CN111119830B - 一种防止诱发地震的干热岩热储层改造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防止诱发地震的干热岩热储层改造方法，它分两个阶段对储热地层进行改造，第一阶段主要将靶区深度为H的地层等分成上、下两个部分，实现上、下两个部分的分离；第二阶段采用水压致裂方法实现靶区储层改造，两个阶段的最大水压均小于直接压裂靶区深度为H时所用的水压，要求第一、二阶段水压均为半正弦式循环水压，第二阶段的最大水压大于第一阶段最大水压，且第二阶段裂隙通道要长于第一阶段裂隙通道。本发明对干热岩储层采用了不同水平阶段实施水压致裂的方法，可以在有效减少水压的情况下实现干热岩储层的改造，进而大大降低了高水压诱发地震灾害的可能性。
Description
技术领域
本发明属于高温地热资源开采利用领域，尤其是防止诱发地震的干热岩热储层改造方法。
背景技术
近年来，随着人们对生态环境越来越多的重视，煤炭、石油等高污染能源逐渐受到了限制。然而，另一方面，随着国家社会经济的快速发展，能源需求量也随之增加，双方存在的矛盾严重制约着经济的可持续发展。因此，急需寻找一种新的清洁能源来解决现阶段存在的矛盾。
干热岩地热系统因其具有储量大、可再生、高清洁等特点，受到了世界人们的广泛关注。干热岩是指地下高温但由于低孔隙度和低渗透率而缺少流体或少量流体的岩体。据不完全统计，中国大陆3～10km深处干热岩资源总计为2.5×1025J，相当于860×1012t标准煤、5万亿吨液化石油气，约为中国目前年度能源消耗总量的26万倍。若按2％的可开采资源量计算，相当于目前我国年能源消耗总量的5300倍。因而，开展干热岩地热方面的研究具有可观发展前景。然而，干热岩因其低渗透、高致密的特性，成为了干热岩开发利用的难题。目前，国内外针对干热岩开发利用的主要方法为水压致裂法。利用水压致裂开发利用干热岩的机理为将高压水从注入井泵入地下靶区，借助高水压将靶区岩石压裂进而形成裂隙网络通道，并以高压水为介质将热储层中的热能通过生产井提取出来。目前，该技术方法已在美国、澳大利亚等地成功实施。
然而，目前针对水压致裂这项技术也存在诱发地震问题。这一问题已在一些国家出现，比如，2017年韩国Pohang的EGS地热开发项目在高水压注水过程中诱发多个里氏2.0～3.0级的地震，注水结束后再同一地区发生了里氏5.4级地震，造成了人员受伤和财产的巨大损失。2007年瑞士Basel的EGS地热开发项目，诱发了地震活动，震级为2.9～3.4，由于项目所在地靠近居民区，该项目因担心可能引发类似或更大地震而被迫终止。通过相关领域专家分析，诱发地震的根源源自高水压的注入致使储热地层发生剪切滑动，能量瞬间大量释放，进而致使地震发生。
现已有相似储层改造领域发明专利一项名称为：水压爆破致裂建造干热岩人工热储的方法；中国专利号：ZL201610842434.5。但是该专利没有考虑到水压诱发地震灾害问题。
中国专利申请号201810734516.7公开了一种多井联合干热岩人工热储建造系统及建造方法，该发明采用多井持续长时间低泵量的剪切压裂与化学刺激，泵入压力和规模小、应力释放过程缓慢，虽然可有效降低诱发地震的风险，但是设计多井花费昂贵，且注水的漏失现象较为严重，影响热的开采效率。
为了从源头防治在开采地热过程中诱发地震灾害问题，中国专利申请号201610667760.7公开了一种水力压裂引起干热岩中发生微震的预警及预测方法，该技术是根据电磁波传播速度快于地震波，非破坏性地震波P波传播速度快于破坏性地震波S波的原理，利用P波快速估算震级，并且利用电磁波快速传输的特点，虽然能够有效对干热岩开发过程中引起的微震进行预警，但是需要采集多个参数，采用拟合估算震级,技术手段复杂，不宜大面积推广，而且如果参数选取不当，容易影响预测结果的准确性，将会带来严重的损失。
