CN208830987U - 一种干热岩型地热系统 - Google Patents

Abstract

本说明书提供了一种干热岩型地热系统，所述系统包括高压电脉冲电源、高压脉冲装置、固定台、正电极、负电极，其中，所述正电极、负电极分别通过固定台固定于注水井、采出井中，同一注水井或者采出井中的电极极性相同，正、负电极之间通过连接电缆相连；所述高压电脉冲电源通过充电电缆对高压脉冲装置充电；所述高压脉冲装置控制正电极向负电极放电，对所述注水井和采出井之间的干热岩产生冲击波。利用本说明书各个实施例，可以改善干热岩地层的裂缝系统和井间岩石渗透率，提高井间连通几率和循环工质换热效率，进而提高地面发电效率。

Description

一种干热岩型地热系统

技术领域

本说明书涉及地热开发技术领域，尤其涉及一种干热岩型地热系统。

背景技术

增强型地热资源是可再生能源中的重要组成部分，它具有资源量大、分布广泛、受自然气候限制小、清洁无碳等优点，是继化石能源后重要的接替能源之一。

国外在上世纪六七十年代就开始了增强型地热资源的研究和工程实验，法国、英国、冰岛和美国等国家都开展了商业化的发电实验。但目前开发效果并不十分理想，主要原因包括如下几个方面：一是目前干热岩的主要岩性是花岗岩和砂岩，常规水力压裂的施工难度大、造缝范围有限，难以实现自然裂缝与人工裂缝的有效沟通；二是目前国外干热岩的开发深度一般在3000m以深，通过张性破坏形成的人工裂缝会在地应力的作用下发生闭合，随着地热开发时间的增加，裂缝导流换热能力会逐渐降低；三是注采井仅通过水力压裂连通的几率低，难以实现一次连通，通常需要依靠增加钻井等措施补救连通。

以上问题严重制约了增强型地热资源的高效开发，因此，业内亟需一套高效、稳定、经济的增渗开发技术。

实用新型内容

有鉴于此，本说明书提供了一种干热岩型地热系统，可以改善干热岩地层的裂缝系统和井间岩石渗透率，提高井间连通几率和循环工质换热效率。

本说明书提供的一种干热岩型地热系统是通过包括以下方式实现的：

一种干热岩型地热系统，所述系统包括高压电脉冲电源、高压脉冲装置、固定台、正电极、负电极，其中，

所述正电极、负电极分别通过固定台固定于注水井、采出井中，同一注水井或者采出井中的电极极性相同，正、负电极之间通过连接电缆相连；

所述高压电脉冲电源通过充电电缆对高压脉冲装置充电；

所述高压脉冲装置控制正电极向负电极放电，对所述注水井和采出井之间的干热岩产生冲击波。

进一步地，所述干热岩型地热系统的另一个实施例中，同一注水井或者采出井中包括两个或者两个以上的电极，且同一注水井或者采出井中的电极之间串联。

进一步地，所述干热岩型地热系统的另一个实施例中，同一注水井或者采出井中的电极数目根据分段压裂数目设置。

进一步地，所述干热岩型地热系统的另一个实施例中，相对的正电极与负电极设置在同一水平线上。

进一步地，所述干热岩型地热系统的另一个实施例中，所述固定台通过橡胶实现与注水井或者采出井的井筒坐封。

进一步地，所述干热岩型地热系统的另一个实施例中，所述固定台通过油管下入或者提出。

进一步地，所述干热岩型地热系统的另一个实施例中，所述高压脉冲装置的放电频率包括5～30Hz，电压范围包括300～9000KV，放电次数包括20～100次。

进一步地，所述干热岩型地热系统的另一个实施例中，所述注水井与采出井的井间距范围包括：200～1000m。

进一步地，所述干热岩型地热系统的另一个实施例中，所述注水井及采出井的直井段包括由外向内设置的表层套管、技术套管及生产套管。

进一步地，所述干热岩型地热系统的另一个实施例中，所述表层套管、技术套管及生产套管的导热系数大于100w/(m·k)。

进一步地，所述干热岩型地热系统的另一个实施例中，所述注水井、采出井的井口安置有注入、采出设备及循环工质的流动管线。

本说明书实施例的干热岩型地热系统，可以通过在注入井和采出井的井筒内分别安装正、负电极，利用正、负电极间的高压电脉冲在干热岩中产生冲击波。高压电脉冲形成高能冲击波对干热岩裂缝系统进行改造，有效的增加干热岩中裂缝的数量、以及与自然裂缝的沟通程度，极大改善干热岩地层的裂缝系统和井间岩石渗透率。从而提高注水井和采出井连通几率和循环工质换热效率，在保证循环工质产出温度的前提下增加工质流量，提高地面发电效率。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本说明书公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本说明书的理解，并不是具体限定本说明书各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本说明书的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本说明书。在附图中：

