CN116163695B - 一种微波辐射与干冰射流协同建造干热岩人工热储的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波辐射协同干冰射流建造干热岩人工热储的方法，属于干热岩地热人工热储建造领域。本发明针对低空空隙率、低渗透率深层干热岩，应用微波辐射与干冰射流技术高效率、低成本的在干热岩中建造处大范围的热交换面积人工热储。微波辐射加热干热岩岩体可以弱化岩体的力学性质降低破裂所需的压应力。向辐射后的岩体泵入颗粒干冰，使干冰以射流形式高速冲击岩壁。岩体形成温度梯度的同时承受较大的压应力而破裂形成裂隙网状。在不断的循环致裂下，裂隙不断发育扩大，最终形成具有较大热交换面积的地热能人工热储系统。其后继续泵入干冰，加固裂隙的形成，避免裂隙闭合提升使用年限。

Description

一种微波辐射与干冰射流协同建造干热岩人工热储的方法

技术领域

本发明属于干热岩地热人工热储开发领域，特别涉及一种针对低渗透率的干热岩地层采用微波辐射与干冰射流协同的方法，形成温度梯度以弱化坚硬花岗岩岩体力学性质，进而产生体积破裂与丛式破裂，同时，干冰吸热相变增大热提取产值，最终形成具有较大热交换面积和能够长期提取热的人工热储。

背景技术

我国目前主要以煤炭、石油、天然气为主要能源。由于社会经济的快速发展，人们对能源的需求量不断增大，加之能源利用率的低下和严重浪费，大大加剧了我国的能源紧张。如今能源勘探、开采难以跟上国民经济不断发展的需求。同时，在能源获取与消费中，环境保护也成为了人们十分关注的问题。而地热资源具有清洁、绿色低碳、空间分布广泛的特点，发展地热能开采技术有利于改善我国能源结构，对推进“双碳”目标的实现具有极其重要的意义。

干热岩型地热是地热资源种类中占比最大的一种地热资源。干热岩是指在地壳深部3千米以下、温度在150℃以上的高温岩体。据估计，干热岩地热资源总量是化石能源的1000倍左右，具有广阔的开采前景。目前，国内建造人工热储系统的方法主要是水压致裂法，即通过向注入井内注入高压流体，使岩体发生破裂，形成裂隙网络。但由于干热岩具有低渗透率的特性，只能提取到有限的连通通道内的热蒸汽，非连通岩体内部的热量无法被充分利用。并且水压致裂的方法成本比较高，水资源消耗量大，不利于干旱地区使用，同时，还容易造成诱发地震、环境污染等问题。此外，由于深部高地应力的作用，水压致裂形成的裂缝网络易发生闭合，这降低了人工热储高效运行与服务年限。

为了实现地热资源的安全高效开采，针对目前的人工储留层建造方法不足之处，提出一种微波辐射和干冰协同建造干热岩人工热储的方法，目的是减少水资源的浪费、充分破碎干热岩、提高热储层渗流通道数量，进而增大热交换面积，同时，干冰吸热相变，最大限度实现热量提取，最终实现更高地热能提取产值和更长久的热储服务年限。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种微波辐射和干冰射流协同建造干热岩人工热储的方法，通过将微波辐射技术和干冰吸热相变的特性相结合，对低渗透率的干热岩进行循环的微波辐射加热和干冰致裂，达到更好的破岩效果，增加热储层换热缝网结构，提高目标层岩体渗透率，提高人工热储的换热能力和延长人工热储的服务年限。

干冰射流技术也称为干冰冷喷射技术，是一种以干冰微粒的碰撞、高速气流吹扫作用为主的动力学过程，以液态二氧化碳溶解作用为主的化学过程，以热冲击作用、升华作用为主的热力学过程等共同作用。该技术已经在汽车、核工业及轨道交通领域广泛应用，通用性强且具有良好的经济效益。干冰微粒高速的碰撞可以对干热岩层岩壁进行有效冲击和破坏，同时其伴随的热力学过程对岩壁的力学性质可产生积极影响，有利于进一步破岩。

