地热井三环压裂缝及循环导热系统的制作方法

[0001]
本实用新型涉及一种地热井三环压裂缝及循环导热系统。


背景技术：

[0002]
地热能是蕴藏在地球内部的取之不尽、用之不竭、潜力巨大的自然热能。特别是水热型和干热岩等地热能是一种分布广、埋藏浅、资源量大、可再生的清洁新能源。在环保意识日渐增强和能源日趋紧缺的情况下，对地热能的合理开发利用已愈来愈受到重视，未来将发挥日益重要的作用。
[0003]
但是，现有的水热型地热能的“采水取热”方法，直接开采出地热层大量的热水资源到地面换热、取热、供热，因采出大量含盐和有害矿物的原始地下热水，造成供热量和温度不稳定、设备腐蚀快、环境污染大、污水处理成本高，甚至因超采压力速降、地应力失恒和地下水位严重下降引发地面塌陷、滑坡、地震等地质灾害；现有干热型地热能的“增强型地热系统”(egs)技术，必须用多井压裂形成裂缝网连通注入井和采出井，注入换热水在高温地热层裂缝吸热换热成蒸汽，从采出井采出地面发电的方法，不能单井形成裂缝网循环系统，多井压裂注采系统存在投资大，注入水漏失大，井间连通裂缝难控制，易短路或易堵塞，有效期短；地热层和水的导热系数低，导热差，传热慢，换热量和效率低，供热不稳定；高温地热层导换热的主介质水从液态到气态变液态的多次变态转换，温度和流速变化大，相关设备多，热效低，成本高。这些问题，严重制约水热型和干热岩等地热能的高效环保开发利用。
[0004]
上述背景技术是为了便于理解本实用新型，并非是申请本实用新型之前已向普通公众公开的公知技术。
[0005]
术语解释
[0006]
地热能：地热能是蕴藏在地球内部的自然热能，尤其是水热型、干热型等分布广、埋藏浅、资源量大、可再生、可开采的地热能。
[0007]
石墨烯：石墨烯(graphene)是具有六角型呈蜂巢晶格的高导热、高抗压、高耐热的二维纳米碳材料。
[0008]
导热液：用于地热井三环压裂缝及循导热系统的专用导热液体。


技术实现要素：

[0009]
基于上述问题，一方面，本实用新型提供一种地热井三环压裂缝，该地热井三环压裂缝具有高导热、高渗透、高强度、大缝面、用水少、环保好、成本低等独特优势，可广泛应用于干热型和水热型地热能开采，用单口井、单相液在导热高渗主裂缝内循环导热换热开采地热能，实现水热型和干热型地热能“大面积、微缝网，高导热、高换热，只取热、不采水，成本低、适用广”的清洁高效开发利用。
[0010]
技术方案是：一种地热井三环压裂缝，所述地热井三环压裂缝包括：
[0011]
外环导热不渗微裂缝；
[0012]
中环导热高渗主裂缝，所述中环导热高渗主裂缝位于所述外环导热不渗微裂缝内，该中环导热高渗主裂缝分别设置有中环导热高渗主裂缝上端口和中环导热高渗主裂缝下端口；和
[0013]
内环隔热不渗填充缝，所述内环隔热不渗填充缝位于所述中环导热高渗主裂缝内。
[0014]
本实用新型中，位于地热层内地热井套管周围的外环，用于大面积导热但不渗透，隔开外围地热层的流体进入中环导热高渗主裂缝。而位于地热层内地热井套管周围的中环，用于导热液流动导热换热地热能。位于地热层内地热井套管周围的内环，用于隔离地热井和中环导热高渗主裂缝的热能和流体。
[0015]
作为优选，所述导热防渗微裂缝向外呈放射状形。放射状形的外环增加了换热面积，更有利于提高换热效率。
[0016]
另一方面，本实用新型还提供一种地热井三环压裂缝循环导热系统。
[0017]
技术方案是：一种地热井三环压裂缝循环导热系统，所述地热井三环压裂缝循环导热系统包括：
[0018]
地热井三环压裂缝，该地热井三环压裂缝为上述的地热井三环压裂缝；
[0019]
地热井套管，所述地热井套管分别与中环导热高渗主裂缝下端口和中环导热高渗主裂缝上端口连通；
[0020]
封隔器，封隔器位于位于地热井套管内内，所述封隔器包括下封隔器和上封隔器；
[0021]
隔热油管，所述隔热油管位于地热井套管内；
[0022]
低温导热液罐；
[0023]
