CN106437669B - 一种用于深部干热岩地层开采的热裂解造缝方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于深部干热岩地层开采的热裂解造缝方法及***。该方法包括：向注入井段内地层的目标位置注入氧化剂、燃料和水，以产生主裂缝；注入氧化剂、燃料和水，直至所形成的裂缝达到预定的延伸长度或所形成的裂缝能够使注入井与生产井之间形成连通；将支撑剂和携砂液混合均匀后泵入主裂缝中，泵入顶替液，关井，完成热裂解造缝。所述热裂解造缝***包括供给装置、连续油管、导向器、锚定器、高压软管和燃烧反应装置；连续油管顶端与供给装置相连，底端与导向器的顶端相连；导向器的底端与锚定器相连，导向器的侧壁上设有连通口。本发明提供的技术方案具有增产增注效果好、安全性较高、开采成本低、***结构较为简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于深部干热岩地层开采的热裂解造缝方法及***，属于能源开采技术领域。
背景技术
地热能是一种储量丰富的清洁能源，它可以用于发电、取暖、辅助采油等，地热的开发利用潜能非常巨大。我国地热资源丰富，但目前主要开发中浅层地热资源，深部地热资源亟待开发。
目前国内外对地热能源的利用多集中于热水型地热能，干热岩的开发仍处于试验阶段。干热岩是指埋深超过2000m、温度超过150℃的地下高温岩体，其特点是岩体中很少有地下流体存在。干热岩主要被用来提取其内部的热量，例如从地面经井筒向深部干热岩地层注入冷水，经热交换后采出地面利用，因此，深部干热岩地层的渗流能力对其内部能量的利用效率十分重要。
目前，已发展的改造地层渗透能力的技术很多，如井下***技术、核***技术、高能气体压裂、水力压裂和酸化技术等。常用的应用于地热储层的是高能气体压裂、水力压裂和酸化技术。
井下***法包括固态、液态和气态***在井筒内的爆轰和爆燃，目的是使井筒周围地层产生多条裂缝，既消除在钻井过程中造成的表皮损害，又使天然裂缝体系与井筒连接。但是井下***所造成的压缩应力波使井周围岩石发生不可恢复的塑形变形，***初期形成的大量裂缝或因残余应力场的作用而重新闭合，或被***残余物堵塞，有时反而使岩层渗透率下降，只有在某些情况下才可能提高产量，而且井下***极易损毁井筒。
核***采油会造成并沟通各种空洞，从而增加井筒周围岩石渗透率。核***能量巨大，储集层要有一定厚度才能实施核爆而形成一定规模的裂缝，核装置既要有足够的埋深以防止发生放射性泄露，又不能太深，以防止岩石静压使产生的裂缝重新闭合。美国和前苏联在20世纪60-70年代进行过用核装置激励油气层的地下实验，未获商业化应用。我国在20世纪80-90年代也曾进行核***采油的规划和现场实验设计，由于多方面原因未付诸实施，而且目前核***法的经济性仍然存在争议。
高能气体压裂是20世纪60-70年代在***法压裂基础上发展起来的。高能气体压裂在井筒内使用火药、推进剂或推进剂与***混合物，利用它们爆燃产生的大量高温、高压气体的楔入，基本原理是药剂爆燃而不是爆轰，可以控制压力峰值和压力上升速度。是否能产生多条裂缝，与井筒内压力上升速度直接相关。但是高能气体压裂形成的裂缝局限于近井地带，只有与其它技术结合，才能增产增注中发挥其应有的作用。
水力压裂技术就是利用地面高压泵，通过井筒向油层挤注具有较高粘度的压裂液。当注入压裂液的速度超过油层的吸收能力时，则在井底油层上形成很高的压力，当这种压力超过井底附近油层岩石的破裂压力时，油层将被压开并产生裂缝，再注入带有支撑剂的携砂液保证裂缝不闭合。但是水力压裂活动会造成地下水污染，压裂过程将含有大量化学添加剂的压裂液注入地下，憋起高压将地层压裂，因而压裂液会污染地下水体，而将油气储层岩石压裂后，油气也有可能会窜到地下水层中，对地下水造成污染。此外，水力压裂活动还可能引发地震活动，压裂的设备和材料成本比较大，存在一定的失败风险。
