一种利用地下热虹吸自循环开采干热岩地热方法
【专利摘要】本发明涉及地热开发领域，提供了一种利用地下热虹吸自循环开采干热岩地热方法。该方法通过在地下构建携热介质循环流动通道，充分利用不同温差下携热介质密度差导致的热虹吸现象，从而实现携热介质在地下通道中的自循环流动。该循环流动通道可通过在注采井不同深度钻取两条水平井眼实现，也可通过注采井井底压裂裂缝和上部水平井眼实现。循环流动的携热介质在流动中带动涡轮发电机转动发电，从而将干热岩地热能以电能的形式开采出来。该方法充分利用携热流体热虹吸现象，实现了地下自循环流动，不需要外界提供额外动力，适用于储层温度高、地面环境恶劣的干热岩储层地热开发。
【专利说明】
一种利用地下热虹吸自循环开采干热岩地热方法
技术领域
[0001]本发明涉及地热能开发领域，具体的涉及一种利用地下热虹吸自循环开采干热岩地热方法。
【背景技术】
[0002]地热是具有前景的可再生能源之一，与其他新能源如太阳能、风能和生物质能相比，具有分布广、受外界影响小(如昼夜、风速、温差)、碳排放量及维护成本低等特点。中国地处环太平洋地热带和地中海-喜马拉雅地热带区域，地热资源丰富。具有较高利用价值的传统中高温地热储层通常位于构造运动活跃的火山带附近，但受制于地理环境以及储量规模，丰富的地热能无法得到有效开发利用。随着探勘开发技术的进步，深部地热资源如干热岩等受到广泛的关注。
[0003]深部地热能以中高温干热岩地热资源为主。干热岩地热资源分布广、储量大、不受地理限制，是未来地热能开发的主要领域。相关研究表明，中国埋深在3000-8000m内的干热岩地热可采储量为1.49 X 121J,约为2014年全国能源消费总量的几十倍。合理、经济的开采干热岩地热能不仅可能起到节能减排和能源调整的作用，更可为偏远地区能源需求提供切实的帮助。
[0004]干热岩埋藏深，孔隙度和渗透率极小，在进行地热开发时，需要进行大规模的水力压裂改造，人为构建注采井间高渗流区域，从而使得携热介质在注入井-干热岩储层-生产井-地面循环流动。温度较低的携热介质在注入井井筒中流动时，会与井筒周围高温储层进行热交换，导致温度上升;经干热岩储层加热的携热介质在生产井井筒中流动时，会与井筒周围低温储层进行热交换，导致温度下降。注入井井筒中较低温度的携热介质密度较大，会在注入井井筒中产生较大的重力，使得井口所需注入压力较小；生产井井筒中较高温度的携热介质密度较小，会产生较小的重力，使得井口生产压力较高。因此，当注采井井筒中携热介质密度差别较大时，会使得生产井井口压力高于注入井井口压力，从而产生热虹吸现象。
[0005]由于水具有高热容、高热传导性、热力学性质稳定、且储量丰富、安全等特点，常规地热开发均选择水作为携热介质。但在注水开发地热时，由于水流量较大，存在注入压力高、回注困难等问题；同时，在高温条件下，岩石矿物会大量溶解于地热水中，不仅影响储层的孔隙度和渗透率，还会导致井筒及地面设备中的结垢问题。近几年，国际上提出以超临界CO2作为携热介质开采地热能的新技术，利用超临界CO2优良的热物性，发挥其在储层渗流和井筒流动中优良的热交换能力，已获得国际同行普遍认可。将超临界CO2作为携热介质具有以下优势:①充分利用超临界CO2密度大、粘度低的特点，实现其在地热储层中的高速大排量渗流，为实现高效地热开采提供了物质基础;②超临界CO2本身为非极性溶剂，在其作为携热介质时，不会与储层矿物发生化学反应，储层矿物也不会溶解于超临界CO2中，可避免井筒、管线以及地面设备中的结垢问题;③结合CO2地质埋存技术，在储层不再具有地热开采价值时，可以将CO2埋存至地热储层中；④由于CO2的密度对温压条件敏感，注采井间的温差可以引起更强烈的热虹吸现象。
[0006]本发明针对于地热开采时注入井和生产井井筒中产生的热虹吸现象，提出一种利用地下热虹吸自循环开采干热岩地热的方法。该方法在干热岩储层的上覆岩层中钻一口水平井眼，连通注入井和生产井，利用携热介质的热虹吸原理，实现携热介质在注入井-干热岩储层-生产井-水平井眼中的循环流动，并在生产井中下入串联涡轮发电机，将高温携热介质的动能转变为电能，从而开采干热岩地热能。
