CN117780320B - 一种高效减震的干热岩储层复杂缝网构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种高效减震的干热岩储层复杂缝网构建方法，其包括以下步骤：构建水平分支井与随钻监测系统，若目标地层天然裂缝发育，可进行人工试压裂与监测测试；若目标地层天然裂缝不发育或在进行人工试压裂与监测测试的测试结果不佳，则进行目标地层改性；进行室内岩石力学实验，获得目标地层岩石力学性质及其随温压变化的演变规律；对目标地层进行现场原位循环加卸载压水改造；再对目标地层进行冷热循环人工造细小裂缝，再对水平分支井进行分段压裂与封堵。本发明实现对完整及含天然裂缝型干热岩储层构建理想体积的复杂缝网结构，规避干热岩储层选址及改造失败等重大工程风险，降低压裂施工导致的地震诱发风险，提高压裂效率。
Description
技术领域
本发明涉及干热岩地热资源开发技术领域，尤其涉及一种高效减震的干热岩储层复杂缝网构建方法。
背景技术
干热岩地热资源(HDR)作为一种近几十年来兴起的新兴地热资源，通常指内部不含流体或仅含少量地下流体的高温岩体，且一般温度大于180℃，埋深数千米。这种岩体的成分可以变化很大，绝大部分为中生代以来的中酸性侵入岩、变质岩等等，常见的有花岗岩、黑云母片麻岩、花岗闪长岩等等。中国的干热岩地热资源储量十分巨大，因此，干热岩地热资源的开发利用对于替换煤炭、石油及天然气成为新型接替能源有着战略性意义。
目前，开采干热岩地热资源的主要方法为增强型地热系统(EGS)，其原理是从地表向干热岩储层中分别钻掘出注入井与生产井，注入井和生产井之间通过人工压裂的方式构建裂隙储层，然后通过注入井向高温热储层中注入温度较低的水，水在热储层中的缝网结构中流通和换热，最后通过生产井提取高温的水或蒸汽，从而实现干热岩地热资源开发。
虽然，已有少量发达国家已建立了几个成功的干热岩开发示范工程，但世界范围内的商业化开发仍未实现，其中最为关键的制约技术是热储层的理想化压裂改造。压裂体积决定了取热量，压裂的缝网结构复杂程度决定了取热效率。由于干热岩埋深大、强度高、岩体结构相对较完整，所以其起裂压力较大，若采用大排量和压力的压裂施工具有较高的诱发地震风险，造成地面或地表的基础设施损坏或社会恐慌；而较低的压裂压力和排量又无法压裂干热岩储层或形成不太理想的缝网结构，且压裂效率很低，这也是导致当前干热岩开发项目失败的主要原因之一。
基于当前的干热岩储层人工压裂技术尚无法构建理想的干热岩储层，目前的干热岩勘查目标为寻找埋深较浅、天然裂缝发育的储层，借助天然裂缝改造具有一定缝网结构的干热岩储层，进而实现一定规模的干热岩开发。但由于干热岩勘查技术尚不成熟，勘查精度较低，深部地层中不同尺度裂缝的刻画和表征很难，导致目前靶区优选的成功率不高，使得干热岩勘探开发具有较大的投资风险。且天然裂缝发育的储层虽能实现一定规模的干热岩地热资源开发，但天然裂缝往往导致压裂后的缝网结构相对简单，压力易沿着已有裂缝传递，造成天然裂缝的扩展，从而影响复杂缝网结构的形成。且绝大部分热储层的结构较完整，含天然裂缝的干热岩储层的开发只能作为示范工程，助力勘探开发技术的研发，因此，突破完整干热岩储层的复杂缝网改造技术，才能极大提高深部地热资源规模化开发进程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效减震的干热岩储层复杂缝网构建方法，可可实现对完整及含天然裂缝型干热岩储层构建理想体积的复杂缝网结构，从而规避干热岩储层选址及改造失败等重大工程风险，降低压裂施工导致的地震诱发风险，提高压裂效率。
