CN111456720B - 一种地热连通井热交换隔离开采方法 - Google Patents

一种地热连通井热交换隔离开采方法 Download PDF

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Abstract

一种地热连通井热交换隔离开采方法，按照下述步骤进行：a、垂直井钻进b、建造垂直井对接腔室；c、水平井钻进；d、水平井内下入生产套管；e、泵入凝胶；f、送入坐挂工具；g、下钻对接，h、安装采热水管柱。本发明采用化学凝胶密封技术将“U”形通道与地层完全隔离开，避免地热开采过程中注入的冷水与地层直接接触而产生相互水交换污染，注入的冷水只从地底下获取热量后形成热水被抽采到地面，而不从地下抽取热水，实现连通井眼与地层完全隔离，避免地热开采过程中与地下水直接接触。本发明解决了地热开采过程中的环境污染问题，实现真正意义上的取热不取水；此外本发明方法还具有两井对接技术难度小，容易实施的特点。

Description

一种地热连通井热交换隔离开采方法
技术领域
本发明涉及一种地热资源开发技术，特别是一种地热连通井热交换隔离开采方法。
背景技术
地热能源是一种新型的环保型能源，是集“热、矿、水”三位于一体的能源，也是清洁的可再生能源。近些年，随着大气污染的加剧，对新能源尤其是清洁能源的需求和利用正在不断加大，而以地热能为代表的可再生清洁能源的开发利用是缓解大气污染的最有效手段之一。随着地热资源不断开发和利用，单井开采出现了水量不足，地热资源利用率低，地下水资源浪费和失衡等一系列问题。定向井和直井结合代替单井开采来开发地热资源可以很好地解决这些问题。定向井开采地热资源即采用定向井和直井组合，直井作为开采井，定向井作为注入井(回灌井)，直井开采的热水在有效利用后，剩下的尾水(凉水)由定向井回灌到地层，这样就形成一套循环系统，尾水回灌可以维持热储压力、热储中能量和质量守恒，有效减缓热储层水位下降速度，保持地下水平衡，亦可避免地热尾水排放对环境的污染。但是，现有技术定向井和直井结合开采过程，由于井筒和地层尚无方法实现完全封隔，注水开采地热过程中，都需要进行地下水循环或回灌，一定程度上会改变地下水水质。一些不规范开采对地下水水质和水量补给平衡影响更大，注入的地表水跟地下水将产生交换，导致地下水资源的污染以及大量尾水带来的环保隐患。特别是随着城市大量地热资源的开发，这一问题将显得尤为突出。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种地热连通井热交换隔离开采方法，所述方法利用垂直井与水平井对接连通，同时结合化学凝胶技术对井筒与地层进行封堵，实现连通井眼与地层完全隔离，避免地热开采过程中与地下水直接接触，实现真正意义上的取热不取水。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的：
一种地热连通井热交换隔离开采方法，按照下述步骤进行：
a、垂直井钻进：垂直井由地表钻达热水层顶板的上部，在垂直井中下入垂直井表层套管进行固井，继续将垂直井钻至热水层底板下部；
b、建造垂直井对接腔室：出垂直井表层套管后进行扩腔，形成对垂直井对接腔室；
c、水平井钻进：水平井施工直井段和第一造斜段，钻至热水层顶板上方，下入水平井表层套管进行固井；在钻头处加入磁信号发生装置后，下钻，进行水平井稳斜段、第二造斜段和水平段的钻进，水平段钻进到距离所述对接腔室靶点90-100m时，通过垂直井内测井电缆下入的磁定位测量探头接收水平井钻头处的磁信号发生装置发出的磁信号，精确引导水平井钻头钻入垂直井下方的垂直井对接腔室(7)的靶区内；
d、水平井内下入生产套管：将水平井生产套管下入水平井内，在水平井生产套管进入对接腔室后，回拉水平井生产套管1-2m，将水平井生产套管(9)坐挂在水平井表层套管内；
e、泵入凝胶：在垂直井底部泵入化学凝胶，并将凝胶挤入水平井生产套管与井眼环空；
