一种利用长水平井自循环开采致密干热岩地热能的方法
【专利摘要】本发明涉及地热开发领域，提供了一种利用长水平井自循环开采致密干热岩地热的方法。该方法利用干热岩储层内单口长水平井，在不压裂干热岩储层条件下，采用其油管?环空循环结构，进行携热介质的循环注采，从而进行地热开采。注入过程中，可充分利用水平段加热携热介质；采出过程中，使用预应力隔热油管有效降低了携热介质的热损失。该方法不仅可避免压裂导致的流体损失问题，长水平段更是有效增加了井筒与储层的接触面积；注采过程中携热介质的温差还可产生热虹吸现象，有效降低地面注入抽吸泵功率；同时，长水平井自循环结构的封闭性为携热介质性能的优化提供了条件，可避免井筒中腐蚀和结垢等问题，使得采热工艺过程更加可靠稳定。
【专利说明】
-种利用长水平井自循环开采致密干热岩地热能的方法
技术领域
[0001] 本发明设及地热能开发领域，具体的设及一种利用水平井油管和环空循环注采流 体进行地热能开采的一种工艺方法。
【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、风能和生物质能等 相比，具有分布广、受外界影响小（如昼夜，风速，溫差）、碳排放量及维护成本低等特点。地 热可W分为对流型、传导型W及热岩型=种。对流型地热通过热水或水蒸汽在深部裂隙中 的自然对流将地球深处的热能（50~35(TC)带至地表;传导型地热大多位于沉积岩储层（W 砂岩储层为主），由于上部泥页岩盖层的遮挡，地层深部向上传导的热量在储层中聚集而形 成地热，主要包括深部盐水层、油气田地热等（80~200°C);干热岩型地热是指存储于深度 3-lOkm高溫岩体或岩浆中的热量，储层溫度可达100~650°C。中国地处环太平洋地热带和 地中海-喜马拉雅地热带范围，地热资源丰富。
[0003] 传统地热储层通常坐落在地面溫度较高、地质构造活跃和/或火山附近，受限于储 层地点和储量限制，丰富的地热能无法合理利用。随着地热探勘开发技术的进步，储层深部 地热资源如干热岩等受到持续的关注。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，单中国区域，2000-6000m内地压型地热可采储 量为2.74 X IQi9J, 3000-8000m内干热岩地热可采储量为1.49 X IO2Ij，约为2014年全国能源 消费总量38.5亿吨的几十倍。合理经济的开采储层深部地热能不仅可能起到节能减排和能 源调整作用，更可为偏远地区能源需求提供保障。
[0004] 干热岩埋藏深，大都属于致密或超低渗透率地层，采用常规的注采方式进行地热 开发时，需要进行大规模直井压裂和水平井分段体积压裂技术，形成携热介质(如水和超临 界C〇2)的循环通道。美国为最早对干热岩地热开发研究最早的国家。1977年成功钻得4500m 干热岩层，并于1984成功建立世界上第一座干热岩发电站，发电功率最高可达10MW。1880年 日本政府开展了干热岩发电可行性研究，并在山形县钻入干热岩层进行了水压测试。1977- 1986年，欧共体资助德国在己伐利亚东北部的化化enberg开展了一项EGS研究，研究干热岩 裂缝形成机制W及水在运些裂缝中的运移机制。国际能源署于1997-2001年开采了为期4年 的"Hot Dry Rock Task",组织了多个国家进行了干热岩相关研究。澳大利亚于2003年在库 巧盆地对干热岩地热资源进行了探查，结果显示该盆地地热储量高达500亿桶油当量。 Geodynamics公司在2003年9月成功在花岗岩岩体上完成一口注水井，并压裂并形成了一系 列永久的联通裂缝。
[0005] 与此同时，针对常规携热介质-水可注性低，循环回注难等问题，在结合C〇2资源化 利用技术上，Brown等人提出注超临界C〇2开采干热岩地热(C02-EGS)概念，即利用超临界C〇2 压裂干热岩储层，并利用超临界C〇2优良的渗流能力和独特的热物性，循环注入从而携带地 热能进行开采。