图1为本说明书一个实施例中干热岩型地热系统的结构示意图；

图2为本说明书另一个实施例中干热岩型地热系统的结构示意图；

图中：高压电脉冲电源1，高压脉冲装置2，固定台3，正电极4，负电极5，注水井6，采出井7，连接电缆8，充电电缆9，干热岩10，裂缝沟通区11，表层套管12，技术套管13，生产套管14，复合人工裂缝15。

具体实施方式

下面将结合本说明书实施方式中的附图，对本说明书实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本说明书一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本说明书中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本说明书保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本说明书的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本说明书的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本说明书。

本说明书实施例提供的一种干热岩型地热系统，所述系统可以包括高压电脉冲电源、高压脉冲装置、固定台、正电极、负电极。其中，所述正电极、负电极分别通过固定台固定于注水井、采出井中，同一注水井或者采出井中的电极极性相同，正、负电极之间可以通过连接电缆相连。所述高压电脉冲电源可以通过充电电缆对高压脉冲装置充电，所述高压脉冲装置可以控制正电极向负电极放电，对所述注水井和采出井之间的干热岩产生冲击波。

本说明书实施例的干热岩型地热系统，通过注水井和采出井井筒内的正、负电极放电产生高压脉冲，高压脉冲对注水井和采出井之间的干热岩中产生冲击波。从而可以在水力压裂初步实现裂缝连通的基础上，利用冲击波的冲击和振动作用，使得干热岩强度进一步降低、发生破坏，极大改善干热岩地层的裂缝系统和井间岩石渗透率。进而提高注水井和采出井连通几率和循环工质换热效率，在保证循环工质产出温度的前提下增加工质流量，提高地面发电效率。

图1为本说明书一个或者多个实施例中的干热岩型地热系统示意图。所述系统可以包括高压电脉冲电源1、高压脉冲装置2、固定台3、正电极4、负电极5。

所述正电极4、负电极5可以通过固定台3分别固定于注水井6、采出井7中。其中，同性电极固定于同种类型的井筒中，如，若正电极固定于注水井中，则相应的负电极固定于采出井中；若正电极固定于采出井中，则相应的负电极固定于注水井中。正电极与负电极之间可以通过连接电缆8相连，与注水井6、采出井7之间的干热岩形成一个闭环回路。

具体实施时，每个井筒中的电极数可以是一个，也可以根据实际需要设置两个或者两个以上。本说明书的一个实施例中，同一注水井或者采出井中可以包括两个或者两个以上的电极，且同一注水井或者采出井中的电极之间串联。每个井筒中的电极数为两个或者两个以上时，可以设置同一井筒中的多个电极之间串联。如，注水井中的多个正电极之间串联，采出井中的多个负电极之间串联。同一井筒中的电极之间串联可以保证所有正极同时向负极放电，确保产生脉冲波的时间一致性，同时还可以保证在纵向上设置多对正、负电极，形成多个脉冲波，增强干热岩改造效果。

所述固定台3可以坐封于注水井6、采出井7中，所述固定台3可以用于固定正、负电极，使正、负电极与井筒保持紧密接触。本说明书的一个实施例中，可以通过橡胶实现固定台3与注水井或者采出井的井筒坐封，以提高坐封的稳定性。橡胶具有一定的收缩性，还可以同时保证固定台的有效下入和提出，并可以多次循环使用。

