CN115680485A - 一种基于闭环地热系统的裸眼蛇形水平井开采干热岩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于闭环地热系统的裸眼蛇形水平井开采干热岩方法，属于地热开发领域，在目标开采区域中钻出注入井和生产井，其中注入井在干热岩储层为裸眼蛇形水平井，其次通过向注入井注入低温传热介质，从生产井产出高温传热介质以达到从干热岩储层获取热量的目的，本发明钻取裸眼蛇形水平井可减少下油套管的工艺步骤，增强可实施性且降低开采成本；优化的水平井井型可增加流动介质与干热岩储层的热交换面积、延长滞留时间并适当增大流动阻力；保证流动介质的均匀流动，使换热介质与储层完成充分热交换，获得更高的采热效率。

Description

一种基于闭环地热系统的裸眼蛇形水平井开采干热岩方法

技术领域

本发明属于地热开发领域，具体地，涉及一种基于闭环地热系统的裸眼蛇形水平井开采干热岩方法。

背景技术

干热型地热资源(干热岩)一般指地球内部埋藏于距地面数千米，温度高于180℃，内部不存在流体或仅有少量地下流体的一种高温岩体。干热岩资源作为一种分布广泛、储量巨大、清洁无污染的可再生绿色能源，其具有无间断供能、开发潜力大等优势。我国干热岩资源总量为2.52×1025J(合85.6×105亿吨标准煤)，占世界干热岩资源量的1/6。因此，合理的开发利用干热岩资源，加快突破技术瓶颈以实现干热岩高效稳定开发，对于我国能源结构的转型以及早日实现碳达峰、碳中和目标具有重要意义。

目前干热岩资源开发利用主要有两种，一种是增强型地热系统(EnhancedGeothermal Systems，EGS)，其先采用人工形成地热储层，再通过注采井循环采热介质提取热能；二是闭环地热系统(Closed Loop Geothermal System，CLGS)，其利用采热介质在水平井井筒内闭路循环采出热量，避免了复杂的人工热储建造。

常规开采干热岩的EGS方法是通过压裂手段获得裂缝来完成热交换，不仅有着投资高、传热介质易流失的问题，其对环境的影响也较大，容易诱发地震等地质灾害问题；闭式循环开采干热岩技术可以避免流动短路和流动死角导致的传热介质流失；水平井开采干热岩技术可以通过增加储层与井筒的接触面积来达到高产高效，若将闭式循环系统和水平井技术相结合，能够在很大程度上提高单井的采热速率，增大能源产量。但现有的开采干热岩方法具有可行性差及成本高的缺点，如：公开号CN109798091A公开了一种闭式循环井及干热岩的开发方法和公开号CN113846968A公开了一种适用于干热岩开发的侧钻分支井取热装置及其取热方法，均涉及到下油套管及水泥浆固井等井内作业，而在高温条件下油套管的工艺复杂、操作困难；公开号CN208966316U公开了一种U型水平井，结构简单但是换热面积有限，因此要找到一种经济可行高效开采干热岩的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于闭环地热系统的裸眼蛇形水平井开采干热岩方法，钻取裸眼水平井可减少下油套管的工艺步骤，增强可实施性且降低开采成本；优化的水平井井型可增加流动介质与储层的热交换面积、延长滞留时间并适当增大流动阻力；保证流动介质的均匀流动，使换热介质与储层完成充分热交换，获得更高的采热效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于闭环地热系统的裸眼蛇形水平井开采干热岩方法，其特征在于，包括如下步骤，且以下步骤顺次进行：

步骤一、确定目标开采区域；

步骤二、在目标开采区域，从地表向干热岩储层钻设注入井的垂直井段，钻至干热岩储层预定深度后，钻取注入井的第一造斜段，井眼曲率小于等于20°/30m，直至井斜角接近90°时停止造斜；

步骤三、钻取注入井的第一水平井段，井斜方位角为90°，井段长度大于300m，然后从注入井的第一水平井段的趾端钻取注入井的第二造斜段，井眼曲率小于等于20°/30m，直至井斜方位角接近0°时停止造斜；

步骤四、钻取注入井的第二水平井段，井斜方位角为0°，井段长度大于80m，然后从注入井的第二水平井段的趾端钻取注入井的第三造斜段，井眼曲率小于等于20°/30m，直至井斜方位角接近负90°时停止造斜；

步骤五、钻取注入井的第三水平井段，且其井眼方向与注入井的第一水平井段的井眼方向相反，长度大于300m，然后从注入井的第二水平井段的趾端钻取注入井的第四造斜段，井眼曲率小于等于20°/30m，直至井斜方位角接近0°时停止造斜；

