CN117166966A - 一种干热岩增强型地热系统完井管柱及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种干热岩增强型地热系统完井管柱及方法，属于干热岩开发技术领域。所述完井管柱包括主井眼管柱、与主井眼管柱分别相连通的注入分支井眼管柱和采出分支井眼管柱，且采出分支井眼管柱位于注入分支井眼管柱的上方。本发明通过在两封隔器之间连接过桥短节，实现环空注入水(液体)经过过桥短节注入下部的注入分支井眼，经过改造裂缝流入采出分支井眼，流经中心油管采出井口，有利于保持采出水的最大温度，水流由注入分支井眼进入采出分支井眼，水流克服重力影响，热量交换更充分。

Description

一种干热岩增强型地热系统完井管柱及方法

技术领域

本发明属于干热岩开发技术领域，具体涉及一种干热岩增强型地热系统完井管柱及方法，适用于干热岩资源开发利用。

背景技术

地热资源是指能够为人类经济开发和利用的地热能、地热流体及其有用组分。地球内部热能资源，包括地热流体及其有用组分。地热资源为重要的可再生能源矿产，采取合理开发利用方式，是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源。同时，地热也是医疗、旅游、化工资源。据估算，全球仅陆地地下5000m深度内，地热资源就有15.5×10²⁵J，相当于4948万亿吨标准煤。中国的地热资源也相当丰富，约有4478亿吨标准煤的储量。

对比风能、太阳能等可再生能源，地热资源具有安全、稳定、不受季节和昼夜变化的影响、清洁、低碳、可再生等优势。随着我国地热产业发展和技术攻关，相比燃烧煤炭等不可再生能源，地热能开发具有一定的成本优势。

地热资源在缓解常规能源供应紧张和改善生态环境等方面可发挥明显的作用。据预测，中国未来能源供应缺口将越来越大，2010年约缺能8％，到2050 年将短缺24％左右。考虑能源安全问题，也应大力开发包括地热能在内的新能源与可再生能源。

在国际原油市场强烈震荡之际，我国已经开始寻求大力发展新型能源和可再生能源的电力开发，地热能便是其中之一。地热发电，需要利用高温地热流体。地处藏滇高温地热带的藏南、川西、滇西等无电缺电地区，地热动力开发也起着重要的作用。

干热岩地热被认为是一种绿色能源，一般是指埋深3000-5000m，温度大于180℃的花岗岩岩体，属于一种低碳清洁能源。常规干热岩资源的开发主要利用增强型地热系统(Enhanced Geothermal System，EGS)来提取其内部的热量。增强型地热系统通过水力压裂等工程手段在地下深部低渗透性高温岩体中形成人工裂缝，利用回灌井注水，注入的水沿着储层裂缝和节理或者人造缝网运动并与周边的岩石发生热交换，产生了高温高压水或水汽混合物。

中国专利公开文献CN110952928A公开了一种高效开发利用干热岩完井装置及方法，通过小位移短水平井及井身结构采用环形弯曲导流器和绝热管方法将地面室温水通过环形弯曲导流器与二开套管之间的环空流入井底，地面室温水通过短半径水平段来吸取井筒周围干热岩热量，高温水通过绝热管流出井底。该方法热交换面积较小，影响热量的开发功率和干热岩井的使用寿命。

因此，亟需研发一种新型增强型地热系统开发方法及管柱，以提高干热岩的换热效率，降低开发成本解决上述技术局限性。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种干热岩增强型地热系统完井管柱及方法，能够形成一个巨大的热交换系统，实现同井注入、生产的目的，实现少占地、少钻井，增加换热接触面积，提高换热效率的效果，提升干热岩开发效益，降低开发成本，延长干热岩井的使用寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一个方面，提供了一种干热岩增强型地热系统完井管柱，包括：

