一種利用地下熱虹吸自循環開采干熱巖地熱方法
【專利摘要】本發明涉及地熱開發領域，提供了一種利用地下熱虹吸自循環開采干熱巖地熱方法。該方法通過在地下構建攜熱介質循環流動通道，充分利用不同溫差下攜熱介質密度差導致的熱虹吸現象，從而實現攜熱介質在地下通道中的自循環流動。該循環流動通道可通過在注采井不同深度鉆取兩條水平井眼實現，也可通過注采井井底壓裂裂縫和上部水平井眼實現。循環流動的攜熱介質在流動中帶動渦輪發電機轉動發電，從而將干熱巖地熱能以電能的形式開采出來。該方法充分利用攜熱流體熱虹吸現象，實現了地下自循環流動，不需要外界提供額外動力，適用于儲層溫度高、地面環境惡劣的干熱巖儲層地熱開發。
【專利說明】
一種利用地下熱虹吸自循環開采干熱巖地熱方法
技術領域
[0001]本發明涉及地熱能開發領域，具體的涉及一種利用地下熱虹吸自循環開采干熱巖地熱方法。
【背景技術】
[0002]地熱是具有前景的可再生能源之一，與其他新能源如太陽能、風能和生物質能相比，具有分布廣、受外界影響小(如晝夜、風速、溫差)、碳排放量及維護成本低等特點。中國地處環太平洋地熱帶和地中海-喜馬拉雅地熱帶區域，地熱資源豐富。具有較高利用價值的傳統中高溫地熱儲層通常位于構造運動活躍的火山帶附近，但受制于地理環境以及儲量規模，豐富的地熱能無法得到有效開發利用。隨著探勘開發技術的進步，深部地熱資源如干熱巖等受到廣泛的關注。
[0003]深部地熱能以中高溫干熱巖地熱資源為主。干熱巖地熱資源分布廣、儲量大、不受地理限制，是未來地熱能開發的主要領域。相關研究表明，中國埋深在3000-8000m內的干熱巖地熱可采儲量為1.49 X 121J,約為2014年全國能源消費總量的幾十倍。合理、經濟的開采干熱巖地熱能不僅可能起到節能減排和能源調整的作用，更可為偏遠地區能源需求提供切實的幫助。
[0004]干熱巖埋藏深，孔隙度和滲透率極小，在進行地熱開發時，需要進行大規模的水力壓裂改造，人為構建注采井間高滲流區域，從而使得攜熱介質在注入井-干熱巖儲層-生產井-地面循環流動。溫度較低的攜熱介質在注入井井筒中流動時，會與井筒周圍高溫儲層進行熱交換，導致溫度上升;經干熱巖儲層加熱的攜熱介質在生產井井筒中流動時，會與井筒周圍低溫儲層進行熱交換，導致溫度下降。注入井井筒中較低溫度的攜熱介質密度較大，會在注入井井筒中產生較大的重力，使得井口所需注入壓力較小；生產井井筒中較高溫度的攜熱介質密度較小，會產生較小的重力，使得井口生產壓力較高。因此，當注采井井筒中攜熱介質密度差別較大時，會使得生產井井口壓力高于注入井井口壓力，從而產生熱虹吸現象。
[0005]由于水具有高熱容、高熱傳導性、熱力學性質穩定、且儲量豐富、安全等特點，常規地熱開發均選擇水作為攜熱介質。但在注水開發地熱時，由于水流量較大，存在注入壓力高、回注困難等問題；同時，在高溫條件下，巖石礦物會大量溶解于地熱水中，不僅影響儲層的孔隙度和滲透率，還會導致井筒及地面設備中的結垢問題。近幾年，國際上提出以超臨界CO2作為攜熱介質開采地熱能的新技術，利用超臨界CO2優良的熱物性，發揮其在儲層滲流和井筒流動中優良的熱交換能力，已獲得國際同行普遍認可。將超臨界CO2作為攜熱介質具有以下優勢:①充分利用超臨界CO2密度大、粘度低的特點，實現其在地熱儲層中的高速大排量滲流，為實現高效地熱開采提供了物質基礎;②超臨界CO2本身為非極性溶劑，在其作為攜熱介質時，不會與儲層礦物發生化學反應，儲層礦物也不會溶解于超臨界CO2中，可避免井筒、管線以及地面設備中的結垢問題;③結合CO2地質埋存技術，在儲層不再具有地熱開采價值時，可以將CO2埋存至地熱儲層中；④由于CO2的密度對溫壓條件敏感，注采井間的溫差可以引起更強烈的熱虹吸現象。
[0006]本發明針對于地熱開采時注入井和生產井井筒中產生的熱虹吸現象，提出一種利用地下熱虹吸自循環開采干熱巖地熱的方法。該方法在干熱巖儲層的上覆巖層中鉆一口水平井眼，連通注入井和生產井，利用攜熱介質的熱虹吸原理，實現攜熱介質在注入井-干熱巖儲層-生產井-水平井眼中的循環流動，并在生產井中下入串聯渦輪發電機，將高溫攜熱介質的動能轉變為電能，從而開采干熱巖地熱能。
