CN103090571A - 一种循环开采地热资源的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种循环开采地热资源的方法，包括以下步骤：1）确定一个地温梯度相对高的地区；2）在所述地温梯度相对高的地区确定储集层；3）在所述储集层的主要延伸方向确定两口井的井位并进行钻井，一口井在储集层相对低的部位，为进水井；另一口井在储集层相对高的部位，为出水井；4）将所述进水井及出水井均钻到储集层处，然后再在同一储集层段进行射孔，得到储集层通道，使得所述进水井通过储集层通道与所述出水井相通；5）在地面，从所述进水井注入地表淡水，地表淡水经过储集层通道，得到加热后的热水，所述加热后的热水流入出水井，然后再送到出水井口即可。

Description

一种循环开采地热资源的方法

技术领域

本发明涉及一种循环开采地热资源的方法。

背景技术

“地热”是指能够经济地为人类所利用的埋藏在地下的热能资源的简称。地球的热场也称地球的温度场、或地热场，它与地球的电场、重力场、磁场等都是地球的物理场。地热场表示地球内部各层中温度的分布状态。地球的各圈层温度分布状况和热场的特征各不相同。通常所说的热场是指地球上层能直接测量到的部分。

地热资源作为一种新能源，早已引起世界各国的重视。地热资源是一种宝贵的自然资源，有人曾做过如下的估计，地下热能的总量约为全部煤储量可能释放的能量的1亿7千万倍。地热资源不仅可以提供热能，而且还可提供供水水源及矿物资源，如提取有用元素和化合物。我国的地热资源丰富，是世界上开发最早的国家之一。

目前，我国用热主要体现在以下几个方面，即工业加热、工农业用热、家庭取暖、洗浴、温室种植、养殖等方面。而我国目前供热主要是煤、电和部分地热，电除了水电、风电、太阳能发电外，主要还是煤电。

根据***2010年的统计显示，目前全国供热采暖耗能全年约为2.5亿吨煤，占全社会总能耗的10%。来自“清洁高效燃煤发电技术协作网”2010年会的信息显示，目前我国发电供热用煤占全国煤炭生产总量的50%左右。因为，煤是高污染能源，大约全国90%的SO2排放由煤电产生，80%的CO2排放量由煤电排放。在给人们生产、生活带来便利的同时，也产生较大污染，给人们生命健康带来危害。同时，烧煤的锅炉属于高压容器，使用不当还会产生***等危险。

按目前的开发利用水平估算，全国每年可开发利用地热水总量约68.45亿立方米，折合每年3284.8万吨标准煤的发热量。但是，现在被利用的还不到20%。即使如此，由于长期盲目开采，造成使用不合理，综合利用低，浪费较为严重。有些地方，由于缺乏管理造成布井不合理、密度太大，开采过量，造成地下热水位大幅度下降。大量的地热水随意排放到环境中，将造成地表水和地下淡水的污染。

我们生活的地球是一个巨大的低热库，仅地下10千米厚的一层，储热量就达1.05×1026焦耳，相当于9.95×1015标准煤所释放的热量。根据从事地热能研究和开发的桑哈什（SEMHACH）公司介绍，地热能的蕴藏量超过了煤炭、石油的储量。

地热资源是矿产资源的一部分，与煤炭、石油和天然气等传统的化石能源相比，地热能具有清洁、环保、可就地直接取用、成本相对低、价格稳定等优势。由于蕴藏在地球内部的天然热量——地热能储存量巨大，对环境的负面影响小，已被世界各国公认为可再生清洁能源，被各国列为重点研究开发的新能源之一。

目前的地热利用包括发电和热利用两种方式。地热资源按照介质的温度状况可以分为三种：高温（大于150℃）、中温（90～150℃）、低温（小于90℃）***。中低温地热***大部分采取直接利用的方式（如：供暖、浴疗、在工农业方面的使用等）和地源热泵供热、制冷进行开发利用；高温地热***用来发电，地热发电装机容量已经达到1000万千瓦，可以说，地热目前是仅次于风能的最为现实和最具竞争力的新能源。

国土资源部数据显示，据初步估算，全国主要沉积盆地距地表2000米以内储藏的地热能，相当于2500亿吨标准煤的热量。全国经正式勘查并经国土部门审批的地热田为103处，提交的可采地热资源量每年为33283万立方米；经初步评价的地热田为214处。按目前的开发利用水平估算，全国每年可开发利用地热水总量约68.45亿立方米，折合每年3284.8万吨标准煤的发热量。但是，现在被利用的还不到20%，开发利用前景广阔。

目前的技术面临两个问题：

一是利用煤炭产生严重污染，且成本较高，每年合计用煤（包括煤发电取暖）10亿吨，保守按每吨500元计算，则是5000亿元；

二是利用地热只是从地下取热水，而地下的热水虽然量比较大，但也是有限定的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种节约大量煤炭资源的循环开采地热资源的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种循环开采地热资源的方法，包括以下步骤：