[0006] 但是，受到大规模压裂的技术、环保和经济性限制，干热岩地热开发均不理想。美 国、澳大利亚、瑞:t等国均进行干热岩储层压裂试验。试验表明，在坚硬的干热岩储层中创 造新的裂缝几乎不可能，仅能在已有裂缝的储层中进行注水压裂，从而延伸扩大原有储层 裂缝形成裂缝网络。但是，水力压裂形成的流动通道，受地层应力和水-岩石的物化作用，容 易产生后期闭合和堵塞，无法长时间提供高效流动和渗流通道;脆性干热岩压裂过程中，裂 缝的延伸和分布不可控制，可能导致围岩及盖层产生裂缝造成携热介质的大量流失，若携 热介质为C〇2时，更会造成严重的环境问题和安全问题;大规模压裂成本较高，复杂地层还 需要重复压裂，而且压裂液对环境的影响较大，压裂过程中会诱发其他地质灾害等。因而需 要提出和采用简单、有效、经济的通过携热介质循环进行采热的方法和技术。
[0007] 水平井钻完井技术是上世纪80年代国际石油界迅速发展并日臻完善的一项综合 性配套技术，它包括水平井油藏工程和优化设计技术、水平井经验轨道控制技术、水平井钻 井液与油层保护技术、水平井测井技术和水平井完井技术等一系列重要技术。随着技术逐 渐进步，不论在砂岩、碳酸盐岩、火成岩还是变质岩储层中，都已经成功进行了大量水平井 的钻完。最近几年，随着致密油气藏、页岩气等非常规油气的规模开采，水平井技术经济指 标持续向好，钻井成本大大降低，钻井进尺、钻井井深和横向长度都有很大增加。现有水平 井钻完井技术完全可用于干热岩储层。
[0008] 总体来说，干热岩钻井技术已不成问题，储层压裂不可控性造成的泄露问题和渗 流通道的高效流动是制约干热岩开发的主要问题。到目前为止，还没有一种可W高效又安 全的干热岩地热开采方式。基于此，本发明在充分考虑干热岩地热开发各种技术的优点和 不足基础上，结合现有水平井钻完井工艺，提出了一种利用长水平井自循环开采致密干热 岩地热能的方法，即由油管和环空形成一个携热介质流动的封闭循环，利用长水平井井筒 与干热岩储层长距离接触，充分加热水平井中循环流动的携热流体，进行地热开采。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于提供了一种利用长水平井开采致密干热岩地热的方法，该方法 利用水平井段井筒与干热岩储层的长距离接触，使携热介质升溫，并利用油管和环空形成 的循环系统进行自循环开采地热能，起到充分开采地热能和降低成本的作用。
[0010] 本发明的技术方案为:一种利用长水平井自循环开采致密干热岩地热能的方法， 具体步骤如下：
[0011] (1)选择一中高溫干热岩储层，在干热岩储层地面区域，采用常规钻具钻水平井主 垂直段；
[0012] (2)水平井垂直段钻遇干热岩层后，利用造斜工具定向造斜，钻水平井水平段，钻 进过程中，采用地质导向钻具控制水平段倾角和钻进距离；
[0013] (3)下高导热生产套管，并用高导热系数泥浆固井，同时在井底下封隔器隔绝携热 流体与储层的直接接触；
[0014] (4)下预应力隔热油管，从而与油套环空形成一个封闭的循环结构；
[0015] (5)地面采用注入累向油套环空中注入低溫携热介质，同时采用抽吸累在油管中 抽吸已经过热交换的高溫携热介质；
[0016] (6)利用地面换热设备，将携带的高溫地热能输送出去。
[0017] 优选的是:步骤(1)中，水平井垂直段一开时，井眼应大于0.5m，钻井时钻头尺寸大 于20英尺。
[0018] 优选的是:步骤(1)中，水平井垂直段二开钻大部分垂直段时，井眼应大于0.3m，钻 井时钻头尺寸大于12英尺。
[0019] 优选的是:步骤(2)中，钻水平井水平段时，应最大可能加长水平距离，从而使得井 筒和地热储层具有较大的换热面积，充分热交换，水平井段长度大于2000m。
