CN214499020U - 水热型地热井工厂 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及地热资源的钻井工程技术领域，公开了一种水热型地热井工厂。本发明实现了在一个平台上集中进行钻完井作业，以密集的井位形成一个开发“工厂”，流水线式集中钻井，以提高钻井时效，同时实现开发的集中管理。

Description

水热型地热井工厂

技术领域

本实用新型涉及地热资源的钻井工程技术领域，具体涉及水热型地热井工厂。

背景技术

地热资源是指贮存在地球内部的可再生热能，地热资源的综合开发利用，对社会、经济和环境均有显著的效益，在发展国民经济中已显示出越来越重要的作用。我国政府有关机构、地矿与石油、煤炭等部门十分重视地热资源的勘查研究和开发利用。

现有地热井以分别管理、单独钻井为主，有待进一步改进提高。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的在于提供一种水热型地热井工厂。

为实现以上目的，

本实用新型还提供一种水热型地热井工厂，将多个地热井井口集中在最小区域内，井眼向多方位展布。

当热储层顶界埋深超过2000米时，为一台四井或一台六井，井口间距6米，各井方位相差60°，A靶水平位移500米即可满足各井间距超过500米。

如果埋深更深，相应的一个钻井平台还可以布置更多的地热井。

所述水热型地热井工厂可以配备地热资源动态监测系统以及地热水除砂排气等净化装置，能够实现高效集中标准化管理。

本实用新型提供的水热型地热井工厂的建立方法，包括以下步骤：

步骤1，地质模型建立：根据地热藏热储层厚度分布范围，建立地热地质概念模型；

步骤2，地热井稳定涌水量确定；

步骤3，压力场分析及地热井井距确定；

步骤4，温度场分析及采灌井距确定；

步骤5，井网部署。

所述步骤1中地质建模是结合利用OpenGeoSys(OGS)软件进行建模， OGS采用适当的数值方法对不同场进行耦合，主要包括：(1)水流场，即非等热的多相流运动场：(2)温度场，即多相流系统内的热传递场；(3)力学场，即非等热的弹性和非弹性形变场；(4)化学场，即多组分溶质运移及地球化学反应场。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤21)，通过拟合抽水试验得到Q＝f(s)曲线，计算不同最大水位降深时的单井稳定涌水量；

步骤22)，结合地热地质概念模型模拟结果，得到不同水位降深时热储层厚度与稳定涌水量之间的关系。

所述步骤2具体操作如下：采用曲线误差拟合法，对4口地热井涌水量Q 与最大水位降深S关系曲线进行了拟合；在EXCEL软件中采用最小二乘法进行试算，得到，单井稳定涌水量Q与水位降深S之间的关系为：

S＝0.0007Q2+0.0421Q+0.0981。

根据《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615-2010)要求：“计算使用的压力降低值一般不大于0.3MPa，最大不大于0.5MPa”，参考该区域实际地质和开采特征，计算地热井最大水位降深分别为10m、20m、30m、40m、50m时，求解方程获得单井稳定涌水量分别为63m³/h、96m³/h、124m³/h、145m³/h、164m³/h。

所述步骤3具体操作如下：

依据单井抽水试验资料，采用承压完整井单井稳定流抽水试验时的Dupuit 公式和库萨金抽水影响半径经验公式：

式中：R—影响半径(m)；K—渗透系数(m/d)；Q—地热井涌水量(m3/d)；S—稳定水位降深(m)；M—热储层厚度(m)；r—井眼半径(m)；

数值模拟计算结果与理论公式计算结果基本一致，单井涌水量越大，其影响半径越大；根据单井最大水位降深时，计算得到地热井开采影响半径，进而确定最佳地热井井距。

所述步骤4包括以下步骤：

步骤41)，利用地热地质概念模型，假设地下供水半径无限大，以及地热井涌水水温、回灌井回灌温度、热储层厚度、地热井最大水位降深、单井稳定涌水量、一个供暖周期内的供暖天数、剩余时间恢复水位和地层热量，计算供暖时间年限内，不同采灌井距冷锋推进前缘位置；