微波是频率为300MHz至300GHz的电磁波，微波热激发技术已经广泛应用至隧道开挖、深部开采、煤层挖掘、页岩气开采等诸多领域。其基本原理是通过微波照射升温降低岩石强度，减小破裂岩石所需的应力，进而对低渗透率的坚硬岩体进行高效破裂。由于微波照射相较于水力压裂能破裂形成更多更小的岩屑，这些岩石碎屑可以填充于裂隙中，起到良好的支撑作用，使裂缝不至于很快闭合。颗粒状干冰制作简单，二氧化碳来源广泛(可来自于工业废气，降低CO₂排放量)，成本低，无毒安全。颗粒状干冰吸热后发生相态变化，转化为气态二氧化碳，体积迅速增大产生高压应力，也可以进一步破碎岩石。同时干冰在相态变化时会吸收大量热量使得干热岩体短时间内形成较大温度梯度，弱化干热岩的力学性质，降低破裂干热岩所需的压应力。将颗粒状干冰泵入干热岩目标层，循环破裂，从而促进更多裂隙网络生成，以及形成热交换面积更广的人工热储，与传统水力压裂技术比较，成本更低，破裂效果更好。采用微波照射协同干冰致裂，如此循环作用干热岩储层，形成更利于地热开采的热储层。

本发明是采用如下的技术方案实现的：根据干热岩地热开发区的地质资料确定井组方案，钻取注入井至目标层深度，布置微波发生器、导波管、微波发射器、干冰射流装置、干冰输送管、施工检测设备安装井以及传感器和微震监测系统。首先对注入井目标层进行微波辐射和干冰射流喷射岩壁。根据微震监测系统检测结果布置生产井，对生产井同样进行微波辐射和干冰射流致裂。破裂完成后对注入井和生产井泵入充足颗粒状的干冰以维持裂缝，形成热储层。拆卸装置，在生产口安装抽气泵，最后向注入井注水，从生产井得到换热后的携热流体，用于发电供暖。其具体实施步骤为：

(1)根据干热岩地热开发区地质资料确定井组布置方案，并确定注入井位置及施工方案，采用一口注入井和两口生产井的布置方式。

(2)施工注入井，根据施工方案在选取位置进行钻井，当注入井施工到岩体温度在200℃以上目标层时，停止钻井。

(3)在地表距离注入井20至30米处左侧安装微波发生器，同时在右侧20至30米处安装干冰射流装置。

(4)在注入井内架设置导波管，并在导波管的输入端连接上微波发生器，在导波管的输出端连接微波发射器，所述微波发射器安置在目标层岩壁上。

(5)在注入井口设置干冰输送管，所述干冰输送管的注入端与射流装置连接，输出端设置在目标层处并与射流喷嘴连接。

(6)施工监测设备安装井。在距注入井约100m处钻取深度较浅的安装井，在安装井内安置传感器，同时在地面安装一套完整的微震监测系统。所述传感器与微震监测系统连接，能够监测爆破范围进行及指导生产井的布置。

(7)开启微波发生器，微波发生器激发微波并通过微波发射器对目标层进行照射加热，目标层温度逐渐提升，岩体的力学性质开始下降，同时岩体内部产生较多的裂缝，形成的岩石碎屑可以填充于裂隙中，起到良好的支撑作用，使裂缝不至于很快闭合。待目标层温度达到700℃后，关闭微波发生器。

(8)运行射流装置，向目标层泵入颗粒状干冰以产生干冰射流对岩壁进行冲击。同时颗粒状干冰吸热后发生相态变化，由固态干冰转化为气态二氧化碳，体积迅速增大，使岩体内部产生高压应力，同时干冰在相态变化时会吸热使得干热岩体形成温度梯度，且能发生爆炸，弱化干热岩的力学性质，使岩体内部产生更多的裂缝并促进裂缝的连通。待目标层温度下降至100℃，停止射流装置的运行，再次开启微波发生器对已经破裂形成的裂缝网再次进行照射和干冰射流破裂，重复10到20次，使干热岩地层形成大范围的裂缝网络。同时利用地表的微震监测系统实时监测干热岩破裂过程中的数据。

(9)施工生产井，根据地表的微震监测系统的监测结果分析爆破所形成的裂隙连通区和裂隙区以及影响范围，并将生产井施工至爆破影响范围内。

(10)对生产井再次进行微波辐射和干冰射流破裂干热岩。其方法同步骤(6)(7)(8)所述,达到注入井和生产井裂隙相互连通的目的，形成大范围的热交换区域。

(11)上述破裂完成之后，通过注入井和生产井输入充足颗粒状干冰，持续24小时，有效避免裂隙闭合，实现干热岩目标层产生的裂隙扩展、贯通，最终形成裂隙网络更大、热交换面积更广的人工热储。