高温导热液罐；
[0024]
地面循环泵，所述地面循环泵分别与所述低温导热液罐和隔热油管相连；和
[0025]
地面换热站，所述地面换热站分别与所述低温导热液罐和所述高温导热液罐连接。
[0026]
本实用新型的原理及有益效果在于：
[0027]
1.微缝网，大面积。纳米级石墨烯、微米级石墨和活性炭等支撑剂和自生泡沫压裂液，有利于地热层压裂形成大面积导热不渗微裂缝、导热高渗主裂缝、隔热不渗填充缝等组成的密闭压裂缝循环系统。自生泡沫压裂液压入地热层的孔隙和天然裂缝，迅速升温气化膨胀和粘度升高，有利于降漏失，提高裂缝内附加压力；高温干热岩突然遇低温泡沫压裂液和气化吸热容易冷脆裂，形成大面积放射状的微裂缝网。支撑剂体积相同时，用纳米级石墨烯、微米级石墨和活性炭支撑剂便于自生泡沫压裂液携带、均匀分布和支撑微纳米级的微裂缝网，比用常规毫米级支撑剂的压裂支撑缝的缝宽小数十倍至数百倍，相应压裂支撑缝的表面积要大几十倍至几百倍。
[0028]
2.高导热，高换热。地热井三环压裂缝及缝循环导热系统，其大面积的导热防渗微裂缝和导热高渗主裂缝中的石墨烯、石墨、活性炭具有高导热、高传热的优异特性，特别是石墨烯的导热系数最高可达5300w/m
·
k，比水的导热系数0.49w/m
·
k要高近万倍，可大幅提高地热层与导热液间的导热距离、导热速度、热交换面积和导换热效率。
[0029]
3.只取热，不采水。地热井三环压裂缝及缝循环导热系统，其大面积的导热防渗微裂缝将地热层，特别是水热型地热层的原地层的热水、热气、有害物质完全隔绝，无废水、废
气、废渣采出；其导热高渗主裂缝中大量活性炭的高效吸附、过滤、净化作用，使得在地下裂缝循环出的导热液更加清洁，实现“只取热，不取水”。
[0030]
4.单口井，单相液。地热井三环压裂缝及循环导热系统，可在单口井的地热层形成大面积导热防渗微裂缝、导热高渗主裂缝、隔热低渗填充缝等组成的密闭压裂缝循环系统。单口井既是注入井又是采出井，可实现单口井、单相液 (导热液)连续不间断稳定循环，进行地下导热、换热开采利用地热能，可大幅降低地热井和地面系统的建设投资及运行成本。
[0031]
5.成本低，适用广。地热井三环压裂缝及循环导热系统，可广泛用于水热型、干热岩型等地热层的垂直井、定向井、水平井、分支井等地热井，并可用低投资和低成本的“单口井、单相液”实现“大面积、微裂网；高导热、高换热；只取热、不采水；成本低、适用广”高效环保开发利用地热能。
附图说明
[0032]
图1是本实用新型地热井三环压裂缝纵向截面示意图；
[0033]
图2是本实用新型地热井三环压裂缝横向截面示意图；
[0034]
图3是本实用新型地热井三环压裂缝循环导热系统图示意图；
[0035]
图中附图标记为：地热层1，外环导热不渗微裂缝2，中环导热高渗主裂缝3，内环隔热不渗填充缝4，地热井套管5，下封隔器6，上封隔器7，隔热油管8，高温导热液罐9，高温导热液10，地面换热站11，低温导热液罐12，低温导热液13，地面循环泵14。
具体实施方式
[0036]
下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0037]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖向”、“纵向”、“侧向”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0038]
在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“开有”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0039]
请参考图1-2，本实用新型提供一种地热井三环压裂缝。
[0040]
