地熱水平井開采系統及方法與流程

本發明涉及地熱利用技術領域，尤其是涉及一種地熱水平井開采系統及方法。

背景技術：

地熱資源屬于一種清潔且可循環利用的能源，并非擁有異常高溫的地層即擁有溫泉水的地區才可以應用地熱資源。而實際上從理論上講全球各地都擁有地熱資源。按照一般地溫梯度為3℃/100m，則即使是沒有溫泉的區域，2000m左右的地層溫度也可以到60℃以上，這樣完全可以滿足對于地熱資源的應用需求。

我國對于地熱資源的利用還遠遠不足，還亟待大力發展地熱資源。特別是對于我國北方地區，冬季供暖造成各大城市用煤量大增，隨之帶來的環境污染極大了影響了人們的身體健康。特別是近些年北方冬季更容易出現霧霾，PM2.5超標也屢見報道，這些情況的發生對我國的環境保護提出了嚴峻的考驗。

如果能夠在廣大城市充分利用地層溫度所產生的地熱資源，那么不僅可以減少對煤炭資源的消耗，節約資源，還可以對環境的改善提高起到巨大推動的作用，具有很強的經濟價值、社會價值和環境價值。

雖然，現在已有循環利用地熱資源的裝置或系統，但在現有的裝置或系統的采出水的溫度往往并不能持續達到預期效果。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種地熱水平井開采系統及方法，以解決現有技術中存在的采出水的溫度往往并不能持續達到預期效果的技術問題。

本發明提供了一種地熱水平井開采系統，包括用戶端、采出井、回注井和儲液裝置；所述采出井的輸出端與所述儲液裝置的輸入端相連通，所述儲液裝置的輸出端與所述用戶端的輸入端相連通，所述用戶端的輸出端與所述回注井的輸入端相連通；所述采出井和所述回注井均包括直井段和水平井段，且所述采出井的直井段與所述采出井的水平井段相連通，所述回注井的直井段與所述回注井的水平井段相連通。

進一步地，還包括回注檢測裝置，用于檢測所述采出井輸出的采出水的溫度，以及用于當所述采出水的溫度低于設定閥值時，使所述采出井的輸出端與所述儲液裝置的輸入端之間斷開，并使所述采出井輸出的采出水流入所述回注井的輸入端。

進一步地，所述回注檢測裝置為溫控三通電磁閥，其中，所述溫控三通電磁閥的輸入端與所述采出井的輸出端相連通，所述溫控三通電磁閥的第一輸出端與所述儲液裝置的輸入端相連通，所述溫控三通電磁閥的第二輸出端與所述回注井的輸入端相連通；

或，所述回注檢測裝置包括溫度傳感器及兩位三通電磁閥，其中所述兩位三通電磁閥的輸入端與所述采出井的輸出端相連通，所述兩位三通電磁閥的第一輸出端與所述儲液裝置的輸入端相連通，所述兩位三通電磁閥的第二輸出端與所述回注井的輸入端相連通，所述溫度傳感器用于檢測所述兩位三通電磁閥的輸入端與所述采出井的輸出端之間的采出水的溫度。