(12)形成理想人工热储层后，拆除生产井和注入井中的微波发射器和导波管以及干冰输送管。在地表距离生产井50米处安转抽气泵抽出二氧化碳气体。

(13)向生产井内注水，水体经热储层后吸热汽化，通过抽气泵从生产井流出，携带的热量能够用于发电和供暖。

与现有技术相比，本发明的优点在于：充分利用微波辐射技术对干热岩目标层进行加热，进而降低岩体力学性质减小破裂所需应力，并采用干冰射流技术让颗粒干冰高速碰撞岩壁产生冲击破裂，同时结合颗粒干冰吸热相变的特性在岩体内部形成温度梯度产生较高的压应力，从而低成本高效率的建造人工热储系统。解决了现有技术资源浪费污染环境等诸多问题，并且该技术将岩石碎屑填充于裂隙中，起到良好的支撑作用，使得裂缝不至于很快闭合，延长了热储系统的使用年限，拥有更大的裂隙网络和更广的换热面积。

附图说明

图1为微波辐射和干冰射流协同建造干热岩人工热储形成过程的示意图。

图2为微波辐射和干冰射流技术破裂目标岩层的破裂效果示意图。

图中:1-注入井，2-微波发射器，3-导波管，4-微波发生器，5-射流装置，6-生产井，7-传感器，8-微震监测系统，9-干冰输送管，10-目标层，11-安装井。

具体实施方式

从图1可以看出，本发明这种微波照射协同干冰射流建造人工热储的方法，装置包括微波发生器、微波发射器、导波管、射流装置、干冰输送管、传感器、微震监测系统。

根据干热岩地热开发区地质资料确定布置方案，确定注入井位置以及施工方案，采用一注入井两生产井的布置方式。施工位置由目标区地质资料选取地热能储备丰富且地势较平坦的地区，生产井位置设置于该地区中心，方便之后各装置的安装布置。

在确定的施工位置从地面向下方钻设注入井，同时采用测温设备对该深度的岩体进行测温，若所测温度低于200℃，则继续向下钻设，直至测定的岩体温度达到200℃及其以上时，停止钻设，完成注入井的施工。

在地面上，以注入井为起始点，测量20至30米并作好标记，在标记处安装微波发生器。该微波发生器用于产生频率为300MHz至300GHz的微波，通过导波管输送至目标层经微波发射器辐射干热岩岩体，对其进行辐射升温弱化力学性质降低破裂所需应力。

在地面上，以注入井为起始点，在与上述标记点相反的方向测量20至30米再次做好标记，在此标记处安装干冰射流装置。所述干冰射流装置会将制备好的温度低于-80℃，粒度直径大小为3毫米的颗粒干冰经干冰输送管输入目标层。本步骤选用的颗粒干冰直径大小为3毫米，颗粒表面积适当，可以有效避免干冰在未达到目标层之前发生相态变化降低破裂效果。

在注入井内架设导波管，在架设之前需要选择耐高温耐高压的材料对导波管以及微波发射器进行包裹。导波管的输入端连接微波发生器，在其输出端连接微波发射器，微波发射器安置在目标层岩壁上，同时将射孔对准准岩壁。导波管底部和微波发射器安装减震装置并加强加固，避免破裂过程中引起剧烈晃动对装置进行损坏。

在注入井口设置干冰输送管，输送管材料选择耐高温耐高压的材料，管口直径大约1米。输送管输入端管口与射流装置输出口相接。输出端安置于注入井底部，与射流喷嘴连接，距离井内最低高度约2至3米。输出端安装减震装置并加强加固，防止颗粒干冰吸热相变爆炸导致管体摇动发生松动影响干冰输入。同时干冰输送管的底部管口直径需增大0.5米，实现干冰的顺利输送以防堵塞。

在距离注入井约100m处钻取深度约为50米的安装井，在安装井内安置传感器。在安装井口距离约10米的位置安装一套完整的微震监测系统。所述传感器于微震监测系统通过缆线连接，对所划定的施工地区的爆破范围进行监测，用于指导生产的布置。

打开微波发生器的开关，将微波频率调至200GHz左右，微波发生器激发微波并通过微波发射器射孔对目标层进行加热，目标温度逐渐提升，同时对目标层岩体进行测温，待温度达到700℃后，关闭微波发生器。

运行射流装置，将制备好的温度低于-80℃的颗粒状干冰经输送管泵入生产井底部。颗粒干冰到达目标层通过射流喷嘴以射流形式冲击岩壁并吸热相变，体积迅速增大在底部狭窄的岩体空间中发生爆炸对岩壁进行破裂。由于干冰的吸热，生产井底部干热岩目标层井壁的岩体表面温度会下降。对底部井壁岩体进行测温，带温度低于100℃后，关闭干冰压力泵。

再次开启微波发生器对已经破裂形成的裂缝网再次进行照射和干冰射流冲击，产生二次破裂，重复5到10次。破裂产生的岩石碎屑会停留在岩体裂缝内部起到支撑作用，有效避免裂缝闭合。同时破裂过程中生产井内部的传感器会将数据传送至地面的微震监测系统，根据所得到的数据确定破裂的影响范围，在影响范围内采取一生产井两注入井的布局标注好生产井的施工位置。

