CN113530496B - 一种干热岩开发多井井组循环试验施工方法 - Google Patents
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Abstract
一种干热岩开发多井井组循环试验施工方法，该方法包括：根据现场的实际情况，以孔隙‑裂缝双介质换热模型进行模拟，选择合适的注入井和测试循环流量；采取一注多采的工作方式开始测试循环阶段，并逐渐循环至准稳态，记录关键参数；进行参数分析，转入过渡循环阶段，视情况进行注采井转换、储层二次改造、单侧井组循环，为过渡至多注一采稳定循环井组做好准备；以多注一采井组开始稳定循环阶段，通过调节注入压力维持各通路稳定流量，测试热储与环路性能，并实现试验性发电。
Description
技术领域
本发明属于能源开采技术领域，特别涉及一种干热岩开发多井井组循环试验施工方法。
背景技术
地热资源是一种新型可再生能源，主要分水热型和干热型两种。相比之下，干热岩地热资源分布更加广泛，总量更加可观，但一般具有埋藏深、开发难、收效慢等特点。突破干热岩开发技术，可以有效补充地热清洁能源在能源消费结构中的占比，对减少化石能源消费，缓解环境污染，保障能源安全都有重要的意义。
目前开采干热岩资源的主要方式是通过增强型地热系统，包括工程选址、地热钻井、热储建造、循环试验和试验发电等几个环节。循环试验是衔接热储建造和试验发电的中间环节，一般是在水力压裂施工结束后，通过安装电泵进行实施，通过试验评价，形成稳定的注采井组，将冷水从注入井输送到地热储层，在地下运移并加热后，由采出井返回地面，最终形成高效循环，随后转入发电利用阶段。
循环试验初期，现场施工对场地电力供应和设备调试的依赖性很强，满足连续注采循环具有较大的难度，由此引发的施工暂停也很常见。另外在初期循环过后，由于人工热储改造不足预期、需要试验评价的工况和参数多、阻抗等循环关键参数优化稳定慢、资金供应不充足，加之上述电力设备和其他等原因，循环试验的延续时间通常长达数年甚至数十年。
有些试验场地循环过程中，由于对地层性质认识不深入，注采压力和注采流量过大或变化过快等原因，循环流体会出现大规模的漏失，造成采收率过低而导致施工失败。
循环试验过程中也会诱发微地震，尤其在试验初期表现明显。根据国际循环试验案例，诱发地震的能级与注入井压力呈正相关关系。
循环试验中，由于循环流量过大在裂缝系统形成主通道、储层改造形成的裂缝系统单一、注采井距过短、对地层性质认识不清等原因，会造成注入的循环液体无法充分加热即被采出，出现热突破现象，导致试验无法达到预期目标。
在多井注采循环试验中，不同分支注采井组之间阻抗通常存在较大的差异，即同一注采压力流量组合的情况下，采出井的采出流量存在明显差异，造成热储改造体积无法被充分利用。此时以一注多采方式运行，会产生不同分支注采井回路流量分配不均衡，造成热储利用率低；同时单侧注采井组不平衡的循环流量分布有逐步形成热突破现象的风险。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种干热岩开发多井井组循环试验施工方法，其开发安全，能快速达到稳定状态，同时避免在循环过程中出现热储开发安全性可靠性不足的问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种干热岩开发多井井组循环试验施工方法，其包括以下步骤：
步骤一，进行多井井组注采井分配并确定测试循环流量。在案例调研的基础上，根据现场的储层条件、井组条件和设备条件等，以双介质换热模型进行模拟，在一注多采的施工方式下，选择合适的注入井和测试循环流量，同时保证流量对储层循环通道的安全性。案例调研具体指调研其他国家干热岩开发循环过程中，地质条件(温度、裂隙系统情况、地应力等)-设备性能-开发井间距-循环流速等参数的对应关系，结合其开发效果，与自身条件进行对比，为参数设定提供参考。
步骤二，以一注多采的井组开始测试循环阶段。井组和车组做好管线连接，采用双机双泵车进行连续泵注，两台以上泵车做好轮换，记录采收率、生产温度、生产流量等数据并绘制图版，待此三项数据变化逐步趋于稳定后确认循环试验达到准稳态，计算阻抗、热产出量等关键参数。
步骤三，进行参数对比分析，视情况进行注采井转换、二次改造和单侧井组循环，完成注采方式过渡。根据测试循环参数，不同分支注采井组阻抗差异较大时进行注采井转换，保证热储利用率和通道稳定性；注采井转换后，若正反注阻抗过大，则关闭采出井，通过注入井加压进行小规模二次改造；转换后两侧井组阻抗差异较大进行单侧井组改造和循环，其中，单侧循环流量应小于测试循环流量。通过以上步骤，完成注采井转换，并实现两侧井组均具备合理的阻抗。