[0020] 优选的是:步骤(2)中，造斜点应距离干热岩储层顶部大于10m。
[0021] 优选的是:步骤(3)中，生产套管与二开井眼间隙为0.01-0.03m。
[0022] 优选的是:步骤(3)中，生产套管为新型高导热材料，可与地热储层充分热交换，套 管导热系数大于l〇7j/(m ? day ? K)。
[0023] 优选的是:步骤(3)中，水泥浆为新型高导热水泥浆，可与地热储层充分热交换，导 热系数大于l〇6j/(m ? day ? K)。
[0024] 优选的是:步骤(4)中，油管由新型预应力隔热油管，由新型隔热材料制成，可W充 分隔绝油管和环空之间流体的热交换，从而起到保溫的作用，其导热系数小于2000J/(m- day ? K)。
[0025] 优选的是:步骤(4)中，隔热油管与环空组成一个封闭的循环结构，从而构成携热 介质流动通道。其自循环结构远优于常规注采井构成的U型结构，具有加热面积大、热损失 面积小和经济投入少等优势。
[0026] 优选的是：步骤（5)中，携热介质可W选择水，也可W选择超临界C〇2,同时还可W 选择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。
[0027] 优选的是:步骤(6)中，不同携热介质处理措施不同，如复配流体具有较敏感的相 态变化，可通过稍微改变压力，使得携热介质变成气态，从而快速高效释放携带的热能。
[0028] 优选的是:步骤(6)中，换热设备既可W是常规热累等地热能直接利用装置，亦可 W利用双工质循环发电技术发电，运里优选先采用高溫流体发电，然后继续利用后续较高 溫流体热能，多级利用地热能。
[0029] 本发明的有益效果为:①干热岩储层溫度高、硬度大，压裂成本高，压裂效果不明 显，采用水平井油管-套管环空循环开采干热岩地热，不仅避免了由于压裂液进入储层造成 的储层伤害，也避免了高昂的压裂费用，具有较高的经济效益;②采用长水平井开采干热岩 地热，避免了压裂储层中的流体损失问题，同时还能有效增加井筒与储层的接触面积，提高 携热介质溫度;③长水平井自循环结构的封闭性为携热介质的性能优化提供了条件，即在 充分研究水的热物性和井筒流动热交换基础上，优化适用于该地热开采方式的携热介质配 方，提高抗腐蚀和热交换能力;④注入的携热介质在油管-环空中循环流动，可充分利用注 入采出溫度的差异产生的热虹吸现象，降低注入能量消耗，提高地面换热器的热交换效率； ⑤携热流体不会与储层岩石接触，既能保证地层不被携热介质污染，同时避免了井筒和地 面设施腐蚀和结垢等问题，维持了携热介质的热容、粘度和热传导系数的稳定性，使得采热 工艺过程可靠稳定。
【附图说明】
[0030] 图1长水平井自循环开采致密干热岩地热示意图 [0031 ]图2多分支长水平井开采致密干热岩地热示意图。
[0032] 其中，1、盖层，2、干热岩储层，3、表层套管，4、固井水泥环，5、生产套管，6、油管，7、 井底封隔器，8、水平井垂直段，9、水平井水平段。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图对本发明进行详细的描述。
[0034] -种利用长水平井自循环开采致密干热岩地热能的方法，具体步骤如下：
[0035] (1)如图1所示，选取干热岩储层2,并在地面区域采用常规塔式钻具，采用尺寸大 于20英寸钻头一开，钻至表±层时，下表层套管3，并采用常规水泥固井，用于保护井口，隔 离上部含水层。在钻井过程中，应采用耐高溫的钻井液钻进；
[0036] (2)换钻头尺寸大于12英寸的较小钻头二开，钻水平井垂直段8,钻遇干热岩储层2 后，并继续钻进IOmW上，然后利用造斜工具造斜，钻水平井水平段9,钻进过程中，采用地质 导向钻具控制水平段倾角小于5°，最终水平段钻进长度大于2000m;