主井眼管柱；

注入分支井眼管柱，与所述主井眼管柱相连通；

采出分支井眼管柱，与所述主井眼管柱相连通，且位于所述注入分支井眼管柱的上方。

本发明的进一步改进在于：

所述主井眼管柱包括生产套管和套设于所述生产套管上部的表层套管，所述生产套管的底部设有井底支座。

本发明的进一步改进在于：

所述生产套管内设有由上至下依次连接的第一油管、过桥短节和第二油管，所述过桥短节分别与所述第一油管和所述第二油管通过油管丝扣连接。

本发明的进一步改进在于：

所述过桥短节包括本体，所述本体的侧壁上部设有两个相对的流入口，两个所述流入口分别与设置于所述本体内的两个流入通道相连通，所述流入通道的一端与所述流入口相连，另一端贯穿至所述本体底端；

所述第一油管与所述生产套管形成的油套环空与所述流入口相连通。

本发明的进一步改进在于：

所述本体的侧壁上且位于所述流入口下方的位置设有两个相对的流出口，两个所述流出口分别与设置于所述本体内的两个流出通道相连通，所述流出通道的一端与所述流出口相连，另一端贯穿至所述本体的顶端。

本发明的进一步改进在于：

所述生产套管内位于采出分支井眼管柱的上方设有第一封隔器，所述第一封隔器位于过桥短节流入口和流出口之间。

本发明的进一步改进在于：

所述生产套管内位于所述采出分支井眼管柱和所述注入分支井眼管柱之间的位置设有第二封隔器，且所述第二封隔器位于过桥短节流出口的下方。

本发明的进一步改进在于：

所述第二油管的侧壁上设有多个孔眼。

本发明的进一步改进在于：

所述注入分支井眼管柱内设有注入分支井眼油管，靠近主井眼管柱的一端的注入分支井眼油套环空中设有注入分支井眼封隔器；

注入分支井眼油套环空的另一端还设有扶正器。

本发明的进一步改进在于：

所述采出分支井眼管柱内设有采出分支井眼油管，靠近主井眼管柱的一端的采出分支井眼油套环空中设有采出分支井眼封隔器；

采出分支井眼油套环空的的另一端还设有扶正器。

本发明的进一步改进在于：

所述注入分支井眼管柱和所述采出分支井眼管柱可沿不同方向设有多个，且所述注入分支井眼管柱和所述采出分支井眼管柱均相对应。

本发明的第二个方面，提供了一种干热岩增强型地热系统完井方法，所述方法具体包括以下步骤：

第一步，主井眼钻井施工

先进行一开钻井下入表层套管，然后进行二开钻井进入生产套管；

第二步，采出分支井眼的钻井施工

沿不同方向钻取多个采出分支井眼，在采出分支井眼中下入采出分支井眼管柱，然后进行采出分支井眼的分段压裂，压裂结束后，下入采出分支井眼油管、扶正器和采出分支井眼封隔器；

第三步，注入分支井眼的钻井施工

在位于采出分支井眼下方的设计位置钻取多个注入分支井眼，在注入分支井眼中下入注入分支井眼管柱，然后进行注入分支井眼的分段压裂，压裂结束后，下入注入分支井眼油管、扶正器和注入分支井眼封隔器；

第四步，在生产套管底部下入井底支座，在生产套管内下入依次连接的第二油管、第二封隔器、过桥短节、第一封隔器和第一油管，使得第二油管与井底支座相配合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过在两封隔器之间连接过桥短节，实现环空注入水(液体)经过过桥短节注入下部的注入分支井眼，经过改造裂缝流入采出分支井眼，流经中心管路采出井口，有利于保持采出水的最大温度，水流由注入分支井眼进入采出分支井眼，水流克服重力影响，热量交换更充分。

本发明通过一种干热岩增强型地热系统完井管柱及方法，可实现干热岩资源的高效开发利用，实现注入水(液体)和干热岩体的充分的、大面积的热量交换，实现采出水(液体)的温度及热值满足高效开发要求，实现同井满足注入和采出需求，实现干热岩开发的集约化，提高开发效率和效益，提高干热岩井的使用寿命。

