CN117605452A - 基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法及装置，干热岩热储建造技术领域；首先选取含裂缝充填带的深部非均质粗粒岩层作为干热岩热储建造的目标地层；将水注入至目标地层内并覆盖所有裂缝充填带；水注入岩体产生的温度差产生热应力，当热冲击下晶体交界面处的热应力达到岩体抗拉强度时产生热破裂，从而在裂缝充填带与母岩胶结界面处形成热破裂裂缝；将常温水注入目标地层，在地面与井内通过水循环形成多层次裂缝；各层次裂缝相互贯通，完成含复杂裂缝网络的干热岩热储建造；本发明规避了巨型水力压裂的附属技术问题，形成多层次复杂裂缝网络的干热岩热储建造，可规模、高效建造干热岩高渗热储。
Description
技术领域
本发明属于干热岩热储建造技术领域，涉及一种基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法及装置。
背景技术
干热岩地热资源具有温度高、储量丰富、分布广泛等优点。目前，国际上普遍利用增强型地热系统（Enhanced Geothermal System，简称EGS）进行干热岩地热开采，其核心机理为利用巨型水力压裂技术建造人工热储用以热提取。干热岩地层岩性以花岗岩为主，由于其极低渗性和高强度等特点，加上深部干热岩地层地应力对水力裂缝扩展的影响，导致巨型水力压裂施工难度大、工程成本高，所建造裂缝系统多为单一裂缝、裂缝系统复杂程度低、换热效果差，难以实现干热岩地热商业化利用。此外，水力压裂过程中的高注入压力还有可能诱发地震，造成安全隐患。
发明内容
本发明克服现有技术的不足，提出一种基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法及装置。解决目前干热岩地热EGS开采过程中，水力压裂施工压力大、成本高，所建造人工热储裂缝系统复杂程度低、换热效果差的技术问题。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，包括以下步骤：
1）选取含裂缝充填带的深部非均质粗粒母岩作为干热岩热储建造的目标地层；
2）建造主裂缝：将水注入至目标地层内并覆盖所有裂缝充填带；水注入岩体产生的温度差产生热应力，当热冲击下晶体交界面处的热应力达到岩体抗拉强度与法向地应力之和时产生热破裂，从而在裂缝充填带与母岩的胶结界面处形成热破裂裂缝；然后注入高度为h的水，使热破裂裂缝在裂缝充填带与母岩的胶结界面处进行扩展，形成主裂缝；h由式（Ⅲ）和式（Ⅳ）联立计算得到：
式中：
p-流体压力，MPa；-流体（水）密度，1000kg/m3；g-重力加速度，10N/kg；h-流体高度，m；/>-晶体交界面处的热应力，MPa；/>-法向地应力，MPa；K Ic-断裂韧性，/>；/>-裂缝半长，m；
3）建造次级裂缝：将常温水注入目标地层，并且通过提水泵形成地面与井内的水循环，在热冲击作用和水动力作用下，目标地层沿裂缝充填带围岩内非均质粗矿物晶体边界形成多层次裂缝；各层次裂缝相互贯通，完成含复杂裂缝网络的干热岩热储建造。
优选的，所述热破裂裂缝的制造方法为：在地面施工注水井至目标地层底部，下入提水泵至目标地层底部；在地面设地面水泵，打开地面水泵，将水经注入井内的提水泵管与井筒套管间的环空注入井筒并覆盖目标地层内所有裂缝充填带；待水温稳定后，利用提水泵将井筒内水全部抽出，等待热储温度恢复；重复注水和抽水操作进而在裂缝充填带与母岩的胶结界面处形成热破裂裂缝。
更优的，注水和抽水操作的重复次数由目标地层的裂缝充填带与母岩的物理性质、力学及矿物性质决定，经实验室试验获得，以在裂缝充填带与母岩的胶结界面处形成裂缝半长≥0.01m的热破裂裂缝。