1）确定一个地温梯度相对高的地区；

收集该地区以往地热资料，特别是打井实际测量的温度资料，以确定该地区的地温梯度。在地下，如果地温梯度为4℃/100米，通常情况下地表温度15℃，那么两千米就可以达到95℃，三千米就可以达到135℃。具体为：

（1）测量该地区的大地热流值。

大地热流值为一综合参数，是在地表能直接测得的惟一反映地壳深部热状况的一个物理量。

（2）测量该地区的地温梯度。地下的温度状况是通过钻孔和矿井的地温直接测量求得的，打完井后，用地球物理测井中的地温测井，测得不同深度对应的温度，每100米增加的温度就是地温梯度。

地温梯度又称“地热梯度”。表示地球内部温度不均匀分布程度的参数。一般埋深越深处的温度值越高，以每百米垂直深度上增加的℃数表示。不同地点地温梯度值不同，通常为(1～3)℃／百米，火山活动区较高。

2）在所述地温梯度相对高的地区确定储集层。

3）在所述储集层的主要延伸方向确定两口井的井位并进行钻井，一口井在储集层相对低的部位，为进水井；另一口井在储集层相对高的部位，为出水井；

4）将所述进水井及出水井均钻到储集层处，然后再在同一储集层段进行射孔，得到储集层通道，使得所述进水井通过储集层通道与所述出水井相通；

5）在地面，从所述进水井注入地表淡水，地表淡水经过储集层通道，得到加热后的热水，所述加热后的热水流入出水井，然后再送到出水井口即可。

本发明的有益效果是：

1、把地下当作热库，即加热炉，使其把凉水加热，而不是简单地抽取其热水。

1、解决了可在任何地方打井的问题，只不过地温高的地方，井打的可以浅一些，地温低的地方，井要打的深一些。

3、进入地层多少水，取出来多少水，一点也不多取，保持了地下水位的平衡。

4、节约大量煤炭资源，每年可节约煤炭2.5亿吨，保守按每吨500元计算，则是1250亿元；同时极大降低了CO2的排放，减少许多环境污染。因为每吨标煤燃烧产生的CO2量，工业锅炉大概2.6吨CO2，那么节约2.5亿吨煤，就可减少6.5亿吨CO2排放。

5、可以在有沉积盆地的地方实施，而我国有沉积盆地的面积将近600万平方千米，避免了目前开采地热的局限性。

6、节约地下水资源，防止过量开采造成水位的下降。我国19个省份50多个城市发生了不同程度的地面沉降，且主要集中在长三角地区。

7、从地下出来的热水含有较多矿物质。这些矿物质和微量元素具有一定的美容护肤功效，能够改善皮肤，促进血液循环，而这些水中的钙、镁、钠、碳酸氢、硫化氢等矿物质又能改变皮肤酸碱值，从而软化皮肤角质。因此，常用其洗澡可以利于人们健康。

8、可以在工、农业、居民、温室等多地使用。已广泛用于工农业生产及医疗卫生领域。在工业上主要用于发电、纺织、印染、造纸、酿造、皮革加工处理等;农业上主要用于保温育苗、温室栽培、人工孵化及调剂灌溉水温度等。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，在步骤2）中，所述储集层在陆相地层为砂岩层，在海相地层为碳酸盐溶洞和/或裂缝。

进一步，在步骤2）中，所述确定储集层的具体步骤为：

2.1）选择在地质历史上是沉积盆地的地方；

由于能源地质（石油、天然气、煤炭以及非常规天然气）的勘探、开发，沉积盆地的分布范围，已经基本清楚。如果，尚不清楚，可以采用非地震物化探技术象重力、磁力、电法、化探等技术方法，进行识别和圈定。

2.2）在沉积盆地内，用地震方法预测出储集层的位置；

地震主要用反射波法，来识别储集层,因为，储集层通常含水，可以导致它的振幅、频率、波长等发生变化。另外，地震波在不同岩石中传播的速度不同，这样就可以在陆相地层中区分出泥、页岩和砂、砾岩；在海相地层中区分出石灰岩和白云岩。

2.3）根据地震方法预测出来的储集层，对所述储集层的厚度、范围、空隙及渗透率进行识别，选择出符合要求的储集层；

一般情况下，选择储集层的厚度为20～50米；分布稳定，一般面积要大于100平方千米；渗透性要好，一般孔隙度大于25%，渗透率大于200毫达西；连通性要好；顶底板封闭性要好。在此前提下，地温梯度越高越好；因为，地温梯度高，在获得同样水温条件下，井就打的浅，就节约成本。