在标注点钻取生产井，钻取深度于注入井一致。在生产井外安装微波发生器、干冰射流装置，在生产井内安装导波管、微波发生器、干冰输送管。方法同安装生产井一致，以此使得生产井与注入井联通，形成大范围的热交换面积。

待上述致裂完成之后，继续向生产井和注入井口输入足够的颗粒干冰，持续24小时，使得发生相态变化后的二氧化碳持续充入岩体裂缝，实现再次扩张和支撑的作用，可以有效避免裂隙闭合，并再次有效提升岩体的渗透性，扩大热交换面积，延长系统使用年限，得到裂隙发育优良的人工热储层。

形成理想人工热储层后，停止射流装置的运行，此时生产井口与注入井底部残留的干冰颗粒会继续充分相变膨胀，待底部压力降低后，开始拆除设备。首先将干冰输送管输入端与射流装置的管口连接拆卸，然后拆除导波管与微波发生器的连接，其次拆除生产井与注入井底部的固定设施和微波发射器，将微波发生器从井内吊出，最后将导波管与干冰输送管从井内吊出。

在生产井口距地表50米处安装抽气泵，用于收集换热后的流体，生产井口安装管道运输换热流体。向生产井内注水，水体经热储层吸热气化后携带大量热能，经目标层岩体内部缝隙扩散到生产井，通过抽气泵高速旋转，生产井底部的高热气流被收集到管道中，其携带的热量可用于发电和供暖。

Claims (3)

1.一种微波辐射与干冰射流协同建造干热岩人工热储的方法，其特征在于，具体步骤为：

A、根据干热岩地热开发区地质资料确定井组布置方案，并确定注入井位置及施工方案，采用一注口井两生产井的布置方式；

B、施工注入井，根据施工方案在选取位置进行钻井，当注入井施工到岩体温度在200℃以上目标层时，停止钻井；

C、在地表距离注入井20至30米处左侧安装微波发生器，同时在右侧20至30米处安装干冰射流装置；

D、在注入井内架设置导波管，并在导波管的输入端连接上微波发生器，在导波管的输出端连接微波发射器，所述微波发射器安置在目标层岩壁上；

E、在注入井口设置干冰输送管，所述干冰输送管的注入端与地面射流装置连接，输出端设置在目标层处，并在末端连接射流喷嘴；

F、施工监测设备安装井，在距注入井100m处钻取深度较浅的安装井，在安装井内安置传感器，同时在地面安装一套完整的微震监测系统，所述传感器与微震监测系统连接，能够监测爆破范围进行指导生产井的布置；

G、开启微波发生器，微波发生器激发微波并通过微波发射器对目标层进行照射加热，目标层温度逐渐提升，待目标层温度达到700℃后，关闭微波发生器，并运行射流装置，向目标层输入颗粒状干冰，干冰通过射流喷嘴以射流形式冲击岩壁，吸热相变；

H、目标层温度逐渐下降，待温度下降至100℃，关闭干冰压力泵，再次开启微波发生器对已经破裂形成的裂缝网再次进行照射和干冰射流，重复10到20次，同时利用地表的微震监测系统实时监测干热岩破裂过程中的数据；

I、施工生产井，根据监测结果分析爆破所形成的裂隙连通区和裂隙区以及影响范围，并将生产井施工至爆破影响范围内；

J、对生产井再次进行微波辐射和干冰射流技术破裂岩壁，其方法同步骤(F)(G)(H),达到注入井和生产井裂隙相互连通的目的，形成大范围的热交换区域；

K、上述破裂完成之后，通过注入井和生产井泵入充足颗粒状干冰，持续24小时，有效避免裂隙闭合，实现干热岩目标层产生的裂隙扩展、贯通，最终形成渗透性强、热交换面积较大、裂隙发育的理想人工热储层；

L、形成理想人工热储层后，拆除生产井和注入井中的微波发射器和导波管以及干冰输送管，在地表距离生产井50米处安转抽气泵；

M、向生产井内注水，水体经热储层后吸热汽化，通过抽气泵从生产井流出，携带的热量能够用于发电和供暖。

2.根据权利要求1所述的一种微波辐射与干冰射流协同建造干热岩人工热储的方法，其特征在于，所用的颗粒干冰直径为3mm。

3.根据权利要求1所述的一种微波辐射与干冰射流协同建造干热岩人工热储的方法，其特征在于，所用的微波频率为200GHz。