酸化指通过酸液对岩石胶结物或地层接口隙、裂缝内堵塞物等的溶解和溶蚀作用，恢复或提高地层接口隙和裂缝的渗透性。但是在酸化过程中，反应生成的不溶物可能堵塞接口隙，化学添加剂可能会污染地下水，此外，酸化技术对地层的适应性要求较高，只能应用于碳酸盐等地层，应用范围受到限制。
由上可知，目前还没有一种经济有效且使用范围广泛的方法可以用来实现深部干热岩地层地热资源的大规模商业化利用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于深部干热岩地层开采的热裂解造缝方法及***。所述用于干热岩开采的热裂解方法能够经济有效地对深部干热岩地层进行改善，提高深部地热能的利用率。
为达到上述目的，本发明提供了一种用于深部干热岩地层开采的热裂解造缝方法，其包括以下步骤：
向注入井段内地层的目标位置注入氧化剂、燃料和水，对目标位置处的地层岩石进行裂解，产生主裂缝；
继续注入氧化剂、燃料和水，使氧化剂和燃料进入产生的主裂缝中，对主裂缝进行延伸和裂解，产生次级裂缝，直至所形成的裂缝达到预定的延伸长度或所形成的裂缝能够使注入井与生产井之间形成连通；
将支撑剂和携砂液混合均匀后泵入主裂缝中，然后泵入顶替液，使支撑剂均匀分布在主裂缝内；
关井，完成热裂解造缝。关井后主裂缝在地应力的作用下会闭合在支撑剂上(即主裂缝闭合的时候会把支撑剂包含在内)，形成高导流能力的通道。
深部干热岩地层一般位于地表2000m以下，其高温高压的环境(P>22.13MPa，T>374℃)能够使注入的水处于超临界状态，而超临界水的密度、粘度、电导率、介电常数等基本性能均与普通水有很大差异，表现出类似于非极性有机化合物的性质。因此，超临界水能与非极性物质(如烃类)和其他有机物完全互溶，而无机物特别是盐类，在超临界水中的电离常数和溶解度却很低；同时，超临界水可以和空气、氧气、氮气和二氧化碳等气体完全互溶。当注入的水在井下处于超临界状态，此时燃料和氧化剂会在井下发生超临界水氧化反应，与生成的超临界水一同作用于地层岩石，使目标位置周围的地层岩石裂解，形成裂缝。
在裂解过程中，一方面，一部分超临界水由于粘度较小会进入新产生的裂缝中，使裂缝继续裂解；另一方面，由于继续注入过量的氧化剂、燃料和水，氧化剂和燃料能够进入产生的主裂缝中，并在裂缝内继续反应，从而使主裂缝延伸并裂解，形成次级裂缝，进而改善深部干热岩地层的物性。在利用超临界水的热裂解效应造缝后，次级裂缝由于热裂解作用会形成凹凸不平的表面，裂缝壁面不能完全闭合，具有较好的导流能力。
将支撑剂和携砂液混合均匀后泵入主裂缝中，随后泵入顶替液，使支撑剂均匀分布在主裂缝内，防止裂缝闭合；关井，主裂缝便会闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层形成具有一定几何尺寸的高导流能力的填砂裂缝，使井达到增产增注的目的。
在上述方法中，优选地，继续注入氧化剂、燃料和水，使氧化剂和燃料进入产生的主裂缝中，对主裂缝进行延伸和裂解，产生次级裂缝包括以下过程：
关闭井口，待井下热裂解反应完全后，开启井口，继续注入氧化剂和燃料，直至所形成的裂缝达到预定的延伸长度或所形成的裂缝能够使注入井与生产井之间形成连通。其中，关井反应、开井注入氧化剂和燃料的过程能够实现井下裂缝的再次反应，且这一过程可以根据地层实际情况重复进行操作，通过循环注入多次，裂缝逐步延伸至设定的长度，或者直至裂缝到达生产井附近，实现了注入井和生产井之间的有效连通，提高地层渗透率。
在上述方法中，优选地，在热裂解造缝过程中，裂缝的裂解和延伸速率可以通过控制水、燃料、氧化剂的注入速率进行调节。
在上述方法中，所述注入井可以是位于深部干热岩地层中的直井或径向水平井。
在上述方法中，燃烧反应产生的高温超临界流体能够使井下岩石受热膨胀，由于岩石内部各种矿物组分的热膨胀率不同，热裂解作用会使岩石内部产生不均匀热应力，从而形成受地应力方向控制的延伸裂缝。