進一步地，所述儲液裝置的輸出端與所述用戶端的輸入端之間還設置有加壓裝置。

進一步地，所述采出井的輸出端與所述儲液裝置的輸入端之間還設置有第一凈化裝置。

進一步地，所述回注檢測裝置的數量與所述采出井的數量相等，且所述回注檢測裝置與所述采出井一一對應。

進一步地，所述用戶端包括多個相互并聯或相互串聯的熱交換器。

進一步地，所述溫控三通電磁閥的第二輸出端與所述回注井的輸入端之間設置第二凈化裝置；

或，所述兩位三通電磁閥的第二輸出端與所述回注井的輸入端之間設置有第二凈化裝置。

進一步地，所述采出井的水平井段具有沿其延伸方向布設的多個流水孔。

進一步地，所述采出井的水平井段的長度與所述回注井的水平井段的長度相等。

本發明還提供了一種地熱水平井開采方法，包括以下步驟：

鉆出回注井的直井段及水平井段；

對所述回注井的水平井段進行多級加砂壓裂；

在回注井的兩側鉆出采出井的直井段及水平井段；

對所述采出井的水平井段進行射孔；

將所述采出井的輸出端連通到用戶端的輸入端，其中，所述采出井的輸出端與所述用戶端的輸入端之間連通有儲液裝置；

將所述用戶端的輸出端與所述回注井的輸入端相連通。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

本發明提供的地熱水平井開采系統，包括用戶端、采出井、回注井和儲液裝置；所述采出井的輸出端與所述儲液裝置的輸入端相連通，所述儲液裝置的輸出端與所述用戶端的輸入端相連通，所述用戶端的輸出端與所述回注井的輸入端相連通；所述采出井和所述回注井均包括直井段和水平井段，且所述采出井的直井段與所述采出井的水平井段相連通，所述回注井的直井段與所述回注井的水平井段相連通。通過將采出井的采出水輸送給用戶端后，用戶端將采出水進行換熱，換熱后的采出水進入回注井進行升溫，這樣采出井的采出水的溫度就能夠持續的保持穩定，并達到預期效果；避免了現有技術中的經過換熱后的采出水重新回注到采出井，造成采出井的采出水的溫度不能維持穩定的情況；另外通過設置的儲液裝置能夠將從采出井的采出水儲存起來，以便維持進入用戶端的水量能夠持續穩定的進行熱交換。

本發明還提供的地熱水平井開采方法，包括以下步驟：鉆出回注井的直井段及水平井段；對回注井的水平井段進行多級加砂壓裂；在回注井的兩側鉆出采出井的直井段及水平井段；對采出井的水平井段進行射孔；將采出井的輸出端連通到用戶端的輸入端，其中，采出井的輸出端與用戶端的輸入端之間連通有儲液裝置；將用戶端的輸出端與回注井的輸入端相連通。基于前述可知，本發明提供的地熱水平井開采方法具有使采出井的采出水的溫度能夠持續的保持穩定，并達到預期效果的特點

附圖說明

為了更清楚地說明本發明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例一提供的地熱水平井開采系統的結構示意圖；

圖2為本發明實施例一提供的回注井及采出井的結構示意圖；

圖3為本發明實施例一提供的回注井的水平段及采出井的水平段的剖視圖；

圖4為本發明實施例二提供的地熱水平井開采方法的流程圖。

圖中：100-用戶端；101-采出井；102-直井段；103-水平井段；104-儲液裝置；105-回注井；106-回注檢測裝置；107-第一凈化裝置；108-加壓裝置；109-第一閥門；110-第二凈化裝置；111-第二閥門；112-三通閥；113-射孔段；114-水力裂縫。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

實施例一

參見圖1至圖3所示，本發明實施例一提供了一種地熱水平井開采系統，包括用戶端100、采出井101、回注井105和儲液裝置104；采出井101的輸出端與儲液裝置104的輸入端相連通，儲液裝置104的輸出端與用戶端100的輸入端相連通，用戶端100的輸出端與回注井105的輸入端相連通；采出井101和回注井105均包括直井段102和水平井段103，且采出井101的直井段102與采出井101的水平井段103相連通，回注井105的直井段102與回注井105的水平井段103相連通。

具體而言，采出井101的直井段102的長度與回注井105的直井段102的長度相等；采出井101的采出水進入儲液裝置104后，再流向用戶端100經過換熱后，再流向回注井105，實現采出水的再加溫。采出井101的水平井段103與回注井105的水平段相平行。