[0037] (3)提钻后，下导热系数高于IO7JAm ? day ? K)的生产套管5,并采用导热系数高 于IO6JAm ? day ? K)高导热水泥浆4固井；
[0038] (4)由井口下入封隔器7，封隔器7沿生产套管5到达井底后，用于避免携热介质与 储层岩石的直接接触；
[0039] (5)下导热系数小于2000J/(m ? day ? K)的新型预应力隔热油管6,使油管6与油套 环空形成一个封闭循环结构，从而提供携热介质流动通道；
[0040] (6)打开地面注入累，由油管6和套管5环空向下注入低溫携热介质，同时打开地面 抽吸累，由油管6抽吸高溫携热介质，实现携热介质在水平井油套环空-油管中的自循环流 动，从而开采地热；
[0041] (7)利用地面换热设备，首先利用油管6采出的高溫携热介质进行地热发电，在地 热发电后，继续利用后续较高溫度的携热介质，进行低溫热能利用，多级利用地热能。
[0042] 由于携热介质在环空中流动为采热阶段，应最大提高套管半径，从而增加环空与 储层的接触面积。但过大的套管半径会增加油管中携热介质的流动压力，从而造成油管井 头压力减小，加剧地面注采累功率。故应按照实际需要，优化油管和套管半径，减小携热介 质在流动中动能损耗。
[0043] 需要说明的是，长水平井自循环开采干热岩地热时，携热介质在油管-环空中的循 环方式分为正循环和反循环方式。其中：油管注入，环空采出，为正循环;环空注入，油管采 出，为反循环。本发明描述W反循环进行地热开采方式为例，但并不排除正循环地热开采方 式。
[0044] 同时，本发明不仅局限于利用单井眼长水平井自循环开采干热岩地热能，如图2所 示，可钻多分支长水平井，利用油管连接装置，进行多分支长水平井自循环进行地热能开 采。在多分支长水平井油套环空中，布置携热介质分配器，智能控制携热介质在各分支井眼 中的流量。针对其他地热储层如高溫油气藏和地压型地热储层等，亦可采用本方法进行地 热开采。
[0045] 为了保证干热岩储层钻井的稳定性，应采用耐高溫钻井液钻井。干热岩储层溫度 较高，井内钻井液由于长期处于高溫环境，性能受到严重破坏，直接影响孔壁稳定、携岩能 力和施工安全等问题。目前，典型的抗高溫钻井液主要W SMC、SMP-I、SMT和SMK为主，可抗溫 220~230°C，其在高溫下可保持良好的流变性，具有较低的滤失量的效果。
[0046] 为证明长水平井具有良好的采热能力，同时可W长时间内运行工作。W某一水平 井为例，进行油管-环空自循环注水相应采热能力分析。该水平井无分支井眼，主井眼垂直 段3000m，水平段4000m。生产套管内径0.28m，生产套管内径0.29m，油管内径0.125m，油管外 径0.13m，水泥环厚0.05m。其中水泥环导热系数4.5 X 106J/(m ? day ? K)，套管导热系数3 X l〇7j/(m ? day ? K)，油管导热系数l〇4j/(m ? day ? K)。其余相关具体参数可见表1。
[0047] 如表1进行相关采热计算可知，油管-环空内水循环速率为lOOOmVday。表2为不同 时间下沿井眼轨迹环空和套管溫度分布。可W看出，水平井垂直段环空内（3000m)，注入水 受储层加热，溫度由20°C逐渐增加到85°C左右;进入水平段后，高溫干热岩储层在长距离内 持续加热环空内流动的水，使水溫最终增加至176°C左右。加热至高溫的水经油管返回地面 时，水平段内受环空溫度和隔热油管影响，溫度下降较小，仅在5°C左右;垂直段内受环空内 较低溫度影响，溫度下降较大，约为20°C左右。地热开采30天后，井口溫度为152.5°C;随着 地热持续开采，井口溫度逐渐下降，开采3000天后，井口溫度降为138.62°C。可见，单井眼水 平井油管-环空循环注水采热，井口溫度在长时间内（10年)均维持在130°C W上，若采用多 分支长水平井进行自循环开采干热岩地热能，采热能力更高，可持续时间更长。
