CN111577229A - 一种高压水射流径向喷射复合压裂开发干热岩的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压水射流径向喷射复合压裂开发干热岩的方法。该方法通过高压水射流径向喷射在干热岩热储层中的特定方位形成长度30～100m，缝径30～50mm的多条径向裂缝，在径向裂缝的基础上通过常规水力压裂对裂缝长度和宽度进一步扩展，使得复合人工裂缝的缝长、沟通范围大大提高，人工裂缝与干热岩中的自然裂缝充分沟通后在两口直井间形成一个具有复杂裂缝系统的高渗区，提高注采井的连通几率；复杂裂缝区的形成也为干热岩与循环工质提供了充分的换热空间和通道，能够提高换热效率、循环工质的采出温度和循环流量，该方法为增强型地热资源提供了一套高效、可行的开发技术。

Description

一种高压水射流径向喷射复合压裂开发干热岩的方法

技术领域

本发明属于增强型地热高效开发技术领域，具体涉及一种高压水射流径向喷射复合压裂开发干热岩的方法。

背景技术

能源和环境问题是21世纪人类面临的两大棘手难题，发展高效、清洁、低碳的可再生能源是解决两大难题的唯一途径。我国提出在2020年和2030年非化石能源分别占一次能源消费比重15％和20％的目标，加快新能源产业发展已成为全社会共识。地热能作为可再生能源中的重要组成部分，具有资源量大、分布广泛、稳定性强、清洁无排放的优点，特别是增强型地热(Enhanced Geothermal Systems，EGS)资源，其资源量远大于水热型地热资源，地热能源可实现多级利用，即在蒸汽发电、供暖、农业、旅游业等多个行业中分级利用，是新型无碳社会中的重要能源供给形式。目前，增强型地热资源在世界范围内尚未得到广泛的商业开发，主要原因是两口直井在水力压裂后的裂缝系统沟通率低，循环工质与干热岩的换热效率低导致采出循环工质的温度低，开发一段时间后循环工质温度难以满足发电需要，以上问题制约了增强型地热开发的商业化进程。

国外已有40多年增强型地热开发经验，从实践经验看出干热岩中自然裂缝是高效换热的物质基础，目前使用的常规水力压裂工艺通常仅能形成一对产状单一、长度有限的平行人工裂缝，对自然裂缝的沟通范围和程度有限，单纯依靠水力压裂难以形成复杂的换热缝网，对干热岩渗透率改善范围十分有限。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种高压水射流径向喷射复合压裂开发干热岩的方法。该方法将高压水射流径向喷射与常规水力压裂复合作业；高压水射流可将井筒附近的干热岩进行定向径向喷射形成长度为30～100m、缝径为30～50mm的径向缝，高压水射流径向喷射降低了井筒周围干热岩的力学强度和水力压裂施工难度，在径向水力缝的基础上通过常规压裂施工扩大裂缝延展范围，在直井周围形成以径向缝为基础的复杂人工裂缝，极大的改善井筒周围的渗透率，提高了注采井的连通几率和循环工质换热效率，在保证循环工质产出温度的前提下增加工质流量，提高地面发电效率。

本发明实现了高压水射流径向喷射与常规水力压裂的复合作业，充分发挥了二者的技术优势，在水射流径向喷射形成定向径向缝的基础上，借助常规水力压裂将裂缝继续延展，复合人工裂缝与自然裂缝充分沟通后形成复杂缝网，为循环工质提供换热通道，为增强型地热的高效开发提供了全新思路。

为实现以上目的，本发明采取以下技术方案：

一种高压水射流径向喷射复合压裂开发干热岩的方法，包括以下步骤：

S1、确定干热岩中自然裂缝发育情况，根据自然裂缝主要发育方向确定注采井井口位置，完成注采井钻完井设计、高压水射流径向喷射复合压裂方案设计；

S2、完成注采井的钻井、下套管和固井等作业；

S3、通过高压水射流径向喷射与水力压裂形成复合人工裂缝，人工裂缝与干热岩中自然裂缝充分沟通后形成井间裂缝沟通区；

S4、安装注入井、采出井井口设备及发电设备，通过循环工质开发增强型地热资源。

具体的，S1中基于地质资料、地应力资料、测井资料和邻井的地热开发资料，选择自然裂缝发育且地层相对稳定的干热岩作为开发“甜点区”；在该区域内根据自然裂缝主要发育方向确定注采井井口位置。

