有选自以下组的至少一种性质，所述组包括：

a)在大于10MPa的压力和小于180℃的温度，在所述入口井与所述出口井之间的互连井筒段内的实质上非线性温度焓关系，以最大化所述流体与所述周围地层之间的温差和热传递；

b)能够经历压敏可逆反应，所述压敏可逆反应在升高的压力下是吸热的，并且在低于所述升高的压力的压力下是放热的；

c)流体混合物，含有化学吸收反应，所述化学吸收反应在所述互连井段内是吸热的；

d)水性电解质溶液，具有温度相关的溶解度，导致所述互连井段内的吸热反应；

e)水基流体，含有湍流减阻成分，所述湍流减阻成分在暴露于高剪切力时不降解；

f)超临界流体；

g)氨-乙烷混合物

h)a)至g)的功能组合。

25.如权利要求24所述的方法，其中所述超临界流体是CO₂。

26.如权利要求1所述的方法，其中所述井筒包括以下中的至少一者：闭合回路U形井，具有间隔开的入口井和出口井、和互连所述入口井和所述出口井的横向井；L形井，具有封闭末端；管中管井；布置；分组的闭合回路U形井，与所述组中的与另一组构件的输入井连接的输出井构件为间隔关系；闭合回路U形井，具有共同连接到相应的入口井和出口井的多个横向井；多个闭合回路U形井，具有共同连接到相应的入口井和出口井的多个横向井，布置为所述多个横向井至少部分地交错以用于热接触；及其组合。

27.如权利要求26所述的方法，还包含以下步骤：在所述闭合回路中整合用于储存、使用和/或转化来自所述工作流体循环的热能量的装置。

28.如权利要求23所述的方法，其中所述井筒包括以下中的至少一者：闭合回路U形井，具有间隔开的入口井和出口井、和互连所述入口井和所述出口井的横向井；L形井，具有封闭末端；管中管井；布置；分组的闭合回路U形井，与所述组中的与另一组构件的输入井连接的输出井构件为间隔关系；闭合回路U形井，具有共同连接到相应的入口井和出口井的多个横向井；多个闭合回路U形井，具有共同连接到相应的入口井和出口井的多个横向井，布置为所述多个横向井至少部分地交错以用于热接触；及其组合。

29.如权利要求28所述的方法，还包含以下步骤：在所述闭合回路中整合用于储存、使用和/或转化来自所述工作流体循环的热能量的装置。

30.一种用于修复井的方法，所述井包含由压裂技术创建的压裂段、地球地层内的疏松岩石和砂中的至少一者，所述方法包括：

用第一化学成分处理压裂段、疏松岩石和砂中的所述至少一者的孔隙空间和所述井，所述第一化学成分能够在所述段处形成沉淀的抗渗界面；以及

用第二化学成分处理所述界面，以沉淀任何未反应的第一化学成分，从而进一步密封所述界面。

31.如权利要求30所述的方法，其中所述第一化学成分是碱硅酸盐流体。

32.如权利要求31所述的方法，其中所述碱硅酸盐流体包含钾、钠和铝硅酸钠中的至少一者。

33.如权利要求30所述的方法，其中所述第二化学成分包含氯化钙盐水、酸、CO₂、表面活性剂和酯中的至少一者。

34.一种将基于压裂的地热井转化为闭合回路地热井的方法，所述基于压裂的地热井具有裂缝、疏松岩石和砂、处于流体连通的入口井和出口井中的至少一者，包括：

引入第一化学成分，所述第一化学成分能够在所述入口井和所述出口井之间和在裂缝、疏松岩石和砂中的所述至少一者中形成沉淀抗渗界面，由此以所述裂缝、疏松岩石和砂、入口井、所述出口井以及其间的区域中的至少一者形成封闭密封回路；以及

用第二化学成分处理所述界面，以沉淀任何未反应的第一化学成分，从而进一步密封所述界面。

35.如权利要求34所述的方法，还包含以下步骤：在所述闭合回路内循环工作流体，所述工作流体能够与所述界面反应，以在所述界面处诱发沉淀反应。

36.如权利要求34所述的方法，还包含以下步骤：在所述闭合回路内连续地循环所述工作流体。

37.如权利要求36所述的方法，还包含以下步骤：在所述闭合回路中整合用于储存、使用和/或转化来自所述工作流体循环的热能量的装置。

38.如权利要求34所述的方法，可选地包含从所述入口井钻孔到所述出口井，以形成从所述入口井到所述出口井连续的井筒回路。

39.一种形成具有入口井和出口井的地热井的方法，包括：

提供钻井液，所述钻井液能够在所述入口井和所述出口井之间密封裸眼井筒；以及

在钻取所述裸眼井筒时密封，以在所述井筒的内部与周围地层之间形成抗渗界面。

40.如权利要求39所述的方法，还包含在所述界面处诱发第二密封操作。

41.如权利要求39所述的方法，还包含在所述界面处诱发第三密封操作。

42.如权利要求41所述的方法，其中所述第三密封操作在流体在所述井内循环期间动态地发生。

43.一种在地热地层内形成用于能量回收的井的方法，包括：

钻取裸眼井筒到地热地层中；

将反应性化学成分引入所述井筒中，以在所述井筒与所述地层之间反应而形成流体抗渗界面，所述界面包含未反应的反应性化学成分；以及

将工作流体引入到所述井筒中，所述工作流体能够与所述未反应的反应性化学成分反应，以进一步形成所述界面。

44.如权利要求43所述的方法，其中所述未反应的反应性化学成分在所述界面与所述地层的中间。

45.如权利要求43所述的方法，其中所述井是闭合回路，具有所述界面的连续线路至少在所述回路的入口井与出口井之间延伸。

46.如权利要求45所述的方法，其中所述工作流体在所述闭合回路内循环，以从所述地层内捕获热能量并通过与所述界面的未反应的反应性化学成分发生反应而维持密封完整性。

47.如权利要求46所述的方法，其中所述工作流体以可变方式在所述回路内循环。

48.如权利要求47所述的方法，其中所述可变方式包含静置的周期。

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