步骤四，使用电泵代替泵车进行长期稳定多注一采井组循环试验。在两侧注入井中下入电潜泵，分别以合适的注入压力和相同的采出压力进行循环试验，期间逐步增大循环流量至目标流量。试验中记录循环参数变化，用双介质换热模型进行拟合，计算热储长期稳定运行的发电功率，评价储层性能和寿命。在循环稳定后，安装有机朗肯循环发电机组，实现试验性发电。
进一步的，所述储层温度大于180℃，所述采出井和所述注入井的井间距为400m-700m，所述井组井数量一般为3井，且不包含监测浅井和未加深生产井，此种方式可同时满足试验发电规模和节约资金投入的目的。
进一步的，所述步骤一中，选择注入井和测试循环流量的具体操作步骤为：
根据项目的总体试验性目标确定预期发电量；
结合现场数据，通过COMSOL软件建立储层孔隙-裂缝双介质换热模型，该孔隙-裂缝双介质换热模型主要的创新之处是：1、基于开发人工裂缝分布解释和地质参数，建立双介质的储层模型；2、模型是三维的，考虑三维各个方向的非均质性，且尺度为场地级别；3、有现场前期压裂实际注采数据进行校正。
在此基础上，以热储达到预期发电量的工况确定目标流量，以热储在高于预期发电量水平运行30年的工况确定最大流量，从而确定合理的流量范围；
测试循环阶段开始之前，确定注入井为井组中位置居于中间的井，确定测试循环流量为上述目标流量的一半。
进一步的，所述步骤二中，一注多采测试循环阶段的注入方式为泵车连续注入，非必要不停泵，循环流量采用步骤一所述的测试循环流量；注采井组入口出口均装备连续记录功能的流量计和温度计，连续记录注采数据；高压注入管线连接所有注采井，注采方式调整使用阀门控制，采出端使用回压阀将采出压力控制在2MPa以上；采出端做好降温措施，回注温度不高于60℃，从而保证泵车橡胶件的工作寿命；记录并绘制采出流量、采出温度、采收率三个关键参数的图版，待三个参数变化均达到稳定时判断测试循环阶段达到准稳态，可以转入下一阶段。
进一步的，所述步骤三中，对参数对比分析步骤为：
根据注入压力、各井的采出压力和采出流量计算阻抗，对比不同注采井的阻抗差异，决定是否需要以多注一采方式为稳定注采井组，从而进行注采井转换；注采井转换完成后，相比原井组的阻抗，若差异较大，则关闭采出井，通过泵车加压的方式进行反向的小规模二次改造，降低反注井组的阻抗；转入多注一采井组模式后，若不同分支井组阻抗存在较大差异，则需进行单侧井组的循环或改造；最后，根据注入压力和注入流量计算注入功率，对比电潜泵的额定功率，评价实施电泵循环的可行性，决定过渡循环阶段是否具备转入稳定循环阶段的条件。
进一步的，所述步骤四中，在循环回路的长度和基于前期微震监测评价的改造效果相似的情况下，调节不同分支循环井组的注入压力，使不同循环回路保持相似的循环流量，总循环流量由测试循环流量开始逐步提升，最终应介于步骤一所述目标流量和最大流量之间；在注入井进行回注操作时，以发电机运行需要为准控制回注温度，此处与步骤二的回注控制方法不同；在热储的性能评价方面，应将记录发电功率或将记录的循环数据换算为发电功率，绘制其与循环时间的关系，将此数据用于步骤一的双介质换热模型的拟合校正，然后使用校正过的模型计算热储长期运行的发电功率变化，评价热储寿命。
上述的方法中，经过步骤一，可以根据现场实际情况，在循环施工开始之前快速确定初始工况，同时保证此工况下循环试验的安全性和有效性。
上述的方法中，经过步骤二，可以克服循环初期工况对于循环设备和场地供电能力的依赖；另外，通过测试循环，在取得注采井组总体阻抗、采收率、出口温度、出口流量等基础数据之外，可以精细对比评价不同分支注采井之间的参数差异，节省单独对分支井组取参数的时间，对修正前期储层改造的认识和后期施工参数调整提供依据。
上述的方法中，经过步骤三，不同分支井组之间、单侧分支井组正反注阻抗差异，以及储层改造不充分对循环试验的影响会被降到最低，循环注采井组能快速稳定地过渡。
上述的方法中，经过步骤四，泵车循环阶段结束，开始使用电泵进行长期循环。循环流量逐步提升至满足目标发电量需求，并进一步实现试验性发电。