【发明内容】
[0007]本发明的技术方案为:一种利用地下热虹吸自循环开采干热岩地热方法，具体步骤如下:
[0008](I)经地质勘查，合理选择一处中高温干热岩地热储层；
[0009](2)在干热岩储层钻取两口直井，分别作为注入井和生产井，井距为500?1000m;
[0010](3)对两口井进行大型水力压裂，建造人工热储，使两井井底连通；
[0011 ] (4)向注入井中注入低温携热介质，验证注采井间连通性和人工热储的渗流能力；
[0012](5)对干热岩上覆岩层的生产井筒进行开窗侧钻，钻取水平井眼，并采用地质导向钻具，实现水平井眼与注入井井筒的准确对接；
[0013](6)对水平井眼至干热岩储层的生产井井眼扩径，并将串联涡轮发电机下入井眼扩径处；
[0014](7)由注入井井口向干热岩储层中注入携热介质，携热介质在热虹吸作用下，自动形成注入井-干热岩储层-生产井-水平井眼的循环流动，带动生产井筒中的涡轮发电机发电，并将电能通过井下耐温电缆传输至地面进行利用；
[0015](8)停止注入井中携热介质的注入，实现携热介质在地下进行热虹吸自循环流动发电。
[0016]优选的是，步骤(I)中，干热岩储层半径大于1000m，厚度大于100m，温度高于200Γ。
[0017]优选的是，步骤(2)中，两口井钻到表土层以下时，为隔离地层水渗入以及保护井壁，需下入表层套管，并用水泥浆固井。
[0018]优选的是，步骤(3)中，水力压裂所用压裂液根据储层岩石润湿性决定，一般干热岩储层为水润湿，在不进行岩石物性测量情况下，选择水基压裂液进行压裂。
[0019]优选的是，步骤(3)中，若干热岩储层所在区域水资源缺乏，而CO2资源丰富，可选择超临界CO2作为压裂液，进行水力压裂。
[0020]优选的是，步骤(4)中，携热介质可以是常规携热介质-水，也可以是超临界C02，以及其他性能优良的携热流体及其混合物。
[0021]优选的是，步骤(4)中，应保证生产井产出携热介质最短5天，从而验证注采井间连通性以及人工热储的渗流能力。
[0022]优选的是，步骤(5)中，套管开窗侧钻时，应根据所选择的携热介质，计算注采井筒中的温度压力分布，选择两井相同深度处压力差最大位置，进行套管开窗。
[0023]优选的是，步骤(5)中，可以在注入井相同深度处采取同样的套管开窗侧钻技术，侧钻一口水平井眼，实现与生产井水平井眼的对接。
[0024]优选的是，步骤(6)中，将生产井井眼扩径至0.5?lm，折叠的串联涡轮发电机可通过上部井筒下放至井眼扩径处展开。
[0025]优选的是，步骤(7)中，注入井向干热岩储层中注入一定量的携热介质，形成携热介质热虹吸自循环后，不需要再向储层中持续注入携热介质。
[0026]优选的是，步骤(8)中，如果携热介质向热储围岩中发生泄漏，可根据实际情况，间隔一段时间或者持续通过注入井向地热储层补充一定量的携热介质。一般的，携热介质若为水，可间隔10天补充一次;若为C02，可间隔20天补充一次。
[0027]本发明的有益效果为:①充分利用干热岩地热，将低温携热介质加热，使携热介质密度大幅度降低、体积膨胀，引起注采筒中相同深度处产生巨大压差，实现携热介质的热虹吸自循环流动，不需要外界提供额外的循环动力;②利用直井侧钻水平井眼技术，将注入井和生产井连通，实现了热虹吸循环管路的全部地下化，不仅大大降低了深部地热开采过程中携热介质在注采井筒中的动能损失，而且不需要地面增压设备，降低了经济投入;③利用井下串联式涡轮发电机，将热虹吸产生的动能高效的转化为电能，并采用耐高温电缆将电能传输至地面，实现在地下热能-动能-电能的高效转化。
【附图说明】
[0028]图1地下热虹吸自循环井身结构示意图。
[0029]图2地下双水平井热虹吸自循环井身结构示意图。
