CN111561304B - 一种适用于干热岩短井距换热的方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于干热岩短井距换热的方法，包括以下步骤：由注入井向干热岩储层中注入压裂液，待高压压裂液将干热岩储层压出较大的主裂缝后，加入暂堵剂，暂堵剂会将主裂缝堵住，从而在其他方向上压出更多的裂缝；在压裂过后根据现场情况以及模拟分析，计算出主裂缝的长度，以及井底裂缝的宽度，再计算出换热所需要的时间，结合数据计算出所需暂堵剂的数量以及尺寸；暂堵剂材料将生产井井底的裂缝堵住后，换热介质在地底无法流动，换热介质滞留在高温岩层中加热直至达到设计温度，暂堵材料溶解后，高压流体进入发电系统，从而完成发电作业。本发明在缩短井距的同时，也提高了发电效率，降低了生产成本，避免了占地浪费。

Description

一种适用于干热岩短井距换热的方法

技术领域

本发明涉及一种短井距换热方法，特别是一种适用于干热岩发电工程的短井距换热方法，属于干热岩热能利用技术领域。

背景技术

近年来，随着工业的发展，对能源的需求也日益增加，而干热岩是绿色新能源中新兴起的能源；干热岩具有分布领域广、资源潜力大、经济价值高的优势特点，且干热岩为清洁环保型能源，可用于发电、供暖、养殖等多种行业，在一定程度上缓解我国能源危机的同时，可为干热岩开发工区所在地带来一定的经济与社会效益；目前优质干热岩资源的主流开发方式是基于EGS工程进行发电利用，EGS工程是国际上通用的干热岩开发技术也是增强型地热系统的简称；其主要原理是通过由地表通往优质热储层的注入井向下泵入高压低温流体，流体经由注入井井底穿过优质热储层中的自然裂缝与人工压裂裂缝形成的缝网，在缝网中边运移边吸热成为高温流体，再经由优质热储层通往地表的生产井向上到达地面的发电系统。降温冷凝之后的流体被循环注入地下，形成基本“封闭式”循环系统。对于EGS工程，干热岩资源能否得到有效利用的关键就是换热介质的换热效率，即由注入井注入至热储层中的流体在经由生产井返回地面前能否被加热至设计的温度值，以确保高温流体可用于高效发电。目前，为了保证换热介质的换热效率，通常做法是通过钻定向井及增加生产井与注入井井底间距来延长循环介质在井底的有效换热距离，以增加换热介质在优质热储中的换热时间。而这种做法会使得注入井与生产井在地表的井口间距较远，造成不必要的占地面积与后期的维护与建设费用，也不利于规模化开采发电，生产成本大大提高。虽然将注入井与生产井设计为定向井可很好的解决地表井口占地面积大的问题，但定向井的钻探费用往往是直井的数倍且作业难度极高。故需要一种换热方法，在缩短注入井和生产井之间距离的同时，也能够采用直井进行换热。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于干热岩短井距换热的方法，它不仅能够缩小干热岩发电所需要的占地面积，还能够采用直井进行换热，大大提高了生产的效率，降低了生产、维护的成本。

本发明所述问题是通过以下技术方案解决的：

一种适用于干热岩短井距换热的方法，包括以下步骤为：

1)由注入井向干热岩储层中注入压裂液，高压的压裂液会在干热岩储层中压出较大的主裂缝；

2)在压裂液中加入暂堵剂材料，暂堵剂材料将会将主裂缝堵住；

3)因暂堵剂材料将主裂缝堵住，压裂液改变流动方向，从而在干热岩储层的其它没有裂缝的方向上压出更多的裂缝，等到一定时间过后，暂堵剂材料溶解，主裂缝得以疏通；

4)在压裂过后，根据现场作业情况以及模拟分析的结构，计算出主裂缝的延伸长度，以及注入井远端和近端的裂缝宽度；根据地层温度情况及生产井与注入井井底水平间距大小，计算出换热介质吸热至满足发电需求温度所需要的最小换热时间；结合上述数据，计算出堵塞注入井远端裂缝所需要的暂堵剂尺寸及总量，从而对暂堵剂材料的暂堵时间进行优化设计；