本说明书的另一个实施例中，所述固定台3可以通过油管下入或者提出。所述固定台3可以通过油管下入到井筒固定位置，当电脉冲致裂工作结束后，可以再通过油管提出井筒。油管相比电缆等装置的刚度更大，在3000m以上的长度仍可以保证一定的抗弯曲性，且油管的抗拉强度更强，在上提固定台时可以产生足够大的上提力。同时，油管的总长度还可以通过单根油管标定累计得到，伸缩效应小，能够准确地将固定台下至设计位置。当然，具体实施时，也可以根据实际需要，采用其他的类似的装置提出或者下入固定台。

所述高压电脉冲电源1可以通过充电电缆9对高压脉冲装置2充电，所述高压脉冲装置2可以控制所述正电极4向负电极5放电。一些实施方式中，所述高压脉冲装置2可以包括超级电容及脉冲触发器，以控制正电极向负电极进行高压脉冲放电。具体实施时，可以根据脉冲设备的具体性能要求、干热岩地层岩性、注采井的井距和深度、地面高压电脉冲电源的额定规格等确定高压脉冲装置2的放电参数数据，以实现最优的干热岩改造效果。优选的，所述高压脉冲装置2的放电参数可以设置为：放电频率：5-30Hz，电压范围：300～9000KV，放电次数：20～100次。

高压脉冲装置2可以控制所述正电极4向负电极5放电，在正、负电极之间产生高压脉冲，高压脉冲在注水井6和采出井7之间的干热岩10的裂缝沟通区11产生冲击波。在冲击波的冲击和振动作用下干热岩强度降低、发生破坏，从而极大改善干热岩地层的裂缝系统和井间岩石渗透率。进而，提高注水井和采出井连通几率和循环工质换热效率，在保证循环工质产出温度的前提下增加工质流量，提高地面发电效率。

具体实施时，可以预先通过分析地质资料、地应力资料、测井资料和邻井的地热开发资料，掌握干热岩地层中自然裂缝发育区和主要裂缝发育方向，优选地层相对稳定地区作为直井靶区。然后，可以根据上述确定的参数设计注采井井口位置，以有效利用电脉冲的冲击波改善干热岩地层的裂缝系统。优选的，所述注水井与采出井的井间距范围可以包括：200～1000m。具体实施时，可以根据实际需要设置井口间距为200～1000m之间的任意值，以实现最优的干热岩改造效果。之后，可以根据干热岩埋深、地层发育情况合理设计井身结构。

图2表示本说明书另一个实施例中的干热岩型地热系统示意图。如图2所示，所述注水井6、采出井7的直井段可以包括由外向内设置的表层套管12、技术套管13及生产套管14。利用表层套管12、技术套管13及生产套管14的三开套管完井的井身结构，可以提高水力压裂与电脉冲协同增渗施工以及长期地热开发过程中井筒的稳定性。

优选的，本说明书的一个实施例中，所述表层套管12、技术套管13及生产套管14的导热系数大于100w/(m·k)，以保证套管和水泥环有足够的导热能力，提高井管的使用寿命。然后，可以确定干热岩的深度、厚度等数据。优选注采直井特定层位进行分段压裂施工，具体施工段数根据干热岩厚度和开发设计方案确定。

先对压裂层段进行水力压裂。可以通过填砂分段式压裂工艺对注水井6和采出井7附近的干热岩进行分段压裂，射孔孔眼可以采用螺旋分布。如，孔间距范围可以包括0.05～0.2m，射孔相位角范围可以包括45～60°，压裂液可以为清水，并添加适量石英砂作为支撑剂。相应的，裂缝沟通区11内的人工裂缝长度在50～100m。水力压裂施工结束后，可以通过通井、洗井作业确保井筒畅通无落物和后续施工顺利。

再利用上述实施例提供的装置或者设备进行电脉冲致裂，从而将水力压裂与井下电脉冲致裂进行有机结合。本说明书的另一个实施例中，相对的注水井6、采出井7中的电极数可以保持相同。优选的，正、负电极的数目可以根据分段压裂数目设置。如，对应于一个分段压裂层段可以设置一对或者两对及两对以上的正、负电极，以提高放电产生的高压脉冲对干热岩的冲击力度，提高裂缝产生效果。本说明书的另一个实施例中，还可以进一步将相对的正电极与负电极设置在同一水平线上。一对正、负电极设置在同一水平线上，可以进一步提高放电效果。