步骤42)，根据不同采灌井距条件下回灌水冷锋前缘推进图和不同井距下地热井井口水温随供暖时间变化曲线图得出供暖周期内冷锋前缘不会到达地热井井底的采灌井距；

步骤43)，进一步结合基准地层温度，从不同回灌温度下最佳采灌井距曲线图得出最佳采灌井距。

所述步骤5包括以下步骤：

步骤51)开发层系确定；

步骤52)丛式井网形式确定。

所述步骤51)可以通过对地热井开展单采涌水试验测试，进行开发层系确定。

所述步骤52)可根据地面小区实际供暖面积进行选取，根据以上井间距数据的确定可按照台式井、丛式井的方式进行井网布设。

与现有技术相比，本申请提供了一种水热型地热井工厂。所谓“地热井工厂”就是利用地质导向钻井技术合理进行井网优化，在一个平台上集中进行钻完井作业，以密集的井位形成一个开发“工厂”，流水线式集中钻井，以提高钻井时效，同时实现开发的集中管理。

本申请所述水热型地热井工厂具体包括以下优势：

(1)地热井工厂将多个地热井井口集中在最小区域内，井眼向多方位展布的可实现地热资源“采灌均衡循环”的规模化高效绿色可持续地热热源供应系统。

(2)地热井工厂系统配备地热资源动态监测系统以及地热水除砂排气等净化装置，可实现高效集中标准化管理。

(3)该系统适用于地面钻井井位紧缺或大型地热供暖项目，可显著降低井口占地面积、工程建设费用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为实施例1地热地质概念模型示意图；

图2为三靶圈井组结构示意图；

图3为三靶圈井组平面示意图；

图4为丛式井组结构示意图；

图5为丛式井组平面示意图；

图6为丛式井组平面图；

图7为井工厂布井轨迹图；

图8为井工厂三维图I；

图9为井工厂三维图Ⅱ。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

实施例1

本实施例以陕西关中盆地为例，进行水热型地热井工厂的建立。

水热型地热井工厂的建立方法，包括以下步骤：

步骤1，地质模型建立：

根据地热藏热储层厚度分布范围，建立了关中盆地地热地质概念模型，如图 1所示；张家坡组模型地热藏热储层平均厚度为121m，热储孔隙度为30.0％，完井二开井径为177.8mm，热储温度75.0℃，平均地层压力为13.0×106Pa。蓝田－灞河组模型地热藏热储层平均厚度为241m，热储孔隙度为28.0％，完井二开井径为177.8mm，热储温度100.0℃。高陵群组模型地热藏热储层平均厚度为 166m，热储孔隙度为20.0％完井二开井径为177.8mm，热储温度120.0℃。

本地质建模是结合利用OpenGeoSys软件进行建模的，主要是结合陕西关中盆地砂岩热储类型及地层埋藏深度进行建模，地热能开发过程中的数学模型通常涉及水流场和温度场的耦合，在处理高温高压下的岩石变形时，还需与应力场进行耦合；在考虑溶解-沉淀等化学反应过程时，则需要耦合化学场。OGS内核基于质量守恒和能量守恒定律，建立一系列状态方程(EOS)进行运算。OGS采用适当的数值方法对不同场进行耦合，主要包括：(1)水流场，即非等热的多相流运动场；(2)温度场，即多相流系统内的热传递场；(3)力学场，即非等热的弹性和非弹性形变场；(4)化学场，即多组分溶质运移及地球化学反应场。实现水热型地热能的可持续开发，回灌是必由之路。它一方面可以维持热储压力的稳定，另一方面能够防止热水对地表及浅层地下水体产生污染。但是，如果回灌井布局不当，则会造成热突破，即热储内水温下降，降低热田寿命，因此需要采用数值模拟技术，模拟不同采灌情景下热储的温度与压力响应。水热型地热能开发利用过程往往会产生结垢的问题，降低热田的生产能力，通过数值方法，可以模拟矿物沉淀过程，分析结垢形成机理。此外，针对近年来国内很多企业关注的深井换热技术，OGS也可以模拟计算深井换热的换热量和预测长期地温变化。以采用水热型地热能进行供暖为例，建立了一套合理设置采灌井距的方法。该方法结合数值模拟与经济学分析方法，以回灌带来的热储下降与水温下降所产生的经济损失最小为目标函数，寻找最优采灌井距。其中，数值模拟部分，采用OGS，给定不同井距下温度与水位的响应。设定对某地热田进行为期50年的开采与回灌(回灌率为100％)，将回灌井布置在开采井下游，且井距从100m至1000m变化时，储层内的温度与水头响应开采井水温50年内变化极其微弱便可进行成本核算，确定最优井距。