优选的，热冲击下晶体交界面处的热应力满足公式/>：
步骤2）中注入水的温度=目标地层的温度—ΔT；所述ΔT满足公式（Ⅱ）：
式中：
-热冲击下晶体交界面处的热应力，MPa；
-法向地应力，MPa；
-抗拉强度，MPa；
E1，E2-两相邻矿物颗粒的弹性模量，MPa；
-两相邻矿物颗粒的热膨胀系数，℃-1；
ΔT-温度差，℃。
更优的，步骤3）是将20℃常温水注满注水井井筒，随后同步开启提水泵，促使水形成地面-环空-提水泵管-地面的循环；在热冲击作用和水动力作用下，目标地层沿裂缝充填带围岩内非均质粗矿物晶体边界形成次级裂缝；与此同时，主裂缝、次级裂缝相互贯通，完成含复杂裂缝网络的干热岩热储建造。
优选的，当目标地层与常温水的温度差ΔT带入式（V）得到的热应力达到岩体抗拉强度与法向地应力之和时，表明裂缝充填带与母岩的胶结界面由于热膨胀产生了原生裂缝，所述原生裂缝可直接作为主裂缝使用；则省略步骤2），直接建造次级裂缝；所述的式（V）为：
；
式中：
-热膨胀作用下晶体交界面处的热应力，MPa；
E1，E2-两相邻矿物颗粒的弹性模量，MPa；
-两相邻矿物颗粒的热膨胀系数，℃-1；
ΔT-温度差，℃。
更优的，所述深部非均质粗粒岩层为花岗岩母岩，当目标地层的温度≥400℃时，将裂缝充填带与母岩的胶结界面具有的原生裂缝作为主裂缝。
用于所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法的干热岩热储建造装置，在地面施工注水井至目标地层底部；目标地层之上的地层全部套管固井，目标地层全段裸孔完井；在目标地层的底部设置提水泵，在地面设置地面水泵；在注水井内下入提水泵管；打开地面水泵，将水经提水泵管与井筒套管间的环空注入目标地层并覆盖目标地层内所有裂缝充填带。
优选的，地面水泵大流量工作时，地面水泵的流量≥160m3/h；地面水泵与提水泵同步小流量工作时，二者的流量为10-30m3/h，实现低成本水循环。
优选的，提水泵距目标地层底部的距离≤40cm。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
（1）本发明通过在注水过程中产生的热冲击作用和水动力作用，诱发干热岩目标地层沿母岩与裂缝充填带间胶结界面处形成主裂缝，同时沿裂缝充填带围岩内非均质粗矿物晶体边界及裂缝充填带内部溶蚀孔隙形成次级裂缝。上述区域的孔隙、裂隙的扩展会摆脱地应力的控制，相互贯通，最终形成复杂裂缝系统。
（2）地质构造运动以及深部良好的成岩环境保证了裂缝充填带和母岩内非均质粗矿物晶体赋存的普遍性和复杂性。因此，形成的主裂缝和次级裂缝系统足以满足干热岩热储体积要求。
（3）本发明省略了巨型水力压裂步骤，规避了巨型水力压裂的附属技术问题，大幅简化了干热岩热储建造流程，降低了施工成本，可规模、高效建造干热岩高渗热储。
（4）本发明适用于含裂缝充填带和非均质粗矿物晶体的中高温干热岩热储建造，同时可对含裂缝充填带和非均质粗矿物晶体的页岩气、天然气、石油等储层建造提供参考。
附图说明
图1是本发明基于裂缝充填带和非均质粗矿物晶体的干热岩热储建造方法的施工工艺图。
图2是实施例1中水注入前中高温干热岩目标地层局部情况示意图。
图3是实施例1中水注入前期中高温干热岩目标地层局部裂缝发育情况示意图。
图4是实施例1中水注入末期中高温干热岩目标地层局部裂缝发育情况示意图。
图5是实施例2中水注入前高温干热岩目标地层局部情况示意图。
图6是实施例2中水注入前期高温干热岩目标地层局部裂缝发育情况示意图。
图7是实施例2中水注入末期高温干热岩目标地层局部裂缝发育情况示意图。