本发明在分支井眼管柱中下入分支井眼油管，避免注入水(液体)“短路”，提高开发效率和效益，提高干热岩井的使用寿命。

应用本发明完井管柱及方法可以提高增强型地热系统的换热体积及换热能力，提高换热效率和换热功率，提高干热岩的开发效率和开发效果，提高干热岩井的使用寿命，提升整体开发效益。

本发明原理简单，可靠性高，提高干热岩的开发效果，利于降碳环保行动。

附图说明

图1是本发明干热岩增强型地热系统完井管柱结构示意图；

图2是过桥短节的剖视图；

图3是过桥短节的俯视图；

图4是干热岩增强型地热系统井身结构示意图；

其中：A1、A2采出分支井眼；B1、B2注入分支井眼；

图5是干热岩增强型地热系统A1、A2分支井眼建造过程示意图；

图6是干热岩增强型地热系统B1、B2分支井眼建造过程示意图；

其中：1、表层套管，2、生产套管，3、第一油管，4、第一封隔器，5、过桥短节，5-1、本体，5-2、流入口，5-3、流入通道，5-4、流出口，5-5、流出通道，6、采出分支井眼封隔器，7、采出分支井眼油管，8、裂缝，9、井底支座，10、第二封隔器，11、第二油管，12、注入分支井眼封隔器，13、注入分支井眼油管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明采用一种干热岩增强型地热系统完井管柱及方法，在干热岩开发过程中，使用一种钻分支井、分支井压裂连通和分支井井眼和主井眼分别下入完井管柱，建成一种新型增强型地热开发系统，实现干热岩注入循环的巨大热交换系统，使得注入水(液体)进行多次的循环流动，进行充分热交换，提升采出水(液体)的温度，提高干热岩开发井的开发效益和工作寿命。

如图1所示，本发明提供了一种干热岩增强型地热系统完井管柱，包括：

主井眼管柱；

注入分支井眼管柱，与主井眼管柱相连通；

采出分支井眼管柱，与主井眼管柱相连通，且位于注入分支井眼管柱的上方。

【实施例1】

如图1所示，主井眼管柱包括生产套管2和套设于生产套管2上部的表层套管1，生产套管2的底部设有井底支座9，井底支座9可以保障主井眼管柱的支撑及居中和深度定位。生产套管2采用隔热套管，使得产出水(液体)保温，防止热量流失。

生产套管2内设有由上至下依次连接的第一油管3、过桥短节5和第二油管11，过桥短节5分别与第一油管3和第二油管11通过油管丝扣连接。

如图2和图3所示，过桥短节5包括本体5-1，本体5-1的侧壁上部设有两个相对的流入口5-2，两个流入口5-2分别与设置于本体5-1内的两个流入通道 5-3相连通，流入通道5-3的一端与流入口5-2相连，另一端贯穿至本体5-1底端；第一油管3与生产套管2形成的油套环空与流入口5-2相连通，当注入水 (液体)经过油套环空进入到生产套管2内后，注入水(液体)会依次经过流入口5-2和流入通道5-3流入至第二油管11内，进而进入注入分支井眼管柱中。

本体5-1的侧壁上且位于流入口5-2下方的位置设有两个相对的流出口 5-4，两个流出口5-4分别与设置于本体5-1内的两个流出通道5-5相连通，流出通道5-5的一端与流出口5-4相连，另一端贯穿至本体5-1的顶端。当注入分支井眼管柱的注入水(液体)通过裂缝8进入至注采出分支井眼管柱后，在经过流出口5-4和流出通道5-5进入到第一油管3内采出井口。

如图1所示，生产套管2内位于采出分支井眼管柱的上方设有第一封隔器 4，第一封隔器4位于过桥短节流入口5-2和流出口5-4之间，使得经油套环空流入的注入水(液体)能够顺利经过流入口5-2和流入通道5-3进入到第二油管11内。