暂堵剂使用量计算公式为：

其中：V为暂堵剂使用总量，单位为m³；

为平均缝宽，可根据Fracpro PT三维模拟软件在排量为Q的条件下模拟得到，单位为m；

ΔL为暂堵距离，ΔL的计算公式为

H_eq为平衡裂缝高度，且H_eq的计算公式为

H为裂缝高度，可根据Fracpro PT三维模拟软件在排量为Q的条件下模拟得到，单位为m；

Q为地面泵注排量，单位为m³/min；

u_eq为颗粒平衡流速，可结合室内试验及数值模拟得到，单位为m/s；

ρ_sc为暂堵剂混合物密度，单位为g/cm³；

Δp为暂堵附加压差；单位为Pa；

u_weq为颗粒阻力速度，可结合室内试验及数值模拟得到，单位为m/s；

通过本井及邻井地层岩心实物资料、地层物性数据，获得地层压裂的相关参数及裂缝展布规律，并结合以上公式来计算暂堵剂总用量。

5)暂堵剂材料将注入井远端裂缝堵住后，换热介质在暂堵剂材料所堵塞的端口处无法继续向前，换热介质滞留在干热岩缝隙中加热直至变成高温流体；

6)暂堵材料自身发生溶解或在注入溶解剂后裂缝通道被打开，高温的换热介质通过裂缝继续向前移动至生产井，然后再到达发电系统的内部进行发电。

上述适用于干热岩短井距换热的方法，相互配合的生产井和注入井为一个井组；所述井组的数量为多个；每组井组轮流向发电系统提供高温流体。

本发明打破了常规的长井距换热思路，通过短井距暂堵的换热方法，大大缩短了注入井和生产井之间的距离，同时也确保了在较小的井距下作业也能保证换热介质在热储层中能够被加热成满足工程发电需求的高温流体；同时，由于缩短了井距，因此不再需要如传统井组模式那样进行大规模的压裂改造，只需要对生产井和注入井所在的范围内进行压裂改造，大大节省了工程的作业时间和经费；同时，还解决了作业成本与换热效率难以同时兼顾的难题，使得在采用成本较低的直井结构的短距井时，也能够保证换热介质在储热层加热足够的时间，大大减少了工程成本。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

在现有技术中，采用的换热原理一般是：从注入井向井中注入低温高压流体，低温高压流体沿着井筒进入到高温热储层内，然后此低温高压流体沿着高温热储层的裂缝移动，并充满裂缝，直至移动至生产井井底所在的位置；在低温高压流体从生产井移动至生产井井底这一过程中，由于移动路线上的都是高温储热层，低温高压流体在移动过程中不断被加热，被加热至高温的流体通过生产井的井筒进入发电系统，实现发电的目的；低温高压流体在高温储热层移动的过程中，低温高压流体不断吸收储热层裂缝处的热量，发生放热降温的高温储热层在受到外围高温岩体的热传导及热辐射等作用下，能够快速回温并保持温度稳定，故低温高压流体能够在储热层移动的过程中不断加热；而低温高压流体要变成高压气体，就需要加热足够长的时间，目前主流的做法是延长生产井井底和注入井井底之间的距离，从而将低温高压流体加热的时间延长；现有的井结构主流有直井和定向井，定向井优点是在保证井口距离较小的同时能够保证井底距离足够长，缺点是定向井的作业难度和成本都极高；而直井的优点是作业成本较低，但是生产井井口和注入井井口间距较大，井组井口占地面积较大，不利于区域规模化开发，更不利于后期的维护与管理；本发明为了解决上述的问题，提出了新的换热思路，能够在较小的井底间距下也能确保换热介质在热储层中被加热至满足工程发电需求的温度；本发明为实现小井距高换热效率目的的方法为屏蔽暂堵法，也就是将工程压裂中常用到的屏蔽暂堵工艺用于换热流程中；在工程压裂工序中，为了使高压流体有更多的加热面积，需要将热储层改造成具有复杂裂缝网的系统，增加裂缝数量的方法一般采用的是屏蔽暂堵工艺，也就是在储层被压出较大的主裂缝后，向压裂液中添加一定尺寸的暂堵剂材料，此暂堵剂材料颗粒尺寸要大于主裂缝的缝宽，使得较大的裂缝被堵住，此时压裂液因暂堵剂的阻挡，导致压裂液在储层其他的方向上压出更多的裂缝，从而避免了储层只有单一的主裂缝；此暂堵剂材料的强度高，因此能够承受裂缝闭合的压力以及压裂液的压力；同时，该暂堵剂材料为油田化学工业中成熟的可溶性材料，即暂堵剂在一定时长之后自动溶解或在注入的酸液等流体作用下发生溶解从而解除对先前大裂缝的封堵作用，从而使得流通通道得以疏通。