图中，1-目标地层；2-花岗岩母岩；3-裂缝充填带；4-第一粗矿物晶体；5-溶蚀孔隙；7-注水井；8-固井段；9-裸孔；10-压力传感器；11-提水泵；12-地面水泵；13-提水泵管；14-井筒套管间的环空；15-胶结界面；16-主裂缝；17-渗流通道；18-粗矿物晶体边界；19-次生热致裂缝；20-第二粗矿物晶体；22-原生裂缝。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
实施例1
如图1、图2、图3和图4所示，本实施例中的一种基于裂缝充填带和非均质粗矿物晶体的中高温干热岩热储建造方法，根据相关水文和地质勘探资料，选取含裂缝充填带3的深部非均质粗粒花岗岩地层作为干热岩热储建造的目标地层1。目标地层1平均埋深2000m，厚度400m，温度180℃。目标地层1由花岗岩母岩2和裂缝充填带3组成。花岗岩母岩2与裂缝充填带3的主要矿物性质见表1。其中，角闪石构成了花岗岩母岩2内的第一粗矿物晶体4。火山活动产生的热液含有H2S，HCL，HF，SO2，CO，CO2等酸性组分，裂缝充填带3因酸性物质的溶蚀作用形成大量溶蚀孔隙5。本实施例中选取的目标地层1内含有8条裂缝充填带3，垂直方向上相邻的两条裂缝充填带3平均间隔为50m，且含有一条长度为3km、厚度为20cm的裂缝充填带3，见图2。在地面施工注水井7至目标地层1底部，目标地层1之上的注水井7部分全部设固井段8，在进入目标地层1全段内的注水井7上设置裸孔9。下入装有温度传感器与压力传感器10的提水泵11至目标地层1底部，提水泵11距目标地层1底部的距离为40cm。
干热岩热储建造注水过程中，水注入高温岩体便会产生温度差，进而产生热应力。根据最大拉应力准则，当最大拉应力即热冲击下晶体交界面处的热应力达到岩体抗拉强度时，便会产生热破裂现象，即满足：
式中：
-热冲击下晶体交界面处的热应力，MPa；
-法向地应力，MPa；
-抗拉强度，MPa；
E1，E2-两相邻矿物颗粒的弹性模量，MPa；
-两相邻矿物颗粒的热膨胀系数，℃-1；
ΔT-温度差，℃。
目标地层埋深2000m，则为50MPa。实验室测得花岗岩母岩抗拉强度15MPa，含胶结界面花岗岩抗拉强度9MPa。由式/>、（Ⅱ）计算可得当温度差ΔT在128-141℃之间时，只会在裂缝充填带3与花岗岩母岩2的胶结界面15处形成热致裂缝。
根据以上的计算结果，打开地面水泵12，将特定温度为50℃的水（与目标地层1的温度差为130℃）经提水泵管13与井筒套管间的环空14注入目标地层1至覆盖目标地层1内所有裂缝充填带3，水注入流量为200m3/h，以减少水与固井段8之间的换热。在热冲击作用下，裂缝充填带3与花岗岩母岩2的胶结界面15处发生热破裂并形成裂缝。待温度传感器监测水温稳定后，利用提水泵11将井筒内水全部抽出，等待热储温度恢复。
实验室测得岩体温度180℃、注入水温度50℃条件下，循环5次热冲击便可在裂缝充填带3与花岗岩母岩2的胶结界面15处形成裂缝半长a为0.01m的裂缝。所以，重复50℃水注入与抽出循环5次，在裂缝充填带3与花岗岩母岩2的胶结界面15处形成裂缝半长a为0.01m的裂缝。
热储建造注水过程中所形成的裂缝为张开型裂缝（Ⅰ型裂缝）。根据线弹性断裂力学理论的应力强度因子断裂准则，针对张开型裂缝，当裂缝尖端应力强度因子大于或等于岩石断裂韧性时，裂缝开始扩展。综合考虑注水过程中岩体受力情况，裂缝会发生扩展当满足：
式中：
p-流体压力，MPa；
-流体（水）密度，1000kg/m3；
g-重力加速度，10N/kg；
h-流体高度，m；
-晶体交界面处的热应力，MPa；
-法向地应力，MPa；