发明内容
为了能够在完成储层改造的基础上防治诱发地震，本发明提供一种防止诱发地震的干热岩热储层改造方法，可以在有效减少水压的情况下实现干热岩储层的改造。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种防止诱发地震的干热岩热储层改造方法，其特征在于，具体包括以下步骤：分两个阶段对储热地层进行改造，第一阶段主要将靶区深度为H的地层等分成上、下两个部分，实现上、下两个部分的分离；第二阶段采用水压致裂方法实现靶区储层改造。通过该设计得到的地热系统不仅可以有效的完成干热岩的储层改造，而且可以有效防止诱发地震灾害.具体步骤如下：
第一步：根据干热岩开发地区相关资料选择注入井位置及注入井钻进方式，并根据热干岩靶区所处的深度H，完成注入井的钻取；
第二步：采用中半径定向钻井技术施工注入井至地热靶区停止钻井；
第三步:安装双封隔器注水压裂设备，检测封隔器、水管是否完好，并完成设备的调试；
第四步：分两个阶段对储热地层进行改造
第一阶段：将注水压裂设备送至注入井1/2H深度处实施第一阶段水压致裂，采用由水压控制器控制的正半弦式循环水压，经过多次循环打开裂隙通道后停止水压压裂，在此过程期间，通过混沙车不断向裂隙通道内泵入石英砂支撑剂，保证裂隙通道处于张开状态；
第二阶段：将注水压裂设备送至干热岩靶区H处实施第二阶段水压致裂，采用由水压控制器控制的正半弦式循环水压，经过多次循环打开裂隙通道后停止水压压裂，在此过程期间，通过混沙车不断向裂隙通道内泵入石英砂支撑剂，保证裂隙通道处于张开状态；
要求第二阶段的最大水压大于第一阶段最大水压，第二阶段裂隙通道要长于第一阶段裂隙通道，以防止采热过程中高温水蒸气通过第一裂隙通道出现回流现象，且两个阶段的最大水压均小于直接压裂靶区深度为H时所用的水压；
第五步：首先根据压裂监测设备完成生产井方位的选择，然后根据第二阶段的压裂速度及压裂周期选择生产井的位置，施工生产井至与注入井相同深度位置，停止钻井；
第六步：在生产井、注入井与第二阶段的裂隙通道的连接处实施注浆加固技术，保证连接口处保持张开状态。
进一步的，第一阶段和第二阶段的一个循环周期均为0.5天，一个循环周期完成的压裂深度均为2m。
进一步的，第一阶段完成100个压裂循环，第二阶段完成101个压裂循环。
进一步的，本发明第一阶段选取的最大水压为
式中：
p1为第一阶段最大水压，单位MPa；
σh1为1/2H深度岩层的最小水平应力，单位MPa；
σH1为1/2H深度岩层的最大水平应力，单位MPa；
α1为1/2H深度岩层的最小水平应力与垂直应力的比值；
β1为1/2H深度岩层的最大主应力与垂直应力的比值；
ρ1为1/2H深度岩层到地表的平均覆岩密度，单位kg/m3；
σt1为1/2H深度岩层到地表之间岩石的抗拉强度，单位MPa；
pk1为1/2H深度岩层到地表之间岩石的孔隙水压，单位MPa；
这样第一阶段的正半弦式环水压pw1＝|p1 sin w1t1|；其中的t1为第一阶段水压压裂的时间变量，单位s，w1为第一阶段水压控制器的工作角速度，单位rad/s；
第二阶段选取的最大水压为
式中：
p2为第二阶段最大水压；
σh2为H深度岩层的最小水平应力；
σH2为H深度岩层的最大水平应力；
α2为H深度岩层的最小水平应力与垂直应力的比值；
β2为H深度岩层的最大主应力与垂直应力的比值；
ρ2为H深度岩层与1/2H深度岩层之间的平均覆岩密度；
σt2为1/2H深度和H深度岩层之间岩石的抗拉强度，
pk2为1/2H深度和H深度岩层之间岩石的孔隙水压
