中高温地热单井产量测定的试验方法和试验观测系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及中高温地热单井产量测定的试验方法及试验观测系统。所述方法和系统主要有以下步骤和内容：第一步，根据地热井特征设定试验方案，包括井内外试验观测系统的布置安装、放喷试验中流量阶次的设置和试验的观测内容；第二步，按方案开展试验和观测，记录试验全过程地表放喷端口和井内热储段两个试验观测系列的温度、压力的观测数据；第三步，分析评价井内热储热力均衡条件下的单井产量，包括对观测数据进行分析处理，绘制产量与井内热储段温差的均衡关系曲线，评价可持续实现的单井产量供给边界。该方法着眼于自然资源的有限供给，为开展地热能工程提供科学的依据。
【专利说明】中高温地热单井产量测定的试验方法和试验观测系统
【技术领域】
[0001]本发明属于地热井试验【技术领域】，具体涉及中高温地热单井产量测定的试验方法和试验观测系统。
【背景技术】
[0002]地热是地球自身所具备的能源资源。中高温地热资源可用于制备能源(如发电、供暖等)，对满足人类能源需求而言具有巨大的潜力。在保护生态环境的前提下，中高温地热资源的勘查开发，对实现非化石能源目标、推进能源生产和消费革命、缓解我国能源资源供给压力、促进生态文明建设等方面具有重要的现实意义和长远的战略意义。利用地热资源制备能源，是地热资源开发利用的终极目标。中高温地热资源具有如下三项重要的基本特征:①中高温地热资源是地球本身固有的特征物质属性，具有限供给性；②各类地质体均有可能是赋存中高温地热资源的载体介质；③中高温地热资源存在的形式具有多样性，以当前人类科技能力可以涉足开发利用的，既有地热流体与热能共同伴随者，也有仅纯粹热表现而无地热流体的形式(如干热岩)。
[0003]基于以上目标和特征，本发明人提出如下地热能工程(Engineering ofGeothermal Power,简称EGP)概念:地热能工程,是指针对中高温地热资源，以最小的环境影响代价(此影响的量化评价在安全、可持续等方面能够被接受)为先决条件，以实现有持续供给意义的热能萃取为目标，人工开采或制备热能的技术方法和工艺的集合。有持续供给意义是指以相对长的时间来考察，地热能的供给相对稳定，即在满足经济评价的基础上，对所开发的地热地质单元而言，若持续提取一定规模的热能，地质体的温度在一定范围内可以保持稳定。
[0004]本发明人认为，中高温地热井所揭露的热储赋存地热流体时，以地热井与热储为研究对象，地热流体作为热能载体介质从热储进入地热井并被直接开采，热力过程是通过地热流体的质量传递发生能量的传递；地热井所揭露的热储，无论赋存任何流体与否，构建由地热井和井内换热器(组件)组成的换热系统，以换热系统与热储为研究对象，热力过程是通过换热器内工质的运动来完成换热系统与热储间的热交换，能量传递是换热过程。上述两种情形，被萃取热能的地质体发生温度变化，是地热资源的有限供给使然，故地热单井的产量试验或换热量试验均应着眼于热力均衡问题。
[0005]对于中高温地热单井的产量试验，需要说明的是:目前普遍只进行一次最大放喷试验，通过观测地表放喷装置端口地热流体的温度、压力和流量的稳定数据，采用James端压法经热力计算判定单井产量。在《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615 — 2010)第7.6.4.1款中对单井放喷试验的要求为:“可先用端压法测算单井的热潜力。准确测定则必须在井口进行汽、水分离，分别测定不同压力下的汽、水流量和温度，并测定分离蒸汽中的不凝结气体含量，确定单井的热焓和热流体产量，绘制井口压力、产量与温度、流量和时间的关系曲线。试验延续时间不少于360h”。但迄今尚未见有满足上述规范内容要求的试验案例，目前单井产量的定量评价仍然存在不确定因素，这有可能是生产应用中部分单井产量发生衰减的原因之一。