在压裂液压裂工序过后，根据现场作业情况及模拟分析结果，计算出主裂缝的延伸长度以及裂缝远端(远离于注入井1井底端)及近端(接近于注入井1井底端)的宽度(近端裂缝宽度一般大于远端裂缝宽度)；结合上述数据，计算出堵塞靠近生产井井底处的裂缝所需要的暂堵剂尺寸以及数量；同时根据底层的温度以及井底水平间距的大小，计算出换热流体介质在地底温度下加热至满足发电需求温度所需要的最小换热时间，从而对暂堵剂材料的堵塞时间进行设置，暂堵材料的堵塞时间可以由暂堵材料自身溶解的时限决定，也可由注入溶解剂的时间决定；在注入换热介质前，可先注入一定量的可保证换热介质充足换热时间的屏蔽暂堵材料用于封堵生产井井底处的裂缝，使得换热介质在流至屏蔽暂堵材料所在位置，且在当前注入压力下无法再继续向前运移，此时换热介质在地底停滞不再流动且被加热，直至加热到暂堵材料设置好的溶解时间，此时流体恰好也被加热至设计的高温值，溶解后的暂堵材料不再堵塞生产井井底的裂缝，此时高压流体从裂缝中进入生产井井筒，从而进入发电系统进行发电，实现了发电的目的；采用本发明的屏蔽暂堵换热的方法，能够减小热储层压裂改造的作业量及作业难度，而且生产井井底和注入井井底的距离较小，因此不再需要像传统井组模式那样进行大规模压裂改造，为整个工程节省了大量的时间和经费。

暂堵剂使用量的计算公式为：

其中：V为暂堵剂使用总量，单位为m³；

为平均缝宽，可根据Fracpro PT三维模拟软件在排量为Q的条件下模拟得到，单位为m；

ΔL为暂堵距离，ΔL的计算公式为

H_eq为平衡裂缝高度，且H_eq的计算公式为

H为裂缝高度，可根据Fracpro PT三维模拟软件在排量为Q的条件下模拟得到，单位为m；

Q为地面泵注排量，单位为m³/min；

u_eq为颗粒平衡流速，可结合室内试验及数值模拟得到，单位为m/s；

ρ_sc为暂堵剂混合物密度，单位为g/cm³；

Δp为暂堵附加压差；单位为Pa；

u_weq为颗粒阻力速度，可结合室内试验及数值模拟得到，单位为m/s；

通过本井及邻井地层岩心实物资料、地层物性数据，获得地层压裂的相关参数及裂缝展布规律，并结合以上公式来计算暂堵剂总用量。

为了使整个发电系统能够不间断发电，需要时刻为发电系统提供高压流体，故采用多井组共用发电系统模式；例如，当A井组的介质需要在热储层中停待吸热的时间是a小时，则在停待的a小时中B井组的换热介质在热储层中刚好换热完由生产井井底上升至地面到达发电系统，当A与B井组均处于换热过程中时，其它的井组中某一井组则已完成换热过程开始发电。既通过合理组织搭配，为一个发电系统配备多个井组，使得发电系统处于持续不断的发电过程中，避免发电过程的中断；同时，为了避免各井组的生产井间换热介质互窜，当某一井组换热完毕为发电系统供换热介质时，其它井组的生产井井口处于关闭状态。