在上述方法中，优选地，向注入井段内地层的目标位置注入氧化剂、燃料和水之前，该方法还包括在注入井内下入耐高温封隔器的步骤，所述耐高温封隔器能够防止产生的超临界流体回流。
本发明还提供了一种热裂解造缝***，该热裂解造缝***能够应用于上述的热裂解造缝方法，所述热裂解造缝***包括供给装置、连续油管、导向器、锚定器、高压软管和燃烧反应装置；
所述连续油管的顶端与所述供给装置相连接，所述连续油管的底端与所述导向器的顶端相连接，所述导向器的底端与所述锚定器相连接，所述导向器靠近底端的侧壁上设有连通口；其中，导向器通过结合连续油管和高压软管控制和调整燃料、氧化剂注入方位；锚定器主要用来改善管柱受力状态，降低管柱疲劳损坏，控制管柱伸缩，延长管柱寿命；
所述高压软管的一端与所述燃烧反应装置相连接，另一端穿过所述连通口与所述连续油管相连接；所述燃烧反应装置上设有出口，液体和/或气体可以由出口流出。
在上述热裂解造缝***中，优选的，所述连续油管包括内管和外管，所述外管套设于所述内管的外部，所述内管与所述外管之间形成空腔。
在上述热裂解造缝***中，优选的，所述供给装置包括供水装置、供燃料装置、供氧化剂装置、顶替液供给装置和携砂液供给装置；其中，所述供水装置、供燃料装置、顶替液供给装置和携砂液供给装置分别与所述内管相连接；所述供氧化剂装置与所述外管相连接。
在上述热裂解造缝***中，优选的，该***还包括返排液处理装置和生产套管；所述生产套管套设在所述连续油管、导向器、锚定器和燃烧反应装置的外部；所述返排液处理装置与所述生产套管相连接，用于对返排液和热裂解造缝过程中产生的岩屑进行处理。
在上述热裂解造缝***中，优选的，所述供给装置还包括顶替液供给装置，所述顶替液供给装置与所述内管相连接。
在上述热裂解造缝***中，优选的，所述连续油管的一端与所述供给装置相连接的管路上设有单向阀。
在上述热裂解造缝***中，优选的，所述热裂解造缝***还包括封隔器，所述封隔器位于生产套管和连续油管之间的空腔内。
在上述热裂解造缝***中，优选的，所述热裂解造缝***还包括管汇车和仪表装置；一般在实际施工作业中，供给装置的体积较大，难以移动，管汇车可以实现供给装置的移动。
在上述热裂解造缝***中，优选的，所述生产套管和地层通过水泥环胶结在一起。
在一个优选实施方式中，使用上述热裂解造缝***对干热岩层进行热裂解造缝可以包括以下步骤：
将燃烧反应装置下置于注入井段内地层的目标位置，利用供给装置向燃烧反应装置中注入氧化剂、燃料和水，对目标位置处的地层岩石进行裂解，产生主裂缝；
利用供给装置继续向燃烧反应装置中继续注入氧化剂和燃料，使主裂缝延伸并裂解产生次级裂缝；
调节氧化剂、燃料和水的注入速率，以控制裂缝延伸和裂解的速率，热裂解造缝过程中产生的岩屑通过生产套管进入返排液处理装置进行处理；
将支撑剂和携砂液混合均匀后通过地面泵组泵入主裂缝中，然后泵入顶替液，使支撑剂均匀分布在主裂缝内；
停止泵入，关井，使主裂缝闭合在支撑剂上，完成热裂解造缝。
本发明的有益效果
与现有技术相比，本发明提供的技术方案主要具备以下优点：
(1)增产增注效果较好：在利用超临界水热裂解效应对井下附近岩石进行造缝后，超临界水进入裂缝，在裂缝内继续形成次级裂缝，同时燃料和氧化剂进入裂缝反应，延伸裂缝和生成次级裂缝，进一步提高了地层的渗透能力；
(2)安全性较高：通过在井下反应生成超临界水进行造缝，既不需要地面泵组压力过高，又避免了使用井下******等危险性较高的方法来提高地层渗透率；
(3)开采成本较低：利用燃料、氧化剂和水在井下反应生成超临界水，避免了采用高压泵组和需要向地层大量注水的缺点，降低了开采成本；
(4)***结构较为简单：井下以及地面的装置及部件的结构设置均较为简单，从而能够使该方法具有较广的应用范围。
附图说明
图1为实施例1提供的热裂解造缝***的结构示意图；
图2为实施例2提供的热裂解造缝方法使注入井和生产井相连通的示意图；