【发明内容】
[0006]本项发明的一个目的是提供一种中高温地热单井产量测定的试验方法，采用该方法可定量评价地热单井在井内热储热力均衡条件下可以获得的地热产量供给边界，确定单井合理的开采量，为开展地热能工程提供科学的依据。
[0007]本发明的另一个目的是提供一套用于开展中高温地热单井产量试验的试验观测系统，该系统结构设计科学合理，易于控制。
[0008]为达到以上目的，本发明采用的技术方案是:中高温地热单井产量测定的试验方法，主要包括以下步骤:
[0009]第一步，根据地热井特征，设定用于定量评价中高温地热单井产量的试验方案；
[0010]第二步，按试验方案开展多阶次试验和观测，获取观测数据，所述观测数据包括试验开展全过程对应的井内、外的温度、压力数据；
[0011]第三步，根据第二步得到的观测数据，分析各阶次试验中井内热储热力均衡条件下产量与热储段平均温差的关系，计算求得单井井内热储热力均衡条件下的产量边界值E0。
[0012]进一步，第一步的具体方法包括:
[0013](a)根据地热井特征，确定试验方案的实现形式为多阶次定流量放喷试验；
[0014](b)根据地热井特征，确定井内、外用于测温、测压的观测仪器的安装方案；
[0015](C)根据地热井特征所反映的流量规模、温度、压力的范围，划分多阶次放喷试验的流量阶次以及按阶次开展放喷试验的方向顺序；
[0016](d)根据地热井特征，确定试验的观测内容，所述观测内容包括地表放喷端口流体(汽态和液态)的流量、温度和压力以及井内热储段的温度和压力。
[0017]再进一步，第二步中按试验方案开展试验和观测的内容如下:
[0018](a)按照试验方案分别进行观测仪器的安装、调试；
[0019](b)测定热储未开采前的原始温度T。；
[0020](c)按照设定的试验方向顺序，控制放喷端口流量的阶次，进行放喷试验，并在每一流量阶次的观测过程中，采集和记录地面放喷端口和地热井内两个试验观测系列的观测数据。
[0021 ] 更进一步，第三步中，先对各阶次试验地表放喷端口的观测数据和地热井内的观测数据进行对比分析，分别绘制井内、外的温度-时间关系曲线、压力-时间关系曲线、产量-时间关系曲线。
[0022]再更进一步，第三步的具体实现方法包括:
[0023](a)对于每一流量阶次的放喷试验:
[0024](al)利用地面放喷端口试验观测系列的观测数据，分析试验稳定状态下的数据，根据James端压法，采用下式①计算该流量阶次对应的产量Ei,
/ , \2
[0025]E1 = Pm6 ^^^ ①；
(α L 15.1261 J
[0026]式①中，i表示流量阶次，d表示放喷管内径，cm ；Pci表示第i流量阶次放喷稳定后测得的端口压力，bar ；
[0027](a2)根据观测的温度数据，计算得到该流量阶次地热井中热储段的平均温差ATi ；
[0028](b)将各流量阶次观测所获得的地热井产量Ei与地热井中热储段的平均温差Λ Ti绘制Ε-ΛΤ均衡曲线，E — AT均衡曲线上存在E对AT—阶导数为零的拐点，该拐点处的切线平行于AT轴，此点对应的Etl值，即为单井井内热储热力均衡条件下产量的边界值，如不考虑周边开采干扰的影响，则该地热井开采热量不能大于Etl ;将E- Δ T均衡曲线表达为式②所示的函数形式，求解系数A、B,该函数形式表达了在Etl约束之下的E- Λ T关系，
「00291 爲=—~7-r (2)
lg(Arrt + 5)W。
[0030]其中，(a2)步骤中，地热井中热储段的平均温差ATi采用下述方法计算:
[0031]根据对该流量阶次试验观测得到的热储段的温度数据，计算得到试验稳定后热储段的平均温度，并根据式③得到对应于热产量Ei的热储段的平均温差ATi,
[0032]ATi = ATri = T0-Tri ③；
[0033]式中，T0——热储未开采前的原始温度Ai——第i流量阶次试验稳定后热储段的平均温度。
