一种分支井体积压裂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，提供了一种分支井体积压裂自循环开采干热岩地热方法。该方法首先在干热岩储层不同深度钻取分支井眼，然后采用体积压裂技术压裂上下分支井眼间储层，构建高渗透干热岩储层，最后注采携热介质进行地热开采。环空中注入低温携热介质沿储层上部分支井眼流入到干热岩压裂储层，在注入压力和位能差双重作用下，流入下部分支井眼，最终沿油管流回地面。本方法充分利用分支井和压裂技术，有效沟通了干热岩储层，不仅避免了常规注采双井压裂时存在的裂缝连通性问题，还有效利用了不同深度下的位能差，大大提高了携热介质的流动能力。隔热型油管的使用，更是降低了携热介质采出过程中的热损失，提高了地热开采效率。
【专利说明】
一种分支井体积压裂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，具体的涉及一种分支井体积压裂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以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，人工构建注采井间高渗流区域，使得携热介质(如水或超临界CO2)可以在注采井间循环流动，将地热产出。采用注采井开采干热岩地热时，受限于井控技术及地质导向技术的限制，不能精确定位注采井底在干热岩储层中的具体位置，而且采用直井压裂时，压裂半径有限，裂缝网络以单一主裂缝为主，会导致注采井间压裂裂缝不能有效对接，无法建立高效的渗流区域，从而使得地热开采效果不理想。因此，需要提出新的或改进现有干热岩压裂和开发技术，增加干热岩储层的渗透性和热交换面积。
[0005]体积压裂技术是油气开发领域，针对致密油气藏有效开发而发展来的压裂技术。致密油气藏具有低孔、低渗等特点，储层流体无法在储层中高效流动，因此考虑在水力压裂过程中，通过在水平井段分级压裂，形成不同于常规压裂的复杂裂缝网络，从而增大储层的渗流面积和渗流能力。干热岩储层与致密油气藏相似，采用常规直井压裂技术，很难构建具有高渗流能力的人工热储。因此，可以借鉴油气田开发领域的体积压裂技术，改善干热岩储层的压裂效果。
[0006]此外，油气田开发所采用的分支井技术可以实现在同一口主井眼中钻出若干的分支井眼，例如可以实现在同一口直井中分别钻出不同深度的多个水平井眼，从而对不同储层或者同一储层的不同位置进行高效开发。分支井的钻井成本要比钻相同分支数量的单个水平井成本要低，使得该技术具有可观的应用前景。
[0007]基于分支井技术和体积压裂技术，针对目前注采直井压裂规模有限、且井间裂缝不能有效对接等问题，利用井筒油管和油套环空作为携热介质的循环管路，提出了一种基于单井多分支井段体积压裂自循环开采干热岩地热的方法。该方法对同一口直井位于不同深度的水平井分支进行分段压裂，连通上下水平井分支，并将携热介质通过直井油套环空和上部水平井分支注入干热岩储层后加热，再经下部水平井分支和直井油管开采至地面，进行干热岩地热能的开发和利用。
【发明内容】
[0008]本发明的技术方案为:一种分支井体积压裂自循环开采干热岩地热方法，具体步骤如下:
[0009](I)确定目标干热岩储层，钻取分支井垂直井段，至干热岩储层底部停止；
[0010](2)下入生产套管，选用高导热系数泥浆固井，同时在井底下入封隔器；
[0011](3)在直井井筒中向干热岩上部储层的不同方向钻取多个水平井眼，并固井；
[0012](4)在直井井筒中向干热岩下部储层的不同方向钻取多个水平井眼，并固井；
[0013](5)对上部和下部的水平井分支进行分段压裂，使得位于上下水平井分支间的干热岩储层有效连通，形成干热岩和携热介质进行热交换的高效渗流通道；
[0014](6)在分支井垂直井段中下油管，使油管和油套环空形成循环管路；
[0015](7)连通垂直井段油套环空和上部水平井分支，携热介质可通过油套环空进入上部各水平井分支；
[0016](8)在上下水平井分支之间的垂直井段中，下入油套环空封隔器，防止从油套环空注入的携热介质向下部水平井分支流动，下部水平井分支连接垂直井段中的油管，可将加热后的携热介质通过油管开采至地面；
[0017](9)地面采用注入栗或压缩机向直井段油套环空中注入低温携热介质，携热介质沿油套环空流入上部的水平井分支井段，并进入到干热岩储层中；
[0018](10)携热介质在重力和注采压差作用下，沿压裂的高渗通道，从干热岩储层上部流向储层下部，携热介质与干热岩储层进行充分的热交换后，进入储层下部的水平井眼，在地面抽吸栗作用下，经油管开采至地面；
[0019](11)在地面对开采出来的高温携热介质进行热量利用，并将冷却后的携热介质再通过油套环空回注到干热岩中。