[0048] W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，而运都 应视为本发明技术方案的保护范围。
[0049] 表1水平井自循环开采干热岩地热能分析相关数据 r00501
[0051]表2为不同时间下沿井眼轨迹环空和套管溫度分布rc)
[0化2]
【主权项】
1. 一种利用长水平井自循环开采致密干热岩地热能的方法，其特征在于：其具体工艺 步骤为： (1) 选择一中高温干热岩储层，在干热岩储层地面区域，采用常规钻具钻水平井主垂直 段； (2) 水平井垂直段钻遇干热岩层后，利用造斜工具定向造斜，钻水平井水平段，钻进过 程中，采用地质导向钻具控制水平段倾角和钻进距离； (3) 下高导热生产套管，并用高导热系数泥浆固井，同时在井底下封隔器隔绝携热流体 与储层的直接接触； (4) 下预应力隔热油管，从而与油套环空形成一个封闭的循环结构； (5) 地面采用注入栗向油套环空中注入低温携热介质，同时采用抽吸栗在油管中抽吸 已经过热交换的高温携热介质； (6) 利用地面换热设备，将携带的高温地热能输送出去。2. 如权利要求1所述的利用长水平井自循环开采致密干热岩地热能的方法，其特征在 于:本发明不仅局限于利用单井眼长水平井自循环开采干热岩地热能，还可钻多分支长水 平井，利用油管连接装置，进行多分支长水平井自循环进行地热能开采;同时在多分支长水 平井油套环空中，布置携热介质分配器，智能控制携热介质在各分支井眼中的流量。3. 如权利要求1所述的利用长水平井自循环开采致密干热岩地热能的方法，其特征在 于:本方法不仅局限于干热岩地热储层，对其他地热储层如高温油气藏和地压型地热储层 等亦可采用本方法进行地热开采。4. 如权利要求1所述的利用长水平井自循环开采致密干热岩地热能的方法，其特征在 于:步骤（1)中，水平井垂直段一开时，井眼应大于0.5m，钻井时钻头尺寸大于20英尺;水平 井垂直段二开钻大部分垂直段时，井眼应大于0.3m，钻井时钻头尺寸大于12英尺。5. 如权利要求1所述的利用长水平井自循环开采致密干热岩地热能的方法，其特征在 于:步骤(2)中，钻水平井水平段时，应最大可能加长水平距离，从而使得井筒和地热储层具 有较大的换热面积，充分热交换，水平井段长度大于2000m。6. 如权利要求1所述的利用长水平井自循环开采致密干热岩地热能的方法，其特征在 于:步骤(2)中，造斜点应距离干热岩储层顶部大于10m。7. 如权利要求1所述的利用长水平井自循环开采致密干热岩地热能的方法，其特征在 于:步骤(3)中，生产套管与二开井眼间隙为0.01-0.03m。8. 如权利要求1所述的利用长水平井自循环开采致密干热岩地热能的方法，其特征在 于:步骤⑷中，油管由新型预应力隔热油管，由新型隔热材料制成，可以充分隔绝油管和环 空之间流体的热交换，从而起到保温的作用，其导热系数小于2000J/(m · day · K)。9. 如权利要求1所述的利用长水平井自循环开采致密干热岩地热能的方法，其特征在 于:步骤(4)中，隔热油管与环空组成一个封闭的循环结构，从而构成携热介质流动通道，其 自循环结构远优于常规注采井构成的U型结构，具有加热面积大、热损失面积小和经济投入 少等优势。10. 如权利要求1所述的利用长水平井自循环开采致密干热岩地热能的方法，其特征在 于:携热介质可以选择水，也可以选择超临界c〇 2,同时还可以选择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。
【文档编号】E21B43/00GK105909214SQ201610231296
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】崔国栋, 任韶然, 张亮, 庄园, 张锐
【申请人】中国石油大学(华东)