該實施例一提供的地熱水平井開采系統通過將采出井101的采出水輸送給用戶端100后，用戶端100將采出水進行換熱，換熱后的采出水進入回注井105進行升溫，這樣采出井101的采出水的溫度就能夠持續的保持穩定，并達到預期效果；避免了現有技術中的經過換熱后的采出水重新回注到采出井101，造成采出井101的采出水的溫度不能維持穩定的情況；另外通過設置的儲液裝置104能夠將從采出井101的采出水儲存起來，以便維持進入用戶端100的水量能夠持續穩定的進行熱交換。

該實施例中，地熱水平井開采系統，還包括回注檢測裝置106，用于檢測采出井101輸出的采出水的溫度，以及用于當采出水的溫度低于設定閥值時，使采出井101的輸出端與儲液裝置104的輸入端之間斷開，并使采出井101輸出的采出水流入回注井105的輸入端；也就是說，回注檢測裝置106檢測采出的輸出端的采出水的溫度，當采出水的溫度小于設定閥值時，便將采出井101的輸出端與儲液裝置104的輸入端之間斷開連接，使采出水流入回流井進行再加溫，并放慢系統的循環速度，由于儲液裝置104儲存有采出水，因此，還能保證系統的運動；而當采出水的溫度不小于設定閥值時，系統正常運動，即正常將采出水輸送給用戶端100，為了使用戶端100的溫度到達設計值，可以在采出水進入用戶端100之前使用降溫裝置，例如，例如輸入冷水或采用換熱器；如果溫度過高，采用降溫的同時，可適當提高采出速度。

該實施例中，回注檢測裝置106為溫控三通電磁閥，其中，溫控三通電磁閥的輸入端與采出井101的輸出端相連通，溫控三通電磁閥的第一輸出端與儲液裝置104的輸入端相連通，溫控三通電磁閥的第二輸出端與回注井105的輸入端相連通；使用時，通過溫控三通電磁閥來控制其自身的第一輸出端的連通或斷開及第二輸出端的連通或斷開；當溫控三通電磁閥檢測到采出水的溫度小于設定閥值時，使第一輸出端斷開，并使第二輸出端連通，當溫控三通電磁閥檢測到采出水的溫度不小于設定閥值時，使第一輸出端連通，并使第二輸出端斷開。溫控三通電磁閥的第二輸出端與回注井105的輸入端之間設置第二凈化裝置110。

需要說明的是，該實施例中回注檢測裝置106還可以采用另一種實施方案：回注檢測裝置106包括溫度傳感器及兩位三通電磁閥，其中兩位三通電磁閥的輸入端與采出井101的輸出端相連通，兩位三通電磁閥的第一輸出端與儲液裝置104的輸入端相連通，兩位三通電磁閥的第二輸出端與回注井105的輸入端相連通，溫度傳感器用于檢測兩位三通電磁閥的輸入端與采出井101的輸出端之間的采出水的溫度。回注檢測裝置106還包括控制器，該控制器可以為MCU或PLC；溫度傳感器將該溫度發送給控制器，控制器接收到該溫度信息，并生成動作指令，兩位三通電磁閥根據該動作指令，使實現兩位三通電磁閥的第一輸出端的連通或斷開及兩位三通電磁閥的第二輸出端的連通或斷開；當溫度傳感器檢測到采出水的溫度小于設定閥值時，兩位三通電磁閥使第一輸出端斷開，并使第二輸出端連通，當溫度傳感器檢測到采出水的溫度不小于設定閥值時，使兩位三通電磁閥的第一輸出端連通，并使兩位三通電磁閥的第二輸出端斷開。兩位三通電磁閥的第二輸出端與回注井105的輸入端之間設置有第二凈化裝置110。

該實施例中，儲液裝置104的輸出端與用戶端100的輸入端之間還設置有加壓裝置108，該加壓裝置108可以為增壓泵，也可以為現有技術中的控制輸送到用戶端100的采出水的增壓穩壓設備。

該實施例中，采出井101的輸出端與儲液裝置104的輸入端之間還設置有第一凈化裝置107，該第一凈化裝置107可以為過濾網篩，也可以為現有技術中的其它凈化過濾設備。具體而言，第一凈化裝置107位于回注檢測裝置106與儲液裝置104的輸入端之間。第一凈化裝置107的輸入端與溫控三通電磁閥的第一輸出端相連通，第一凈化裝置107的輸出端與儲液裝置104的輸入端相連通。