步骤六、钻取注入井的第四水平井段，且其井眼方向与注入井的第二水平井段的井眼方向相同，长度大于等于80m，然后钻取注入井的第五造斜段，井眼曲率小于等于20°/30m，直至井斜角接近90°时停止造斜；

步骤七、钻取注入井的第五水平井段，且其井眼方向与注入井的第一水平井段的井眼方向相同，长度大于300m；

步骤八、重复步骤三至步骤七，直至干热岩储层中注入井井眼长度大于1500m，钻取注入井的最后一个水平井段，该井段长度大于等于80m，至此，完成注入井钻井工作；

步骤九、从地表钻取垂直井作为生产井，使其与注入井的最后一个水平井段趾部贯通，形成一个闭式循环结构系统；

步骤十、打开地面注入泵，向注入井中注入10℃以上的低温传热介质，从生产井抽取充分热交换后的高温传热介质，完成了传热介质的自循环流动，从而开发干热岩资源。

进一步，步骤一中，目标开采区域中干热岩储层的温度高于180℃、厚度大于500m。

进一步，选取的干热岩储层上方盖层为不稳定地层，因此需要下套管固井。步骤二中，从目标开采区域的盖层顶部向下钻取注入井垂直井段至干热岩储层顶部，下套管固井，固井完成后，继续向下钻进，在干热岩储层钻进深度大于15m后停止。

所述注入井和生产井的井眼直径均控制在0.2m～0.5m范围内，井径过小会导致造斜困难、携热介质在井内流速高，换热时间短而采热效率低。井径过大增加了钻井成本，采热效果提高不明显。

所述注入井的第一水平井段、注入井的第二水平井段、注入井的第三水平井段、注入井的第四水平井段、注入井的第五水平井段以及注入井的最后一个水平井段均处在同一水平面上，为了保证大的热交换面积以及传热介质在干热岩储层滞留时间，同时确保水平段的安全稳定钻井，井斜方位角为90°或负90°的水平段长度控制在300m～500m范围之内(即所述注入井的第一水平井段、注入井的第三水平井段和注入井的第五水平井段的长度均控制在300m～500m范围之内)。

为了保证井间换热不互相影响而造成采热效率降低，井斜方位角为0°的水注入井的第二水平井段长度大于等于80m。

优选地，注入井井眼长度2000m、井径0.2m，以0.5kg/s的注水速率向注入井中注入60℃的低温水。运行20年的周期，出水温度能维持在150℃以上，采热效率较高。

进一步，利用地面换热装备，采取在干热岩中常用的双工质发电技术，使本发明中的高温传热介质完成地热发电，然后继续利用该传热介质(仍具有较高温度)，如供暖、洗浴、养殖等。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

1、干热岩储层温度高、硬度大、压裂成本高且压裂效果不明显，采用本发明提出的基于闭环地热系统的裸眼蛇形水平井开采干热岩方法不仅避免了由于压裂液进入储层造成的储层伤害，也避免了高昂的压裂费用，有较高的经济效益，同时避免了压裂储层中的流体损失问题和压裂诱发的地震等地质灾害问题。

2、采用裸眼水平井开采干热岩地热，一方面能够减少下油套管的工艺步骤，油套管在高温条件下会承受较大的热应力及较强的腐蚀，强度大幅降低。同时油套管的接头强度和密封性能也会受很大负面影响。因此裸眼钻井可以基于干热岩稳定性特点，提高干热岩开采系统的可实施性和降低开采成本；另一方面传热介质不会与储层岩石接触，既能保证地层不被传热介质污染，同时避免了井筒和地面设施腐蚀和结垢等问题，维持了传热介质的热容、粘度和导热系数的稳定性，使采热工艺过程更加可靠稳定。

3、优化的水平井井型可增加流动介质与储层的热交换面积、延长滞留时间并适当增大流动阻力，保证流动介质的均匀流动，使换热介质与储层完成充分热交换，获得更高的采热效率。空间长度大于1500m的蛇形水平井闭式循环结构，其空间的环绕性与封闭性为传热介质的性能优化提供了条件。

附图说明

此处的附图说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

图1为基于闭环地热系统的裸眼蛇形水平井开采干热岩方法的井形示意图。

图中各标记如下：1-注入井的垂直井段，2-注入井的第一造斜段，3-注入井的第一水平井段，4-注入井的第二造斜段，5-注入井的第二水平井段，6-注入井的第三造斜段，7-注入井的第三水平井段，8-注入井的第四造斜段，9-注入井的第四水平井段，10-注入井的第五造斜段，11-注入井的第五水平井段，12-注入井的最后一个水平井段，13-生产井，14-盖层，15-干热岩储层。