本说明书的一个实施例中，可以在注水井6和采出井7的井口安装井口安置注入、采出设备及循环工质的流动管线。具体实施时，可以将清水作为取热工质，从注水井6注入低温水经过注入设备进入井筒，通过复合人工裂缝15进入井间的裂缝沟通区11，在裂缝沟通区11内低温水与干热岩间进行充分换热后成为高温水。高温水从采出井7的复合人工裂缝15进入井筒内，沿井筒和井口采出设备进入发电厂进行发电，发电后的冷却水重新进入循环关系进行新一轮的换热。具体实施时，也可以根据实际需要将临界二氧化碳作为取热工质。

在水力压裂初步形成裂缝连通的基础上，通过高压电脉冲形成冲击波作用于干热岩地层，在冲击波的作用下干热岩的强度降低，产生新的裂缝体系并增加的原有裂缝的长(宽)度和沟通面积。已经闭合或者堵塞的裂缝在冲击波的作用下重新开启并疏通。从而可以极大的改善井下干热岩中缝网的连通情况，提高井间渗透率，为循环工作提供充足的换热通道，提高换热效率。

为了更好的说明本说明书上述实施例所述系统的实用性及可行性，本说明书还提供了一个具体实例，结合附图2对本说明书实施例的系统作进一步说明，具体步骤如下：

(1)通过分析目标区域的地质资料、地应力资料、测井资料和邻井的地热开发资料，掌握干热岩地层中自然裂缝发育区和主要裂缝发育方向，确定的目标区域的自然裂缝主发育方向为南-北方向。优选地层相对稳定地区作为直井靶区，完成钻完井设计、水力压裂与电脉冲协同增渗系统设计。

(2)根据自然裂缝主发育方向将注、采井井口连线方向设计为东-西方向，井口间距为800m，干热岩埋深为4000m，厚度为25m，注采直井均采用三开下套管固井的完井方式。

注水井6和采出井7均采用Φ444.5mm的钻头完成一开钻进，井深650m处完钻后下入Φ339.7mm、导热系数大于100w/(m·k)的J级表层套管12，采用导热系数大于20w/(m·k)的G级水泥完成固井，水泥上返至地面。

采用Φ311.2mm的钻头完成二开钻进，井深3900m处完钻，完钻后下入Φ244.5mm、导热系数大于100w/(m·k)的J级技术套管13，采用导热系数应该大于20w/(m·k)的G级水泥完成固井，水泥上返至地面。

采用Φ215.9mm的钻头完成三开钻进，井深为4022m处完钻，后下入Φ139.7mm、导热系数大于100w/(m·k)的J级生产套管14，采用导热系数大于20w/(m·k)的G级水泥完成固井，水泥上返至地面。

(3)注水井6和采出井7通过填砂分段式压裂工艺对深度在4008m和4019m处的干热岩进行分段水力压裂。射孔孔眼采用螺旋分布，孔间距为0.2m，射孔相位角为60°。压裂液为清水，并添加适量石英砂作为支撑剂，人工裂缝15长度为90m。水力压裂施工结束后通过通井、洗井作业确保井筒畅通无落物和后续施工顺利。

(4)将装有正电极4的固定台3与装有负电极5的固定台3通过Φ73mm油管分别下入到注、采井的压裂层段。下入的正、负电极数目与分段压裂数目一致，各为2个，下入的同性电极之间保持串联。

正电极4与注水井6的井筒紧密接触，负电极5与采出井7的井筒紧密接触，相对的正、负电极设置在同一水平线上。正、负电极之间通过连接电缆8相连，与干热岩10的井间部分形成一个闭环回路。固定台3可通过橡胶实现与井筒的座封。

(5)高压电脉冲电源1通过充电电缆9对高压脉冲装置2充电。当高压脉冲装置2的电压达到设计的放电电压5000kv时，高压脉冲装置2通过正电极4穿过干热岩地层10对负电极5放电，放电频率为20Hz。放电次数达到80次后，关闭地面的高压电脉冲电源1。重新下入Φ73mm油管将注水井6和采出井7中的固定台3上提至地面，完成电脉冲致裂作业。