[0030]其中，1、上覆岩层，2、注入井筒，3、干热岩储层，4、人工地热储层，5、压裂裂缝，6、注入井，7、上部水平井眼，8、生产井，9、生产井筒，10、井眼扩径处，11、串联涡轮发电机，12、下部水平井眼，13、井下电缆。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图对本发明进行详细的描述。
[0032]—种利用地下热虹吸自循环开采干热岩地热方法，具体步骤如下:
[0033](I)经地质勘查，合理选择一处中高温干热岩储层3。；
[0034](2)在干热岩储层3钻取两口直井6和8，井6和井8相距500?1000m;
[0035](3)采用水力压裂技术，对两井进行水力压裂，建造人工地热储层4，其中单井约需压裂液10000?50000m3，压裂半径在250?500m;
[0036](4)打开注入井6和生产井8，将低温携热介质(如水、超临界⑶2、以及其他性能优良的携热流体及其混合物)由注入井6井口注入到干热岩储层，计量生产井8井口携热介质产出速度，验证人工地热储层的连通性；
[0037](5)若注入井6井口压力持续升高，无法注入携热介质，或生产井8井口无法产出携热介质，则两口井压裂裂缝没有有效连通，需要重复步骤(3)、(4)，直至注入井6和生产井8中携热介质的流量达到基本平衡或在同一数量级上；
[0038](6)关闭井6和井8，利用套管侧钻开窗技术，在生产井井筒9中下入专用铣削工具，在套管上定向铣出一个窗口，钻取水平井眼7，并采用地质导向钻具，实现该水平井眼与注入井井筒2的准确对接；
[0039](7)将井眼扩径工具下入生产井8中的井段10处，扩宽井眼半径，将串联涡轮发电机11下入井眼扩宽井段10处，并将连接涡轮发电机的井下电缆引导至生产井8的井口处；
[0040](8)关闭生产井8，打开注入井6，将携热介质由注入井6的井口注入到干热岩储层3中，携热介质在热虹吸作用下，自动形成注入井-人工地热储层-生产井-水平井眼的循环流动，从而带动涡轮发电机11产生电能；
[0041](9)停止向注入井6中注入携热介质，维持地面各井口工作制度，保证携热介质的热虹吸自循环流动；
[0042](10)如果携热介质向人工热储4的围岩中发生泄漏，可根据实际情况，间隔一段时间或者持续通过注入井6向人工热储4中补充一定量的携热介质。一般的，携热介质若为水，可间隔10天补充一次;若为C02，可间隔20天补充一次。
[0043]为了合理利用热虹吸作用，避免井筒管流和储层渗流不同流动方式转换造成的压力损失，本发明还可以进一步改进为利用地下双水平井眼实现携热介质的热虹吸自循环流动。如图2所示，采用水平井技术将注入井底与生产井底连通，替代水力压裂技术建立人工热储，从而实现地下双水平井眼热虹吸自循环流动开采干热岩地热能。该方法的携热介质全部在井筒中流动，有效的避免了流动方式转变造成的压力损失，保证了热虹吸的效果。但由于携热介质在井筒中与干热岩储层的热交换面积较小，可能会造成两者热交换不充分的问题，所以利用地下双水平井眼开采干热岩地热时，应增加水平井段长度，并尽可能的扩大水平井眼半径，从而加大井筒与干热岩储层的热交换面积。
[0044]为证明开采干热岩地热时，携热介质受温度影响会在注采井筒中产生热虹吸现象，假设一典型的干热岩储层，分析了常规携热介质水和新型携热介质超临界CO2在注入井井口和生产井井口产生的压差。干热岩埋深4500m，分布面积为1000 X 100m2，厚度为200m，假设水力压裂产生的裂缝孔隙度为2%，渗透率为50md。在储层中间区域相距700m布置一注一采两口井，采用定注采压差方式循环注入携热介质，注入井井底压力高于储层压力
