CN114575798A - 一种利用超临界co2开采中低温枯竭气藏地热能的热力系统 - Google Patents
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Abstract
一种利用超临界CO2开采中低温枯竭气藏地热能的热力系统，本发明涉及开采中低温枯竭气藏地热能的热力系统。本发明的目的是为了解决现有中低温枯竭气藏虽换热面积较大、地质条件安全，但由于不具备干热岩的高温，能量利用效率低的问题。系统包括垂直注气井和定向水平采气井；所述垂直注气井为将枯竭气藏储层中储渗性能好的储层对应的采气井和位于枯竭气藏储层最下部储层的采气井转为垂直注气井，用于注气；所述定向水平采气井为将枯竭气藏储层最上部储层对应的采气井修井为定向水平采气井，用于采气；所述定向水平采气井为定向鱼骨状分支水平井；所述定向鱼骨状分支水平井包括主井井段和分支井段。本发明用于地热能利用领域。
Description
技术领域
本发明涉及地热能高效利用领域，是一种利用超临界CO2开采中低温枯竭气藏地热能的热力系统。
背景技术
地热资源作为一种可再生能源，具有储量丰富、稳定性强、连续性好、利用系数高等优点，是一种现实可行且具有竞争力的清洁能源。
2021年我国地热供暖面积已超过5亿平米，稳居世界第一位。但目前提取地热能时的勘探及钻井费用高、投资风险也大，而且在采用水作为提取热能的携热质，打热水地热井时，常面临单井出水量严重低于预期，换热效率降低的情况，这无疑加大了企业的投资风险。
2000年Brown首次提出注超临界CO2开采高温干热岩(在150～650℃之间)地热的概念：向地下干热岩储层注入超临界CO2，将储层压裂出裂缝通道，构建出地下开式、地上闭式的气体循环，由于CO2热物理性质远好于水，利用其在储层裂缝中的循环注入和采出流动，与干热岩储层换热，携带出地热能用于供暖。超临界CO2采热速率可达到水的1.5倍，利用CO2循环开采地下干热岩储层地热，不仅可以实现地热能的高效开发，还可以实现CO2零排放的碳中和，是一举双赢地热能开采新方式。但最近已有研究指出，对干热岩进行的压裂技术，会造成地质储层的伤害，使CO2发生泄漏并引发地震活动，这极大的阻碍了以CO2作为携热质开采地热供暖的规模化推广。
我国石油天然气矿区内地热资源丰富，随着油气勘探开发向纵深方向发展，已经出现了越来越多的中低温废弃枯竭气藏，如普光气田飞仙关组枯竭气藏温度为120-133℃，大港千米桥凝析枯竭气藏温度达148℃等。如果利用超临界CO2开采废弃枯竭气藏的地热能，一方面由于枯竭气藏具有天然的孔隙结构，无须压裂，渗透性高，换热面积大，有利于携热介质与地热储层间的热交换，另一方面气藏本身具有完善的圈闭结构，地质条件安全，携热介质注入后在相对独立的地热储层中渗流，向围岩或盖层中泄露危险较小，同时还可以充分利用现有井网和地面设施，节约大量钻井成本，减少初期资本投入，是极具前景的地热能开采供暖方式之一。
虽然中低温枯竭气藏换热面积较大、地质条件安全，但由于不具备干热岩的高温，能量利用效率较低，因此需要创新研发枯竭气藏地热能开采的热力系统，提高CO2开采枯竭油气藏地热能的经济性，同时实现CO2深埋，达到碳中和的环境效益。
所述中低温的范围为大于等于100℃，小于等于150℃。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有中低温枯竭气藏虽换热面积较大、地质条件安全，但由于不具备干热岩的高温，能量利用效率低的问题，而提出一种利用超临界CO2开采中低温枯竭气藏地热能的热力系统。
一种利用超临界CO2开采中低温枯竭气藏地热能的热力系统包括：垂直注气井和定向水平采气井；
所述垂直注气井为将枯竭气藏储层中储渗性能好的储层对应的采气井和位于枯竭气藏储层最下部储层的采气井转为垂直注气井，用于注气；
所述定向水平采气井为将枯竭气藏储层最上部储层对应的采气井修井为定向水平采气井，用于采气；
所述定向水平采气井为定向鱼骨状分支水平井；
所述定向鱼骨状分支水平井包括主井井段和分支井段。
本发明的有益效果为：
本发明提出的超临界CO2三维立体型地热能开采的热力系统，具有多种优势：