本发明的有益效果是：与现有的循环方法相比，本发明具有以下优点：(1)本发明通过综合数值模拟和案例调研综合考虑确定循环初始参数，快速准确，贴合实际；(2)本发明通过一注多采的方式开始循环，降低循环流量保证安全，除常规循环参数，单次循环可取参数包括分支注采井组之间的阻抗，获取参数更细致同时节省单独取参数时间；(3)本发明循环试验承接压裂施工，可以避免压裂液长期滤失延长循环初期参数达到稳定的时间；(4)本发明初期采用泵车循环，降低对场地供电能力和循环设备可靠性的依赖，为现场设施的建设配套争取时间，另一方面，相比使用电潜泵，泵车在循环试验初期二次改造效果不足预期的通路具备更高的效率；(5)本发明通过设置过渡循环阶段，实现从一注多采参数获取循环阶段到多注一采稳定注采井组的转变；(6)本发明通过采用多注一采稳定注采井组，可以通过控制注入井压力克服不同分支井组阻抗不均衡的问题，并以此调节各个分支注采井组通路的循环流量，避免流量分配不均导致热储利用率低甚至产生热突破；可以降低注入压力，尽量规避诱发地震风险，降低环境影响。
附图说明
图1是本发明干热岩开发多井井组循环试验施工方法的操作方法步骤示意图。
图2是本发明干热岩开发多井井组循环试验施工方法的循环初期施工现场设备布置图。
图3A、图3B、图3C、图3D分别是本发明干热岩开发多井井组循环试验施工方法在T＝2500天、5000天、7500天、10000天的换热模型模拟热储温度场变化结果。
图4是本发明干热岩开发多井井组循环试验施工方法对地热储层寿命评价结果图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
在本发明的一具体实施方式中，以井底温度200℃为例，热储开发层段厚500m，人工裂缝纵向分布不均匀，以直线排列的三井井组进行循环试验，相邻井距400m。目标发电量1.5MW。
如图1所示，本发明的干热岩热能开发降温压裂方法包含以下步骤：
步骤1：在本发明的一个实施例中，通过前期压裂的数据和认识建立孔隙-裂缝双重介质换热模型，通过计算得出不同注采速率下的热储发电功率的变化，以发电功率达到1.5MW以上，并在此水平上稳定产热30年为目标确定流量，计算结果如图3A、图3B、图3C、图3D所示。由此确定总体注采流量为30-35L/s的情况下，可以达到预期发电效果。由此确定初期参数获取阶段注入井的流量为15L/s。同时选择2井为注入井。
步骤2：如图2所示，使用双机双泵压裂车两台，做好压裂车组和开发井组的连接，使用电磁阀门进行控制切换施工井操作，在施工注入压力26MPa的情况下，以15L/s的排量从2井开始循环试验，1井(井组1)和3井(井组2)采出，采出压力均维持在2MPa。循环直至参数较为稳定，中间记录采收率，出口温度，出口流量。其中，泵车1连接蓄水池2，蓄水池连接供水井3和冷却装置4，泵车1通过阀门5连接1井、2井和3井，1井、2井和3井均连接至冷却装置4。在循环采收率100％的情况下，稳定出口流量分别为3L/s、12L/s。以此基础计算1-2井组阻抗系数为8MPa(L-1*s)、2MPa(L-1*s)。
步骤3：通过对比，1-2井组的阻抗是2-3井组阻抗的4倍，需要进行注采井转换。转换后发现反注的阻抗系数均有明显增加，分别为15MPa(L-1*s)，5MPa(L-1*s)因此关闭2井，使用泵车加压从1井和3井注入进行二次改造和单侧循环，两者交叉运行，直至改造效果满足试验需求。经过上述步骤，上述井组阻抗下降至2MPa(L-1*s)，1MPa(L-1*s)。使用泵车控制注入井压力分别为22MPa、12MPa，采出井压力维持2MPa，此时两井组的流量均为10L/s。
步骤4：分别在1井和3井中下入电潜泵，继续以两注一采方式进行循环，加大1井压力至26MPa，3井压力至20MPa，此时两井组循环流量分别为12L/s，18L/s，总体流量达到设计要求。随后进入长期循环逐步减小阻抗。与此同时开始地面设施建设，安装ORC发电机组一台，循环试验热产出量达到要求后开始试发电，并以实际发电功率数据校正模型，对储层长期运行能力进行评价。如图4所示，其为流量30L/s时，对地热储层寿命评价结果图。
本发明的方法通过初期采用泵车，并以一注多采方式进行循环试验，能克服试验初期对循环设备和供电能力的依赖，达到快速取参数并循环达到准稳态的目的；通过设计多注一采稳定循环井组克服不同两井注采井组阻抗差异大、流量不均衡、易发生热突破的缺点，同时规避由于注入井压力过大诱发有感地震；通过设计过渡调整阶段，实现从测试循环到稳定循环的高效过渡。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种干热岩开发多井井组循环试验施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，进行多井井组注采井分配并确定测试循环流量：根据现场的储层条件、井组条件和设备条件，以双介质换热模型进行模拟，在一注多采的施工方式下，选择注入井和测试循环流量，同时保证流量对储层循环通道的安全性；所述井组数量为3井，分别为1号井、2号井和3号井，并且中间的2号井为注入井，两侧的1号井和3号井为采出井；