所述地层相对稳定的干热岩是指干热岩的地质条件相对稳定，没有大断层、破碎带、地层中不含有毒气体等。为了最大程度连通注采井，本领域技术人员可根据干热岩自然裂缝的发育情况合理设计注采井的井口位置。

优选的，尽量将注采井井口连线方位与最大水平主应力方位保持一致，目的是使复合人工裂缝主要沿着两口井的连线方位延展，这样更有利于沟通井间自然裂缝。

优选地，注采井井口间距为200～500m。

具体的，S2中，根据世界范围内的干热岩深度(2000～6000m)和地层发育情况合理设计直井井身结构，通常三开套管完井的井身结构能够满足后期地热开发的需要；因此，优选地，所述注采井均采用三开套管完井的井身结构。

优选地，S2的步骤包括：注采井一开钻进完成后下入表层套管封隔地表疏松地层和浅水层，并采用G级水泥固井，水泥返至地面；二开钻井至干热岩层位上部地层完钻，完钻后下入技术套管封隔中间复杂地层，并采用G级水泥固井，水泥返至地面；三开钻至干热岩中下部完钻，完钻后下生产套管封固干热岩地层，并采用G级水泥固井，水泥返至地面。

优选的，一开钻进时的钻头尺寸大于400mm，二开钻进时的钻头尺寸大于300mm，三开钻进时的钻头尺寸大于200mm；生产套管的导热系数大于100w/(m·k)，二开完钻层位在干热岩顶层以上50～70m；采用的G级水泥的导热系数大于20w/(m·k)。

选择三开的目的是表层分隔水层，防止污染；技术套管能够封隔复杂地层，如井塌、井漏、高压地层等；生产套管与干热岩层接触，采用的高热导率材料，能够减少热量损失，而且保证了高压水射流径向喷射复合压裂工艺的实施。

具体的，S3的步骤包括：确定注采井的高压水射流径向喷射的深度和方位，在相应位置对套管进行定向开窗，开窗完毕后在开窗位置完成高压水射流径向喷射造缝；

之后通过常规水力压裂在已形成径向缝的基础上进一步扩展成为复合人工裂缝，复合人工裂缝与干热岩中的自然裂缝充分沟通，形成井间裂缝沟通区。

优选地，高压水射流径向喷射造缝的步骤包括：注采井洗井、通井后，通过短套管和磁定位等方法确定高压水射流径向喷射的深度和方位，然后通过油管下入定位导向工具完成深度与方位的定向，在导向器中通过连续管下入马达和套管磨铣钻头，对套管进行定向开窗；开窗完毕后下入高压水射流喷嘴和高压软管在开窗位置完成高压水射流径向喷射造缝，造缝完毕后重复上述作业对其他深度、方位处的干热岩地层进行开窗、喷射造缝作业。

其中，干热岩的高压水射流径向喷射是该开发技术的关键。高压水射流径向喷射在特定方位和深度处形成径向裂缝，降低了井筒周围的岩石强度和水力压裂施工难度，在此基础上需通过常规水力压裂对裂缝的长度、宽度和复杂性进一步的改造。水力压裂的作业顺序是从井筒的上部到下部依次施工，即通过成熟的套管内封隔工艺通过油管在径向裂缝处泵入含有石英砂作为支撑剂的高压压裂液，在常规压裂之前可根据干热岩的岩性分析结果还可考虑化学刺激(酸压)等。常规压裂在已形成径向缝的基础上进一步扩展成为复合人工裂缝，复合人工裂缝与干热岩中的自然裂缝充分沟通，形成复杂裂缝区，即井间裂缝沟通区，为循环工质提供换热通道。

其中，成熟的套内封隔工艺是指填砂封隔工艺、机械桥塞式或管内封隔器封隔工艺；压裂时的压裂液为清水，并添加适量石英砂作为支撑剂。

优选的，高压水射流径向喷射造缝的径向裂缝的长度范围为30～100m，径向裂缝的缝宽为30～50mm，相邻径向裂缝的夹角为45～180°，即直井周围通过高压水射流径向喷射产生2～8个径向缝；高压水射流径向喷射造缝的顺序的是从干热岩的深部地层向浅部地层逐层完成，具体的层数应根据实际的干热岩埋深、地质情况以及干热岩厚度来定；油管尺寸为Φ73mm，喷射钻进时的速度控制在0.077～0.15m/s。