(1)本发明中选择采用CO2作为提取地热能的携热介质，一方面其粘度接近于气体、密度接近于液体，扩散系数较高，采热速率可达到水的1.5倍；另一方面既节省了宝贵的水资源，又可以实现CO2深埋，助力碳中和。
(2)本发明选取原气藏储渗性能最好储层的开采井和最下面储层的开采井改为垂直注入井，将在储层上部的开采井修井为定向鱼骨状分支水平采气井，一方面井底良好的储渗性能可以提高通过井筒筛孔注入的超临界CO2渗流速度，提高气体与储层的换热效率，注采井可形成最大高度差，能有效地构建虹吸效应，节省注采气循环泵的功消耗。
另一方面利用超临界CO2受热后密度变小的热力学特性，自发向上运移至水平采气井，使其最大限度与气藏储层换热。由于受热浮升的携热质主要受径向流影响，水平井段能够充分获取受热浮升的CO2。
(3)本发明采用多注一采方式，可及时补充储层内的CO2储气量，进一步提高采热流量和携热质温度。
附图说明
图1为超临界CO2三维立体型地热能开采热力系统示意图；
图2为注气井示意图；
图3为定向鱼骨状分支水平采气井示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种利用超临界CO2开采中低温枯竭气藏地热能的热力系统包括：垂直注气井(1)和定向水平采气井(2)(定向是指：通过井眼轨迹控制，沿储层储渗性能好的方向钻井)；
所述垂直注气井(1)为将枯竭气藏储层中储渗性能好的储层对应的采气井和位于枯竭气藏储层最下部储层的采气井转为垂直注气井(1)，用于注气；
储层：具有一定的储存和渗滤气体的储集岩层，一般气藏可以有五到七个储层，。
所述定向水平采气井(2)为将枯竭气藏储层最上部储层对应的采气井修井为定向水平采气井(2)，用于采气；
所述定向水平采气井(2)为定向鱼骨状分支水平井；
所述定向鱼骨状分支水平井包括主井井段(3)和分支井段(4)。
所述中低温的范围为大于等于100℃，小于等于150℃；
为弥补废弃枯竭气藏温度低于干热岩温度的弊病，充分利用枯竭气藏天然的孔隙结构及超临界CO2热物性优势，提出一种可以提高换热面积和采热流量的超临界CO2三维立体型地热能开采热力系统。
本发明将位于枯竭气藏储渗性能好储层和位于枯竭气藏最下部储层的原采气井转为垂直注气井，一方面井底良好的储渗性能可以提高通过井筒筛孔注入的超临界CO2渗流速度，提高气体与储层的换热效率，同时注采井可形成最大高度差，能有效地构建虹吸效应，节省注采气循环泵的功消耗。
将枯竭气藏储层最上部的原采气井修井为定向水平采气井；将超临界CO2注入枯竭气藏储层底部，一方面利用超临界CO2受热后密度变小的热力学特性，使超临界CO2最大限度与储层换热后，自发向上运移至水平采气井，采用水平采气井，是由于受热浮升的携热质主要受径向流影响，水平采气井段可以充分获取受热浮升的CO2，另一方面，注气井和采气井最大限度的高度差，可以有效地形成虹吸效应(压力大的一边重力下流，压力小的一边由于大气压上流)，增强了浮力作用，减少了流体循环所消耗的压力损失，可大量节省注采气循环的泵功消耗。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述枯竭气藏储层中储渗性能好的储层为孔隙度大于15％，气体平均渗透率大于4.5mD。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述定向鱼骨状分支水平井主井井段长度大于800米。
通过建立井筒与枯竭气藏耦合的流动模型，得出所述定向鱼骨状分支水平井主井井段长度不低于800米(主井段过长，施工工艺受限，过短无法体现鱼骨状分支优势)。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述定向鱼骨状分支水平井分支井段长度大于200米。(分支长度太小，分支意义不大)
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述垂直注气井(1)和定向水平采气井(2)比例为(4或5)：1(4或5口井注气，1口井采气)。