进一步，在步骤3）中，所述钻井的具体步骤为：用311mm钻头，钻开表层，然后再用215mm钻头，接着往下钻进，钻到储集层处，再下入套管，然后用水泥浆进行固井。

进一步，所述钻开的表层深度为300～500米。

进一步，在钻开表层和接着往下钻进的步骤之间还包括如下步骤：为防止表层垮塌，下入表层套管，然后用水泥浆进行固井。

进一步，所述表层套管的厚度为240mm。

进一步，所述套管的厚度为140mm。

进一步，在钻井到储集层处后，下套管之前还包括以下步骤：进行地球物理测井。一方面是测量储集层的厚度、渗透性；另一方面是测量井温，确定地温梯度。

目的是看与打井前测得的结果是（是指确定一个好的储集层过程时，得到的测量结果）否相同，是高了还是低了。这决定今后在该区打井的深度，和打井的成本。

进一步，在步骤4）中，所述进行射孔的工艺条件为：选择102型枪装127弹聚能射孔，60°相位角螺旋布孔，孔密24孔/米，发射率不低于98%。

射孔前，套管、水泥环（水泥浆进行固井的一层成为水泥环）把地层与煤层是包起来的，只有射孔后，射孔弹先后把套管、水泥环身穿成孔，射到储集层，储集层才能够与进水井和出水井连通。

进一步，所述进水井及出水井的深度均为2000～3000米。

进一步，所述进水井到出水井的距离为300～500米。

进一步，所述储集层通道的宽度为20～50米。

进一步，所述加热后的热水的温度为95～135℃。

进一步，所述出水井内安装有抽水泵，可将热水抽到出水井口。

进一步，地表淡水经过储集层通道时，还包括压裂的步骤，所述压裂是从地表加压，通过射开的孔将压裂液、支撑剂压入储集层，储集层破裂即产生主裂缝，压裂液携带支撑剂进入地层，顺着主裂缝方向可以达到200～300米范围；其中，所述压裂液的用量为1200～1500方，支撑剂的用量为60～80方。

进一步，所述进行压裂的压裂设备为1000型以上性能良好的压裂机组。

进一步，所述压裂液为活性水或清水，所述支撑剂为石英砂。

进一步，所述清水中还加入体积百分比为1～3%的KCL，加KCL目的是提高压裂液粘度,便于携带石英砂。

进一步，所述从地表加压的压力为30～40兆帕。

进一步，所述将压裂液、支撑剂压入储集层的排量为每分钟3～5方。

通过上述方法得到的热水，先验证水的物理化学性质。打井出水，每天要取水样进行化验分析。如果是用于取暖，看有没有腐蚀管线的成分，比如含硫高；如果是用于洗澡，则看有无对人体危害的元素。验证完毕后，再通过管线或水罐车，运往目的地。

附图说明

图1为本发明循环开采地热资源的方法中的打两口直井的结构示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、进水井，2、出水井，3、储集层，4、抽水泵。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

首先确定找到了好的储集层

找到了好的储集层，具体步骤为：在符合要求的储集层上确定一个井位，一般参考盆地周边露头资料，结合非地震物化探资料，特别是地震及该区以往打井资料，并经过综合地质条件分析井位确定后，进行钻探，一般采用煤田或石油钻机，进行钻探。目的是，确认以地震为主要方法确定的储集层存不存在，如果存在，再确定储集层的好坏。

钻出一个井后，在所述井中出水，且每天出水量在100方以上，连续出水在3个月以上，即确定为一个好的储集层。

然后打两口直井，如图1所示，即一口井在储集层相对低的部位，用于进水；另一口井在相对高的部位，用于出水。经过钻井，证实了地震资料的可靠性。那么，可在储集层的主要延伸方向部署两口井。其中，一口在低部位，为进水井1；另一口在稍高部位，为出水井2。因为，根据地下压力***和势能分布，通常是水往高部位运移。

所打两口井，需在同一储集层3段进行射孔，射开20～50米厚的储集层通道，地表淡水从进水井1射孔处，经过地面加压，将水进入地层。进入地层，经过300～500米的储集层3通道（即进水井1与出水井之2间的距离），在95～135℃温度下，自身就很快会被加热。待到出水井2射孔处，温度基本上可以达到95～135℃，经过出水井安装的抽水泵4，将水抽到井口。然后，通过管线或水罐车，运往目的地。

如果水流不畅，则需要进行压裂。采用清水作为压裂液，石英砂作为支撑剂，一定的排量、一定的砂比。

压裂设备选择1000型以上性能良好的压裂机组，压裂液选择活性水或清水（加质量百分比为1～3%的KCL）。通常压裂液用量1200～1500方，石英砂60～80方，排量每分钟3～5方，压力加到30～40兆帕。