步骤2，地热井稳定涌水量确定：

步骤21)，通过拟合抽水试验得到Q＝f(s)曲线，计算不同最大水位降深时的单井稳定涌水量；

步骤22)，结合地热地质概念模型模拟结果，得到不同水位降深时热储层厚度与稳定涌水量之间的关系。

首先，通过拟合抽水试验得到的Q＝f(s)曲线，计算不同最大水位降深时的单井稳定涌水量。之后，结合数值模拟结果，得到水位降深20m时，单井稳定涌水量与储层厚度之间的对应关系。

采用曲线误差拟合法，对4口地热井涌水量Q与最大水位降深S关系曲线进行了拟合。在EXCEL软件中采用最小二乘法进行试算，结果表明，抛物线方程拟合误差C＝0.003％，指数方程拟合误差C＝2.102％，线性方程拟合误差 C＝0.641％，根据《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615-2010)的规定，该抽水试验曲线最适合采用抛物线方程进行拟合，因此，单井稳定涌水量Q与水位降深S 之间的关系为：

S＝0.0007Q2+0.0421Q+0.0981。

根据《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615-2010)要求：“计算使用的压力降低值一般不大于0.3MPa，最大不大于0.5MPa”，参考该区域实际地质和开采特征，计算地热井最大水位降深分别为10m、20m、30m、40m、50m时，求解方程获得单井稳定涌水量分别为63m³/h、96m³/h、124m³/h、145m³/h、164m³/h。

通过地热藏数值模拟，在不同热储层厚度条件下，计算得到不同水位降深时热储层厚度与稳定涌水量关系图版。

步骤3，压力场分析及地热井井距确定；

依据单井抽水试验资料，采用承压完整井单井稳定流抽水试验时的Dupuit 公式和库萨金抽水影响半径经验公式：

式中：R—影响半径(m)；K—渗透系数(m/d)；Q—地热井涌水量(m3/d)；S—稳定水位降深(m)；M—热储层厚度(m)；r—井眼半径(m)。

数值模拟计算结果与理论公式计算结果基本一致，单井涌水量越大，其影响半径越大。数值模拟计算结果与理论公式计算结果基本一致，单井涌水量越大，其影响半径越大。当单井最大水位降深30m时，稳定涌水量124m³/h，计算地热井开采影响半径246m，因此最佳地热井井距为500m。

步骤4，温度场分析及采灌井距确定：

步骤41)，利用地热地质概念模型，假设地下供水半径无限大，地热井涌水水温 56℃，回灌井回灌温度15℃，热储层厚度为191m，地热井最大水位降深20m，单井稳定涌水量112m3/h时，一个供暖周期内供暖120d，剩余时间恢复水位和地层热量，计算供暖时间100年，不同采灌井距冷锋推进前缘位置；