具体的，S4的步骤包括：注采井压裂施工结束后在各自井口安置注入设备、采出设备及循环工质的流动管线；从注入井泵入的低温工质经过注入设备进入井筒，通过井间裂缝沟通区时低温工质与干热岩间进行充分换热变为高温工质；高温工质沿采出井筒、采出设备进入发电厂进行发电，发电后的冷却工质重新进入循环管道进行新一轮的换热。

优选的，所述循环工质为清水或者二氧化碳。

本发明的一个优选方案中，高压水射流径向喷射复合压裂开发干热岩型方法包括以下步骤：

(1)基于地质资料、地应力资料、测井资料和邻井的地热开发资料，优选自然裂缝发育且地层相对稳定的干热岩作为开发“甜点区”；完成注采井钻完井设计、高压水射流径向喷射复合压裂方案设计。

(2)合理设计注采井井口位置，注采井井口间距为200～500m；根据世界范围内的干热岩深度(2000～6000m)和地层发育情况合理设计直井井身结构，通常三开套管完井的井身结构能够满足后期地热开发的需要。

(3)注入井一开钻进完成后下入表层套管封隔地表疏松地层和浅水层，并采用G级水泥固井，水泥返至地面；二开钻井至干热岩层位上部地层完钻，完钻后下入技术套管封隔中间复杂地层，并采用G级水泥固井，水泥返至地面；三开钻至干热岩中下部完钻，完钻后下生产套管封固干热岩地层，并采用G级水泥固井，水泥返至地面。

(4)干热岩的高压水射流径向喷射是该开发技术的关键。注采井洗井、通井后，通过短套管和磁定位等方法确定径向喷射的深度和方位，然后通过油管下入定位导向工具完成深度与方位的定向，在导向器中通过连续管下入马达和套管磨铣钻头，对套管进行定向开窗；开窗完毕后下入高压水射流喷嘴和高压软管在开窗位置完成高压水射流喷射造缝，造缝完毕后重复上述作业对其他深度、方位处的干热岩地层进行开窗、喷射造缝作业。

(5)高压水射流径向喷射在特定方位和深度处形成径向裂缝，降低了井筒周围的岩石强度和水力压裂施工难度，在此基础上需通过常规水力压裂对裂缝的长度、宽度和复杂性进一步的改造。水力压裂的作业顺序是从井筒的上部到下部依次施工，即通过成熟的套管内封隔工艺通过油管在径向裂缝处泵入含有石英砂作为支撑剂的高压压裂液，在常规压裂之前可根据干热岩的岩性分析结果考虑化学刺激(酸压)。常规压裂在已形成径向缝的基础上进一步扩展成为复合人工裂缝，复合人工裂缝与干热岩中的自然裂缝充分沟通，形成复杂裂缝区，为循环工质提供换热通道。

(6)注采井压裂施工结束后在各自井口安置注入、采出设备及循环工质的流动管线。从注入井泵入的低温工质经过注入设备进入井筒，通过井间的裂缝沟通区时低温工质与干热岩间进行充分换热变为高温工质；高温工质沿采出井筒、采出设备进入发电厂进行发电，发电后的冷却工质重新进入循环管道进行新一轮的换热。

本发明的高压水射流径向喷射复合压裂开发干热岩型方法通过高压水射流径向喷射在干热岩热储层中的特定方位形成长度30～100m，缝径30～50mm的多条径向裂缝，在径向裂缝的基础上通过常规水力压裂对裂缝长度和宽度进一步扩展，使得复合人工裂缝的缝长、沟通范围大大提高，人工裂缝与干热岩中的自然裂缝充分沟通后在两口直井间形成一个具有复杂裂缝系统的高渗区，提高注采井的连通几率；复杂裂缝区的形成也为干热岩与循环工质提供了充分的换热空间和通道，能够提高换热效率、循环工质的采出温度和循环流量，该方法为增强型地热资源提供了一套高效、可行的开发技术。

本发明的有益效果包括：

(1)该方法将高压水射流径向喷射与水力压裂工艺创新结合，能够充分发挥两种工艺的长处，可以实现增强型地热资源的高效开发。

(2)与常规压裂形成的单一对缝不同，该方法形成的人工裂缝系统产状和方位更为复杂，复杂缝网为循环工质的换热提供了充分的循环通道，提高注采井连通几率和换热效率；在保证循环工质出口温度的前提下增加了循环工质的流量，增加了地面发电功率。