[0034]或者，(a2)步骤中，地热井中热储段的平均温差用热储未开采前的原始温度Ttl和第i流量阶次试验稳定后放喷端口流体温度Ti的差值表示。
[0035]进一步，利用设在井内用于测温的观测仪器在放喷试验前观测获得热储未开采前的原始温度Ttl。
[0036]本发明提供的试验方法还包括:根据第二步获得的观测数据的分布规律，分析热储的主要贡献部位(井段)，比较井特征内容，校核井特征所反映的地热地质条件。
[0037]本发明提供的用于开展中高温地热单井产量试验的试验观测系统包括:与地热井出口相连的放喷端口流量控制模块以及地表测温装置、地表测压装置和井内测温装置和井内测压装置。
[0038]进一步，井内测温装置包括温度采集设备以及与温度采集设备相连并深入到地热井内的温度传感器；井内测压装置包括压力采集设备以及与压力采集设备相连并深入到地热井内的压力传感器。
[0039]本发明提出了中高温地热单井产量测定的试验方法、工作内容和操作步骤:根据地热井特征，确定多阶次定流量放喷试验的方案和试验观测内容，进行试验观测系统的安装，开展试验观测，对各流量阶次试验获取的地表放喷端口的温度、压力、流量和井内热储段的温度、压力实时变化的观测数据进行分析处理，分别绘制井内、外的温度-时间关系曲线、压力-时间关系曲线、产量-时间关系曲线，进而绘制地热井产量与井内热储段温差的均衡关系曲线，评价该地热单井井内热储热力均衡条件下产量的边界值，建立数学模型，将观测数据整理后导入模型进行分析计算，以评价在井内热储热力均衡条件下可以实现的单井产量。
[0040]本方法着眼于自然资源的有限供给，具体体现地热井可获得地热资源量的有限供给，确定单井合理的开采量边界，可作为建造制备能源的地热能工程的设计依据。如不考虑周边开采干扰的影响，此基础上的单井开采量具有可持续性。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]图1是本发明提供的中高温地热单井产量测定的试验方法的一种【具体实施方式】的流程图；
[0042]图2是用于开展中高温地热单井产量试验的试验观测系统的一种实施方式的示意图；
[0043]图3是根据本发明方法利用试验中稳定状态下观测数据绘制的地热单井产量E与井内热储段平均温差Λ?；的均衡关系曲线；
[0044]图4示例了本发明一个实施例的地热井的井身结构；
[0045]图5示例了本发明一个实施例的地热井钻探过程的钻效曲线图；
[0046]图6示例了本发明一个实施例的地热井的测温曲线。
【具体实施方式】
[0047]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步描述。
[0048]在详述本发明提供的试验方法之前，首先描述一种用于开展中高温地热单井产量试验的试验观测系统。
[0049]如图2所示，本发明提供的用于开展中高温地热单井产量试验的试验观测系统包括放喷端口流量控制模块以及地表测温装置、地表测压装置、井内测温装置和井内测压装置。
[0050]放喷端口流量控制模块和放喷装置相连。放喷装置包括连接在地热井I出口的管汇2-1、与管汇2-1相连的放喷管2-5以及与放喷管2-5相连的水汽分离器10。放喷端口流量控制模块包括设在管汇2-1上的具有微调和锁定功能的调节阀2-2，以及设在管汇2-1上与放喷管2-5的连接处的上、下游的阀门2-3、2-4。各阶次放喷端口流量可通过与放喷管2-5出口相连的压力传感器7读数经初步计算获取，再通过水汽分离器10，对水、蒸汽、不凝结气体同时进行测定，进一步获取流量的准确数据。
[0051]地表测温装置包括与放喷管2-5的出口相连的温度传感器8，用于观测地面放喷口温度。
[0052]地表测压装置包括与放喷管2-5的出口相连的压力传感器7 (用于观测地面放喷口压力)以及与管汇2-1的进口端相连的的压力传感器9 (用于观测井口压力)。