具体实施方式

下面结合图1对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明保护主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程并没有进行详尽的说明。

一种基于闭环地热系统的裸眼蛇形水平井开采干热岩方法，具体步骤如下：

步骤一、选择温度高于180℃、厚度大于500m的干热岩体作为目标干热岩储层15，采用尺寸大于8英寸的孕镶金刚石钻头及井下动力钻具完成钻进；为了简化工艺，在干热岩储层15中裸眼钻进，不考虑下套管和水泥固井等工艺，干热岩储层15与流动传热介质直接换热，不存在传热带来的热阻、过热、结垢和腐蚀等问题；整个钻进过程采用耐高温钻井液循环钻进；

步骤二、在目标开采区域垂直钻井至干热岩储层15顶部，在盖层14下套管固井；穿过盖层14遇见干热岩储层15后，继续向下钻进注入井的垂直井段1，钻进深度大于15m后；

步骤三、利用造斜工具钻取注入井的第一造斜段2，控制井眼曲率小于等于20°/30m，目的是减少造斜困难程度，直至井斜角接近90°时停止造斜；

步骤四、采用地质导向钻具在干热岩储层15中注入井的第一水平井段3，井斜方位角为90°，井段长度在300m以上；

步骤五、在注入井的第一水平井段3的趾端钻取注入井的第二造斜段4，井眼曲率小于等于20°/30m，直至井斜方位角接近0°时停止造斜，井眼曲率小于等于20°/30m的目的是减少造斜困难程度；

步骤六、钻取注入井的第二水平井段5，井斜方位角为0°，井段长度大于80m；

步骤七、钻取注入井的第三造斜段6，井眼曲率小于等于20°/30m，直至井斜方位角接近负90°时停止造斜；井眼曲率小于等于20°/30m的目的是减少造斜困难程度；

步骤八、钻取注入井的第三水平井段7，井眼方向与注入井的第一水平井段3相反，长度大于300m；

步骤九、在注入井的第三水平井段7的趾端钻取注入井的第四造斜段8，井眼曲率小于等于20°/30m，直至井斜方位角接近0°时停止造斜；

步骤十、继续钻取注入井的第四水平井段9，其井眼方向与注入井的第二水平井段5井眼方向相同，井段长度大于等于80m；

步骤十一、钻取注入井的第五造斜段10，井眼曲率小于等于20°/30m，直至井斜方位角接近90°时停止造斜；其中，井眼曲率小于等于20°/30m的目的是减少造斜困难程度；

步骤十二、钻取注入井的第五水平井段11，井眼方向与注入井的第一水平井段3相同，长度大于300m；

步骤十三、重复步骤三至步骤十二，直至干热岩储层15中井眼长度大于1500m；

步骤十四、钻取注入井的最后一个水平井段12，井段长度大于等于80m；

步骤十五、从地表钻取垂直井作为生产井13，使其与蛇形注入井的最后一个水平井段12趾部贯通，形成一个闭式循环结构系统，并且对位于盖层14的生产井13固井；

步骤十六、打开地面注入泵，以适当的注入速率向注入井中注入10℃以上的低温传热介质，从生产井13抽取充分热交换后的高温传热介质，完成了传热介质的自循环流动，从而开发干热岩资源；

步骤十七、利用地面换热装备，采取在干热岩中常用的双工质发电技术，使高温传热介质完成地热发电，然后继续利用该传热介质(仍具有较高温度)，如供暖、洗浴、养殖等。

本发明中，传热介质可以选择水，也可以选择传热性能优于水的超临界二氧化碳，氮气等，同时还可以选择其他具有优良传热性质的流体，如水与乙醇或乙二醇等复配流体；即在充分研究水的热物性和井筒流动热交换基础上，优化适用于该地热开采方式的传热介质配方，提高抗腐蚀和热交换能力。不同传热介质处理措施不同，如果是超临界二氧化碳，要利用冷凝机构对二氧化碳进行降温，然后通过和高温干热岩储层15进行热对流和温度交换使二氧化碳从液体转变为气体，该气体经过汽轮机系统可进行工程发电，若为复配流体，因为其具有较敏感的相态变化，可通过稍微改变系统内部压力使得传热介质的相态转变成气态，进而快速高效释放携带的热能。