該實施例中，回液檢測裝置與第一凈化裝置107之間還設置有第一閥門109。具體而言，第一閥的輸出端與第一凈化裝置107的輸入端相連通，第一閥門109的輸入端與溫控三通電磁閥的第一輸出端相連通。

該實施例中，回注檢測裝置106的數量與采出井101的數量相等，且回注檢測裝置106與采出井101一一對應。回注檢測裝置106的數量為多個。可選地，回注檢測裝置106的數量為兩個。采出井101的數量也為兩個，每個采出井101的輸出端均連接有回注檢測裝置106，用于檢測采出井101輸出的采出水的溫度，以及用于當采出水的溫度低于設定閥值時，使采出井101的輸出端與儲液裝置104的輸入端之間斷開，并使采出井101輸出的采出水流入回注井105的輸入端，也就是說，采出井101與回注檢測裝置106串聯，兩個串聯在一起的采出井101與回注檢測裝置106再并聯后與第一凈化裝置107連通。

該實施例中，溫控三通電磁閥的第二輸出端與第二凈化裝置110之間還設置有第二閥門111，第二閥門111的輸入端與溫控三通電磁閥的第二輸出端相連通，第二閥門111的輸出端與第二凈化裝置110的輸入端相連通。

該實施例中，用戶端100與回注井105的輸入端之間設置三通閥112，該三通閥112可以為三通電磁閥，可選的為兩位三通電磁閥或三位三通電磁閥。三通閥112的第一輸入端與用戶端100的輸出端相連通，三通閥112的第二輸入端與第二凈化裝置110的輸出端相連通。三通閥112的輸出端與回注井105的輸入端相連通。

該實施例中，用戶端100包括多個相互并聯或相互串聯的熱交換器。熱交換器為暖氣片。

該實施例中，采出井101的水平井段103具有沿其延伸方向布設的多個流水孔，該流水孔由射孔形成。回注井105的水平井段103通過加砂壓裂形成的水力裂縫與流孔交錯設置，這樣可以避免進入回注井105的采出水，通過水力裂縫流入采出井101的水平井段103的流水孔內，從而影響采出井101的采出水的溫度的穩定。

實施例二

本實施例中的地熱水平井開采方法為實施例一中公開的地熱水平井開采系統的開采方法。

參見圖4所示，該實施例中地熱水平井開采方法，包括以下步驟：

步驟S200、鉆出回注井105的直井段102及水平井段103。在鉆回注井105之前，首先獲取開采的地區的地層溫度、地層壓力和目的層的砂體連續性，然后根據地層溫度、地層壓力和目的層的砂體連續性，來確定回注井105的水平井段103的深度，也就是說，來確定回注井105的水平井段103應位于哪一目的層。通過目的層的應力分布狀況來確定目的層的最小主應力方向，并使水平井段103的井筒沿目的層的最小主應力方向鉆進，回注井105鉆井完成后下套管固井。同時，通過巖心實驗獲取地層物性參數。需要說明的是，該實施例中，獲取開采的地區的地層溫度、地層壓力和目的層的砂體連續性，通過目的層的應力分布狀況來確定目的層的最小主應力方向，均可通過現有技術來實現，在此不再具體闡述。通過獲取地層壓力，保證采出井可以靠自噴采出而無需抽采。

步驟S201、對回注井105的水平井段103進行多級加砂壓裂；具體的，采用全通徑井筒分級壓裂技術進行多級加砂壓裂，其中壓裂液采用凍膠等攜砂能力強的壓裂液，該壓裂液由羥丙基胍膠制成；支撐劑采用低密度、高強度和大粒徑人造陶粒。另外，要求各壓裂級間的間距大于50m，對于該新的開采的地區可以在回注水平井附近鉆一口直井進行微地震監測，確定水力裂縫的長度，然后，倒推計算出回注井105與采出井101之間的井間距；對于已經開采過的區域，要根據設計的井間距適當的控制壓裂規模，保證水力裂縫半長不超過回注井105與采出井101之間的井間距的90％，以保證采出水與回注井105之間的水不會發生直接連通。