[0053]井内测温装置包括温度采集设备3以及与温度采集设备3相连并深入到地热井I内的温度传感器6 (用于测定地热井内不同深度处的温度)。
[0054]井内测压装置包括压力采集设备4以及与压力采集设备4相连并深入到地热井I内的压力传感器5 (用于测定地热井内不同深度处的压力)。
[0055]以下结合图2详细说明如图1所示的本发明所提供的中高温地热单井产量测定的试验方法，主要包括以下步骤:
[0056]第一步，根据地热井特征，设定用于定量评价中高温地热单井产量测定的试验方案。
[0057]在设定具体的试验方案之前，首先须在详细了解井所处自然条件和地热地质条件基础上，根据对地热井钻井过程地质编录、钻探编录和简易水文地质观测以及地球物理测井资料的分析，结合放喷初试资料，完整获得地热井特征。
[0058]设定试验方案的具体内容可以包括:
[0059](a)以多阶次定流量的形式进行放喷试验。多阶次定流量是指:设定不同的流量，不同流量的试验按照流量递增或递减的方向顺序开展，递增或递减的次数即为阶次，观测的内容相同。
[0060](b)根据地热井特征，确定井内、外用于测温、测压的观测仪器和井外用于测流量的观测器具的安装方案。试验开展后可根据实测情况进行优化调整。
[0061](C)根据地热井特征所反映的流量规模和温度、压力的位置分布以及数据范围，划分并确定流量阶次以及按流量阶次开展试验的方向顺序。
[0062](d)根据地热井特征，确定试验的观测内容，观测内容包括地表放喷端口流体(汽态和液态)的流量、温度和压力以及井内热储段的温度和压力，稳定与否的标志是放喷端口流体和井内热储的温度，确定稳定与否的标准是各流量阶次温度的稳定并能够延续一定时间。
[0063]例如，地热井特征如下:
[0064]热储类型为喜山期构造热储，岩性为花岗岩-石英二长岩；井身结构见图4，地热井钻探过程的钻效曲线见图5，地热井的测温曲线见图6。结合图5和图6以及地质编录可以初步判定井内热储段位置。
[0065]井深:1000m;
[0066]三径结构:0340mm/0-60m, 0 245mm/0-400m, d216mm/400-1000m ；
[0067]裸眼段位置400_1000m ；
[0068]热储段位置:400-1000m；
[0069]在地热井钻探过程中，通常会进行放喷初试。本实施例中放喷初试相关数据为:
[0070]初试流量:200T/h；
[0071]初试温度:170°C;
[0072]初试压力:3kg/cm2。
[0073]根据以上地热井特征，设定试验方案:
[0074](a)设定按初试流量划分为3个流量阶次:160T/h、100T/h、50T/h ；
[0075](b)安全起见，可拟定观测仪器在该井内的安装深度为960m ;
[0076](c)设定试验方向:反向试验，即从大流量到小流量的顺序开展试验。
[0077]第二步，按试验方案开展多阶次试验和观测，获取观测数据，所述观测数据包括试验开展全过程对应的井内、外的温度、压力数据；
[0078](a)按照试验方案分别进行观测仪器(包括地表测温装置、地表测压装置、井内测温装置和井内测压装置中相关仪器)和放喷端口流量控制模块的安装、调试。
[0079]在优选的实施方式中，井内测温装置可采用分布式光纤测温装置，以实现热储段的实时连续测温。井内测压装置可采用多点测压装置。分布式光纤测温装置的光缆即图2的温度传感器6。多点测压装置的多点压力传感器即图2中的压力传感器5。
[0080](b)测定热储未开采前的原始温度T。。
[0081](c)按照设定的方向顺序，利用调节阀2-2控制放喷端口流量的阶次，从大到小，进行放喷试验，采集和记录地热井外地表放喷端口和地热井内两个观测系列的观测数据，观测数据包括试验全过程放喷端口流体的温度和压力数据以及地热井内热储段的温度和压力数据。
[0082]本发明中，可根据第二步获得的观测数据的分布规律，分析热储的主要贡献部位(井段)，比较井特征内容，校核井特征所反映的地热地质条件，这体现了本方法所具有的延伸意义。