第二阶段的半弦式循环水压pw2＝|p2 sin w2t2|，其中的t2为第二阶段水压压裂时间变量，w2为第二阶段水压控制器的工作角速度，单位rad/s。
进一步的，同等地质条件下两个阶段的水压均小于采用固定水压打开深度为H的储热层裂隙通道的水压p0，即满足p1<p2<p0，p0＝p1+p2，其中：
式中：
p0为采用固定水压一次打开深度为H的储热层裂隙通道水压，单位MPa；
σh0为储热靶区深度为H岩层位的最小水平应力，单位MPa；
σH0为储热靶区深度为H岩层位的最大水平应力，单位MPa；
α0为储热靶区深度为H岩层位的最小水平应力与垂直应力的比值；
β0为储热靶区深度为H岩层位最大主应力与垂直应力的比值；
ρ0为深度为H岩层到地表之间的平均覆岩密度，单位kg/m3；
σt0为H深度岩层到地表之间岩石的抗拉强度，单位MPa；
pk0为H深度岩层到地表之间岩石的孔隙水压，单位MPa。
本发明的优点是：
(1)本发明对干热岩储层采用了不同水平阶段实施水压致裂的方法，理论上p0＝p1+p2，可以在有效减少水压的情况下实现干热岩储层的改造，进而大大降低了高水压诱发地震灾害的可能性。
(2)本发明采用了循环式水压激发干热岩储层，实现岩体的渐进式破坏，改善的裂隙的发展宽度及质量，一方面，一定程度上缓解了裂隙通道连通不佳的缺点，另一方面，避免了持续高水压诱发岩体瞬间发生剪切破坏，降低了诱发地震灾害的可能性。
(3)本发明采用正半弦式循环时水压，不但实现渐进式破坏，可以避免岩体发生剪切失稳破坏，降低了诱发地震的可能性，而且实现渐进式破坏，一定程度上缓解了裂隙通道连通不佳的缺点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a为本发明防止诱发地震的干热岩热储层第一阶段改造时的正半弦式循环水压图。
图1b本发明防止诱发地震的干热岩热储层第一阶段改造方法布置示意图。
图2a为本发明防止诱发地震的干热岩热储层第二阶段改造时的正半弦式循环水压图。
图2b本发明防止诱发地震的干热岩热储层第二阶段改造方法布置示意图。
图3a为对本发明干热岩热储层通过固定水压一次性压裂改造时的水压图。
图3b为对本发明干热岩热储层经固定水压一次性压裂改造方法布置示意图。
图中：
1-注水井；2-生产井；3-注水管；4-封隔器；5-干热岩储层靶区；6-第三裂隙通道；7-水压控制器；8-固定水压；9-第一裂隙通道1；10-第一阶段正半弦式循环水压；11-第二阶段正半弦式循环水压；12-第二裂隙通道2；13-压裂车；14-混沙车。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
结合图1a、1b、2a和2b所示，本发明一种防止诱发地震的干热岩热储层改造方法，包括分阶段采用水力压裂技术第一、二阶段正半弦式循环水压10、11的设计；具体如下：
(1)根据干热岩开发地区相关资料选择注入井位置及注入井钻进方式。
(2)采用中半径定向钻井技术施工注入井1至干热岩储层靶区5，停止钻井。
(3)组装双封隔器注水压裂设备，在地面安置压裂车13和混沙车14，检测封隔器4、注水管3是否完好，并完成设备的调试。
(4)将注水压裂设备送至第一压裂水平阶段，打开开关，调节水压控制器7，实现如图1a所示的第一阶段正半弦式循环水压10，一个水压循环周期T1为0.5天，一个循环周期的压裂深度为2m。水力压裂过程中不断向第一裂隙通道9加入石英砂支撑剂，保证裂隙处于张开状态。实施100个循环后，停止水力压裂。
(5)将注水压裂设备送至第二阶段-干热岩储层靶区5，打开开关，调节水压控制器7，实现如图2a所示的第二阶段正半弦式循环水压11，一个水压循环周期T2为0.5天，一个循环周期的压裂深度为2m。水力压裂过程中不断向第二裂隙通道12加入更多的石英砂支撑剂，保证裂隙通道处于最大张开状态，实施101个循环后，停止水力压裂。