(3)通过高压水射流径向喷射能够降低井筒岩石强度，形成方位人为可控的径向裂缝，降低了后续人工压裂的井口压力和施工难度。

(4)该方法可以精确定位干热岩的纵向改造层位，可以满足巨厚干热地层的开发需要。

(5)常规水力压裂的射孔环节被连续管钻头定向开窗代替，减少射孔弹对套管的不可控破坏，增加了地热资源后续开发的安全性和稳定性。

附图说明

图1为本发明的高压水射流径向喷射复合压裂开发干热岩方法的流程图。

图2为本发明优选实施例中高压水射流径向喷射复合压裂开发干热岩的结构示意图。

图3为本发明优选实施例中高压水射流径向喷射复合压裂开发干热岩的俯视及地面设备示意图。

附图标记说明：1-注入井；2-表层套管；3-技术套管；4-生产套管；5-干热岩；6-井间裂缝沟通区；7-复合人工裂缝；8-循环工质；9-采出井；10-注入设备；11-地面循环管道；12-发电厂；13-采出设备。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的高压水射流径向喷射复合压裂开发干热岩方法包括以下步骤：

S1、确定干热岩中自然裂缝发育情况，根据自然裂缝主要发育方向确定注采井井口位置，完成注采井钻完井设计、高压水射流径向喷射复合压裂方案设计；

S2、完成注采井的钻井、下套管和固井等作业；

S3、通过高压水射流径向喷射与水力压裂形成复合人工裂缝，人工裂缝与干热岩中自然裂缝充分沟通后形成井间裂缝沟通区；

S4、安装注入井、采出井井口设备及发电设备，通过循环工质开发增强型地热资源。

具体的，本发明提供一个优选实施例，如图2和图3所示，具体的高压水射流径向喷射复合压裂开发干热岩方法包括以下步骤：

(1)基于地质资料、地应力资料、测井资料和邻井的地热开发资料，优选自然裂缝发育且地层相对稳定的干热岩5作为开发“甜点区”；完成注采井钻完井设计、高压水射流径向喷射复合压裂方案设计。

(2)合理设计注采井井口位置，该实施例中的干热岩自然裂缝主发育方向为南-北方向，为了最大程度连通两井，将注采井井口连线方位设计为东-西方向，注采井井口间距为400m；该实施例中的干热岩深度为4000m，厚度为30m，注入井1和采出井9均采用三开套管完井的井身结构。

(3)注采井均采用Φ444.5mm的钻头完成一开钻进，井深600m处完钻后下入Φ339.7mm、导热系数大于100w/(m·k)的J级表层套管2，采用导热系数应该大于20w/(m·k)的G级水泥完成固井，水泥上返至地面；采用Φ311.2mm的钻头完成二开钻进，井深3900m处完钻，完钻后下入Φ244.5mm、导热系数大于100w/(m·k)的J级技术套管3，采用导热系数应该大于20w/(m·k)的G级水泥完成固井，水泥上返至地面；采用Φ215.9mm的钻头完成三开钻进，井深为4028m处完钻，后下入Φ139.7mm、导热系数大于100w/(m·k)的J级生产套管4，采用导热系数应该大于20w/(m·k)的G级水泥完成固井，水泥上返至地面。

(4)干热岩的高压水射流径向喷射是该开发技术的关键，实施例中分别在深度4008m和4018m处进行高压水射流径向喷射造缝。注采井洗井、通井后，通过短套管和磁定位等方法确定径向喷射的深度和方位，然后通过Φ73mm油管下入定位导向工具完成深度与方位的定向，在导向器中通过连续油管下入马达和套管磨铣钻头，对套管进行定向开窗；开窗完毕后下入高压水射流喷嘴和高压软管在开窗位置完成高压水力喷射造缝，在实施例中喷射钻进时的速度控制在0.1m/s，高压水射流径向喷射造缝的长度范围为30～100m，径向裂缝的缝宽为30～50mm，高压水射流造缝个数为8条，造缝完毕后上提工具，重复上述作业流程对其它深度、方位处的干热岩地层进行开窗、高压水射流径向喷射造缝。