步骤二，以一注多采的井组开始测试循环阶段：井组和车组做好管线连接，采用双机双泵车进行连续泵注，两台以上泵车做好轮换，记录采收率、生产温度、生产流量的数据并绘制图版，待此三项数据变化逐步趋于稳定后确认循环试验达到准稳态，计算阻抗、热产出量参数；其中1号井与2号井之间的阻抗系数为8MPa(L-1*s)，3号井与2号井之间的阻抗系数为2MPa(L-1*s)；
步骤三，进行参数对比分析，进行注采井转换、二次改造和单侧井组循环，完成注采方式过渡：根据注入压力、各井的采出压力和采出流量计算阻抗，对比不同注采井的阻抗差异，决定是否需要以多注一采方式为稳定注采井组，从而进行注采井转换；根据测试循环参数，1号井与2号井之间的阻抗系数为3号井与2号井之间的阻抗系数的4倍，进行注采井转换，以保证热储利用率和通道稳定性；注采井转换后，相比原井组的阻抗，1号井与2号井之间的阻抗系数为15MPa(L-1*s)，3号井与2号井之间的阻抗系数为5MPa(L-1*s)，则关闭采出井，通过泵车加压的方式进行反向的二次改造，降低反注井组的阻抗；注采井转换后，1号井与2号井之间的阻抗系数为15MPa(L-1*s)，3号井与2号井之间的阻抗系数为5MPa(L-1*s)，则进行单侧井组改造和循环，直至1号井与2号井之间的阻抗系数下降为2MPa(L-1*s)，3号井与2号井之间的阻抗系数下降为1MPa(L-1*s)，其中，单侧循环流量应小于该测试循环流量；最后，根据注入压力和注入流量计算注入功率，对比电潜泵的额定功率，评价实施电泵循环的可行性，决定过渡循环阶段是否具备转入稳定循环阶段的条件；
步骤四，使用电泵代替泵车进行长期稳定的多注一采井组循环试验：在两侧注入井中下入电潜泵，分别以恒定的注入压力和相同的采出压力进行循环试验，期间逐步增大循环流量至目标流量；试验中记录循环参数变化，用双介质换热模型进行拟合，计算热储长期稳定运行的发电功率，评价储层性能和寿命；在循环稳定后，安装循环发电机组，实现试验性发电。
2.根据权利要求1所述的干热岩开发多井井组循环试验施工方法，其特征在于：所述步骤一中的储层温度大于180℃，所述采出井和所述注入井的井间距为400m-700m。
3.根据权利要求1或2所述的干热岩开发多井井组循环试验施工方法，其特征在于：所述步骤一中，选择注入井和测试循环流量的具体操作步骤为：
根据项目的总体试验性目标确定预期发电量；
结合现场数据，通过COMSOL软件建立储层孔隙-裂缝双介质换热模型；
在此基础上，以热储达到预期发电量的工况确定目标流量，以热储在高于预期发电量水平运行30年的工况确定最大流量，从而确定合理的流量范围；
测试循环阶段开始之前，确定注入井为井组中位置居于中间的井，确定测试循环流量为所述目标流量的一半。
4.根据权利要求1或2所述的干热岩开发多井井组循环试验施工方法，其特征在于：所述步骤二中，一注多采测试循环阶段的注入方式为泵车连续注入，循环流量采用所述步骤一所述的测试循环流量；注采井组入口出口均装备连续记录功能的流量计和温度计，连续记录注采数据；利用高压注入管线连接所有注采井，注采方式的调整使用阀门控制，采出端使用回压阀将采出压力控制在2MPa以上；采出端设有降温装置，使回注温度不高于60℃；记录并绘制采出流量、采出温度、采收率三个关键参数的图版，待三个参数变化均达到稳定时判断测试循环阶段达到准稳态，转入下一阶段。
5.根据权利要求3所述的干热岩开发多井井组循环试验施工方法，其特征在于：所述步骤四中，在循环回路的长度和基于前期微震监测评价的改造效果相似的情况下，调节不同分支循环井组的注入压力，使不同循环回路保持相似的循环流量，总循环流量由测试循环流量开始逐步提升，最终介于所述目标流量和最大流量之间；在热储的性能评价方面，将记录发电功率或将记录的循环数据换算为发电功率，绘制其与循环时间的关系，将此数据用于步骤一的双介质换热模型的拟合校正，然后使用校正过的模型计算热储长期运行的发电功率变化，评价热储寿命。
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