CN111236904A - 一种双水平井对接连通隔水取热的地热开采方法 - Google Patents

Abstract

一种双水平井对接连通隔水取热的地热开采方法，以一口目标水平井和一口对接水平井为一生产井组，先进行目标水平井的钻进，钻进到位后下入目标水平井生产套管，目标水平井生产套管末端预留引导段；再进行对接水平的钻进，至接近至目标水平井末端80‑120米；将中靶引导仪器经目标水平井生产套管下入引导段末端，对接水平井钻头和螺杆钻具之间连接磁信号发生接头，重新下钻至井底产生磁信号，由中靶引导仪器引导钻进，至两孔井眼完全重合；对接水平井下入生产套管，使对接水平井生产套管与目标水平井生产套管对接；套管封隔器对两生产套管对接位置密封，完成密封压力测试。本发明换热距离长，换热效果好，可实现真正意义上隔水取热循环开采。

Description

一种双水平井对接连通隔水取热的地热开采方法

技术领域

本发明涉及一种地热资源开发应用技术，特别是一种采用双水平井对接连通隔水取热的地热开采方法。

背景技术

随着节能环保要求的不断提高，对可再生地热资源的开发利用已经越来越受到重视，同时国家对地热资源的开采也进行了严格的限制，从最初的控制地下水取水量，防止地下水枯竭，地面沉降，到采灌相结合，再到现在的只取热不取水的开采思路，这就要求在取热过程中注进去的冷水在地下完成热交换后要全部回到地表，且不能与地下水产生任何交换，这样意味着必须对进入地层的所有孔段进行全套管封闭。现有技术对地热资源的开发利用主要有几种：一种是采灌结合。即在取水井附近一定距离施工回灌井，及时补充取走的地下水，该方法无法做到采出的水量与灌下去的水量完全一致，也无法做到不与附近地区的地下水发生关系；二种是两井在地下深处进行压裂，通常适用于远离城市的地热梯度异常区域的干热岩取热发电。经过压裂后在地下形成裂隙网，注入的水经过裂隙加热后从另一口井采出，该方法由于压裂成本过高，压裂方向不可控，而一直在慎重选择使用；三种是单井取热开采法，即钻一口竖井，在竖井内下入中心管，从中心管内注水，水经过地层加热后从环空返出，该方法取热效率极低；四种是一直一斜双井对接连通取热开采法，该方法先施工一口垂直井，再施工一口水平井与之对接连通，从一口井内注水，经过地层加热后从另一口井产出。该方法目前尚未做两井的全套管封闭，注进去的水无法与地层完全隔离，且水平换热长度较短，换热效果不理想。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种换热通道长、换热效果好、完全实现隔水取热的双水平井对接连通隔水取热的地热开采方法。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种双水平井对接连通隔水取热的地热开采方法，以一口目标水平井和一口对接水平井为一生产井组，目标水平井和对接水平井钻进方向相对；先进行目标水平井的钻进，钻进到位后下入目标水平井生产套管，目标水平井生产套管末端预留引导段；其后进行对接水平的钻进，至接近至目标水平井末端80-120 米；通过钻杆和泵送的办法将中靶引导仪器经目标水平井生产套管下入引导段末端，对接水平井钻头和螺杆钻具之间连接磁信号发生接头，重新下钻至井底产生磁信号，由中靶引导仪器引导钻进，至两孔井眼完全重合；对接水平井下入生产套管，生产套管的前端插入目标井生产套管内对接，用套管封隔器对两生产套管的环状间隙进行压力密封。

上述双水平井对接连通隔水取热的地热开采方法，目标水平井井底预留裸眼引导段，引导段长度为0.05～0.2(L1+L2)，L1为目标水平井的水平段长度， L2为对接水平井的的水平段长度。

上述双水平井对接连通隔水取热的地热开采方法，目标水平井钻具的最前端连接无磁钻杆，对接中靶引导仪器从井口配备的通缆水龙头内通过铠装电缆从钻杆内泵送至钻杆前端的无磁钻杆中，为磁测提供一个安全的无磁工作环境。

上述双水平井对接连通隔水取热的地热开采方法，对接水平井生产套管组合串依次为套管导向引鞋、套管封隔器、套管短节、套管变扣、对接井生产套管，其中，套管导向引鞋、套管封隔器和套管短节的规格比对接生产套管尺寸小一个规格，便于下入时能插进到目标水平井的生产套管内。