如果找到了储集层，但是储集层不是很好的情况下，也可用一水平井代替储集层。即打两口井，一口直井，一口水平井，两口井对接。具体步骤为：

先在较高部位钻一口垂深2500m左右的直井，直井井口距离水平井井口900m。然后在较低部位钻一口水平井，水平井由311mm钻头开眼，至井深约250m的位置下入240mm套管，水泥浆返至地面。二开钻水泥塞及进入新地层至井深1800m开始造斜，组合动力钻具，设计造斜段狗腿度4.5°/30m，剖面设计为单圆弧剖面，钻进至3800m（井斜角60°，水平位移500m，垂深2800m）。下140mm套管，下到储集层顶部。使用时，在水平井处对注入的自来水加热，加热后的自来水从直井取出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (24)

1.一种循环开采地热资源的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）确定一个地温梯度相对高的地区；

2）在所述地温梯度相对高的地区确定储集层；

3）在所述储集层的主要延伸方向确定两口井的井位并进行钻井，一口井在储集层相对低的部位，为进水井；另一口井在储集层相对高的部位，为出水井；

4）将所述进水井及出水井均钻到储集层处，然后再在同一储集层段进行射孔，得到储集层通道，使得所述进水井通过储集层通道与所述出水井相通；

5）在地面，从所述进水井注入地表淡水，地表淡水经过储集层通道，得到加热后的热水，所述加热后的热水流入出水井，然后再送到出水井口即可。

2.根据权利要求1所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：在步骤2）中，所述储集层在陆相地层为砂岩层，在海相地层为碳酸盐溶洞和/或裂缝。

3.根据权利要求1所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：在步骤2）中，所述确定储集层的具体步骤为：

2.1）选择在地质历史上是沉积盆地的地方；

2.2）在沉积盆地内，用地震方法预测出储集层的位置；

2.3）根据地震方法预测出来的储集层，对所述储集层的厚度、范围、空隙及渗透率进行识别，确定出符合要求的储集层。

4.根据权利要求3所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：所述地震方法为反射波法。

5.根据权利要求3所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：所述符合要求的储集层的储集层厚度为20～50米，储集层范围大于100平方米，储集层的孔隙度大于25%，储集层的渗透率大于200毫达西。

6.根据权利要求1所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：在步骤3）中，所述钻井的具体步骤为：用311mm钻头，钻开表层，然后再用215mm钻头，接着往下钻进，钻到储集层处，再下入套管，然后用水泥浆进行固井。

7.根据权利要求6所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：所述钻开的表层深度为300～500米。

8.根据权利要求6所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：在钻开表层和接着往下钻进的步骤之间还包括如下步骤：为防止表层垮塌，下入表层套管，然后用水泥浆进行固井。

9.根据权利要求8所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：所述表层套管的厚度为240mm。

10.根据权利要求6所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：所述套管的厚度为140mm。

11.根据权利要求6所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：在钻井到储集层处后，下套管之前还包括以下步骤：进行地球物理测井。

12.根据权利要求11所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：所述进行地球物理测井，一方面是测量储集层的厚度、渗透性；另一方面是测量井温，确定地温梯度。

13.根据权利要求1至12任一项所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：在步骤4）中，所述进行射孔的工艺条件为：选择102型枪装127弹聚能射孔，60°相位角螺旋布孔，孔密24孔/米，发射率不低于98%。

14.根据权利要求1至12任一项所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：所述进水井及出水井的深度均为2000～3000米。

15.根据权利要求1至12任一项所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：所述进水井到出水井的距离为300～500米。

16.根据权利要求1至12任一项所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：所述储集层通道的厚度为20～50米。

17.根据权利要求1至12任一项所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：所述加热后的热水的温度为95～135℃。

18.根据权利要求1至12任一项所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：所述出水井内安装有抽水泵，可将热水抽到出水井口。

19.根据权利要求1至12任一项所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：地表淡水经过储集层通道时，还包括压裂的步骤，所述压裂是从地表加压，通过射开的孔将压裂液、支撑剂压入储集层，储集层破裂即产生主裂缝，压裂液携带支撑剂进入地层，顺着主裂缝方向可以达到200～300米范围；

其中，所述压裂液的用量为1200～1500方，支撑剂的用量为60～80方。

20.根据权利要求19所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：所述进行压裂的压裂设备为1000型以上性能良好的压裂机组。

21.根据权利要求19所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：所述压裂液为活性水或清水，所述支撑剂为石英砂。

22.根据权利要求21所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：所述清水中还加入体积百分比为1～3%的KCL。

23.根据权利要求19所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：所述从地表加压的压力为30～40兆帕。

24.根据权利要求19所述的循环开采地热资源的方法，其特征在于：所述将压裂液、支撑剂压入储集层的排量为每分钟3～5方。

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