图3为实施例2提供的热裂解造缝方法所形成的次级裂缝的示意图。
主要附图标号说明：
1：顶替液供给装置；2：混砂装置；3：携砂液供给装置；4：供水装置；5：供燃料装置；6：供氧化剂装置；7：第一单向阀；8：第二单向阀；9：第三单向阀；10：第四单向阀；11：第五单向阀；12：返排液处理装置；13：内管；14：水泥环；15：外管；16：生产套管；17：燃烧反应装置；18：深部干热岩地层；19：上覆地层；20：高压软管；21：导向器；22：锚定器；23：下覆地层；24：超临界水；25：主裂缝；26：次级裂缝；27：封隔器；28：生产井；29：支撑剂。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本发明提供了一种热裂解造缝***，该***的结构示意图如1所示。
热裂解造缝***包括供给装置、连续油管、导向器21、锚定器22、高压软管20和燃烧反应装置17；其中，供给装置包括顶替液供给装置1、携砂液供给装置3、供水装置4、供燃料装置5、和供氧化剂装置6；连续油管为管型结构，其包括内管13和外管15，外管15套设在内管13的外面，内管13和外管15之间形成允许介质流通的环形空腔；
顶替液供给装置1、携砂液供给装置3、供水装置4和供燃料装置5分别与内管13的顶端相连接，各连接管路上分别设有第一单向阀7、第二单向阀8、第三单向阀9和第四单向阀10；
供氧化剂装置6与外管15的顶端相连接，连接管路上设有第五单向阀11；
连续油管的底端与导向器21的顶端相连接，导向器21的底端则与锚定器22相连接；导向器21靠近底端的侧壁上设有连接口；
高压软管20的一端与燃烧反应装置17相连接，另一端穿过导向器21上的连接口与连续油管相连接；
本实施例提供的热裂解造缝***还包含返排液处理装置12和生产套管16；生产套管套16设在连续油管、导向器21、锚定器22和燃烧反应装置17的外部，返排液处理装置12与生产套管16相连接；生产作业时，生产套管16和地层通过水泥环14胶结在一起；
本实施例提供的热裂解造缝***还可以包含混砂装置2，混砂装置2与携砂液供给装置3相连接。
本实施例提供的热裂解造缝***另外还可以包含封隔器27，其设置在生产套管16和连续油管之间形成的空腔内。
实施例2
本实施例提供了一种用于干热岩开采的热裂解造缝方法，该方法利用实施例1提供的热裂解造缝***进行，该方法包括以下步骤：
1)在应用热力射流方法所钻的径向水平井中，将井下燃烧反应装置17置于深部干热岩地层18水平径向井井段(如图1所示)；
深部干热岩地层一般位于地表2000m以下，压力一般高于22.13MPa，如图1所示，深部干热岩地层18的上部为上覆地层19，下部为下覆地层23；
2)分别开启供水装置4、供燃料装置5和供氧化剂装置6与连续油管相连接的管路上的第二单向阀8、第四单向阀10和第五单向阀11，下入封隔器27，向燃烧反应装置17中注入氧化剂6、燃料5和水4，使氧化剂6和燃料5在井下发生燃烧反应；
3)生成的超临界水24通过燃烧反应装置17出口流出，使井下附近岩石受热，导致矿物颗粒之间及内部出现裂纹，继续加热使储层岩石产生主裂缝25(如图3所示)；
4)在储层岩石产生主裂缝25后，可以持续控制反应速率，使生成的超临界水24进入主裂缝25，从而对主裂缝25内储层岩石持续产生热裂解效应，使储层中产生主裂缝25后，进一步产生次级裂缝26；
5)继续注入过量的燃料和氧化剂，使燃料和氧化剂进入产生的主裂缝25，在主裂缝25内继续反应，促使裂缝进一步延伸和生成次级裂缝26；
关闭井口，待井下热裂解反应完全后，开启井口，继续注入氧化剂和燃料，这一过程可以重复多次操作，直至所形成的裂缝达到预定的延伸长度(如图1所示)或所形成的裂缝能够使注入井与生产井28之间形成连通(如图2所示)；
次级裂缝由于热裂解作用形成凹凸不平的表面，裂缝壁面不能完全闭合，具有良好的导流能力；