f、座封水平井生产套管悬挂器：候凝期间，水平井内下入钻杆，将水平井生产套管悬挂器座封在水平井表层套管内；
g、下钻对接：化学凝胶固化达到要求后，在垂直井中下钻清扫对接腔室中的化学凝胶固化体，钻至一定深度后，进行试压测试，试压合格后，在水平井内下钻清扫水平井生产套管内浮箍、浮鞋以及底部的凝胶固化体，钻进至垂直井对接腔室后，进行连通性测试和试压测试，水平井和垂直井连通成功且试压合格后，起钻；
h、安装采热水管柱：在垂直井内下入采热水管柱，并用封隔器将采热水管柱座封在垂直井表层套管内。
上述地热连通井热交换隔离开采方法，水平井的井口与垂直井井口距离L为800—2000m，水平段A的长度为500-1500m。
上述地热连通井热交换隔离开采方法，b步骤中对垂直井接腔室的直径≥300mm，垂直井对接腔室的高度H为10-15m。
上述地热连通井热交换隔离开采方法，e步骤中化学凝胶挤入水平井生产套管与井眼环空，化学凝胶进入水平井的长度L2为50-80m，化学凝胶充满垂直井表层套管以下的全部井眼。
上述地热连通井热交换隔离开采方法，垂直井钻塞处理时，对接腔室底部化学凝胶固化体未钻穿厚度≥2m。
上述地热连通井热交换隔离开采方法，g步骤中检测化学凝胶固化体样品强度≥10MPa后，进行垂直井钻塞作业。
上述地热连通井热交换隔离开采方法，步骤g中，垂直井钻塞结束的压力测试和水平井与垂直二次连通后的压力测试所实施的测试压力均为10MPa。
上述地热连通井热交换隔离开采方法，其特征在于：步骤c中，第二造斜段B的井斜角为45-90°。
本发明方法采用连通对接模式，一口垂直井与一口水平井对接连通，垂直井作为热水抽采井，在垂直井周围相隔一定距离布置水平井，水平井钻入垂直井井底对接腔室内，并与对接腔室连通，形成一条完整的“U”形通道；本发明采用化学凝胶密封技术将“U”形通道与地层完全隔离开，避免地热开采过程中注入的冷水与地层直接接触而产生相互水交换污染，注入的冷水只从地底下获取热量后形成热水被抽采到地面，而不从地下抽取热水，实现连通井眼与地层完全隔离，避免地热开采过程中与地下水直接接触。本发明方法解决地热开采过程中的环境污染问题，实现真正意义上的取热不取水；此外本发明方法还具有两井对接技术难度小，容易实施的特点。
附图说明
图1为本发明方法热交换隔离开采示意图；
图2为本发明水平井与垂直井连通对接示意图；
图3为本发明水平井生产套管下入示意图；
图4为本发明化学凝胶挤注示意图
图5为本发明水平井与垂直井二次连通示意图。
图中各标号或字母为：1、地表；2、水平井；3、垂直井；4、垂直井表层套管；5、热水层顶板；6、热水层底板；7、垂直井对接腔室；8、水平井表层套管；9、水平井生产套管；10、水平井生产套管悬挂器；11、垂直井抽采热水管柱；12、直井采热管柱封隔器；13、凝胶。A、水平段；B、第二造斜段；C、稳斜段；D、第一造斜段；E、直井段；L、水平井与垂直井井口距离；L1、生产套管底端与对接腔室的距离；L2、化学凝胶进入水平井的长度；H、对接腔室的高度；
具体实施方式
参看图1，本发明所述地热连通井热交换隔离开采方法是以一口垂直井3中心作为目标靶井钻至地热水层底板6以下5-10m，并在井底进行扩腔处理，形成垂直井对接腔室7；该垂直井完井直径的大小和深度依据当前成熟的基岩扩腔技术和连通对接技术要求而定，并同时满足地热开采过程中水平井对接连通密封的基本要求。水平井2井位根据地热水层的分布特征布置于垂直井周围，精确钻进至垂直井对接腔室7内，并与之精准对接连通，并下入生产套管，水平井生产套管底部及垂直井对接腔室采用凝胶封堵，构成与垂直井间的可靠密封，将水平井与垂直井“U”形通道与地层完全隔离开，最终实现地热开采过程中的取热不取水。以下结合附图对本发明作详细说明：
一、本发明水平井与垂直井连通对接过程如下，参看图2、图3：