【發明內容】
[0007]本發明的技術方案為:一種利用地下熱虹吸自循環開采干熱巖地熱方法，具體步驟如下:
[0008](I)經地質勘查，合理選擇一處中高溫干熱巖地熱儲層；
[0009](2)在干熱巖儲層鉆取兩口直井，分別作為注入井和生產井，井距為500?1000m;
[0010](3)對兩口井進行大型水力壓裂，建造人工熱儲，使兩井井底連通；
[0011 ] (4)向注入井中注入低溫攜熱介質，驗證注采井間連通性和人工熱儲的滲流能力；
[0012](5)對干熱巖上覆巖層的生產井筒進行開窗側鉆，鉆取水平井眼，并采用地質導向鉆具，實現水平井眼與注入井井筒的準確對接；
[0013](6)對水平井眼至干熱巖儲層的生產井井眼擴徑，并將串聯渦輪發電機下入井眼擴徑處；
[0014](7)由注入井井口向干熱巖儲層中注入攜熱介質，攜熱介質在熱虹吸作用下，自動形成注入井-干熱巖儲層-生產井-水平井眼的循環流動，帶動生產井筒中的渦輪發電機發電，并將電能通過井下耐溫電纜傳輸至地面進行利用；
[0015](8)停止注入井中攜熱介質的注入，實現攜熱介質在地下進行熱虹吸自循環流動發電。
[0016]優選的是，步驟(I)中，干熱巖儲層半徑大于1000m，厚度大于100m，溫度高于200Γ。
[0017]優選的是，步驟(2)中，兩口井鉆到表土層以下時，為隔離地層水滲入以及保護井壁，需下入表層套管，并用水泥漿固井。
[0018]優選的是，步驟(3)中，水力壓裂所用壓裂液根據儲層巖石潤濕性決定，一般干熱巖儲層為水潤濕，在不進行巖石物性測量情況下，選擇水基壓裂液進行壓裂。
[0019]優選的是，步驟(3)中，若干熱巖儲層所在區域水資源缺乏，而CO2資源豐富，可選擇超臨界CO2作為壓裂液，進行水力壓裂。
[0020]優選的是，步驟(4)中，攜熱介質可以是常規攜熱介質-水，也可以是超臨界C02，以及其他性能優良的攜熱流體及其混合物。
[0021]優選的是，步驟(4)中，應保證生產井產出攜熱介質最短5天，從而驗證注采井間連通性以及人工熱儲的滲流能力。
[0022]優選的是，步驟(5)中，套管開窗側鉆時，應根據所選擇的攜熱介質，計算注采井筒中的溫度壓力分布，選擇兩井相同深度處壓力差最大位置，進行套管開窗。
[0023]優選的是，步驟(5)中，可以在注入井相同深度處采取同樣的套管開窗側鉆技術，側鉆一口水平井眼，實現與生產井水平井眼的對接。
[0024]優選的是，步驟(6)中，將生產井井眼擴徑至0.5?lm，折疊的串聯渦輪發電機可通過上部井筒下放至井眼擴徑處展開。
[0025]優選的是，步驟(7)中，注入井向干熱巖儲層中注入一定量的攜熱介質，形成攜熱介質熱虹吸自循環后，不需要再向儲層中持續注入攜熱介質。
[0026]優選的是，步驟(8)中，如果攜熱介質向熱儲圍巖中發生泄漏，可根據實際情況，間隔一段時間或者持續通過注入井向地熱儲層補充一定量的攜熱介質。一般的，攜熱介質若為水，可間隔10天補充一次;若為C02，可間隔20天補充一次。
[0027]本發明的有益效果為:①充分利用干熱巖地熱，將低溫攜熱介質加熱，使攜熱介質密度大幅度降低、體積膨脹，引起注采筒中相同深度處產生巨大壓差，實現攜熱介質的熱虹吸自循環流動，不需要外界提供額外的循環動力;②利用直井側鉆水平井眼技術，將注入井和生產井連通，實現了熱虹吸循環管路的全部地下化，不僅大大降低了深部地熱開采過程中攜熱介質在注采井筒中的動能損失，而且不需要地面增壓設備，降低了經濟投入;③利用井下串聯式渦輪發電機，將熱虹吸產生的動能高效的轉化為電能，并采用耐高溫電纜將電能傳輸至地面，實現在地下熱能-動能-電能的高效轉化。
【附圖說明】
[0028]圖1地下熱虹吸自循環井身結構示意圖。
[0029]圖2地下雙水平井熱虹吸自循環井身結構示意圖。