一种地热井三环压裂缝，包括顺次设置的内环隔热不渗填充缝4、中环导热高渗主裂缝3和外环导热不渗微裂缝2，中环导热高渗主裂缝3位于外环导热不渗微裂缝2内，内环隔热不渗填充缝4位于中环导热高渗主裂缝3内，中环导热高渗主裂缝3分别设置有中环导热高渗主裂缝上端口和中环导热高渗主裂缝下端口。本实用新型中，地热井三环压裂缝形成三环立体压裂缝循环结构。
[0041]
外环导热不渗微裂缝2位于地热层1内地热井套管5周围，用于大面积导热但不渗透，隔开外围地热层1的流体进入中环导热高渗主裂缝3。
[0042]
中环导热高渗主裂缝3位于地热层1内地热井套管5周围，用于导热液流动导热换热地热能。
[0043]
内环隔热不渗填充缝4位于地热层内地热井套管5周围，用于隔离地热井和中环导热高渗主裂缝3的热能和流体。
[0044]
进一步说明的是，本实用新型中，导热防渗微裂缝向外层放射状形，放射状形的外环增加了换热面积，更有利于提高换热效率。
[0045]
基于上述的地热井三环压裂缝，本实用新型还提供一种地热井三环压裂缝循环导热系统。
[0046]
请参考图3，一种地热井三环压裂缝循环导热系统，包括上述的地热井三环压裂缝、地热井套管5、封隔器、隔热油管8、低温导热液罐12、高温导热液罐9、地面换热站11和地面循环泵14，隔热油管8和封隔器位于地热井套管5内，封隔器包括下封隔器6和上封隔器7，地热井三环压裂缝位于地热层 1内，地热井套管5分别穿过外环导热不渗微裂缝2、中环导热高渗主裂缝3 和内环隔热不渗填充缝4。本实用新型中，地热井套管5位于地热层1中心的地热井眼内，地热井三环压裂缝被地热层1包覆。用于循环进入低温导热液，导热地热能升温转换成为高温导热液。
[0047]
上封隔器7位于中环导热高渗主裂缝上端口以下，用于隔离地热井套管5 与隔热油管8之间的连通。
[0048]
下封隔器6位于中环导热高渗主裂缝下端口以上，用于封隔地热井套管5 与隔热油管8之间的连通。
[0049]
隔热油管8，同心下入地热井套管5内，并连接下封隔器6和上封隔器7，隔热油管8主要用做导热液的流动通道。
[0050]
低温导热液罐12位于地面，分别与地面换热站11的出口和地面循环泵14 的进口相连，低温导热液13储存在低温导热液罐12内，低温导热液13用于循环注入中环导热高渗主裂缝3导热地热能后转换为高温导热液10。
[0051]
高温导热液罐9位于地面，高温导热液罐9与地面换热站11的进口和地热井导管井口端相连，用于储存地热井产出的高温导热液10，高温导热液10 用于地面换热站11提供热能后转换为低温导热液13。
[0052]
地面换热站11位于地面，地面换热站11的进口与高温导热液罐9相连，地面换热站11的出口与低温导热液罐12相连，地面换热站11用于转换利用地热能外输热能电能，并将高温导热液10变为低温导热液13。
[0053]
地面循环泵14位于地面，地面循环泵14的进口与低温导热液罐12相连，地面循环泵14的出口与隔热油管8的上端口相连，地面循环泵14用于泵注循环低温导热液13。
[0054]
上述地热井三环压裂缝循环导热系统是通过以下的方法制备而成的：
[0055]
第1步：压裂形成外环导热不渗微裂缝。打开或射开地热井套管5在地热层1中部处的连通孔眼，用石墨烯、石墨等组合支撑剂和自生泡沫压裂液，注入地热层进行压裂造缝，在地热层的外环形成高导热、大表面、不渗透的外环导热不渗微裂缝2。
[0056]
外环导热渗不微裂缝形成过程和原理为：自生泡沫压裂液在地热层不断气化成为自生泡沫，推进造缝放射状扩大为超大表面积的微裂缝网。同时，携带的纳米级的导热石墨烯和微米级的导热石墨进入地热层的孔隙和微裂缝不断渗透、滤失、脱水、堵塞孔喉渗透通
道后，大量在微裂缝网中连续聚集、填充、压实，最终在地热层形成高导热、大表面、不渗透的外环导热不渗微裂缝。
[0057]
本实用新型对石墨烯、石墨等组合支撑剂和自生泡沫压裂液的具体数量和比例不做特别的限定，可根据实际地热层的具体岩性、埋深、厚度、孔隙度、压力、温度等自身条件，对各物质的数量和比例进行模拟试验优化选择，还可以加入一些其它辅助增效物。