[0020]优选的是:步骤(I)中，分支井垂直井段尺寸应尽量大，以减小携热介质在油管-油套环空循环时的流动阻力压降。
[0021]优选的是:步骤(2)中，选择高导热系数固井泥浆有利于油套环空中注入的低温携热介质与周围地层的热交换。
[0022]优选的是:步骤(3)、(4)、(5)中，在干热岩上部和下部储层钻取水平井分支井眼时，应根据干热岩构造特征和储层物性，合理布置水平井眼方位、密度及长度，最大化压裂体积，使上下水平井分支之间的干热岩储层有效连通。一般的，平面上可上下对应分布I?4对水平井眼，单个水平井眼长度在100?1000m。
[0023]优选的是:步骤(6)中，油管采用隔热油管，充分降低油管和油套环空之间的热交换，对油管中采出的高温携热介质起到保温的作用。
[0024]优选的是:步骤(9)中，携热介质可以是常规的水，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。
[0025]优选的是:步骤(11)中，不同携热介质在地面的热交换及利用工艺不同，可以利用常规热栗等装置对地热能直接利用，也可以采用双工质循环发电技术，这里优选采用高温携热介质发电，并对发电后的携热介质进行多级的废热利用。
[0026]本发明的有益效果为:①使用分支井体积压裂技术，即可以利用压裂技术形成高渗透性的人工热储，又可以避免了双井长距离压裂时，由于双井井位不确定性和压裂裂缝延伸不确定性等原因造成的双井压裂裂缝不能高效连通的问题，提供了一种安全、高效以及切实可行的压裂方法;②采用在干热岩储层不同深度处钻水平井分支，上部水平井分支注携热介质，下部水平井分支开采携热介质的方法，变常规地热开采时携热介质的平面流动为垂直流动，有效的利用了上下水平井分支间的重力势能，增加了携热介质在干热岩储层中的驱动力，有利于降低地面注采栗的功率;③利用单井油管-油套环空自循环流动方式，不仅降低了常规地热开采时双井钻完井费用，还可以在分支井垂直段利用半径较大的套管充分与储层换热，提高携热流体温度，同时利用半径较小的隔热油管进行携热介质的开采，有效降低了携热介质的热损失，使得单井循环注采携热介质进行地热开采优于常规注采井双井构成的U型结构。
【附图说明】
[0027]图1储层分支井结构示意图(以上下对应分布2对水平井眼为例)。
[0028]图2分支井自循环开采干热岩地热示意图(以上下对应分布I对水平井眼为例)
[0029]其中，1、盖层，2、干热岩储层，3、人工压裂储层，4、分支井垂直段，5、储层上部水平井分支井段，6、压裂裂缝，7、储层下部水平井分支井段，8、井筒射孔孔眼，9、表层套管，10、固井水泥环，11、生产套管，12、油管，13、环空封隔器，14、井底封隔器。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图对本发明进行详细的描述。
[0031 ] —种分支井体积压裂自循环开采干热岩地热方法，具体步骤如下:
[0032](I)选取干热岩储层2，在储层2地面区域，采用大于20英寸钻头钻取分支井垂直井段4上部井眼，下入表层套管9，采用常规水泥浆进行固井；
[0033](2)采用大于12英寸钻头钻取分支井垂直井段4下部井眼，钻穿盖层I后钻遇干热岩储层2，调节钻井速度继续向下钻进，至钻头位于干热岩储层底部上部l-3m处停止；
[0034](3)下生产套管11，并利用导热系数大于50W/(m°C)高导热水泥浆10固井，同时在井底下封隔器14;
[0035](4)在干热岩储层上部，利用套管开窗技术，向不同方向钻取I?4个水平井眼5，并利用地质导向钻具控制水平井眼倾角小于5°，水平段钻进距离为100?1000m，下入套管固井，并在井底下入封隔器14;
[0036](5)在干热岩储层下部，利用套管开窗技术，沿与上部水平井眼相同方向钻取I?4个水平井眼7，并利用地质导向钻具控制水平井眼倾角小于5°，水平段钻进距离为100?1000m，下入套管固井，并在井底下入封隔器14;
[0037](6)利用合适的射孔工具，对储层上部水平井分支5和下部水平井分支7射孔，获得合理分布的射孔孔眼8;
[0038](7)采用水平井分段压裂技术，分别对储层上部水平井分支5和下部水平井分支7进行体积压裂，使得上下水平井段间的干热岩储层通过压裂裂缝6有效联通，形成携热介质在储层进行热交换的渗流通道；
[0039](8)在分支井垂直井段4中，下入导热系数为0.05?0.2W/(m°C)的隔热油管12，从而与油套环空形成一个循环管路；
[0040](9)连通垂直井段4油套环空和上部水平井分支5，携热介质可通过油套环空进入上部各水平井分支5;
[0041](10)在上下水平井分支5和7之间的垂直井段4油套环空中，下入封隔器13，防止从油套环空注入的携热介质向下部水平井分支7流动；