[0030]其中，1、上覆巖層，2、注入井筒，3、干熱巖儲層，4、人工地熱儲層，5、壓裂裂縫，6、注入井，7、上部水平井眼，8、生產井，9、生產井筒，10、井眼擴徑處，11、串聯渦輪發電機，12、下部水平井眼，13、井下電纜。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖對本發明進行詳細的描述。
[0032]—種利用地下熱虹吸自循環開采干熱巖地熱方法，具體步驟如下:
[0033](I)經地質勘查，合理選擇一處中高溫干熱巖儲層3。；
[0034](2)在干熱巖儲層3鉆取兩口直井6和8，井6和井8相距500?1000m;
[0035](3)采用水力壓裂技術，對兩井進行水力壓裂，建造人工地熱儲層4，其中單井約需壓裂液10000?50000m3，壓裂半徑在250?500m;
[0036](4)打開注入井6和生產井8，將低溫攜熱介質(如水、超臨界⑶2、以及其他性能優良的攜熱流體及其混合物)由注入井6井口注入到干熱巖儲層，計量生產井8井口攜熱介質產出速度，驗證人工地熱儲層的連通性；
[0037](5)若注入井6井口壓力持續升高，無法注入攜熱介質，或生產井8井口無法產出攜熱介質，則兩口井壓裂裂縫沒有有效連通，需要重復步驟(3)、(4)，直至注入井6和生產井8中攜熱介質的流量達到基本平衡或在同一數量級上；
[0038](6)關閉井6和井8，利用套管側鉆開窗技術，在生產井井筒9中下入專用銑削工具，在套管上定向銑出一個窗口，鉆取水平井眼7，并采用地質導向鉆具，實現該水平井眼與注入井井筒2的準確對接；
[0039](7)將井眼擴徑工具下入生產井8中的井段10處，擴寬井眼半徑，將串聯渦輪發電機11下入井眼擴寬井段10處，并將連接渦輪發電機的井下電纜引導至生產井8的井口處；
[0040](8)關閉生產井8，打開注入井6，將攜熱介質由注入井6的井口注入到干熱巖儲層3中，攜熱介質在熱虹吸作用下，自動形成注入井-人工地熱儲層-生產井-水平井眼的循環流動，從而帶動渦輪發電機11產生電能；
[0041](9)停止向注入井6中注入攜熱介質，維持地面各井口工作制度，保證攜熱介質的熱虹吸自循環流動；
[0042](10)如果攜熱介質向人工熱儲4的圍巖中發生泄漏，可根據實際情況，間隔一段時間或者持續通過注入井6向人工熱儲4中補充一定量的攜熱介質。一般的，攜熱介質若為水，可間隔10天補充一次;若為C02，可間隔20天補充一次。
[0043]為了合理利用熱虹吸作用，避免井筒管流和儲層滲流不同流動方式轉換造成的壓力損失，本發明還可以進一步改進為利用地下雙水平井眼實現攜熱介質的熱虹吸自循環流動。如圖2所示，采用水平井技術將注入井底與生產井底連通，替代水力壓裂技術建立人工熱儲，從而實現地下雙水平井眼熱虹吸自循環流動開采干熱巖地熱能。該方法的攜熱介質全部在井筒中流動，有效的避免了流動方式轉變造成的壓力損失，保證了熱虹吸的效果。但由于攜熱介質在井筒中與干熱巖儲層的熱交換面積較小，可能會造成兩者熱交換不充分的問題，所以利用地下雙水平井眼開采干熱巖地熱時，應增加水平井段長度，并盡可能的擴大水平井眼半徑，從而加大井筒與干熱巖儲層的熱交換面積。
[0044]為證明開采干熱巖地熱時，攜熱介質受溫度影響會在注采井筒中產生熱虹吸現象，假設一典型的干熱巖儲層，分析了常規攜熱介質水和新型攜熱介質超臨界CO2在注入井井口和生產井井口產生的壓差。干熱巖埋深4500m，分布面積為1000 X 100m2，厚度為200m，假設水力壓裂產生的裂縫孔隙度為2%，滲透率為50md。在儲層中間區域相距700m布置一注一采兩口井，采用定注采壓差方式循環注入攜熱介質，注入井井底壓力高于儲層壓力