生产套管2内位于采出分支井眼管柱和注入分支井眼管柱之间的位置设有第二封隔器10，且第二封隔器10位于过桥短节流出口5-4的下方，使得通过裂缝8流入到采出分支井眼管柱中注入水(液体)，能够顺利经过流出口5-4和流出通道5-5进入到第一油管3内采出井口。

如图1所示，第二油管10的侧壁上设有多个孔眼，使得通过过桥短节5 的流入口5-2和流入通道5-3进入第二油管11内的注入水(液体)能够进入到注入分支井眼管柱中。

【实施例2】

注入分支井眼管柱内设有注入分支井眼油管13，注入分支井眼油管13的底部与注入分支井眼管柱的底部保持一定距离(或有间隙)，且靠近主井眼管柱的一端的注入分支井眼油套环空中设有注入分支井眼封隔器12，使得注入水 (液体)能够从注入分支井眼油管13中进入，再通过注入分支井眼油套环空进入到裂缝8中，在注入分支井眼油套环空的另一端还设有扶正器，作用是对注入分支井眼油管13的扶正和支撑。

【实施例3】

采出分支井眼管柱内设有采出分支井眼油管7，采出分支井眼油管7底部与采出分支井眼管柱底部保持一定距离(或有间隙)，且靠近主井眼管柱的一端的采出分支井眼油套环空中设有采出分支井眼封隔器6，使得注入水(液体) 通过裂缝8进入到采出分支井眼油套环空内，再经过采出分支井眼油管7和过桥短节5的流出口5-4进入到流出通道5-5中，最终经第一油管3采出井口；在采出分支井眼油套环空的的另一端还设有扶正器，作用是对采出分支井眼油管7的扶正和支撑。

【实施例4】

注入分支井眼管柱和采出分支井眼管柱可沿不同方向设有多个，且注入分支井眼管柱和采出分支井眼管柱均相对应，例如图4中，上层为A1、A2采出双分支，下层为B1、B2注入双分支，A1和B1对应，A2和B2对应。

注入分支井眼管柱和采出分支井眼管柱垂直方向的距离根据干热岩层的厚度确定，一般为50-250m，优选为110-180m。

在钻井过程中，先进行主井眼的钻井，下套管固井，生产套管使用隔热套管，使得产出水(液体)保温，防止热量流失；

然后进行A1、A2采出分支井眼的钻井，如图5所示，A1、A2采出分支井眼钻完后下入采出分支井眼管柱，分别对A1、A2采出分支井眼进行分段压裂，压裂时进行裂缝监测，掌握裂缝的延伸高度。此时，采出分支井眼管柱内由可溶材料封住，防止B1、B2注入分支井眼施工时污染完井的A1、A2采出分支井眼；

再进行BA、B2注入分支井眼的钻井，B1、B2注入分支井眼钻完后下入注入分支井眼管柱，分别对B1、B2注入分支井眼进行分段压裂，如A1、A2 分支井眼的管柱类似，注入分支井眼管柱内由可溶材料封住，防止主井眼完井施工时污染完井的B1、B2分支井眼，B1、B2注入分支井眼钻井完成时的状态如图6所示；

分别对采出分支井眼和注入分支井眼进行分段压裂形成改造裂缝，使得采出分支井眼和注入分支井眼通过改造裂缝有效连通，为注入水(液体)提供渗流通道；

再对主井眼进行完井管柱的施工，完井后的管柱结构如图1所示。完井后，待分支井眼的可溶材料溶解后，即可以进行试注水(液体)测试，待测试完毕后，即可进行地面设备的安装调试，调试成功后就可以进行干热岩发电等的开发运行。