[0083]第三步，根据第二步得到的观测数据，分析多阶次试验中井内热储热力均衡条件下的中高温地热单井产量Ei与地热井中热储段的平均温差△ Ti的关系，计算求得单井井内热储热力均衡条件下产量边界值E。。
[0084]具体方法包括:
[0085]在分析计算之前，将地表放喷端口的观测数据和地热井内的观测数据进行对比分析，分别绘制井内、外的温度-时间关系曲线、压力-时间关系曲线、产量-时间关系曲线。
[0086]然后，进行建模，计算求得井内热储热力均衡条件下产量的边界值。具体实现方法包括:
[0087](a)对每一流量阶次的试验:
[0088](al)利用地面放喷端口观测系列的观测数据，分析试验稳定状态下的数据，根据James端压法，采用下式①计算该流量阶次对应的产量Ei:
/J \2
[0089]Et = ^—①；
' n 115,1261；
[0090]式①中，i表示流量阶次，d表示放喷管内径，cm ；Pci表示第i流量阶次放喷稳定后测得的端口压力，bar ；
[0091](a2)根据观测的温度数据，计算得到该流量阶次地热井中热储段的平均温差ATi ；
[0092](b)根据各阶次试验所获得的地热井产量Ei与井内热储段的平均温差Λ Ti，绘制E- Δ T均衡曲线，从图3上看，E— Λ T均衡曲线上存在E对Λ T的一阶导数为零的拐点，该拐点处的切线平行于ΛΤ轴，此点对应的Etl值，即为单井井内热储热力均衡条件下产量的边界值，即如不考虑周边开采干扰的影响，该地热井开采热量不能大于Ec^可将E- Δ T均衡曲线表达为式②所示的函数形式，求解系数A、B (例如采用一元线性回归方程求解)。该函数形式表达了在Etl约束之下的E- Λ T关系，
_A
[0093]Ei = Ei1-②。
[0094]例如，第一步中根据放喷初试流量将试验划分为3个流量阶次，则式①-③中i =I, 2，3。
[0095]另外，(a2)步骤中，各流量阶次中，井内热储段的平均温差ATi可以采用下述方法计算:
[0096]根据对该流量阶次试验观测得到的热储段的温度数据，计算得到该流量阶次试验稳定后热储段的平均温度，并根据式③得到在该流量阶次下对应于产量Ei的热储段的平均温差Δ Ti:
[0097]ATi = ATri = T0-Tri ③；
[0098]式中，T0——热储未开采前的原始温度Ai——第i流量阶次试验稳定后热储段的平均温度。
[0099]井内测量装置不能正常运用时，(a2)步骤中，地热井中热储段的平均温差用热储未开采前的原始温度Ttl和第i流量阶次试验稳定后放喷端口流体温度Ti的差值表示。同样可绘制E— AT均衡曲线，但计算结果不完善，精度也会降低。
[0100]上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。
【权利要求】
1.中高温地热单井产量测定的试验方法，主要包括以下步骤: 第一步，根据地热井特征，设定用于定量评价中高温地热单井产量的试验方案； 第二步，按试验方案开展多阶次试验和观测，获取观测数据，所述观测数据包括试验开展全过程对应的井内、外的温度、压力数据； 第三步，根据第二步得到的观测数据，分析各阶次试验中井内热储热力均衡条件下产量与热储段平均温差的关系，计算求得单井井内热储热力均衡条件下的产量边界值
2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，第一步的具体方法包括: (a)根据地热井特征，确定试验方案的实现形式为多阶次定流量放喷试验； (b)根据地热井特征，确定井内、外用于测温、测压的观测仪器的安装方案； (C)根据地热井特征所反映的流量规模、温度、压力的范围，划分多阶次放喷试验的流量阶次以及按阶次开展放喷试验的方向顺序； (d)根据地热井特征的要求，确定试验的观测内容，所述观测内容包括地表放喷端口流体(汽态和液态)的流量、温度和压力以及井内热储段的温度和压力。