为实现上述目的，本发明一种高效减震的干热岩储层复杂缝网构建方法，包括以下步骤：
S1:搭建钻井平台系统，进行水平分支井的施工构建；施工时钻具中嵌入有随钻监测系统，以监测岩体结构及其物理力学性质；
S2:根据随钻监测系统获取的现场地层实际情况，若目标地层天然裂缝发育，可进行人工试压裂与监测测试；若目标地层天然裂缝不发育或在进行人工试压裂与监测测试的测试结果显示裂缝长度低于200m，则进行目标地层改性作业；
所述目标地层改性作业包括以下步骤：
S21:室内岩石力学试验：取目标地层的岩石样本进行室内岩石力学试验，获得目标地层岩石力学性质及其随温压变化的演变规律；
S22:目标地层力学性能原位劣化：根据步骤S21获得的目标地层岩石力学性质及其随温压变化的演变规律，对目标地层进行现场原位循环加卸载压水改造，以降低目标地层围岩强度、脆性及地应力；
S24:细小裂缝原位构建：通过将水替换成液氮注入目标地层，对目标地层进行冷热循环造细小裂缝；
S3:目标地层改性作业完成后对水平分支井进行分段压裂；
S4:分段压裂完成后，对水平分支井进行分段封堵；
S5:构建增强型地热系统工程。
进一步，所述步骤S1包括以下步骤：
S11:组装钻具，钻具包括钻杆、取芯杆以及钻头；钻杆、取芯杆与钻头之间通过螺纹丝扣连接；
S12:将组装好的钻具的钻杆末端通过高强度钢丝引导绳与钻塔顶端连接；
S13:将深度传感器与温度传感器的一端利用监测系统导线与钻具末端相连，另一端则与位于随钻监测系统控制台上的信号接收器连接；
S14:进行钻井施工，施工时先进行垂直段施工，到达目标干热岩储层指定位置后，再进行造斜构建出水平分支井。
进一步，在进行步骤S22目标地层力学性能原位劣化作业之前，先安装封隔器，将含有封隔中心管与封隔止水栓塞的封隔器与钻杆连接，封隔器前端设有出水口；再目标地层力学性能原位劣化装置，其中目标地层力学性能原位劣化装置包括控制箱、液体箱和移动式汽油机水泵，将移动式汽油机水泵的一端通过高压水管与液体箱连接，另一端与安装好封隔器的钻杆连接，将移动式汽油机水泵中的压力表和转速表连接至控制箱中；之后，将组装好的封隔器利用钻井平台系统送至水平分支井中指定位置。
进一步，所述目标地层力学性能原位劣化作业包括以下步骤：
a、打开移动式汽油机水泵，使液体箱中的水通过高压水管进入到移动式汽油机水泵中；
b、打开压力表、流量表及秒表的控制箱开关，将压力表调整至所需压力参数，清零秒表；
c、将高压水管接入液体箱中的同时，按下秒表，记录不同压力下固定时间间隔内的流量；
d、每个压力参数至少记录5个流量数据，时间间隔为2-4分钟；且压力参数按照从低到高再从高到低的顺序进行循环加卸载。
进一步，所述水平分支井的长度应大于500m，以满足后续水平分支井的分段压裂和封堵的技术要求。
进一步，所述步骤S4中在对水平分支井分段封堵时，封隔器可根据目标地层实际需要制造不同的渗透系数，目标地层的渗透系数在靠近注入井的方向递减。
本发明的有益效果:
1、本发明根据目标干热岩储层岩体结构特征，可选择直接人工压裂或者通过目标地层裂缝改造后再进行压裂，可适用于所有目标地层，可有效避免因勘查精度低导致的选址失败或干热岩储层规模化压裂失败等工程风险，有效提高深部地热资源规模化开发进程。
2、通过目标地层力学性能原位劣化降低围岩的强度、脆性和地应力，再通过对目标地层多次注入液氮改变其结构，即高温地热岩体遇低温液氮将产生复杂的细小裂缝，促进复杂缝网结构的形成，继而使得目标地层进行压裂所需的起裂压力降低，排量随着所需起裂压力的降低而减小，复杂细小裂缝在水力压裂的作用下会逐渐扩展成大的裂缝网络，因此可有效降低地震诱发风险，解决高压力大排量下压裂工程所造成的基础设施损坏及社会恐慌问题，且显著的提高了压裂效率。