本发明的注入泵和提取泵布置于地面，这样不但可以提高泵配置的灵活性，而且可以显著提高泵的寿命及维修的灵活性。

采出分支井眼和注入分支井眼分别进行分段压裂，分段压裂管柱可以选择多级水力喷射管柱进行施工，还可以选择双封隔器拖动分段压裂管柱施工。段间距一般选取20-150m，优选为60-120m。分段压裂段数及每段控制参数应根据干热岩开发发电功率计算所需的换热面积来确定所需改造的干热岩体积，反复多次优化模拟计算，选取优化结果参数。

本发明还提供了一种干热岩增强型地热系统完井方法，所述方法的实施例如下：

【实施例5】

所述方法具体包括以下步骤：

第一步，确定干热岩的井位

具体为：收集括物探地震资料、地温资料等，在有利地区选取有利区块，选取开发干热岩井的坐标位置，确定开发的有利层段。

第二步，收集各种资料，进行干热岩分支井的钻完井方案设计和工程设计，确定分支井的井身结构和井眼轨迹，确定压裂施工工艺参数及完井管柱结构参数，提出工程控制的指标要求，井身结构如图1所示。

第三步，主井眼钻井施工

具体为：先进行一开钻井下入表层套管1，然后进行二开钻井进入生产套管2，生产套管2为隔热套管。

第四步，采出分支井眼的钻井施工

具体操作为：如图5所示，进行采出分支井眼A1、A2的施工，钻成井后下入采出分支井眼管柱，进行采出分支井眼A1、A2的分段压裂，分段压裂管柱可以选择多级水力喷射管柱进行施工，还可以选择双封隔器拖动分段压裂管柱施工，分段压裂段数及每段控制参数应根据干热岩开发发电功率计算所需的换热面积来确定所需改造的干热岩体积，反复多次模拟计算，选取优化结果参数，压裂结束后，下入采出分支井眼油管6、扶正器和采出分支井眼封隔器7，采出分支井眼油管7采用可溶材料封堵，溶解时间根据注入分支井眼完井施工时间确定，留有足够的安全系数。

第五步，注入分支井眼的钻井施工

如图6所示，进行注入分支井眼B1、B2的施工，钻成井后下入注入分支井眼管柱，进行注入分支井眼B1、B2的分段压裂，分段压裂管柱可以选择多级水力喷射管柱进行施工，还可以选择双封隔器拖动分段压裂管柱施工，分段压裂段数及每段控制参数应根据干热岩开发发电功率计算所需的换热面积来确定所需改造的干热岩体积，反复多次模拟计算，选取优化结果参数，压裂结束后，下入注入分支井眼油管13、扶正器和注入分支井眼12封隔器，注入分支井眼油管13采用可溶材料封堵，溶解时间根据主井眼完井施工时间确定，留有足够的安全系数。

第六步，在生产套管2底部下入井底支座9，井底支座9可以保障主井眼管柱的支撑及居中和深度定位；在生产套管2内下入依次连接的第二油管11、第二封隔器10、过桥短节5、第一封隔器4和第一油管3，使得第二油管11与井底支座9相配合；

第二封隔器10位于过桥短节流出口5-4的下方，第一封隔器4位于过桥短节流入口5-2和流出口5-4之间，第一封隔器4和第二封隔器10将采出分支井眼A1、A2和注入分支井眼B1、B2封隔开来，由于两个封隔器之间连接有过桥短节，实现环空注入水(液体)经过过桥短节5、第二油管11注入下部的注入分支井眼B1、B2，经过裂缝流入采出分支井眼A1、A2，流经第一油管3路采出井口。

第七步，安装地面发电设备，完成设备安装、调试，实现正式发电等干热岩开发。本发明的注入泵和提取泵布置于地面，这样不但可以提高泵配置的灵活性，而且可以显著提高泵的寿命及维修的灵活性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的技术方案，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (12)