0.5MPa，生產井井底壓力低于儲層壓力0.5MPa，注入攜熱介質溫度為40 V。油藏數值模擬結果表明，由于超臨界CO2優良的滲流能力，其流速為38.5kg/s，約為水流速的2.5倍。雖然注采井井口兩種攜熱介質的溫差大體相同，但采用超臨界CO2作為攜熱介質時，注采井井口壓差約為5.6MPa，比水作為攜熱介質時井口壓差高2MPa左右。可見，采用水或超臨界⑶2作為攜熱介質時，均會產生熱虹吸現象，而且由于超臨界CO2獨特的熱物性，其產生的熱虹吸現象要明顯強于水產生的熱虹吸現象，可以完全實現攜熱介質在地下的自循環流動，無需施加外部動力。
[0045]以上是本發明的一個【具體實施方式】，本發明【具體實施方式】不能僅限于此，對于本領域內的技術人員來說，在未脫離本發明思路的前提下，還可做出其他類似的改變，而這都應視為本發明技術方案的保護范圍。
【主權項】
1.一種利用地下熱虹吸自循環開采干熱巖地熱方法，其特征在于:其具體地工藝步驟為: (1)經地質勘查，合理選擇一處中高溫干熱巖儲層； (2)在干熱巖儲層鉆兩口垂直井，兩井相距500?100m; (3)對兩口井同時進行大型水力壓裂，建造人工熱儲，且兩井井底連通； (4)注入低溫攜熱介質，驗證注采井間連通性以及人工熱儲的高效滲流性； (5)在干熱巖儲層以上的生產井筒中某深度處進行開窗側鉆，鉆取水平井眼，并采用地質導向鉆具，實現水平井眼與注入井井筒的準確對接； (6)擴大水平井眼以下至干熱巖儲層的生產井井眼半徑，并將串聯的渦輪發電機下入井眼擴寬處； (7)由注入井井口向干熱巖儲層中注入攜熱介質，攜熱介質在熱虹吸作用下，自動形成注入井-干熱巖儲層-生產井-水平井眼的循環流動，帶動渦輪發電機產生電能； (8)停止注入井中攜熱介質的注入，實現攜熱介質在地下進行熱虹吸自循環流動發電。2.如權利要求1所述的地下熱虹吸自循環開采干熱巖地熱方法，其特征在于:步驟(I)中，干熱巖儲層半徑大于1000m，厚度大于100m，溫度高于200°C。3.如權利要求1所述的地下熱虹吸自循環開采干熱巖地熱方法，其特征在于:步驟(3)中，水力壓裂所用壓裂液根據儲層巖石潤濕性決定，一般干熱巖儲層為水潤濕，在不進行巖石物性測量情況下，選擇水基壓裂液進行壓裂。4.如權利要求1所述的地下熱虹吸自循環開采干熱巖地熱方法，其特征在于:步驟(3)中，若干熱巖儲層所在區域水資源缺乏，而CO2資源豐富，可選擇CO2作為壓裂液，進行0)2壓m O5.如權利要求1所述的地下熱虹吸自循環開采干熱巖地熱方法，其特征在于:步驟(4)中，攜熱介質可以是常規攜熱介質-水，也可以是超臨界co2，還可以是具有優良攜熱能力的其他攜熱介質。6.如權利要求1所述的地下熱虹吸自循環開采干熱巖地熱方法，其特征在于:步驟(4)中，應保證生產井產出攜熱介質最短5天，從而驗證注采井間連通性以及人工熱儲的高效滲流性。7.如權利要求1所述的地下熱虹吸自循環開采干熱巖地熱方法，其特征在于:步驟(5)中，套管開窗側鉆時，應根據所選擇的攜熱介質，計算注采井筒中的溫度壓力分布，選擇兩井相同深度處壓力差最大位置，進行套管開窗。8.如權利要求1所述的地下熱虹吸自循環開采干熱巖地熱方法，其特征在于:步驟(5)中，可以在注入井套管相同深度處采取同樣的開窗技術，側鉆一口水平井眼，實現與生產井水平井眼的對接。9.如權利要求1所述的地下熱虹吸自循環開采干熱巖地熱方法，其特征在于:步驟(7)中，注入井向干熱巖儲層中注入一定量的攜熱介質，形成攜熱介質熱虹吸自循環后，不需要再向儲層中持續注入攜熱介質。10.如權利要求1所述的地下熱虹吸自循環開采干熱巖地熱方法，其特征在于:步驟(8)中，如果攜熱介質向熱儲圍巖中發生泄漏，可根據實際情況，間隔一段時間或者持續通過注入井向地熱儲層補充一定量的攜熱介質。一般的，攜熱介質若為水，可間隔10天補充一次；若為C02，可間隔20天補充一次。
【文檔編號】E21B43/26GK105863568SQ201610231058
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月14日
【發明人】張亮, 崔國棟, 任韶然, 許素丹, 楊若涵
【申請人】中國石油大學(華東)