操作过程中，可以通过调节注入到燃烧反应装置17中的燃料、氧化剂和水的注入速率，以控制所述燃烧反应所加热的超临界水24的温度，进而控制热裂解造缝和裂缝延伸的速率；例如，在注入井和生产井28之间操作时，可以提高注入量，直至所形成的裂缝能能够实现两井之间的连通；
6)分别关闭供水装置4、供燃料装置5和供氧化剂装置6与连续油管相连接的管路上的第二单向阀8、第四单向阀10和第五单向阀11，分别开启顶替液供给装置1和携砂液供给装置3与连续油管相连接的管路上的第一单向阀7和第三单向阀9；
7)利用混砂装置2将支撑剂29与携砂液混合均匀，然后输入携砂液供给装置3中，利用地面泵组通过连续油管的内管13将含有支撑剂29的携砂液泵入深部干热岩地层18；
8)利用地面泵组将顶替液供给装置1内的顶替液泵入深部干热岩地层，使支撑剂29均匀分布在裂缝25内，关井，裂缝25在地应力作用下闭合在支撑剂29上，所形成的次级裂缝26由于热裂解作用形成凹凸不平的表面，裂缝壁面不能完全闭合，增大了地层流体的过流面积，从而在井底附近地层形成具有一定几何尺寸的高导流能力的填砂裂缝，提高了地层渗透率，使井达到了增产增注的目的。
综上所述，本发明提供的适用于干热岩开采的热裂解造缝方法及***具有增产增注效果好、安全性较高、开采成本较低、***结构简单等优点，能够有效改善深部干热岩地层的性质，提高地热能的利用效率，具有广阔的应用前景。
Claims (10)
1.一种用于深部干热岩地层开采的热裂解造缝方法，其包括以下步骤：
向注入井段内地层的目标位置注入氧化剂、燃料和水，对目标位置处的地层岩石进行裂解，产生主裂缝；
继续注入氧化剂、燃料和水，使氧化剂和燃料进入产生的主裂缝中，对主裂缝进行延伸和裂解，产生次级裂缝，直至所形成的裂缝达到预定的延伸长度或所形成的裂缝能够使注入井与生产井之间形成连通；
将支撑剂和携砂液混合均匀后泵入主裂缝中，然后泵入顶替液，使支撑剂均匀分布在主裂缝内；
关井，完成热裂解造缝。
2.根据权利要求1所述的热裂解造缝方法，其特征在于，在热裂解造缝过程中，裂缝的裂解和延伸速率是通过控制水、燃料和氧化剂的注入速率进行调节的。
3.根据权利要求1所述的热裂解造缝方法，其特征在于，所述注入井为位于深部干热岩地层的直井或径向水平井。
4.一种热裂解造缝***，其包括供给装置、连续油管、导向器、锚定器、高压软管和燃烧反应装置；
所述连续油管的顶端与所述供给装置相连接，所述连续油管的底端与所述导向器的顶端相连接，所述导向器的底端与所述锚定器相连接，所述导向器的侧壁上设有连通口；
所述高压软管的一端与所述燃烧反应装置相连接，另一端穿过所述连通口与所述连续油管相连接；所述燃烧反应装置上设有出口。
5.根据权利要求4所述的热裂解造缝***，其特征在于，所述连续油管包括内管和外管，所述外管套设于所述内管的外部，所述内管与所述外管之间形成空腔。
6.根据权利要求5所述的热裂解造缝***，其特征在于，所述供给装置包括供水装置、供燃料装置、供氧化剂装置、顶替液供给装置和携砂液供给装置；其中，所述供水装置、供燃料装置、顶替液供给装置和携砂液供给装置分别与所述内管相连接；所述供氧化剂装置与所述外管相连接。
7.根据权利要求4或5所述的热裂解造缝***，其特征在于，该***还包括返排液处理装置和生产套管；所述生产套管套设在所述连续油管、导向器、锚定器和燃烧反应装置的外部，所述返排液处理装置与所述生产套管相连接。
8.根据权利要求6所述的热裂解造缝***，其特征在于，该***还包括混砂装置，所述混砂装置与所述携砂液供给装置相连接。
9.根据权利要求4所述的热裂解造缝***，其特征在于，所述连续油管的一端与所述供给装置相连接的管路上设有单向阀。
10.根据权利要求4所述的热裂解造缝***，其特征在于，所述热裂解造缝***还包括管汇车和仪表装置。
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