上述双水平井对接连通隔水取热的地热开采方法，所述套管封隔器为遇水膨胀自封式封隔器或普通橡胶封隔器。

上述双水平井对接连通隔水取热的地热开采方法，无磁钻杆的前端孔内径小于对接中靶仪器探管外径。

上述双水平井对接连通隔水取热的地热开采方法，目标水平井和对接水平井的生产套管均不固井，各生产套管下完后用清水循环干净套管外壁与环空泥浆，保证换热效果。

本发明提供了一种实现全孔段套管下入、具有长水平段换热的隔水取热开采方法，所述方法通过设置两口水平井，两井的全套管封闭，实现真正意义上隔水取热循环采热方法。本发明方法具有换热距离长，换热效果好，隔离安全可靠，施工工艺相对简单等特点，尤其是将其用作在含水层内时，通过流动的层水作为导热介质换热效果更好，一方面地层高温水本身携带大量热能，在将热量传递给套管内的低温水后，在地层裂隙中流动，与井周围岩体和更远处的岩体继续发生热交换，持续地将热量传递到井周围，换热面积大。本发明方法，可作为城市或城市周边的地热资源常规开采方法加以开发利用，满足当前城市急需的清洁地热资源的开发利用，符合环保节能要求，具有可观的经济效益和良好的社会效益。

附图说明

图1是双水平井对接连通隔水取热开采示意图；

图2是目标水平井完井结构示意图；

图3是目标水平井内从钻杆内下入中靶对接引导仪器示意图；

图4是中靶对接引导仪器获取磁信号的示意图；

图5是对接水平井通过定位引导钻进至目标井引导段中的示意图；

图6是目标水平井提出中靶仪器和孔内钻具的示意图；

图7是对接水平井起钻下生产套管组串的示意图

图8是套管导向引鞋、套管封隔器、套管短节套进入目标水平井生产套管内的示意图。

图中各标号为：1.目标水平井表层套管，2.对接水平井表层套管，3.目标水平井生产套管，4.对接水平井生产套管，5.套管封隔器，6.套管导向引鞋， 7.中靶对接引导仪器，8.无磁钻杆，9.钻杆，10.磁信号发生接头，11.螺杆钻具，12.随钻测斜仪，13.钻头，14.引导段，16.套管短节，17.套管变扣，18. 非磁导向接头，A.目标水平井，B.对接水平井。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明方法依下述步骤进行：

1、双水平井井位布置：参看图1，以两口水平井为一开采井组，分别为目标水平井A和对接水平井B，两井水平段长度分别为L1、L2，L1+L2的距离为 800-2000m为宜，两井之间的的井口位置在地表可因建筑或障碍物做小范围调整。

2、钻进目标水平井A：参看图2，根据换热能力和采热量要求设计目标水平井的井身结构、水平位移L1。先完成一开钻进，目标水平井表层套管1下入，目标水平井表层套管1固井；二开钻进，按设计要求打完水平段，下入目标水平井生产套管3，清水循环洗净管外环空泥浆，不固井，目标水平井生产套管3 比目标水平井孔深少下：0.05～0.2(L1+L2)，作为双井对接连通的导引孔14。

3、钻进对接水平井B：在目标水平井的水平段钻进方向相距L1+L2处施工对接水平井。对接水平井同样经过一开钻进、下对接水平井表层套管2并固井；二开钻进至水平段距离目标水平井井底80-120m时起钻。本阶段钻进轨迹控制通过随钻数据获得，将对接水井水平段井眼轨迹在起钻之前调整到正对目标水平井引导段，严格控制好与引导段的上下偏差和左右偏差，保持方向相反，理论计算的正对。

4、目标水平井下钻：参看图3，将无磁钻杆8(或非磁管件)连接在钻具组合的最前端，下钻至孔底，其中，无磁钻杆的末端设有非磁导向接头18，非磁导向接头可以有效引导钻具顺利下至井底，非磁导向接头的水眼要小于中靶对接引导仪器的7直径，以便对中靶对接引导仪器的下入深度进行限位，防止其从钻具管体内冲出进入裸眼的引导段。中靶对接引导仪器通过铠装电缆15连接并进行信号传输，经通缆水龙头14采用泵送的方式从钻具管体中输送至无磁钻杆末端(垂直孔段可以通过自重自行下入，进入大井斜和水平段后无法自行下入时改由泥浆泵循环下入)，等待接收对接水平井强磁接头发出的磁信号。

5、对接水平井钻头钻入引导段：参看图4、图5，对接水平井钻头13和造斜螺杆钻具11之间连接磁信号发生接头10，重新下钻，至井底回转产生磁信号，目标水平井中的中靶对接引导仪器捕捉有效磁信号并进行测量分析，判断钻头13与中靶对接引导仪器之间的相对位置，为定向工程师定向纠偏提供依据。若第一个测点由于测距远，磁信号很弱，或者外界干扰明显的情况下，可以继续复合钻进一段，缩短测量距离，直到能获得有效磁信号为止。本步骤实施过程中，中靶对接引导仪器开始是处于目标水平井井底，随着对接水平井的钻头越来越近，在二者之间距离缩短到10～20m时，需将中靶对接引导仪器后退；将钻具起出一部分，目标水平井需要先将中靶对接引导仪器和铠装电缆都提出孔内，否则有电缆在钻杆内钻杆无法卸出,起出钻杆40～100m(该数据依据测量偏差大小而定，通常偏远需要后撤的距离长，反之较短)，之后将中靶对接引导仪器按照第4步骤操作重新下入井内，继续引导对接水平井纠偏钻进，直至钻头13完全进入目标水平井引导段内。