步骤42)，根据(根据图1的模型得到)不同采灌井距条件下回灌水冷锋前缘推进图(地质数据模型和现有运行数据拟合出的)不同井距下地热井井口水温随供暖时间变化曲线图，可以看出，当采灌井距为200～400m时，100年的供暖周期内冷锋前缘已经到达地热井井底，造成地热井水温下降。只有采灌井距大于500m，100 年的供暖周期内冷锋前缘才不会到达地热井井底；

步骤43)，同理，结合基准地层温度，回灌井回灌水温按照30℃、35℃、40℃、 45℃、50℃计算最佳采灌井井距，从地质数据模型和现有运行数据拟合出的中可以看出，随着回灌井回灌水温从30℃升高至40℃时，最佳采灌井距由612m减小至 379m。

步骤5，井网部署及供热能力确定：

步骤51)开发层系确定：

陕西关中盆地内地热井无高陵群单层开采资料，目前关中盆地地热井主要开采层位为蓝田-灞河组、高陵群砂岩热储，以蓝田-灞河组为主。整体特点为地热水水温高、涌水量大。关中盆地现有地热井情况分布如下表1所示。

表1关中盆地现有地热井情况分布表

高陵群砂体厚度约为蓝田-灞河组1/2，测井解释渗透率也较低，约为主力层蓝田灞河组1/4，储层物性较差。现有资料证实该层从物性、厚度上均不具备作为一套开发层系的物质基础。但由于该区无单采资料，且钻穿高陵群组地热井资料较少，对该区钻穿高陵群组地热井开展单采涌水试验测试。

步骤52)丛式井网形式确定：

布井形式包括两点、四点、六点法井网等。由于地热井部署在城区，地面征地费用较高，为节约投资，在保证区域内采灌井数基本相当情况下，具体布井形式可根据地面小区实际供暖面积进行选取，根据以上井间距数据的确定可按照台式井(三靶圈井为台式井的一种技术形式)、丛式井(如图2～6所示)的方式进行井网布设打造陕西关中盆地群采群灌示范区。同时在关中盆地区域供热主要是分布式供热，暂无大规模成片区开发，后期实施项目为单点项目。

以回灌井回灌水温35℃为例，根据数值模拟结果，一采一灌模式下采灌井间距500m、回灌比1：1时，开采井井口温度不发生变化，可满足供暖要求。根据区内热负荷需求进行科学合理布井。

当热储层顶界埋深超过2000米时，设计时可以考虑“一台四井、六井”，即定向井，井口间距6米，各井方位相差60°，A靶水平位移500米即可满足各井间距超过500米。如果埋深更深，相应的一个钻井平台还可以布置更多的地热井。

图7为井工厂布井轨迹图；图8为井工厂三维图I；图9为井工厂三维图Ⅱ。

其中，靶点数据如表2所示，防碰数据如表3所示。

表2靶点数据表

表3防碰数据表

根据钻井地质要求，结合区块地层特点，根据新星石油 Q/SH1050-2019《地热井钻井技术导则》及丛式井技术要求进行井身质量设计，具体要求见下表4～6所示。

表4井身质量要求

表5定向井段井身质量要求

表6靶点数据

固井质量评价按《固井质量评价方法》(SY/T6592-2016)标准执行。

表7固井质量要求

井眼轨迹基本参数设计和轨迹设计如表8和表9所示。

表8井眼轨迹基本参数设计表

轨迹类型：直-增-稳-降

注：磁倾角、磁偏角和磁场强度等施工前现场复核。

表9轨迹设计数据表

注：①剖面数据根据井口初测坐标设计，实际施工要用复测坐标校核井身剖面。

②工程设计井深未考虑补心高，实际施工时要用实际补心高校核井深。

③做好井身质量监测。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。

Claims (1)

1.一种水热型地热井工厂，其特征在于，将多个地热井井口集中在最小区域内，井眼向多方位展布；

当热储层顶界埋深超过2000米时，为一台四井或一台六井，井口间距6米，各井方位相差60°，A靶水平位移500米即可满足各井间距超过500米。

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