1、垂直井钻进：垂直井3由地表1钻达热水层顶板5以上3-5m，但不进入热水层内，在垂直井中下入垂直井表层套管4，下至热水层顶板5以上，进行固井；垂直井表层套管用于封隔热水层以上的上覆地层，垂直井表层套管的尺寸通常选用不小于9-5/8"套管；然后继续将垂直井钻至热水层底板6以下5-10m。
2、建造垂直井对接腔室：在垂直井中下入扩腔工具，出垂直井表层套管后进行扩腔，形成对垂直井接腔室7，垂直井对接腔室7的直径≥300mm，垂直井对接腔室7的高度H为10-15m。
3、水平井钻进：根据出口热水温度和目标热水层温度确定水平井与垂直井井口的距离L为800-2000m；水平井施工直井段E和第一造斜段D，钻至热水层顶板5上方，下入水平井表层套管8进行固井；在钻头处加装磁信号发生装置后，下钻，进行水平井稳斜段C、第二造斜段B和水平段A的钻进。稳斜段C作为调整井段，其钻进长度依据第一造斜段平均狗腿度、第二造斜段平均狗腿度和水平段A的穿矿轨迹来定，水平段A钻进到距离垂直井底部的对接腔室靶点90-100m时，通过垂直井内测井电缆下入的磁定位测量探头接收水平井钻头处的磁信号发生装置发出的磁信号，精确引导水平井钻头钻入垂直井井底对接腔室7的靶区内，水平段A的长度为500-1500m。
4、在水平井内下入水平井生产套管9，水平井生产套管不下至井口，而是利用水平井生产套管悬挂器10将其坐挂在水平井表层套管8内，水平井生产套管与水平井表层套管保证重叠段为50-100m，水平井生产套管9的底端进入对接腔室7后，回拉水平井生产套管，使生产套管底端与对接腔室的距离L1为1-2m，将水平井生产套管9坐挂在水平井表层套管8内。
二、本发明凝胶挤注过程如下，参看图4：
1、在垂直井内下入光钻杆至对接腔室7的底部泵入凝胶13，泵入量为对接腔室理论容积和生产套管封固段环空理论体积之和的1.4-1.6倍，并将凝胶用钻井液顶替出光钻杆，根据光钻杆内容积计算所需顶替钻井液体积，保持光钻杆内剩余化学凝胶高度不低于100m。
2、将光钻杆上提至垂直井表层套管4内，关封井器，从压井管线泵入钻井液，将化学凝胶挤注至水平井生产套管9的环空，泵入70-90m生产套管理论环空容积的钻井液，使化学凝胶进入水平井长度L2在50-80m；往水平井生产套管9环空顶替化学凝胶的时候，保证水平井表层套管的地面套管头处于开启状态，防止水平井表层套管内憋压而导致化学凝胶无法顺利充填到水平井生产套管的环空。凝胶顶替完成后，反循环开泵清洗钻杆内可能残存的凝胶，反循环时将水平井表层套管的地面套管头关闭，防止反循环时垂直井内环空压耗较大导致垂直井内的钻井液继续将化学凝胶往水平井生产套管环空挤入，从而影响垂直井对接腔室和水平井连接处的密封性能，反循环结束后，起钻候凝。
3、候凝期间，水平井内下入钻杆，将水平井生产套管悬挂器10座封在水平井表层套管8内。
三、水平井与垂直井二次连通及热交换隔离开采过程如下，参看图1、图5：
1、当地面所取化学凝胶固化体样品强度≥10MPa以后，在垂直井表层套管4内下钻进行钻塞，钻进至离对接腔室底部两米时，停止钻进，保证垂直井底有两米凝胶固化体不被钻穿，从而确保对接腔室7的密封性，关闭封井器进行试压检验垂直井的密封性。
2、试压合格后，在水平井生产套管9内下钻，用钻头钻穿生产套管9内浮箍、浮鞋以及底部凝胶固化体，钻底部化学凝胶固化体时，注意钻井参数变化，一旦出现放空，停止继续钻进和旋转钻具，上下活动钻具检验是否进入垂直井对接腔室的中心孔，上下活动显示钻塞钻具已进入垂直井对接腔室后，关闭封井器，从水平井往钻杆内泵入钻井液观察垂直井是否返出钻井液来再次确认水平井与垂直井是否二次连通。
3、确认水平井与垂直井二次连通后，保证垂直井套管头关闭，再次关闭封井器进行试压检验垂直井与水平井连接处的密封性，测试压力10MPa，试压合格后，起钻；
4、在垂直井内下入采热水管柱11，并用封隔器12将采热水管柱座封在垂直井表层套管4内，从水平井套管8内注入冷水，从垂直井采热水管柱11进行热水抽采。
以下提供一个具体的实施例：
技术要求：