(6)施工生产井2，根据第二阶段压裂速度及压裂周期选择生产井2的位置，施工生产井2至与注入井1相同深度位置，停止钻井。
(7)在生产井2和注入井1与第二裂隙通道12的连接处实施注浆加固技术，保证连接口处保持张开状态。
(8)最后，将冷水通过注入井1注入井下，冷水流经地热靶区，携带靶区的热能通过生产井2提取到地面，用于发电、取暖等。
实施例中第一阶段选取的最大水压为
式中：
p1为第一阶段最大水压，单位MPa；
σh1为1/2H深度岩层的最小水平应力，单位MPa；
σH1为1/2H深度岩层的最大水平应力，单位MPa；
α1为1/2H深度岩层的最小水平应力与垂直应力的比值；
β1为1/2H深度岩层的最大主应力与垂直应力的比值；
ρ1为1/2H深度岩层到地表的平均覆岩密度，单位kg/m3；
σt1为1/2H深度岩层到地表之间岩石的抗拉强度，单位MPa，
pk1为1/2H深度岩层到地表之间岩石的孔隙水压，单位MPa
这样第一阶段的正半弦式环水压pw1＝|p1 sin w1t1|；其中的t1为第一阶段水压压裂的时间变量，单位s，w1为第一阶段水压控制器的工作角速度，单位rad/s；
实施例中第二阶段选取的最大水压为
式中：
p2为第二阶段最大水压；
σh2为H深度岩层的最小水平应力；
σH2为H深度岩层的最大水平应力；
α2为H深度岩层的最小水平应力与垂直应力的比值；
β2为H深度岩层的最大主应力与垂直应力的比值；
ρ2为H深度岩层与1/2H深度岩层之间的平均覆岩密度；
σt2为1/2H深度和H深度岩层之间岩石的抗拉强度，
pk2为1/2H深度和H深度岩层之间岩石的孔隙水压
第二阶段的半弦式循环水压pw2＝|p2 sin w2t2|，其中的t2为第二阶段水压压裂时间变量，单位s，w2为第二阶段水压控制器的工作角速度，单位rad/s。
实施时，要求p1<p2<p0，p0＝p1+p2，其中：
式中：
p0为采用固定水压一次打开深度为H的储热层裂隙通道水压，单位MPa；
σh0为储热靶区深度为H岩层位的最小水平应力，单位MPa；
σH0为储热靶区深度为H岩层位的最大水平应力，单位MPa；
α0为储热靶区深度为H岩层位的最小水平应力与垂直应力的比值；
β0为储热靶区深度为H岩层位最大主应力与垂直应力的比值；
ρ0为深度为H岩层到地表之间的平均覆岩密度，单位kg/m3；
σt0为H深度岩层到地表之间岩石的抗拉强度，单位MPa；
pk0为H深度岩层到地表之间岩石的孔隙水压，单位MPa；
图3b为对本发明干热岩热储层一次改造方法布置示意图。从图中看出，它是采用如图3a所示的固定水压8＝p0一次性压裂改造形成第三裂隙通道6的，这种持续高水压压裂改造会诱发岩体瞬间发生剪切破坏，从而诱发地震灾害。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围。
Claims (5)
1.一种防止诱发地震的干热岩热储层改造方法，其特征在于，具体包括以下步骤：分两个阶段对储热地层进行改造，第一阶段主要将靶区深度为H的地层等分成上、下两个部分，实现上、下两个部分的分离；第二阶段采用水压致裂方法实现靶区储层改造，具体步骤如下：
第一步：根据干热岩开发地区相关资料选择注入井位置及注入井钻进方式，并根据热干岩靶区所处的深度H，完成注入井的钻取；
第二步：采用中半径定向钻井技术施工注入井至地热靶区停止钻井；
第三步:安装双封隔器注水压裂设备，检测封隔器、水管是否完好，并完成设备的调试；
第四步：分两个阶段对储热地层进行改造
第一阶段：将注水压裂设备送至注入井1/2H深度处实施第一阶段水压致裂，采用由水压控制器控制的正半弦式循环水压，经过多次循环打开裂隙通道后停止水压压裂，在此过程期间，通过混沙车不断向裂隙通道内泵入石英砂支撑剂，保证裂隙通道处于张开状态；
