CN106948795B - 一种多分支水平井闭式循环开发水热型地热的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多分支水平井闭式循环开发水热型地热的方法，其包括以下步骤：根据地热储层地质条件将热储划分为小层，将上部水温相对较低、渗透率较高的小层作为回灌层，将下部水温相对较高的小层作为生产层；下入生产套管，注水泥固井；在回灌层对应的垂直井眼内进行套管侧向开窗，向回灌储层内钻入若干分支径向水平井眼；在生产层对应的垂直井眼内进行套管侧向开窗，向生产层内钻入若干分支径向水平井眼；在垂直井眼的生产套管内下入导管，导管下深至回灌层和生产层之间的井段；导管鞋处下入封隔器，封隔导管与套管环空，防止注入层与生产层的地热流体在垂直井眼内沟通。

Description

一种多分支水平井闭式循环开发水热型地热的方法
技术领域
本发明涉及能源开采领域，具体一种地热开采的方法，即一种多分支水平井闭式循环开发水热型地热的方法。
背景技术
地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生清洁能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，是一种现实可行并且具竞争力的清洁能源。我国地热资源丰富，据国土资源部2015年数据显示，全球5km以内地热资源量约4900万亿吨标煤，中国约占1/6。其中，埋深200-4000m的中深层地热资源储量约为13700亿吨标煤，埋深3-10km的干热岩地热资源储量达860万亿吨标煤，开发利用潜力巨大。尽管如此，中国现已探明的地热资源以水热型为主，大型高温地热田少，中低温地热***的热储条件复杂、水温低、流量小、品质差，现有地热开发方式产量低、取热功率有限，并且回灌困难，极大限制了中国水热型地热资源的开发与利用。
现有水热型地热田的开发方式主要分为两类：第一类是取热不取水的方式，包括依靠热传导取热的地埋管式和依靠对流换热的单井井下换热器；第二类是直接开采地热流体的方式开发地热。
取热不取水的方式主要用于开发浅层中低温地热，无需开采地热流体，可避免回灌的难题，并省去了除砂防腐等工序，具有保护环境和流程简便等优势。但其取热功率有限，开采的地热能仅可用于供暖等直接运用模式，不能进行地热能发电，导致能量利用率低，不适于深层高温地热的开发。
直接开采地热流体是取热功率最高的地热开发方法，但由于中国存在大量复杂地质条件的地热储层，其渗透率低，导致该方法单井产量低，并且回灌困难，造成部分地热田回灌率低，地下水位下降。若采用水力压裂方法进行储层改造，又会显著增加地热开发成本，并对地下水资源造成污染。
综上所述，现有技术中存在以下问题：现有地热开发方式对于我国复杂的地热储层条件存在的单井产量低、回灌困难等问题。
发明内容
本发明提供一种多分支水平井闭式循环开发水热型地热的方法，以解决现有地热开发方式对于我国复杂的地热储层条件存在的单井产量低、回灌困难等问题。
为此，本发明提出一种多分支水平井闭式循环开发水热型地热的方法，包括以下步骤：
(1)根据地热储层地质条件将地热储层划分为不同地质条件的小层，将上部水温相对较低、渗透率较高的小层作为回灌层，将下部水温相对较高的小层作为生产层；
(2)确定地热储层埋深，设计钻井工程方案，钻取分支井眼的垂直井眼至储层底部；
(3)在垂直井眼中下入生产套管，注水泥固井；
(4)在回灌层对应的垂直井眼内进行套管侧向开窗，向回灌层内钻入至少一个第一分支径向水平井眼，形成回灌分支井眼，在回灌分支井眼内下入回灌层的滤水管完井；
(5)在生产层对应的垂直井眼内进行套管侧向开窗，向生产层内钻入至少一个第二分支径向水平井眼，形成生产分支井眼，在生产分支井眼内下入生产层的滤水管完井；
(6)在垂直井眼的生产套管内下入导管，导管下深至回灌层和生产层之间的井段；
(7)使导管与生产分支井眼连通，使导管与套管的环空和回灌分支井眼连通，形成地热流体的循环流道；
(8)在导管的导管鞋处下入封隔器，封隔导管与套管环空，防止回灌层与生产层的地热流体在垂直井眼内沟通；