(1)水平井水平位移L：873m，钻进方向：0°,水平井钻进垂深：2786m,垂直井钻进垂深：2790m。
(2)垂直井井身结构：一开井径Φ216mm，钻进深度2780，下Φ178mm表层套管2777m固井；二开井径Φ152.4mm，钻进深度：2790m，下水力扩孔钻头扩孔钻进至2790m。
(3)水平井井身结构：一开井径Φ311.1mm，钻进深度2750，下Φ244.5mm表层套管2747m固井；二开井径Φ215.9mm，钻进深度：3500m，下Φ177.8mm生产套管串805m，套管坐挂位置2694m，生产套管采用挂尾管的方式座挂在Φ244.5mm表层套管内。
(4)水平井和垂直井对接连通后的井筒密封压力不少于：10Mpa。
具体施工步骤如下：
a、垂直井钻进：垂直井一开钻进，钻进井径：Φ215.9mm，钻深：2780m，下Φ177.8mm垂直井表层套管至2777m并固井，水泥浆返出地表。
b、垂直井对接腔室建造：采用常规钻头钻进，钻进井径：Φ152.4mm，钻进深度：2790m，钻进至2790m后，起钻下水力扩孔钻头，水力扩孔钻头最大成孔直径500mm，钻头出套管鞋后进行水力扩孔钻进，扩孔井段：2777m-2790m，垂直井对接腔室高度13m，扩孔钻进至2790m，循环干净后，起钻。
c、水平井钻进：水平井一开钻进，钻进井径：Φ311.1mm，垂直段钻至2450m开始定向造斜，造斜钻进狗腿度：6°/30m，增斜钻进至井斜60°，完钻，完钻井深2750m，下Φ244.5mm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，钻头出水平井表层套管后，60°稳斜钻进至2850m开始定向造斜，造斜钻进狗腿度：6°/30m，于3000m开始进入水平段，钻进至3400m起钻，钻头距离垂直井对接腔室100m，起钻之前将钻孔轨迹方位调成0°，保持水平井轨迹正对垂直井对接腔室。
d、垂直井内下入中靶仪器至垂直井对接腔室内。
e、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，对接腔室中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，钻进至钻头距离中靶仪器探管10～20m左右时，水平井停止钻进，起出垂直井内下入的中靶仪器，起出中靶仪器之前，将钻孔轨迹方位调成0°，保持水平井轨迹正对垂直井对接腔室。
f、水平井继续钻进，直至钻头到达垂直井对接腔室内，井眼循环干净后提钻。
g、连接水平井生产套管组合串(Φ177.8mm套管浮鞋+Φ177.8mm套管1根+Φ177.8mm套管浮箍+刚性扶正器+Φ177.8mm套管串+Φ177.8mm套管悬挂器)，生产套管下入垂直井对接腔室以后，回拉水平井生产套管1.5m，坐挂水平井生产套管悬挂器。
h、垂直井内下入3-1/2"光钻杆至2790m，依次泵入前置液0.5m3、化学凝胶2.9m3(对接腔室成腔尺寸按311.2mm计算，水平井生产套管封固长度按80m计算，泵入量为对接腔室理论容积和生产套管封固段环空理论体积之和的1.5倍)，冲洗液0.5m3，用钻井液继续顶替9.91m3，起钻至2730m，保持水平井套管头开启状态，垂直井关闭封井器，从压井管线内继续泵入钻井液0.94m3(水平井生产套管封固长度L2为80m)，关闭水平井套管头，保持垂直井封井器关闭，从压井管汇泵入钻井液，反循环清洗垂直井套管内和钻杆内剩余的化学凝胶，清洗干净后，起钻，候凝。
i、水平井下入钻杆，将水平井生产套管悬挂器座封在水平井表层套管内。
j、当垂直井化学凝胶样品强度达到10MPa后，用3-1/2"钻杆下入6"钻头的钻塞钻具，下钻至2720m后，开泵开顶驱开始扫塞，扫塞钻进至2788m，循环井眼干净，关闭封井器，打压10MPa,进行承压测试，稳压30min，压降≤0.5MPa,压力测试合格后，起钻。