(5)高压水射流径向喷射在特定方位和深度形成径向缝，降低了井筒周围的岩石强度和水力压裂施工难度，在此基础上需通过常规水力压裂对裂缝的长度、宽度和复杂性进一步的改造。水力压裂的作业顺序是从井筒的上部到下部依次施工，在实施例中采用可钻桥塞管内封隔工艺进行油管压裂，选用含有石英砂作为支撑剂的压裂液，高压水射流径向喷射与水力压裂形成的复合人工裂缝7与干热岩中的自然裂缝充分沟通，形成井间裂缝沟通区6为循环工质8提供了充分换热通道。

(6)在注入井和采出井的井口安装井口安置注入设备10、采出设备13及循环工质的流动管线，包括地面循环管道11。实施例中的取热工质为清水，从注入井注入低温水经过注入设备10进入井筒，通过复合人工裂缝7进入井间裂缝沟通区6，在井间裂缝沟通区6内低温水与干热岩5间进行充分换热后成为高温水；高温水从采出井的复合人工裂缝7进入井筒内，沿井筒和井口采出设备13进入发电厂12进行发电，发电后的冷却水重新进入循环关系进行新一轮的换热。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (12)

1.一种高压水射流径向喷射复合压裂开发干热岩的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定干热岩中自然裂缝发育情况，根据自然裂缝主要发育方向确定注采井井口位置；

S2、完成注采井的钻井、下套管和固井作业；

S3、通过高压水射流径向喷射与水力压裂形成复合人工裂缝，人工裂缝与干热岩中自然裂缝充分沟通后形成井间裂缝沟通区；

S4、安装注入井、采出井井口设备及发电设备，通过循环工质开发增强型地热资源。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中基于地质资料、地应力资料、测井资料和邻井的地热开发资料，选择自然裂缝发育且地层相对稳定的干热岩作为开发区域；在该区域内根据自然裂缝主要发育方向确定注采井井口位置。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将注采井井口连线方位与最大水平主应力方位保持一致。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，注采井井口间距为200～500m。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述注采井均采用三开套管完井的井身结构。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，S2的步骤包括：注采井一开钻进完成后下入表层套管封隔地表疏松地层和浅水层，并采用G级水泥固井，水泥返至地面；二开钻井至干热岩层位上部地层完钻，完钻后下入技术套管封隔中间复杂地层，并采用G级水泥固井，水泥返至地面；三开钻至干热岩中下部完钻，完钻后下生产套管封固干热岩地层，并采用G级水泥固井，水泥返至地面。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，一开钻进时的钻头尺寸大于400mm，二开钻进时的钻头尺寸大于300mm，三开钻进时的钻头尺寸大于200mm；生产套管的导热系数大于100w/(m·k)，二开完钻层位在干热岩顶层以上50～70m；采用的G级水泥的导热系数大于20w/(m·k)。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S3的步骤包括：确定注采井的高压水射流径向喷射的深度和方位，在相应位置对套管进行定向开窗，开窗完毕后在开窗位置完成高压水射流径向喷射造缝；

之后通过常规水力压裂在已形成径向缝的基础上进一步扩展成为复合人工裂缝，复合人工裂缝与干热岩中的自然裂缝充分沟通，形成井间裂缝沟通区。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，高压水射流径向喷射造缝的步骤包括：注采井洗井、通井后，通过短套管和磁定位方法确定高压水射流径向喷射的深度和方位，然后通过油管下入定位导向工具完成深度与方位的定向，在导向器中通过连续管下入马达和套管磨铣钻头，对套管进行定向开窗；开窗完毕后下入高压水射流喷嘴和高压软管在开窗位置完成高压水射流径向喷射造缝，造缝完毕后重复上述作业对其他深度、方位处的干热岩地层进行开窗、喷射造缝作业。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，高压水射流径向喷射造缝的径向裂缝的长度范围为30～100m，径向裂缝的缝宽为30～50mm，相邻径向裂缝的夹角为45～180°，即直井周围通过高压水射流径向喷射产生2～8个径向缝；高压水射流径向喷射造缝的顺序的是从干热岩的深部地层向浅部地层逐层完成；油管尺寸为Φ73mm，喷射钻进时的速度控制在0.077～0.15m/s。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S4的步骤包括：注采井压裂施工结束后在各自井口安置注入设备、采出设备及循环工质的流动管线；从注入井泵入的低温工质经过注入设备进入井筒，通过井间裂缝沟通区时低温工质与干热岩间进行充分换热变为高温工质；高温工质沿采出井筒、采出设备进入发电厂进行发电，发电后的冷却工质重新进入循环管道进行新一轮的换热。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述循环工质为清水或者二氧化碳。

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