干热岩资源开采过程中的钻井稳定性非常重要，这里应该采用钻井相匹配的耐高温钻井液钻井。干热岩储层15温度高于180℃，钻井液长期处于这种高温环境下，性能会受到严重破坏，从而影响孔壁稳定和携岩能力。常用的抗高温钻井液有SMC钻井液、SMP钻井液和磺化钻井液，它们有抗盐能力强和压缩性能好的特点，具有良好的防塌防卡性能。

以上是本发明的一个具体实施方式，本发明的具体实施方式不能仅限于此，对于本领域的技术人员来说，在未脱离本发明思路的前提下，还可做其他类似的改变，而这都应视为本发明方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于闭环地热系统的裸眼蛇形水平井开采干热岩方法，其特征在于，包括如下步骤，且以下步骤顺次进行：

步骤一、确定目标开采区域；

步骤二、在目标开采区域，从地表向干热岩储层(15)钻设注入井的垂直井段(1)，钻至干热岩储层(15)预定深度后，钻取注入井的第一造斜段(2)，井眼曲率小于等于20°/30m，直至井斜角接近90°时停止造斜；

步骤三、钻取注入井的第一水平井段(3)，井斜方位角为90°，井段长度大于300m，然后从注入井的第一水平井段(3)的趾端钻取注入井的第二造斜段(4)，井眼曲率小于等于20°/30m，直至井斜方位角接近0°时停止造斜；

步骤四、钻取注入井的第二水平井段(5)，井斜方位角为0°，井段长度大于80m，然后从注入井的第二水平井段(5)的趾端钻取注入井的第三造斜段(6)，井眼曲率小于等于20°/30m，直至井斜方位角接近负90°时停止造斜；

步骤五、钻取注入井的第三水平井段(7)，且其井眼方向与注入井的第一水平井段(3)的井眼方向相反，长度大于300m，然后从注入井的第二水平井段(7)的趾端钻取注入井的第四造斜段(8)，井眼曲率小于等于20°/30m，直至井斜方位角接近0°时停止造斜；

步骤六、钻取注入井的第四水平井段(9)，且其井眼方向与注入井的第二水平井段(5)的井眼方向相同，长度大于等于80m，然后钻取注入井的第五造斜段(10)，井眼曲率小于等于20°/30m，直至井斜角接近90°时停止造斜；

步骤七、钻取注入井的第五水平井段(11)，且其井眼方向与注入井的第一水平井段(3)的井眼方向相同，长度大于300m；

步骤八、重复步骤三至步骤七，直至干热岩储层(15)中注入井井眼长度大于1500m，钻取注入井的最后一个水平井段(12)，该井段长度大于等于80m，至此，完成注入井钻井工作；

步骤九、从地表钻取垂直井作为生产井(13)，使其与注入井的最后一个水平井段(12)趾部贯通，形成一个闭式循环结构系统；

步骤十、打开地面注入泵，向注入井中注入10℃以上的低温传热介质，从生产井(13)抽取充分热交换后的高温传热介质，完成了传热介质的自循环流动，从而开发干热岩资源。

2.根据权利要求1所述的基于闭环地热系统的裸眼蛇形水平井开采干热岩方法，其特征在于：步骤一中，目标开采区域中干热岩储层(15)的温度高于180℃、厚度大于500m。

3.根据权利要求1所述的基于闭环地热系统的裸眼蛇形水平井开采干热岩方法，其特征在于：步骤二中，从目标开采区域的盖层(14)顶部向下钻取注入井垂直井段(1)至干热岩储层(15)顶部，下套管固井，固井完成后，继续向下钻进，在干热岩储层(15)钻进深度大于15m后停止。

4.根据权利要求1所述的基于闭环地热系统的裸眼蛇形水平井开采干热岩方法，其特征在于：所述注入井和生产井(13)的井眼直径均控制在0.2m～0.5m范围内。

5.根据权利要求1所述的基于闭环地热系统的裸眼蛇形水平井开采干热岩方法，其特征在于：步骤十中，以0.5kg/s的注水速率向注入井中注入60℃的低温水。

6.根据权利要求1所述的基于闭环地热系统的裸眼蛇形水平井开采干热岩方法，其特征在于：所述注入井的第一水平井段(3)、注入井的第二水平井段(5)、注入井的第三水平井段(7)、注入井的第四水平井段(9)、注入井的第五水平井段(11)以及注入井的最后一个水平井段(12)均处在同一水平面上。

7.根据权利要求1所述的基于闭环地热系统的裸眼蛇形水平井开采干热岩方法，其特征在于：所述注入井的第一水平井段(3)、注入井的第三水平井段(7)和注入井的第五水平井段(11)的长度均控制在300m～500m范围之内。

Images