1.一种干热岩增强型地热系统完井管柱，其特征在于，所述完井管柱包括：

主井眼管柱；

注入分支井眼管柱，与所述主井眼管柱相连通；

采出分支井眼管柱，与所述主井眼管柱相连通，且位于所述注入分支井眼管柱的上方。

2.根据权利要求1所述的干热岩增强型地热系统完井管柱，其特征在于，所述主井眼管柱包括生产套管和套设于所述生产套管上部的表层套管，所述生产套管的底部设有井底支座。

3.根据权利要求2所述的干热岩增强型地热系统完井管柱，其特征在于，所述生产套管内设有由上至下依次连接的第一油管、过桥短节和第二油管，所述过桥短节分别与所述第一油管和所述第二油管通过油管丝扣连接。

4.根据权利要求3所述的干热岩增强型地热系统完井管柱，其特征在于，所述过桥短节包括本体，所述本体的侧壁上部设有两个相对的流入口，两个所述流入口分别与设置于所述本体内的两个流入通道相连通，所述流入通道的一端与所述流入口相连，另一端贯穿至所述本体底端；

所述第一油管与所述生产套管形成的油套环空与所述流入口相连通。

5.根据权利要求4所述的干热岩增强型地热系统完井管柱，其特征在于，所述本体的侧壁上且位于所述流入口下方的位置设有两个相对的流出口，两个所述流出口分别与设置于所述本体内的两个流出通道相连通，所述流出通道的一端与所述流出口相连，另一端贯穿至所述本体的顶端。

6.根据权利要求5所述的干热岩增强型地热系统完井管柱，其特征在于，所述生产套管内位于采出分支井眼管柱的上方设有第一封隔器，所述第一封隔器位于过桥短节流入口和流出口之间。

7.根据权利要求5所述的干热岩增强型地热系统完井管柱，其特征在于，所述生产套管内位于所述采出分支井眼管柱和所述注入分支井眼管柱之间的位置设有第二封隔器，且所述第二封隔器位于过桥短节流出口的下方。

8.根据权利要求6或7所述的干热岩增强型地热系统完井管柱，其特征在于，所述第二油管的侧壁上设有多个孔眼。

9.根据权利要求8所述的干热岩增强型地热系统完井管柱，其特征在于，所述注入分支井眼管柱内设有注入分支井眼油管，靠近主井眼管柱的一端的注入分支井眼油套环空中设有注入分支井眼封隔器；

注入分支井眼油套环空的另一端还设有扶正器。

10.根据权利要求9所述的干热岩增强型地热系统完井管柱，其特征在于，所述采出分支井眼管柱内设有采出分支井眼油管，靠近主井眼管柱的一端的采出分支井眼油套环空中设有采出分支井眼封隔器；

采出分支井眼油套环空的的另一端还设有扶正器。

11.根据权利要求10所述的干热岩增强型地热系统完井管柱，其特征在于，所述注入分支井眼管柱和所述采出分支井眼管柱可沿不同方向设有多个，且所述注入分支井眼管柱和所述采出分支井眼管柱均相对应。

12.一种干热岩增强型地热系统完井方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

第一步，主井眼钻井施工

先进行一开钻井下入表层套管，然后进行二开钻井进入生产套管；

第二步，采出分支井眼的钻井施工

沿不同方向钻取多个采出分支井眼，在采出分支井眼中下入采出分支井眼管柱，然后进行采出分支井眼的分段压裂，压裂结束后，下入采出分支井眼油管、扶正器和采出分支井眼封隔器；

第三步，注入分支井眼的钻井施工

在位于采出分支井眼下方的设计位置钻取多个注入分支井眼，在注入分支井眼中下入注入分支井眼管柱，然后进行注入分支井眼的分段压裂，压裂结束后，下入注入分支井眼油管、扶正器和注入分支井眼封隔器；

第四步，在生产套管底部下入井底支座，在生产套管内下入依次连接的第二油管、第二封隔器、过桥短节、第一封隔器和第一油管，使得第二油管与井底支座相配合。