K Ic-断裂韧性，；
-裂缝半长，m。
目标地层1埋深2000m，则为50MPa；当注入水温度为50℃，即水与目标地层1温度差为130℃时，由式（Ⅱ）计算可得热冲击作用下花岗岩母岩2内热应力可达50MPa，裂缝充填带3与花岗岩母岩2的胶结界面15处热应力可达60MPa；实验测试得到180℃下母岩断裂韧性为2/>，裂缝充填带3与花岗岩母岩2的胶结界面15断裂韧性为1.8/>；裂缝半长a为0.01m。由式（Ⅲ）、（Ⅳ）计算可得，当注入水深度在16-1128m之间时，裂缝只会在裂缝充填带3与花岗岩母岩2的胶结界面15处扩展。
根据上述计算结果，利用地面水泵12将温度为50℃的水（与目标地层温度差为130℃）经提水泵管13与井筒套管间的环空14注入目标地层1，根据压力传感器10监测压力将注水深度控制在600-700m之间，水注入流量为200m3/h，以减少水与固井段8之间的换热。在热冲击作用和水动力作用下，目标地层1沿裂缝充填带3与花岗岩母岩2的胶结界面15处形成主裂缝16，见图3。
待主裂缝16建造完成后，将20℃常温水以200m3/h的流量注满注水井7。随后调节地面水泵12并同步开启提水泵11，促使水形成地面-环空-提水泵管13-地面的低成本循环，对目标地层1进行持续热冲击，地面水泵12和提水泵11流量皆为20m3/h。提水泵11含有过滤装置，可有效过滤岩屑等杂质。由式-（Ⅳ）计算可得，当注入水温度为20℃（与目标地层1温度差为160℃）、流体压力为20MPa（2000m水压）时，在热冲击作用和水动力作用下，目标地层1会沿裂缝充填带3围岩内第一粗矿物晶体4的粗矿物晶体边界18处形成次生热致裂缝19。裂缝充填带3内溶蚀孔隙5会相互贯通，形成渗流通道17，见图4。与此同时，裂缝充填带3与花岗岩母岩2的胶结界面15处的主裂缝16、裂缝充填带3内部渗流通道17和第一粗矿物晶体4的粗矿物晶体边界18处的次生热致裂缝19进一步扩展、相互贯通，完成含复杂裂缝网络的干热岩热储建造，见图4。
实施例2
如图1、图5、图6和图7所示，本实施例中的一种基于裂缝充填带和非均质粗矿物晶体的高温干热岩热储建造方法，根据相关水文和地质勘探资料，选取含裂缝充填带3的深部非均质花岗岩地层作为干热岩热储建造的目标地层1。目标地层1平均埋深2000m，厚度500m，温度为400℃。目标地层1由花岗岩母岩2和裂缝充填带3组成。目标地层1的花岗岩母岩2与裂缝充填带3主要矿物同实施例1。角闪石构成了花岗岩母岩2内的第二粗矿物晶体20。裂缝充填带3内部含有溶蚀孔隙5。目标地层1内含有10条裂缝充填带3，垂直方向上相邻的两条裂缝充填带3平均间隔为50m，且存在一条长4km、宽30cm的裂缝充填带3，见图5。
在地面施工注水井7至目标地层1底部，注水井7固井工艺同实施例1。下入装有温度传感器与压力传感器10的提水泵11至目标地层1底部，提水泵11距目标地层1底部的距离为40cm。
随着干热岩地层温度的升高，组成干热岩体的矿物晶体会发生热膨胀，根据最大拉应力准则，当最大拉应力达到岩体抗拉强度时，便会发生热破裂。花岗岩母岩2和裂缝充填带3极端的非均质性导致两者间的胶结界面15处相邻矿物晶体的热膨胀量差异显著，最终形成热破裂裂缝。实验室测得本实施例中花岗岩母岩2的抗拉强度15MPa，胶结界面15花岗岩抗拉强度9MPa。由热膨胀作用下岩体内两相邻矿物晶体交界面处热应力计算公式（Ⅴ）并结合式计算可得，当目标地层地应力为50MPa（埋深2000m），目标地层温度在400℃时，便会在裂缝充填带3与花岗岩母岩2的胶结界面15处形成热破裂裂缝。如图5所示，在400℃高温作用下，干热岩目标地层内裂缝充填带3与花岗岩母岩2的胶结界面15处已形成原生裂缝22。