k、水平井中，用3-1/2"钻杆下入6"钻头钻穿生产套管浮箍、浮鞋以及底部的化学凝胶固化体，钻进至3500m时，注意钻井参数变化，出现放空现象，停止转动，上下活动钻具判断钻头是否进入垂直井对接腔室中心孔，然后关闭封井器，保持垂直井套管头开启，从钻杆内泵入钻井液，通过观察垂直井套管头是否返出钻井液判断水平井与垂直井是否连通，确认水平井与垂直井连通后，关闭垂直井套管头，水平井关闭封井器，打压10MPa,进行承压测试，稳压30min，压降≤0.5MPa,压力测试合格后，起钻。
l、在垂直井内下入采热水管柱，并用封隔器将采热水管柱座封在垂直井表层套管内，从水平井注入冷水，从垂直井进行热水抽采。

Claims (8)

1.一种地热连通井热交换隔离开采方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
a、垂直井钻进：垂直井(3)由地表(1)钻达热水层顶板(5)的上部，在垂直井中下入垂直井表层套管(4)进行固井，继续将垂直井钻至热水层底板(6)下部；
b、建造垂直井对接腔室：出垂直井表层套管(4)后进行扩腔，形成对垂直井对接腔室(7)；
c、水平井钻进：水平井(2)施工直井段(E)和第一造斜段(D)，钻至热水层顶板(5)上方，下入水平井表层套管(8)进行固井；在钻头处加入磁信号发生装置后，下钻，进行水平井稳斜段(C)、第二造斜段(B)和水平段(A)的钻进，水平段钻进到距离所述垂直井对接腔室(7)靶点90-100m时，通过垂直井内测井电缆下入的磁定位测量探头接收水平井钻头处的磁信号发生装置发出的磁信号，精确引导水平井钻头钻入垂直井下方的垂直井对接腔室(7)的靶区内；
d、水平井内下入生产套管：将水平井生产套管(9)下入水平井内，在水平井生产套管(9)进入垂直井对接腔室(7)后，回拉水平井生产套管1-2m，将水平井生产套管(9)坐挂在水平井表层套管(8)内；
e、泵入凝胶：在垂直井底部泵入化学凝胶，并将凝胶挤入水平井生产套管与井眼环空；
f、座封水平井生产套管悬挂器：候凝期间，水平井内下入钻杆，将水平井生产套管悬挂器(10)座封在水平井表层套管(8)内；
g、下钻对接：化学凝胶固化达到要求后，在垂直井中下钻清扫垂直井对接腔室(7)中的化学凝胶固化体，钻至一定深度后，进行试压测试，试压合格后，在水平井内下钻清扫水平井生产套管(9)内浮箍、浮鞋以及底部的凝胶固化体，钻进至垂直井对接腔室(7)后，进行连通性测试和试压测试，水平井和垂直井连通成功且试压测试合格后，起钻；
h、安装采热水管柱：在垂直井内下入采热水管柱(11)，并用封隔器(12)将采热水管柱座封在垂直井表层套管内。
2.根据权利要求1所述的地热连通井热交换隔离开采方法，其特征在于：水平井的井口与垂直井井口距离L为800—2000m，水平段（A）的长度为500-1500m。
3.根据权利要求2所述的地热连通井热交换隔离开采方法，其特征在于：b步骤中垂直井对接腔室(7)的直径≥300mm，垂直井对接腔室（7）的高度H为10-15m。
4.根据权利要求3所述的地热连通井热交换隔离开采方法，其特征在于：e步骤中化学凝胶挤入水平井生产套管与井眼环空，化学凝胶进入水平井的长度L2为50-80m，化学凝胶充满垂直井表层套管以下的全部井眼。
5.根据权利要求4所述的地热连通井热交换隔离开采方法，其特征在于：垂直井钻塞处理时，垂直井对接腔室(7)底部化学凝胶固化体未钻穿厚度≥2m。
6.根据权利要求5所述的地热连通井热交换隔离开采方法，其特征在于：g步骤中检测化学凝胶固化体样品强度≥10MPa后，进行垂直井钻塞作业。
7.根据权利要求6所述的地热连通井热交换隔离开采方法，其特征在于：步骤g中，垂直井钻塞结束的试压测试和水平井与垂直井二次连通后的试压测试中所实施的测试压力均为10MPa。
8.根据权利要求7所述的地热连通井热交换隔离开采方法，其特征在于：步骤c中，第二造斜段（B）的井斜角为45-90°。
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