同时采用多注一采方式，一方面让每口注入井的循环介质都能采出井的井底汇入，可充分提高采出井的热流量；另一方面，也及时补充储层内的CO2储气量，进一步提高采热流量和携热质温度；最终形成三维立体型地热能开采系统。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述定向水平采气井(2)置于数口垂直注气井(1)中间，使超临界CO2形成地上闭式(采出至地面的CO2，通过间接式换热器取热后，全部直接回注地下枯竭气藏)、地下开式循环(充分与枯竭气藏各储层接触换热)，获取地热能。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述垂直注气井(1)尾端射孔段孔密为20孔/米-30孔/米；
原枯竭气藏垂直采气井修井为垂直注气井，垂直注气井射孔段要保证20孔/米-30孔/米的高孔密射孔方式，以保证超临界CO2射流进入储层，提高换热速率和增大换热面积。
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述定向鱼骨状分支水平井沿储层储渗性能好的方位布井。
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，所述主井井段(一个)钻出两到四个采用异侧非对称分支井段，分支井段与主井井段延伸方向夹角大于30度，使超临界CO2从分支井段进入主井井段。
其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是，所述超临界二氧化碳为CO2的超临界状态：
CO2临界温度Tc＝31.26℃，临界压力为7.53MPa，超临界CO2指温度和压力均高于其临界点的流体。
超临界二氧化碳具有类似气体的扩散性、低粘度、低表面张力和液体的溶解能力。
其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种利用超临界CO2开采中低温枯竭气藏地热能的热力系统，其特征在于：所述系统包括垂直注气井(1)和定向水平采气井(2)；
所述垂直注气井(1)为将枯竭气藏储层中储渗性能好的储层对应的采气井和位于枯竭气藏储层最下部储层的采气井转为垂直注气井(1)，用于注气；
所述定向水平采气井(2)为将枯竭气藏储层最上部储层对应的采气井修井为定向水平采气井(2)，用于采气；
所述定向水平采气井(2)为定向鱼骨状分支水平井；
所述定向鱼骨状分支水平井包括主井井段(3)和分支井段(4)。
2.根据权利要求1所述一种利用超临界CO2开采中低温枯竭气藏地热能的热力系统，其特征在于：所述枯竭气藏储层中储渗性能好的储层为孔隙度大于15％，气体平均渗透率大于4.5mD。
3.根据权利要求1或2所述一种利用超临界CO2开采中低温枯竭气藏地热能的热力系统，其特征在于：所述定向鱼骨状分支水平井主井井段长度大于800米。
4.根据权利要求3所述一种利用超临界CO2开采中低温枯竭气藏地热能的热力系统，其特征在于：所述定向鱼骨状分支水平井分支井段长度大于200米。
5.根据权利要求4所述一种利用超临界CO2开采中低温枯竭气藏地热能的热力系统，其特征在于：所述垂直注气井(1)和定向水平采气井(2)比例为(4或5)：1。
6.根据权利要求5所述一种利用超临界CO2开采中低温枯竭气藏地热能的热力系统，其特征在于：所述定向水平采气井(2)置于数口垂直注气井(1)中间。
7.根据权利要求6所述一种利用超临界CO2开采中低温枯竭气藏地热能的热力系统，其特征在于：所述垂直注气井(1)尾端射孔段孔密为20孔/米-30孔/米。
8.根据权利要求7所述一种利用超临界CO2开采中低温枯竭气藏地热能的热力系统，其特征在于：所述定向鱼骨状分支水平井沿储层储渗性能好的方位布井。
9.根据权利要求8所述一种利用超临界CO2开采中低温枯竭气藏地热能的热力系统，其特征在于：所述主井井段钻出两到四个采用异侧非对称分支井段，分支井段与主井井段延伸方向夹角大于30度，使超临界CO2从分支井段进入主井井段。
10.根据权利要求9所述一种利用超临界CO2开采中低温枯竭气藏地热能的热力系统，其特征在于：所述超临界二氧化碳为CO2的超临界状态：
CO2临界温度Tc＝31.26℃，临界压力为7.53MPa，超临界CO2指温度和压力均高于其临界点的流体。
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