[0042](11)在地面采用注入栗向垂直井段4油套环空中注入低温携热介质(包括水、超临界C02、以及其他性能优良的携热流体及其混合物)，携热介质沿油套环空流入上部水平井段5，并进入到干热岩储层3中；
[0043](12)携热介质在自身重力和注采压差作用下，沿压裂的高渗流通道6，从干热岩储层上部流向储层下部，最终流向储层下部的水平井段7;
[0044](13)在地面采用抽吸栗抽取垂直井筒4油管中的高温携热介质，使得储层下部水平井段7中的高温携热介质沿油管流向地面井口；
[0045](14)在地面对开采出来的高温携热介质进行热量利用，并将冷却后的携热介质通过垂直井段4的油套环空回注到干热岩中。
[0046]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】
1.一种分支井体积压裂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)在干热岩储层地面区域，采用常规塔式钻具组合，钻分支井垂直段，同时采用钟摆钻具等纠斜工具防止井斜； (2)主井眼垂直段钻遇干热岩层后，继续垂直向下钻进，至干热岩储层底部停止； (3)下生产套管，利用高导热系数泥浆固井，同时在井底下封隔器； (4)在干热岩储层上部，利用套管开窗技术，向不同方向钻取多个水平井眼，并利用地质导向工具，控制水平段倾角和钻进距离； (5)在干热岩储层下部，利用套管开窗技术，向不同方向钻取多个水平井眼，并利用地质导向工具，控制水平段倾角和钻进距离； (6)采用长水平井分段体积压裂技术，分别压裂干热岩储层上部分支井水平井眼和下部分支井水平井眼，使得上下水平井眼间区域裂缝有效连通，形成携热介质与储层充分热交换的高效渗流通道； (7)在分支井垂直段中下油管，使油管和油套环空形成一个循环管路； (8)在垂直段与上部分支井眼连接处，下入携热介质分配器，根据分支井水平井段分布智能调控携热介质在各水平段的流量； (9)在上下水平分支之间的垂直井段油套环空中，下入封隔器，防止从油套环空注入的携热介质向下部水平井眼流动，下部水平井眼连接垂直井筒中的油管，可将加热后的携热介质通过油管开采至地面； (10)地面采用注入栗或压缩机向直井油套环空中注入低温携热介质，携热介质沿油套环空流入上部水平井段，并进入到干热岩储层中； (11)携热介质在重力势能和注采压差作用下，沿压裂的高渗通道，从干热岩储层上部流向储层下部，携热介质与干热岩储层进行充分的热交换后，进入储层下部的水平井眼，在地面抽吸栗作用下，经直井油管开采至地面； (12)在地面对携热介质所携带出来的高温热能进行利用。2.如权利要求1所述的分支井体积压裂自循环开采干热岩地热方法，其特征在于:步骤(1)中，分支井垂直段尺寸尽量大，井眼直径不少于0.3m。3.如权利要求1所述的分支井体积压裂自循环开采干热岩地热方法，其特征在于:步骤(2)中，分支井垂直段应尽可能钻至干热岩储层底部，同时避免钻穿干热岩储层，高于干热岩储层底部1-3m。4.如权利要求1所述的分支井体积压裂自循环开采干热岩地热方法，其特征在于:步骤(3)中，高导热系数泥浆导热系数大于50W/(m°C)。5.如权利要求1所述的分支井体积压裂自循环开采干热岩地热方法，其特征在于:步骤(4)、(5)中，在干热岩储层上部下部钻取分支井水平井眼时，应根据干热岩储层分布和地质状况，合理布置水平井眼方位、密度及长度，最大化压裂体积，平面分布4-8条水平井眼，井眼长 100-1000m。6.如权利要求1所述的分支井体积压裂自循环开采干热岩地热方法，其特征在于:步骤(7)中，油管为隔热油管，可以充分降低油管和油套环空之间的热交换，对油管中采出的高温携热介质起到保温的作用。隔热油管导热系数0.05-0.2W/(m°C)。7.如权利要求1所述的分支井体积压裂自循环开采干热岩地热方法，其特征在于:步骤(10)中，携热介质可以是常规的水，也可以是超临界C02，以及其他具有优良传热性质的流体，如水与乙醇或乙二醇等复配流体。8.如权利要求1所述的分支井体积压裂自循环开采干热岩地热方法，其特征在于:步骤(12)中，不同携热介质在地面的热交换及利用工艺不同，如复配流体具有较敏感的相态变化，可通过改变压力，使携热介质变成气态，从而快速高效释放携带的热能。9.如权利要求1所述的分支井体积压裂自循环开采干热岩地热方法，其特征在于:步骤(12)中，可以利用常规热栗等装置对地热能直接利用，也可以利用双工质循环发电技术发电，这里优选采用高温携热介质发电，并对发电后的携热介质进行多级的废热利用。
【文档编号】E21B43/00GK105840146SQ201610231087
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】张亮, 崔国栋, 任韶然, 李欣, 许素丹, 杨若涵
【申请人】中国石油大学(华东)