3、针对水平分支井中目标干热岩储层进行分段压裂与分段封堵可产生大量复杂缝网结构，此方法不但可以实现热储层的大规模压裂，从而实现干热岩的商业化开发，且显著提高了干热岩储层换热效率，增加了热交换。同时，本发明解决了干热岩勘查技术不成熟、勘查精度不高及靶区优选成功率低的问题。
附图说明
图1是本发明一种高效减震的干热岩储层复杂缝网构建方法流程图。
图2是本发明中钻井平台系统、室内岩石力学试验装置及随钻监测系统监测下的水平分支井地层结构示意图。
图3是本发明中用于体现目标地层力学性能原位劣化装置的结构示意图。
图4本发明中目标地层力学性质原位劣化中目标地层最大加载压力及循环次数示意图。
图5是本发明中压力与流量的曲线变化图。
图6是本发明中细小裂缝原位构建装置结构示意图。
图7是本发明提供的水平分支井分段压裂与分段渗透率差异封堵的结构示意图。
图中:1、水平分支井；2、普通地层；3、干热岩储层；4、岩石万能试验压力机；5、电脑主机；6、岩石试验软件系统；7、岩芯；8、岩芯盒；9、钻塔；10、高强度钢丝引导绳；11、钻杆；12、套管；13、螺纹丝扣；14、取芯杆；15、钻头；16、深度传感器；17、温度传感器；18、监测系统导线；19、随钻监测系统控制台；20、信号接收器；21、控制箱；22、液体箱；23、移动式汽油机水泵；24、高压水管；25、出水口；26、水；27、封隔中心管；28、封隔止水栓塞；29、峰值强度降低的围岩；30、液氮车；31、液氮；32、细小裂缝；33、干热岩储层复杂缝网结构；34、钻井平台系统。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细的说明。
本发明公开一种高效减震的干热岩储层复杂缝网构建方法。
参照图1至图3，一种高效减震的干热岩储层复杂缝网构建方法包括以下步骤：
S1:搭建钻井平台系统34，进行水平分支井1的施工构建；施工时钻具中嵌入有随钻监测系统，以监测岩体结构及其物理力学性质，继而对显著结构面和岩石力学性质有初步判断，并重点关注目标地层自然裂缝的发育及延伸情况。随钻监测系统控制台19可实时监测处包含钻压、泵量、扭矩、漏失量、波速、电阻率等钻进参数。
本实施例中地层包括普通地层2和干热岩储层3；普通地层2从上至下依次包括砂砾层、泥质砂岩层以及泥质灰岩层；干热岩储层3通常位于地下2000m以下，主要由花岗岩等岩浆岩组成。
步骤S1具体包括以下步骤：
S11:组装钻具，钻具包括钻杆11、取芯杆14以及钻头15；钻杆11、取芯杆14与钻头15之间通过螺纹丝扣13连接；
S12:将组装好的钻具的钻杆11末端通过高强度钢丝引导绳10与钻塔9顶端连接；
S13:将深度传感器16与温度传感器17的一端利用监测系统导线18与钻具末端相连，另一端则与位于随钻监测系统控制台19上的信号接收器20连接，确保能够实时监测处井中目标地层的深度、温度等数据。
S14:进行钻井施工，施工时先进行垂直段施工，到达目标干热岩储层3指定位置后，再进行造斜构建出水平分支井1。
其中，水平分支井1的长度应大于500m，以满足后续水平分支井1的分段压裂和封堵的技术要求。在进行水平分支井1造斜之前，先对垂直段的钻孔中布置套管12，其中，普通地层2中的砂砾层和泥质砂岩层处的套管12的厚度可进行加厚处理，以保障孔壁稳定性。