[0058]
第2步：压裂形成中环导热高渗主裂缝。用石墨、活性炭、陶粒等支组合支撑剂和自生泡沫压裂液，继续注入地热层进行压裂扩缝，在地热层1的中环形成高导热、高渗透的中环导热高渗主裂缝3。
[0059]
中环导热高渗主裂缝的形成过程和原理为：优选微米级的导热石墨、活性炭、毫米级的陶粒等组合支撑剂和自生泡沫压裂液，用压裂泵对地热层进行压裂。压裂液不断气化、膨胀、发泡、增粘、增压、扩大缝宽、缝长，其携带的石墨、活性炭、陶粒等组合支撑剂进入并支撑宽扩大的宽端长缝，最后在地热层的中环形成高导热、高渗透的中环导热高渗主裂缝。
[0060]
本实用新型对石墨、活性炭和陶粒等组合支撑剂和自生泡沫压裂液的具体数量和比例不做特别的限定，可根据实际地热层的具体岩性、埋深、厚度、孔隙度、压力、温度等自身条件，对各物质的含量比例和数量进行模拟试验优化选择，还可以加入一些其它辅助增效物。
[0061]
第3步：压裂形成内环隔热不渗填充缝。用水泥、树脂等组合填充剂和自生泡沫压裂液，继续注入地热层进行压裂填缝，在地热层1的内环凝固形成绝热性、不渗透的内环隔热不渗填充缝4。
[0062]
内环隔热不渗填充缝形成过程及原理为：优选微米级的水泥、树脂等填充剂和自生泡沫压裂液，用压裂泵注入地热层进行压裂填充，在地热层的内环气化、充填、凝固，形成较高绝热性、低渗透性的内环隔热不渗填充缝。
[0063]
本实用新型对水泥、树脂等填充剂和自生泡沫压裂液的具体数量和比例不做特别的限定，可根据实际地热层的具体岩性、埋深、厚度、孔隙度、压力、温度等自身条件，对各物质的数量和比例进行模拟试验优化选择，还可以加入一些其它辅助增效物。
[0064]
第4步：安装连接地面循环换热设备。正循环安装顺序，安装连接地热井套管5的井口端、高温导热液罐9、地面换热站11、低温导热液罐12、地面循环泵14、隔热油管8的井口端；或反循环安装顺序，安装连接隔热油管8的井口端、高温导热液罐9、地面换热站11、低温导热液罐12、地面循环泵14、地热井套管5的井口端。
[0065]
第5步：开通清洗中环导热高渗主裂缝。打开或射开地热井套管5与地热层1上部和下部的孔眼，地热井套管内同心下入下封隔6、上封隔器7和隔热油管8，用酸液正反循环清洗连通中环导热高渗主裂缝3，用低温导热液13循环顶替出全部清洗酸液。
[0066]
第6步：启动地面设备循环导热换热。正循环启动地面循环泵14，将低温导热液罐12中的低温导热液13泵入隔热油管8下行到井底，从地热井套管5 的下孔眼进入中环导热高渗主裂缝3；低温导热液13在中环导热高渗主裂缝3 中边流动边被地热层1加热升温变成高温导热液10；高温导热液10从中环导热高渗主裂缝3的上部经过地热井套管5的上孔眼上升到地热井套管5的井口端，进入高温导热液罐9，经过地面换热站11换热变成低温导热液13，返回低温导热液罐12，完成一周循环的导热换热流程。根据地面换热站的热能输出需求量，调节泵入低温导热液量和采出高温导热液量，实现泵人和采出排量、压力、温度的自动
平衡。
[0067]
本实用新型地热井三环压裂缝循环导热系统可广泛应用于干热型和水热型地热层的垂直井、定向井、水平井。
[0068]
应用实施例1深层高温干热型地热层的垂直井应用
[0069]
第一步：在深层高温干热型地热层(>150℃)打一口垂直井，并对地热层中部的地热井套管射孔，用纳米级的高导热石墨烯、微米级的导热石墨组合支撑剂和清水、碳酸铵、聚乙二醇、氟碳等组成的自生泡沫压裂液进行压裂，在地热层1形成大面积、垂直或高角度的外环导热不渗微裂缝2。
[0070]
第二步：继续用微米级的导热石墨、活性炭组合支撑剂和清水、碳酸铵、聚乙二醇、氟碳组成的自生泡沫压裂液进行压裂，在地热层1形成垂直或高角度的中环导热高渗主裂缝3。
[0071]
第三步：继续用微米级的高温油井水泥、树脂和清水、碳酸铵、聚乙二醇、氟碳组成的自生泡沫压裂液进行压裂和顶替，在地热层1形成垂直或高角度的的内环隔热低渗填充缝4。
[0072]