0.5MPa，生产井井底压力低于储层压力0.5MPa，注入携热介质温度为40 V。油藏数值模拟结果表明，由于超临界CO2优良的渗流能力，其流速为38.5kg/s，约为水流速的2.5倍。虽然注采井井口两种携热介质的温差大体相同，但采用超临界CO2作为携热介质时，注采井井口压差约为5.6MPa，比水作为携热介质时井口压差高2MPa左右。可见，采用水或超临界⑶2作为携热介质时，均会产生热虹吸现象，而且由于超临界CO2独特的热物性，其产生的热虹吸现象要明显强于水产生的热虹吸现象，可以完全实现携热介质在地下的自循环流动，无需施加外部动力。
[0045]以上是本发明的一个【具体实施方式】，本发明【具体实施方式】不能仅限于此，对于本领域内的技术人员来说，在未脱离本发明思路的前提下，还可做出其他类似的改变，而这都应视为本发明技术方案的保护范围。
【主权项】
1.一种利用地下热虹吸自循环开采干热岩地热方法，其特征在于:其具体地工艺步骤为: (1)经地质勘查，合理选择一处中高温干热岩储层； (2)在干热岩储层钻两口垂直井，两井相距500?100m; (3)对两口井同时进行大型水力压裂，建造人工热储，且两井井底连通； (4)注入低温携热介质，验证注采井间连通性以及人工热储的高效渗流性； (5)在干热岩储层以上的生产井筒中某深度处进行开窗侧钻，钻取水平井眼，并采用地质导向钻具，实现水平井眼与注入井井筒的准确对接； (6)扩大水平井眼以下至干热岩储层的生产井井眼半径，并将串联的涡轮发电机下入井眼扩宽处； (7)由注入井井口向干热岩储层中注入携热介质，携热介质在热虹吸作用下，自动形成注入井-干热岩储层-生产井-水平井眼的循环流动，带动涡轮发电机产生电能； (8)停止注入井中携热介质的注入，实现携热介质在地下进行热虹吸自循环流动发电。2.如权利要求1所述的地下热虹吸自循环开采干热岩地热方法，其特征在于:步骤(I)中，干热岩储层半径大于1000m，厚度大于100m，温度高于200°C。3.如权利要求1所述的地下热虹吸自循环开采干热岩地热方法，其特征在于:步骤(3)中，水力压裂所用压裂液根据储层岩石润湿性决定，一般干热岩储层为水润湿，在不进行岩石物性测量情况下，选择水基压裂液进行压裂。4.如权利要求1所述的地下热虹吸自循环开采干热岩地热方法，其特征在于:步骤(3)中，若干热岩储层所在区域水资源缺乏，而CO2资源丰富，可选择CO2作为压裂液，进行0)2压m O5.如权利要求1所述的地下热虹吸自循环开采干热岩地热方法，其特征在于:步骤(4)中，携热介质可以是常规携热介质-水，也可以是超临界co2，还可以是具有优良携热能力的其他携热介质。6.如权利要求1所述的地下热虹吸自循环开采干热岩地热方法，其特征在于:步骤(4)中，应保证生产井产出携热介质最短5天，从而验证注采井间连通性以及人工热储的高效渗流性。7.如权利要求1所述的地下热虹吸自循环开采干热岩地热方法，其特征在于:步骤(5)中，套管开窗侧钻时，应根据所选择的携热介质，计算注采井筒中的温度压力分布，选择两井相同深度处压力差最大位置，进行套管开窗。8.如权利要求1所述的地下热虹吸自循环开采干热岩地热方法，其特征在于:步骤(5)中，可以在注入井套管相同深度处采取同样的开窗技术，侧钻一口水平井眼，实现与生产井水平井眼的对接。9.如权利要求1所述的地下热虹吸自循环开采干热岩地热方法，其特征在于:步骤(7)中，注入井向干热岩储层中注入一定量的携热介质，形成携热介质热虹吸自循环后，不需要再向储层中持续注入携热介质。10.如权利要求1所述的地下热虹吸自循环开采干热岩地热方法，其特征在于:步骤(8)中，如果携热介质向热储围岩中发生泄漏，可根据实际情况，间隔一段时间或者持续通过注入井向地热储层补充一定量的携热介质。一般的，携热介质若为水，可间隔10天补充一次；若为C02，可间隔20天补充一次。
【文档编号】E21B43/26GK105863568SQ201610231058
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】张亮, 崔国栋, 任韶然, 许素丹, 杨若涵
【申请人】中国石油大学(华东)