S2:根据随钻监测系统获取的现场地层实际情况，若目标地层存在天然裂缝，可进行人工试压裂与监测测试；若目标地层不存在天然裂缝或在进行人工试压裂与监测测试的测试结果显示裂缝长度低于200m或裂缝网络较简单，连通性差，则进行目标地层改性作业；
其中，目标地层改性作业包括以下步骤：
S21:室内岩石力学试验：将装有目标地层所取岩芯7的岩芯7和送至实验室加工成标准岩石样本，使用连接电脑主机5的岩石试验软件系统6控制岩石万能试验压力机4对岩石样本进行室内岩石力学试验及循环加卸载试验等，获得不同加载水平和循环次数条件下的目标地层岩石力学性质演变规律。
室内岩石力学试验是目标地层力学性能原位劣化以及复杂细小裂缝原位构建的基础，通过对目标地层岩石样本的物理力学试验，获悉目标地层岩石结构、构造、矿物成分、强度参数(抗压、抗拉、抗剪及断裂韧度等)；目标地层力学性能原位劣化是通过压水作业对目标地层进行原位循环加卸载，其最大加载压力为三轴压缩强度的50％-70％之间(三轴试验的围压与实际地应力一致)，循环次数取室内循环加卸载试验中应力应变曲线与全应力-应变曲线峰后段相交时循环次数的60％-80％左右；细小裂缝原位构建为通过冷热循环产生的热应力诱导围岩产生一批复杂的细小裂缝32，加入介质媒介的温度取决于目标地层室内岩石力学试验获取及数值模拟得到的热破裂起裂温度差。
S22:目标地层力学性能原位劣化：根据步骤S21获得的目标地层岩石力学性质及其随温压变化的演变规律，对目标地层进行现场原位循环加卸载压水改造，以降低目标地层围岩结构性质发生变化，即使得围岩强度降低、塑性增强，地应力降低。
在进行目标地层力学性能原位劣化作业之前，先安装封隔器，将含有封隔中心管与封隔止水26栓塞的封隔器与钻杆11连接，封隔器前端设有出水口25，便于压入更多理想体积的液体；再安装原位循环加卸载压水装置，其中原位循环加卸载压水装置包括控制箱21、液体箱22和移动式汽油机水泵23，将带压力表、流量表及秒表的控制箱21、液体箱22、移动式汽油机水泵23等压水设备摆放至合适位置，将水泵的一端通过高压水26管24与液体箱22连接，另一端与安装好封隔器的钻杆11连接，将移动式汽油机水泵23中的压力表和转速表连接至控制箱21中；之后，将组装好的封隔器装置利用钻井平台系统34送至水平分支井1中指定位置。
目标地层力学性质原位劣化作业包括以下步骤：
a、打开移动式汽油机水泵23，使液体箱22中的水26通过高压水管24进入到移动式汽油机水泵23中；
b、打开压力表、流量表及秒表的控制箱21开关，将压力表调整至所需压力参数，清零秒表；
c、将高压水管24接入液体箱22中的同时，按下秒表，记录不同压力下固定时间间隔内的流量；
d、每个压力参数至少记录5个流量数据，时间间隔为2分钟；施工时，压力参数按照从低到高再从高到低为一个循环的顺序进行循环加卸载，最大加载压力根据室内岩石力学试验及循环加载试验的试验结果来设定。参照图4，其中σc1为全应力应变曲线三轴压缩强度，σc2为室内循环加卸载试验应力应变曲线与全应力应变曲线峰后段相交时强度，σmax为目标地层力学性质原位劣化时的最大加载压力，σmax＝(50％-70％)σc1；n为室内循环加卸载试验应力应变曲线与全应力应变曲线峰后段相交时循环次数，N为目标地层力学性能原位劣化时的循环次数，且N＝(60％-80％)n。