第二阶段：将注水压裂设备送至干热岩靶区H处实施第二阶段水压致裂，采用由水压控制器控制的正半弦式循环水压，经过多次循环打开裂隙通道后停止水压压裂，在此过程期间，通过混沙车不断向裂隙通道内泵入石英砂支撑剂，保证裂隙通道处于张开状态；
要求第二阶段最大水压p2大于第一阶段最大水压p1，第二阶段裂隙通道要长于第一阶段裂隙通道，以防止采热过程中高温水蒸气通过第一裂隙通道出现回流现象，两个阶段的最大水压均小于直接采用固定水压一次打开深度为H的储热层裂隙通道水压p0，且p0＝p1+p2；
第五步：首先根据压裂监测设备完成生产井方位的选择，然后根据第二阶段的压裂速度及压裂周期选择生产井的位置，施工生产井至与注入井相同深度位置，停止钻井；
第六步：在生产井、注入井与第二阶段的裂隙通道的连接处实施注浆加固技术，保证连接口处保持张开状态。
2.如权利要求1所述的防止诱发地震的干热岩热储层改造方法，其特征在于，所述的第一阶段和第二阶段的一个循环周期均为0.5天，一个循环周期完成的压裂深度均为2m。
3.如权利要求2所述的防止诱发地震的干热岩热储层改造方法，其特征在于，第一阶段完成100个压裂循环，第二阶段完成101个压裂循环。
4.如权利要求1所述的防止诱发地震的干热岩热储层改造方法，其特征在于，第一阶段选取的最大水压为
式中：
p1为第一阶段最大水压，单位MPa；
σh1为1/2H深度岩层的最小水平应力，单位MPa；
σH1为1/2H深度岩层的最大水平应力，单位MPa；
α1为1/2H深度岩层的最小水平应力与垂直应力的比值；
β1为1/2H深度岩层的最大主应力与垂直应力的比值；
ρ1为1/2H深度岩层到地表的平均覆岩密度，单位kg/m3；
σt1为1/2H深度岩层到地表之间岩石的抗拉强度，单位MPa；
pk1为1/2H深度岩层到地表之间岩石的孔隙水压，单位MPa；
这样第一阶段的正半弦式循环水压pw1＝|p1sin w1t1|；其中的t1为第一阶段水压压裂的时间变量，单位s，w1为第一阶段水压控制器的工作角速度，单位rad/s；
第二阶段选取的最大水压为
式中：
p2为第二阶段最大水压；
σh2为H深度岩层的最小水平应力；
σH2为H深度岩层的最大水平应力；
α2为H深度岩层的最小水平应力与垂直应力的比值；
β2为H深度岩层的最大主应力与垂直应力的比值；
ρ2为H深度岩层与1/2H深度岩层之间的平均覆岩密度；
σt2为1/2H深度和H深度岩层之间岩石的抗拉强度，
pk2为1/2H深度和H深度岩层之间岩石的孔隙水压
第二阶段的正半弦式循环水压pw2＝|p2sin w2t2|，其中的t2为第二阶段水压压裂时间变量，w2为第二阶段水压控制器的工作角速度，单位rad/s。
5.如权利要求4所述的防止诱发地震的干热岩热储层改造方法，其特征在于，同等地质条件下两个阶段的最大水压均小于直接采用固定水压打开深度为H的储热层裂隙通道的水压p0，即满足p1＜p2＜p0，p0＝p1+p2，其中：
式中：
p0为采用固定水压一次打开深度为H的储热层裂隙通道水压，单位MPa；σh0为储热靶区深度为H岩层位的最小水平应力，单位MPa；
σH0为储热靶区深度为H岩层位的最大水平应力，单位MPa；
α0为储热靶区深度为H岩层位的最小水平应力与垂直应力的比值；
β0为储热靶区深度为H岩层位最大主应力与垂直应力的比值；
ρ0为深度为H岩层到地表之间的平均覆岩密度，单位kg/m3；
σt0为H深度岩层到地表之间岩石的抗拉强度，单位MPa；
pk0为H深度岩层到地表之间岩石的孔隙水压，单位MPa。
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