第四步：安装连接地面循环换热设备。正循环顺序安装连接地热井套管5 的井口端、高温导热液罐9、地面换热站11、低温导热液罐12、地面循环泵 14、隔热油管8的井口端。
[0073]
第五步：开通清洗中环导热高渗主裂缝。射开地热井套管5与地热层1上部和下部的孔眼，向地热井套管内下入下封隔器6、上封隔器7和隔热油管8，用酸液正反循环清洗连通中环导热高渗主裂缝2，用低温导热液循环顶替置换出全部酸液。
[0074]
第六步：启动地面设备循环导热换热。正循环启动地面循环泵14，将低温导热液罐12中的低温导热液13泵入隔热油管8下行到井底，从地热井套管5 的下孔眼进入中环导热高渗主裂缝3；低温导热液13在中环导热高渗主裂缝3 中边流动边被地热层1加热升温变成高温导热液10；高温导热液10从中环导热高渗主裂缝3的上端口经过地热井套管上孔眼上升到地热井套管的井口端，进入高温导热液罐9，经过地面换热站11换热转换变成低温导热液13，返回低温导热液罐12，完成一周循环的导热换热流程。根据地面换热站的热能输出需求量，调节泵入低温导热液量和采出高温导热液量，实现泵人和采出排量、压力、温度的自动平衡。
[0075]
地面换热站集中换热后的热能可用于发电、居民区供暖气和供热水。地面换热站降温后的导热液(导热油)可反复注入地热井循环使用。实现用单口垂直井、单相导热液(导热油)在压裂缝循环系统的“大面积、微缝网，高导热、高换热，只取热、不用水，成本低，适用广”的清洁高效开发利用深层高温干热型地热能。
[0076]
应用实施例2在浅层低温水热型地热层的水平井应用
[0077]
第一步：在浅层低温水热型地热层(<90℃)打一口水平井，并在水平井段的地热井套管5的中部射孔，用纳米级的高导热石墨烯、微米级的导热石墨组合支撑剂和清水、碳酸氢铵、烷基糖苷组成的低温自生泡沫压裂液进行压裂，在地热层1形成大面积、水平方向的外环导热防渗微裂缝2。
[0078]
第二步：继续用微米级的导热石墨、活性炭和毫米级的陶粒组合支撑剂和清水、碳酸氢铵、烷基糖苷组成的自生泡沫压裂液进行压裂，在地热层1形成水平的中环导热高渗主裂缝3。
[0079]
第三步：继续用微米级的油井水泥、树脂填充剂和清水、碳酸氢铵、烷基糖苷自生泡沫压裂液进行压裂，在地热层1形成水平的内环隔热低渗填充缝4。
[0080]
第四步：安装连接地面循环换热设备。正循环顺序安装连接地热井套管5 的井口端、高温导热液罐9、地面换热站11、低温导热液罐12、地面循环泵 14、隔热油管8的井口端。
[0081]
第五步：开通清洗中环导热高渗主裂缝。射开水平段的地热井套管5与地热层1上部和下部孔眼，向地热井套管内水平段下入下封隔6、上封隔器7和隔热油管8，用酸液正反循环清洗连通中环导热高渗主裂缝3，用低温导热液循环顶替出全部清洗酸液；
[0082]
第六步：启动地面设备循环导热换热。正循环顺序启动地面循环泵14，将低温导热液罐12中的低温导热液13泵入隔热油管8下行到井底，从地热井套管5的下孔眼进入导热高渗主裂缝3；低温导热液13在中环导热高渗主裂缝3 中边流动边被地热层1加热升温变成高温导热液10；高温导热液10从中环导热高渗主裂缝3的上端口经过地热井套管上孔眼上升到地热井套管的井口端，进入高温导热液罐9，经过地面换热站11换热变成低温导热液13，返回低温导热液罐12，完成一周循环的导热换热流程。根据地面换热站的热能输出需求量，调节泵入低温导热液量和采出高温导热液量，实现泵人和采出排量、压力、温度的自动平衡。
[0083]
地面换热站集中换热后的热能可用于居民区供暖气和供热水。地面换热站降温后的清水可反复注入地热井循环使用，用单口水平井、单相清水实现地热井三环压裂缝及循环导热系统的“大面积、微缝网，高导热、高换热，只取热、不采水，成本低，适用广”的高效环保开发利用浅层低温水热型地热能。
[0084]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。