6、起出目标水平井内钻具：连通成功，并确认对接水平井的钻具在引导段内活动顺畅无阻力，起出目标水平井内的中靶对接引导仪器和孔内全部钻具，如图6所示。

7、对接水平井钻头继续钻进：对接水平井钻头在引导段内滑行钻进，直至钻头接近目标水平井生产套管3的管鞋处，循环排出孔内岩粉，起出孔内钻具。

8、连接对接水平井生产套管组合串：参看图7、图8，依次连接套管导向引鞋6、套管封隔器5、套管短节16、套管变扣17、对接井生产套管4，其中最前端的套管导向引鞋6、套管封隔器5和套管短节16比对接井生产套管尺寸小一个规格，对接井生产套管与目标井生产套管为同规格。上述生产套管组合串的套管导向引鞋、套管封隔器、套管短节经引导段进入目标水平井生产套管 3内，清水置换干净套管外环空泥浆后进行套管封隔器的座封。

9、套管封隔器膨胀座封。封隔器座封后能承受的密封压力是完井质量的重要指标，通常套管封隔器有两种结构方式，一种是扩张式套管封隔器，采用水力或机械方式使胶筒膨胀进行环空密封，座封完成后进行扫塞完井，这也是目前油田系统常用的套管封隔方式，只是需要在完成座封后单独下钻将封隔器内的附件部分扫掉，保持管内通畅；如果采用遇水膨胀式封隔器，只需等待两天以上，待包裹在套管外的水敏材料遇水膨胀后即可自行完成密封，无需内管扫塞。

10、两口水平井的生产套管进行管内试压，满足密封压力要求即完成双水平井全套管换热通道的建成，这样从任一口水平井注水，经过两井的套管进行换热后，即可在另一口水平井获得高温热水，实现真正意义上的隔水取热。

以下提供一个具体的实施例：

技术要求：

(1)目标水平井水平位移L1：700m，钻进方向：0°；对接水平井水平位移L2：800m，钻进方向：180°。两水平井钻进垂深：3000m。

(2)目标水平井井身结构：一开井径Φ311.1mm下Φ244.5mm表层套管 1500m固井；二开井径Φ215.9mm，钻进深度：3578m，下Φ177.8mm生产套管 3478m，预留100裸眼引导段。

(3)对接水平井井身结构：一开井径Φ311.1mm下Φ244.5mm表层套管 1500m固井；二开井径Φ215.9mm，钻进深度：2465m，下Φ177.8mm生产套管串 3688m，其中导向引鞋+套管封隔器+短套管串规格为：Φ139.7mm，总长为12m。

(4)双井套管密封压力不少于：15Mpa。

具体施工步骤如下：

a、目标水平井钻进：目标水平井一开钻进，钻进井径：Φ311.1mm，钻深： 1503m，下Φ244.5mm目标水平井表层套管并固井，水泥浆返出地表；二开钻进，钻进井径：Φ215.9mm，垂直段钻至2714m开始定向造斜，造斜钻进狗腿度：6° /30m，于3164m开始进入水平段，钻进至3578m完井。下Φ177.8mm生产套管 3478m，井底预留100m裸眼为引导段，清水循环顶替干净套管外环空的泥浆。

b、对接水平井钻进：对接水平井一开钻进，钻进井径：Φ311.1mm，钻深： 1503m，下Φ244.5mm对接水平井表层套管并固井，水泥浆返出地表；二开钻进，钻进井径：Φ215.9mm，垂直段钻至2714m开始定向造斜，造斜钻进狗腿度：6° /30m，于3164m开始进入水平段，钻进至3478m起钻，钻头距目标水平井井底 100m。起钻之前将钻孔轨迹方位调成180°，两钻孔水平段在一个轴线上，保持相向正对。

c、目标水平井下钻，钻具组合：随钻通缆水龙头+5″钻杆+2根5″无磁加重钻杆+5″无磁导向头，钻具下至井底后，中靶对接引导仪器通过铠装电缆连接测井绞车从通缆水水龙头内下入，中靶对接引导仪器到井斜约60°以后，开启钻井泥浆泵从钻杆内注入泥浆，探管在泥浆的推动下一直下至井底无磁加重钻杆内，直到无磁导向接头遇阻才停止。在后续的对接水平井钻进过程中，除短暂的测量过程需要使目标水平井内钻具保持静止不动外,共余时间随时保持钻具活动防卡钻事故发生，保证井下安全。