对于一定温度状态的热储层，换热介质在热储层中换热至某一温度所需要的时间是一定的。因此从理论上来说，无论是针对传统方法中的长距离换热方法，还是本发明中提出的短距离换热方法，当热储层温度条件相同时，相同换热介质温度达到某一相同值时在两种方法中换热的时间应是相同的。其中，在传统方法中是指换热介质在热储层中运移的时间，在本发明提出的方法中是指换热介质在热储层中暂堵停待的时间；所以，当采用上述的多井组共用同一发电系统模式进行换热发电时，相当于提高了发电系统的利用率，增强了区域换热储层的利用率，也即单位时间内本发明提出的短距离屏蔽暂堵换热方法单发电系统发电量比传统的长距离换热方法更高。

Claims (2)

1.一种适用于干热岩短井距换热的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)由注入井向干热岩储层中注入压裂液，高压的压裂液会在干热岩储层中压出较大的主裂缝；

2)待压裂液压出较大的主裂缝之后，再在压裂液中加入暂堵剂材料，使其将主裂缝堵住；

3)在暂堵剂材料将主裂缝堵住后，压裂液改变流动方向，不再流入主裂缝内，从而使得压裂液在干热岩储层的其它没有裂缝的方向上压出更多的裂缝，等到一定时间过后，暂堵剂材料溶解，主裂缝得以疏通；

4)在压裂过后，根据现场作业情况以及模拟分析的结构，计算出主裂缝的延伸长度，以及注入井远端和近端的裂缝宽度；根据地层温度情况及生产井与注入井井底水平间距大小，计算出换热介质吸热至满足发电需求温度所需要的最小换热时间；结合上述数据，计算出堵塞注入井远端裂缝所需要的暂堵剂尺寸及总量，从而对暂堵剂材料的暂堵时间进行优化设计；

暂堵剂使用量计算公式为：

其中：V为暂堵剂使用总量，单位为m³；

为平均缝宽，可根据FracproPT三维模拟软件在排量为Q的条件下模拟得到，单位为m；

ΔL为暂堵距离，ΔL的计算公式为

H_eq为平衡裂缝高度，且H_eq的计算公式为

H为裂缝高度，可根据FracproPT三维模拟软件在排量为Q的条件下模拟得到，单位为m；

Q为地面泵注排量，单位为m³/min；

u_eq为颗粒平衡流速，可结合室内试验及数值模拟得到，单位为m/s；

ρ_sc为暂堵剂混合物密度，单位为g/cm³；

Δp为暂堵附加压差；单位为Pa；

u_weq为颗粒阻力速度，可结合室内试验及数值模拟得到，单位为m/s；

通过本井及邻井地层岩心实物资料、地层物性数据，获得地层压裂的相关参数及裂缝展布规律，并结合以上公式来计算暂堵剂总用量；

5)将暂堵剂与换热介质的混合液从注入井输入地下，直至暂堵剂将生产井井底处的裂缝堵住，换热介质在暂堵剂材料所堵塞的端口处无法继续向前，换热介质滞留在干热岩缝隙中加热直至达到设计温度；

6)暂堵材料自身发生溶解或在注入溶解剂后裂缝通道被打开，换热介质所变成的蒸汽通过裂缝继续向前移动至生产井，然后再到达发电系统的内部进行发电。

2.根据权利要求1所述的适用于干热岩短井距换热的方法，其特征在于：相互配合的生产井和注入井为一个井组；所述井组的数量为多个；每组井组轮流向发电系统提供高温流体。

Images