式中：
-热膨胀作用下晶体交界面处的热应力，MPa；
E1，E2-两相邻矿物颗粒的弹性模量，MPa；
-两相邻矿物颗粒的热膨胀系数，℃-1；
ΔT-温度差，℃。
打开地面水泵12，将20℃常温水以200m3/h的流量经提水泵管13与井筒套管间的环空14注入目标地层1至注满注水井7。随后调节地面水泵12并同步开启提水泵11，促使水形成地面-环空-提水泵管13-地面的低成本循环，对目标地层1进行持续热冲击，地面水泵12和提水泵11流量皆为20m3/h。提水泵11含有过滤装置，可有效过滤岩屑等杂质。由实施例1中式-（Ⅳ）计算可得，当注入水与目标地层温度差为380℃、流体压力为20MPa（2000m水压）时，在热冲击作用和水动力作用下，花岗岩母岩2与裂缝充填带3的胶结界面15处原生裂缝22首先会进一步演化成长度更长、宽度更宽的主裂缝16，并且裂缝扩展方向仍为胶结界面15的方向；裂缝充填带3内的溶蚀孔隙5会相互贯通，形成渗流通道17；花岗岩母岩2内的第二粗矿物晶体20的粗矿物晶体边界18形成次生热致裂缝19，见图6。与此同时，胶结界面15处的主裂缝16、裂缝充填带3内部的渗流通道17和第二粗矿物晶体20的粗矿物晶体边界18的次生热致裂缝19进一步扩展、相互贯通，完成含复杂裂缝网络干热岩高渗热储的规模高效建造，见图7。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (10)
1.基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）选取含裂缝充填带（3）的深部非均质粗粒母岩作为干热岩热储建造的目标地层（1）；
2）建造主裂缝（16）：将水注入至目标地层（1）内并覆盖所有裂缝充填带（3）；水注入岩体产生的温度差产生热应力，当热冲击下晶体交界面处的热应力达到岩体抗拉强度与法向地应力之和时产生热破裂，从而在裂缝充填带（3）与母岩的胶结界面（15）处形成热破裂裂缝；然后注入高度为h的水，使热破裂裂缝在裂缝充填带（3）与母岩的胶结界面（15）处进行扩展，形成主裂缝（16）；h由式Ⅲ和式Ⅳ联立计算得到：
式中：
p-流体压力，MPa；-流体密度，1000kg/m3；g-重力加速度，10N/kg；h-流体高度，m；/>-晶体交界面处的热应力，MPa；/>-法向地应力，MPa；K Ic-断裂韧性，/>；/>- 裂缝半长，m；
3）建造次级裂缝：将常温水注入目标地层（1），并且通过提水泵（11）形成地面与井内的水循环，在热冲击作用和水动力作用下，目标地层（1）沿裂缝充填带围岩内非均质粗矿物晶体边界形成多层次裂缝；各层次裂缝相互贯通，完成含复杂裂缝网络的干热岩热储建造。
2.根据权利要求1所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，其特征在于，所述热破裂裂缝的制造方法为：在地面施工注水井（7）至目标地层（1）底部，下入提水泵（11）至目标地层（1）底部；在地面设地面水泵（12），打开地面水泵（12），将水经注入井（7）内的提水泵管（13）与井筒套管间的环空（14）注入井筒并覆盖目标地层（1）内所有裂缝充填带（3）；待水温稳定后，利用提水泵（11）将井筒内水全部抽出，等待热储温度恢复；重复注水和抽水操作进而在裂缝充填带（3）与母岩的胶结界面（15）处形成热破裂裂缝。
3.根据权利要求2所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，其特征在于，注水和抽水操作的重复次数由目标地层（1）的裂缝充填带（3）与母岩的物理性质、力学及矿物性质决定，经实验室试验获得，以在裂缝充填带（3）与母岩的胶结界面（15）处形成裂缝半长≥0.01m的热破裂裂缝。