S24:细小裂缝原位构建：参照图6，将目标地层力学性能原位劣化装置更换为液氮车30，将液氮31注入目标地层，对目标地层进行冷热循环造缝；按照不同液氮31温度和注入次数进行原位冷热循环试验，不同液氮31注入次数的间隔时间不小于24小时，试验结构后通过高温高压钻孔电视检测复杂细小裂缝32的构建效果。由图5中不同循环加载次数下压力(P)-流量(Q)曲线，其中P1、P2、P3对应目标地层力学性质原位劣化中三个不同压力参数，且P3应与σmax相等。从P1到P3，再从P3到P1这一完整过程称为一次加卸载循环试验，且加压应遵循先从低到高，再从高到低的原则进行。目标干热岩储层中花岗岩的P-Q曲线类型主要以冲蚀型为主，最终结果表明：在试验期间的不同压力作用下，岩体裂隙会进一步发育，从而导致流量显著增大且不能恢复原状。因此，随着循环加卸载和冷热循环试验的进行，同等压力下压入水的流量逐步上升，表示着围岩岩体结构性质发生变化，即围岩强度降低、塑性增强、地应力降低以及细小裂缝32发育。
通过液氮31与干热岩储层3接触后会产生较大的温差作用，促进干热岩储层3岩体产生大量的细小裂缝。当目标地层的围岩性质下降且复杂缝网结构形成，继而目标地层进行压裂所需的起裂压力降低，排量随着所需起裂压力的降低而减小，因此可有效降低地震诱发风险，解决高压力大排量下压裂工程所造成的基础设施损坏及社会恐慌问题，且显著的提高了压裂效率。
S3:目标地层改性作业完成后对水平分支井1进行分段压裂。参照图7，待目标位置复杂细小裂缝32构建完成后，利用钻井平台系统移动封隔器至下一位置，注入与目标干热岩储层属性相匹配的压裂液与支撑剂以满足地层分段压裂需求，使干热岩储层岩体中产生的裂缝进一步贯穿，扩张，逐步形成干热岩储层复杂缝网结构33，从而实现大规模压裂。通过水平分支井1分段压裂，可以增加人工裂缝缝网的数量、延伸长度及压裂体积，有效提高干热岩储层3压裂的规模。
S4:分段压裂完成后，对水平分支井1进行渗透率差异分段封堵。水平分支井1压裂后需进行地层渗透率的改造，否则冷媒工质在渗透过程中会优先在水平分支井1中进行管道流，极少部分在缝网结构中进行裂隙流，从而导致热短路问题，因此需利用封隔器对水平分支井1进行分段封堵，以增加换热，提高热开采效率。在对水平分支井1分段封堵时，封隔器根据目标地层实际需要制造不同的渗透系数，其中越靠近注入井的位置，其渗透系数越低，增加换热效率。同时可利用FLAC 3D及COMSOL等数值模拟软件得出达到预期目标的距离，使水平分支井1中干热岩储层复杂缝网结构33产生的热交换可视化。
至此，完成干热岩储层3复杂缝网的改造，本发明既解决了高压力大排量下压裂工程所造成地震诱发风险的问题，又实现了热储层的大规模压裂，提高了热交换效率。因此，下一步可进行构建理想体积且换热效率高的EGS系统工程，对目标干热岩储层3所蕴含的干热岩地热资源进行高效采集与利用，助力于干热岩商业化开发。
S5:构建增强型地热系统工程(EGS)。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (6)
1.一种高效减震的干热岩储层复杂缝网构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1:搭建钻井平台系统(34)，进行水平分支井(1)的施工构建；施工时钻具中嵌入有随钻监测系统，以监测岩体结构及其物理力学性质；
S2:根据随钻监测系统获取的现场地层实际情况，判断目标地层天然裂缝的发育情况；目标地层天然裂缝发育时，则进行人工试压裂与监测测试；目标地层天然裂缝不发育或在进行人工试压裂与监测测试的测试结果显示裂缝长度低于200m，则进行目标地层改性作业；
所述目标地层改性作业包括以下步骤：
S21:室内岩石力学试验：取目标地层的岩石样本进行室内岩石力学试验，获得目标地层岩石力学性质及其随温压变化的演变规律；