3.根据权利要求2所述的试验方法，其特征在于，第二步中按试验方案开展试验和观测的内容如下: (a)按照试验方案分别进行观测仪器的安装、调试； (b)测定热储未开采前的原始温度Ttl； (C)按照设定的试验方向顺序，控制放喷端口流量的阶次，进行放喷试验，并在每一流量阶次的观测过程中，采集和记录地面放喷端口和地热井内两个试验观测系列的观测数据。
4.根据权利要求3所述的试验方法，其特征在于，第三步中，先对各阶次试验地表放喷端口的观测数据和地热井内的观测数据进行对比分析，分别绘制井内、外的温度-时间关系曲线、压力-时间关系曲线以及产量-时间关系曲线。
5.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于，第三步的具体实现方法包括: (a)对于每一流量阶次的放喷试验: (al)利用地面放喷端口试验观测系列的观测数据，分析试验稳定状态下的数据，根据James端压法，采用下式①计算该流量阶次对应的产量Ei:
①； 式①中，i表示流量阶次，d表示放喷管内径，cm ；Pci表示第i流量阶次放喷稳定后测得的端口压力，bar ； (a2)根据观测的温度数据，计算得到该流量阶次地热井中热储段的平均温差ATi ； (b)将各流量阶次试验所获得的地热井产量Ei与地热井中热储段的平均温差ATi绘制Ε-ΛΤ均衡曲线，E — AT均衡曲线上存在E对AT—阶导数为零的拐点，该拐点处的切线平行于AT轴，此点对应的Etl值，即为单井井内热储热力均衡条件下产量的边界值，如不考虑周边开采干扰的影响，则该地热井开采热量不能大于Etl ;将E- Δ T均衡曲线表达为式②所示的函数形式，求解系数A、B,该函数形式表达了在Etl约束之下的E- Λ T关系，
A * 0 lg(ATri + B)⑵。
6.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于，(a2)步骤中，地热井中热储段的平均温差ATi采用下述方法计算: 根据对该流量阶次试验观测得到的热储段的温度数据，计算得到试验稳定后热储段的平均温度，并根据式③得到对应于热产量Ei的热储段的平均温差ATi: ATi = ATri = T0-Tri ③； 式中，T0——热储未开采前的原始温度；Τη——第i流量阶次试验稳定后热储段的平均温度。
7.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于，(a2)步骤中，地热井中热储段的平均温差用热储未开采前的原始温度Ttl和第i流量阶次试验稳定后放喷端口流体温度Ti的差值表示。
8.根据权利要求6或7所述的试验方法，其特征在于，利用井内用于测温的观测仪器在放喷试验前观测获得热储未开采前的原始温度Tc^
9.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述试验方法还包括，根据第二步获得的观测数据的分布规律，分析热储的主要贡献部位(井段)，比较井特征内容，校核井特征所反映的地热地质条件。
10.用于开展中高温地热单井产量试验的试验观测系统，所述试验观测系统包括: 与地热井出口相连的放喷端口流量控制模块以及地表测温装置、地表测压装置和井内测温装置和井内测压装置。
11.根据权利要求10所述的试验观测系统，其特征在于，井内测温装置包括温度采集设备以及与温度采集设备相连并深入到地热井内的温度传感器；井内测压装置包括压力采集设备以及与压力采集设备相连并深入到地热井内的压力传感器。
【文档编号】E21B47/00GK104131807SQ201410328248
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月10日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】姜再新, 毕文明 申请人:姜再新