d、对接水平井下钻。在钻头和螺杆钻具之间加入磁信号发生接头，继续下钻至孔底，钻进过程中，旋转的磁接头产生一个动态磁场，目标水平井中无磁钻杆内的中靶仪器接收到磁信号后对磁接头的位置进行定位分析，定向井工程师根据偏差结果进行定向纠偏，在钻进至距离中靶仪器探管10～20m左右时，对接水平井停止钻进。

e、中靶对接引导仪器后退。目标水平井将中靶对接引导仪器和铠装电缆都提出钻杆内，根据偏差量决定需要起出钻杆的长度，通常起出40～100m，之后将中靶对接引导仪器按照第c步操作重新下入井内，继续引导对接水平井纠偏钻进，直至钻头完全进入目标水平井领眼孔段内，致两孔井眼完全重合。

f、目标水平井提出中靶对接引导仪器，并起出孔内所有钻具。

g、对接水平井沿导引孔继续钻进，直至钻头到达目标水平井生产套管3管鞋附近，循环干净孔内岩粉后提钻。

h、连接对接水平井生产套管组合串(Φ139.7mm套管导向引鞋+Φ139.7mm 套管封隔器+Φ139.7mm套管短节+套管变扣+Φ177.8mm生产套管串)，套管组合串经对接水平井进入目标水平井引导段，并沿着引导段继续前行，直至Φ139.7mm高导向引鞋+Φ139.7mm套管封隔器+Φ139.7mm套管短节进入目标水平井Φ177.8mm生产套管内，清水置换干净套管外环空泥浆。

i、套管封隔器座封。根据下入的套管封隔器的类型实施座封操作，达到座封设定压力，完成两层套管之间的间隙压力密封。

j、扫塞作业。根据下入的套管封隔器的类型进行扫塞作业，扫除封隔器管内附件，保证管内畅通。如果是自封式封隔器无需扫塞，等待三天后逐渐膨胀自行完成密封即可。

k、密封压力测试。封隔器完成座封后进行两井的管内试压，试压15Mpa满足24小时稳压不降即为合格。

l、从任一口水平井注水，冷水在分别经过两口水平井的套管进行换热，即可在另一口水平井获得高温热水，实现真正意义上的隔水取热。

Claims (7)

1.一种双水平井对接连通隔水取热的地热开采方法，其特征在于，以一口目标水平井和一口对接水平井为一生产井组，目标水平井和对接水平井钻进方向相对；先进行目标水平井的钻进，钻进到位后下入目标水平井生产套管，目标水平井生产套管末端预留引导段；其后进行对接水平的钻进，至接近至目标水平井末端80-120米；通过钻杆和泵送的办法将中靶引导仪器经目标水平井生产套管下入引导段末端，对接水平井钻头和螺杆钻具之间连接磁信号发生接头，重新下钻至井底产生磁信号，由中靶引导仪器引导钻进，至两孔井眼完全重合；对接水平井下入生产套管，生产套管的前端插入目标井生产套管内对接，用套管封隔器对两生产套管的环状间隙进行压力密封。

2.根据权利要求1所述的双水平井对接连通隔水取热的地热开采方法，其特征在于：目标水平井井底预留裸眼引导段，引导段长度为0.05～0.2(L1+L2)，L1为目标水平井的水平段长度，L2为对接水平井的的水平段长度。

3.根据权利要求2所述的双水平井对接连通隔水取热的地热开采方法，其特征在于：目标水平井钻具的最前端连接无磁钻杆，对接中靶引导仪器从井口配备的通缆水龙头内通过铠装电缆从钻杆内泵送至钻杆前端的无磁钻杆中，为磁测提供一个安全的无磁工作环境。

4.根据权利要求3所述的双水平井对接连通隔水取热的地热开采方法，其特征在于：对接水平井生产套管组合串依次为套管导向引鞋、套管封隔器、套管短节、套管变扣、对接井生产套管，其中，套管导向引鞋、套管封隔器和套管短节的规格比对接生产套管尺寸小一个规格，便于下入时能插进到目标水平井的生产套管内。

5.根据权利要求4所述的双水平井对接连通隔水取热的地热开采方法，其特征在于：所述套管封隔器为遇水膨胀自封式封隔器或普通橡胶封隔器。

6.根据权利要求5所述的双水平井对接连通隔水取热的地热开采方法，其特征在于：无磁钻杆的前端孔内径小于对接中靶仪器探管外径。

7.根据权利要求1所述的双水平井对接连通隔水取热的地热开采方法，其特征在于：目标水平井和对接水平井的生产套管均不固井，各生产套管下完后用清水循环干净套管外壁与环空泥浆，保证换热效果。

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