高压脉冲装置控制正电极向负电极放电，高压电脉冲在干热岩中产生冲击波。在冲击波的冲击和振动作用下干热岩强度降低、发生破坏，可以产生以下增渗效果：高能冲击波破碎干热岩产生新的裂缝系统，增加裂缝数量与延展范围，提高人工裂缝与自然裂缝的沟通程度；已闭合的裂缝重新开启并发生剪切破坏，裂缝的长度和宽度得到进一步扩展；堵塞裂缝中的堵塞物被疏通解除。从而，可以极大的改善干热岩地层的裂缝系统和井间岩石渗透率。

(6)在注水井6和采出井7的井口安装井口安置注入、采出设备及循环工质的流动管线。取热工质为清水，从注水井6注入低温水经过注入设备进入井筒，通过复合人工裂缝15进入井间的裂缝沟通区11，在裂缝沟通区11内低温水与干热岩间进行充分换热后成为高温水。高温水从采出井的复合人工裂缝15进入井筒内，沿井筒和井口采出设备进入发电厂进行发电，发电后的冷却水重新进入循环关系进行新一轮的换热。具体实施时，也可以根据实际需要将临界二氧化碳作为取热工质。

本说明书各实施例的干热岩型地热系统，在水力压裂初步实现裂缝连通的基础上，在注入井和采出井的井筒内分别下入正、负电极，利用正、负电极间的高压电脉冲在干热岩中产生冲击波。高压电脉冲形成高能冲击波对干热岩裂缝系统进行改造，在冲击波的冲击和振动作用下干热岩强度降低、发生破坏。在干热岩地层中形成大量新缝的同时，使得原有裂缝进一步发生剪切扩展。已经闭合或者被堵塞的裂缝在巨大冲击能量的作用下重新开启并疏通，有效的增加了干热岩中裂缝的数量和与自然裂缝的沟通程度，形成复杂的换热缝网。

从而极大的改善干热岩地层的裂缝系统和井间岩石渗透率，提高了两口直井连通几率和循环工质换热效率，在保证循环工质产出温度的前提下增加工质流量，提高地面发电效率。且不受干热岩埋深和厚度的限制，可以在纵向上进行多段的增渗作业。同时，具有工艺简单、安全可靠、操作方便等优点。

需要说明的是，在本说明书的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述并不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。本说明书附图仅仅只是示意图，不代表各个部件的实际结构。

以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种干热岩型地热系统，其特征在于，所述系统包括高压电脉冲电源、高压脉冲装置、固定台、正电极、负电极，其中，

所述正电极、负电极分别通过固定台固定于注水井、采出井中，同一注水井或者采出井中的电极极性相同，正、负电极之间通过连接电缆相连；

所述高压电脉冲电源通过充电电缆对高压脉冲装置充电；

所述高压脉冲装置控制正电极向负电极放电，对所述注水井和采出井之间的干热岩产生冲击波。

2.根据权利要求1所述的干热岩型地热系统，其特征在于，同一注水井或者采出井中包括两个或者两个以上的电极，且同一注水井或者采出井中的电极之间串联。

3.根据权利要求2所述的干热岩型地热系统，其特征在于，同一注水井或者采出井中的电极数目根据分段压裂数目设置。

4.根据权利要求3所述的干热岩型地热系统，其特征在于，相对的正电极与负电极设置在同一水平线上。

5.根据权利要求1所述的干热岩型地热系统，其特征在于，所述固定台通过橡胶实现与注水井或者采出井的井筒坐封。

6.根据权利要求1所述的干热岩型地热系统，其特征在于，所述固定台通过油管下入或者提出。

7.根据权利要求1所述的干热岩型地热系统，其特征在于，所述高压脉冲装置的放电频率包括5～30Hz，电压范围包括300～9000KV，放电次数包括20～100次。

8.根据权利要求1所述的干热岩型地热系统，其特征在于，所述注水井与采出井的井间距范围包括：200～1000m。

9.根据权利要求1-8任一项所述的干热岩型地热系统，其特征在于，所述注水井及采出井的直井段包括由外向内设置的表层套管、技术套管及生产套管。

10.根据权利要求9所述的干热岩型地热系统，其特征在于，所述表层套管、技术套管及生产套管的导热系数大于100w/(m·k)。

11.根据权利要求9所述的干热岩型地热系统，其特征在于，所述注水井、采出井的井口安置有注入、采出设备及循环工质的流动管线。