4.根据权利要求1所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，其特征在于，热冲击下晶体交界面处的热应力满足公式/>：
步骤2）中注入水的温度=目标地层（1）的温度减去ΔT；所述ΔT满足公式Ⅱ：
式中：
-热冲击下晶体交界面处的热应力，MPa；
-法向地应力，MPa；
-抗拉强度，MPa；
E1，E2-两相邻矿物颗粒的弹性模量，MPa；
-两相邻矿物颗粒的热膨胀系数，℃-1；
ΔT-温度差，℃。
5.根据权利要求2所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，其特征在于，步骤3）是将20℃常温水注满注水井（7）井筒，随后同步开启提水泵（11），促使水形成地面-环空-提水泵管（13）-地面的循环；在热冲击作用和水动力作用下，目标地层（1）沿裂缝充填带（3）围岩内非均质粗矿物晶体边界形成次级裂缝；与此同时，主裂缝（16）、次级裂缝相互贯通，完成含复杂裂缝网络的干热岩热储建造。
6.根据权利要求1所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，其特征在于，当目标地层（1）与常温水的温度差ΔT带入式V得到的热应力达到岩体抗拉强度与法向地应力之和时，表明裂缝充填带（3）与母岩的胶结界面（15）由于热膨胀产生了原生裂缝（22），所述原生裂缝（22）可直接作为主裂缝（16）使用；则省略步骤2），直接建造次级裂缝；所述的式V为：
；
式中：
-热膨胀作用下晶体交界面处的热应力，MPa；
E1，E2-两相邻矿物颗粒的弹性模量，MPa；
-两相邻矿物颗粒的热膨胀系数，℃-1；
ΔT-温度差，℃。
7.根据权利要求6所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，其特征在于，所述深部非均质粗粒母岩为花岗岩母岩（2），当目标地层（1）的温度≥400℃时，将裂缝充填带（3）与母岩的胶结界面（15）具有的原生裂缝（22）作为主裂缝（16）。
8.用于如权利要求2-7任意一项所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法的干热岩热储建造装置，其特征在于，在地面施工注水井（7）至目标地层（1）底部；目标地层（1）之上的地层全部套管固井，目标地层（1）全段裸孔完井；在目标地层（1）的底部设置提水泵（11），在地面设置地面水泵（12）；在注水井（7）内下入提水泵管（13）；打开地面水泵（12），将水经提水泵管（13）与井筒套管间的环空（14）注入目标地层（1）并覆盖目标地层（1）内所有裂缝充填带（3）。
9.根据权利要求8所述的用于基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法的干热岩热储建造装置，其特征在于，地面水泵（12）大流量工作时，地面水泵（12）的流量≥160m3/h；地面水泵（12）与提水泵（11）同步小流量工作时，二者的流量为10-30m3/h，实现低成本水循环。
10.根据权利要求8所述的用于基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法的干热岩热储建造装置，其特征在于，提水泵（11）距目标地层（1）底部的距离≤40cm。
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