步驟S202、在回注井105的兩側鉆出采出井101的直井段102及水平井段103；具體而言，在回注井105的兩側分別鉆一采出井101；采出井101的水平井段103的長度與回注井105的水平井段103的長度相等。設計回注井的兩側不僅可以保證供應充足，而且對于一定量的采出量，兩口井采出速度較低，能夠充分加熱水，保證采出井的采出速度和溫度穩定。

步驟S203、對采出井101的水平井段103進行射孔，也就是說，采出井101的水平段上形成多個射孔段113。具體而言，采出井101鉆井完成后，進行下套管固井，然后再進行射孔完井，其射孔方式采用交錯式布孔或者等間距布孔，每一段射孔2m，射孔間距10m-20m，以避免射孔形成的流水孔與水力裂縫114直接相連通。需要說明的是，該實施例中，在回注井105施工完成后再鉆采出井101，有利于避免壓裂施工規模控制不當所產生的后果以及壓裂施工對采出井101所產生的井控風險及安全風險。

步驟S204、將采出井101的輸出端連通到用戶端100的輸入端，其中，采出井101的輸出端與用戶端100的輸入端之間連通有儲液裝置104；

步驟S205、將用戶端100的輸出端與回注井105的輸入端相連通。

在采出水被采出的過程中，地層中水流在回注井105的水力裂縫內形成高速線性流，然后通過基質低速徑向滲流流進射孔段，進而進入采出井101的井筒內，并采出地面。為了保證供水溫度的穩定性在采出井101的井口處設置回注檢測裝置106，如果采出水的溫度小于設定閥值，則將其采用回注方式使采出水流向回注井105，進行再加溫，同時采取降低采出速度的措施；如果溫度不小于設定閥值時，可以采用相應的降溫裝置進行調控；此外，該開采系統需要配備采出水過濾凈化裝置，如第一凈化裝置107和第二過濾裝置，以過濾砂及其他雜質，避免對管網管道進行堵塞或腐蝕；地面上的增壓裝置可以地面壓力情況進行配置。

綜上所述，本發明實施例提供的地熱水平井開采系統及方法采用了加砂壓裂的方法，能夠保證供液量持續的同時保證水溫和整個系統的水循環，是一種低能耗的地熱資源利用系統，解決了以往地熱資源利用方法的缺陷；利用采出井101和回注井105間的水平井加砂壓裂形成的橫切高導流能力裂縫形成的線性流和采出井101周圍目的層基質的徑向滲流，保障了回注速度的同時，有利于充分對回注水進行加熱，保證采出井101的采出速度和采出水溫度，避免了因持續注入和采出造成的井筒和裂縫周圍溫度場大規模降低而產生的采出水溫度低的情況發生；采用兩個采出井101的水平井段103及一個回注井105的水平井段103，且只壓裂回注井105的水平井段103在工藝上更容易實現，避免了因人為設計因素或地層因素所造成的壓裂形成的水力裂縫直接聯通開采井或者聯通不足所帶來的風險，同時僅壓裂回注井105也降低了總的施工成本。

本發明提供的地熱水平井開采系統及方法適用于在城市郊區或者開發新區的地熱應用，另外，考慮到地層溫度等問題，本發明適用于地層深度超過1000米的有一定連續砂體的地層情況。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。此外，本領域的技術人員能夠理解，盡管在此的一些實施例包括其它實施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同實施例的特征的組合意味著處于本發明的范圍之內并且形成不同的實施例。例如，在下面的權利要求書中，所要求保護的實施例的任意之一都可以以任意的組合方式來使用。