S22:目标地层力学性能原位劣化：根据步骤S21获得的目标地层岩石力学性质及其随温压变化的演变规律，对目标地层进行现场原位循环加卸载压水改造，以降低目标地层围岩强度、脆性及地应力；
目标地层力学性能原位劣化是通过压水作业对目标地层进行原位循环加卸载，其最大加载压力为三轴压缩强度的50%-70%之间，三轴试验的围压与实际地应力一致，循环次数取室内循环加卸载试验中应力应变曲线与全应力-应变曲线峰后段相交时循环次数的60%-80%；
S24:细小裂缝原位构建：通过将水(26)替换成液氮(31)注入目标地层，对目标地层进行冷热循环造缝；
S3:目标地层改性作业完成后对水平分支井(1)进行分段压裂；
S4:分段压裂完成后，对水平分支井(1)进行分段封堵；
S5:构建增强型地热系统工程。
2.根据权利要求1所述的一种高效减震的干热岩储层复杂缝网构建方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下步骤：
S11:组装钻具，钻具包括钻杆(11)、取芯杆(14)以及钻头(15)；钻杆(11)、取芯杆(14)与钻头(15)之间通过螺纹丝扣(13)连接；
S12:将组装好的钻具的钻杆(11)末端通过高强度钢丝引导绳(10)与钻塔(9)顶端连接；
S13:将深度传感器(16)与温度传感器(17)的一端利用监测系统导线(18)与钻具末端相连，另一端则与位于随钻监测系统控制台(19)上的信号接收器(20)连接；
S14:进行钻井施工，施工时先进行垂直段施工，到达目标干热岩储层(3)指定位置后，再进行造斜构建出水平分支井(1)。
3.根据权利要求1或2所述的一种高效减震的干热岩储层复杂缝网构建方法，其特征在于：在进行步骤S22目标地层力学性能原位劣化作业之前，先安装封隔器，将含有封隔中心管(27)与封隔止水栓塞(28)的封隔器与钻杆(11)连接，封隔器前端设有出水口(25)；再目标地层力学性能原位劣化装置，其中目标地层力学性能原位劣化装置包括控制箱(21)、液体箱(22)和移动式汽油机水泵(23)，将移动式汽油机水泵(23)的一端通过高压水管(24)与液体箱(22)连接，另一端与安装好封隔器的钻杆(11)连接，将移动式汽油机水泵(23)中的压力表和转速表连接至控制箱(21)中；之后，将组装好的封隔器利用钻井平台系统(34)送至水平分支井(1)中指定位置。
4.根据权利要求3所述的一种高效减震的干热岩储层复杂缝网构建方法，其特征在于：所述目标地层力学性能原位劣化作业包括以下步骤：
a、打开移动式汽油机水泵(23)，使液体箱(22)中的水(26)通过高压水(26)管(24)进入到移动式汽油机水泵(23)中；
b、打开压力表、流量表及秒表的控制箱(21)开关，将压力表调整至所需压力参数，清零秒表；
c、将高压水管(24)接入液体箱(22)中的同时，按下秒表，记录不同压力下固定时间间隔内的流量；
d、每个压力参数至少记录5个流量数据，时间间隔为2-4分钟；且压力参数按照从低到高再从高到低的顺序进行循环加卸载。
5.根据权利要求1所述的一种高效减震的干热岩储层复杂缝网构建方法，其特征在于：所述水平分支井(1)的长度应大于500m，以满足后续水平分支井(1)的分段压裂和封堵的技术要求。
6.根据权利要求1所述的一种高效减震的干热岩储层复杂缝网构建方法，其特征在于：所述步骤S4中在对水平分支井(1)分段封堵时，封隔器可根据目标地层实际需要制造不同的渗透系数，目标地层的渗透系数在靠近注入井的方向递减。
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