(9)在地层与生产分支井眼压差作用下，生产层的地热流体流入生产分支井眼，并汇流到垂直井眼内，通过导管开采至地面；
(10)在地面将采出的高温地热流体进行热量利用，高温地热流体放出热量变成低温地热流体，然后利用高压泵将冷却后的低温地热流体通过导管与套管的环空回注至回灌分支井眼，并流入回灌层；
(11)流入注入层的低温地热流体在重力与注采压差作用下，由上部的注入层向下部的生产层流动，在渗流过程中与地热储层进行充分热交换后，流入生产分支井眼内，然后通过导管开采至地面。
进一步的，向回灌储层内钻入多个第一分支径向水平井眼，向生产层内钻入多个第二分支径向水平井眼。
进一步的，所述回灌层的数目为多个。
进一步的，所述生产层的数目为多个。
进一步的，回灌层的数目为2～4个，生产层的数目为2～4个。
进一步的，所述回灌层的滤水管和生产层的滤水管均为包网缠丝打孔滤水管。
进一步的，单个所述第一分支径向分支井眼的长度为100～500m。
进一步的，单个所述第二分支径向分支井眼的长度为100～500m。
进一步的，生产层井段采用高导热性水泥浆固井，所述高导热性水泥浆的导热系数大于30W/m·K。
进一步的，每个回灌层可钻取4～8个第一分支径向分支井眼，每个生产层可钻取4～8个第二分支径向分支井眼。
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和特点：
(1)采热效率高，回灌能力强，通过多分支水平井技术，可在一口主井眼内沿地层的某一层位或多个层位，径向钻出多个水平分支井眼，在热储中实现“一井多层，一层多眼”，扩大对储层的控制体积与泄流面积，改善储层导流能力，提高单井产量与回灌能力，从而提高取热效率。
(2)开发地热成本低，通过多分支井眼技术可以形成抽灌同井的开发模式，在同一井眼中实现回灌和开采地热流体，无需分别钻出回灌井和开发井，而多分支井的钻井成本远低于钻出的相同井眼数量的普通井的钻井成本，因此利用多分支水平井技术可实现水热型储层高效低成本开发。
(3)将储层的上部作为回灌层，下部作为生产层。上部储层压力相对较低，减小了回灌的难度；下部储层温度较高，充分开发利用了高温层的地热资源；地热流体由上部储层向下部储层流动，还充分利用了重力势能，增加了自循环的驱动力。
附图说明
图1为本发明的多分支水平井闭式循环开发水热型地热的方法的工作原理示意图；
图2为本发明的多分支水平井闭式循环开发水热型地热的方法采用的井下***的结构示意图。
附图标号说明：
1、水热型地热储层，2、回灌层，3、生产层，4、垂直井一开井段，5、表层套管，6、普通水泥浆，7、垂直井二开井段，8、上覆非渗透层，9、生产套管，10、高导热型水泥浆，11、第一分支径向水平井眼，12、滤水管，13、第二分支径向水平井眼，14、导管，15、环空，16、导管鞋，17、封隔器，18、高压泵，19、热交换装置，20、下部非渗透层
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。
如图1和图2所示，本发明的多分支水平井闭式循环开发水热型地热的方法包括以下步骤：
(1)根据地热储层地质条件将水热型地热储层1划分为不同地质条件的小层，将上部水温相对较低、渗透率较高的小层作为回灌层2，将下部水温相对较高的小层作为生产层3；
(2)确定地热储层埋深，设计钻井工程方案，钻取分支井眼的垂直井眼至储层底部；
(3)在垂直井眼中下入生产套管9，注水泥固井；
(4)在回灌层对应的垂直井眼内进行套管侧向开窗，向回灌储层内钻入至少一个第一分支径向水平井眼11，形成回灌分支井眼，在回灌分支井眼内下入回灌层的滤水管12完井；
(5)在生产层对应的垂直井眼内进行套管侧向开窗，向生产层内钻入至少一个第二分支径向水平井眼13，形成生产分支井眼，在生产分支井眼内下入生产层的滤水管12完井；
(6)在垂直井眼的生产套管9内下入导管14，导管14下深至回灌层2和生产层3之间的井段；
(7)使导管14与生产分支井眼连通，使导管与套管的环空和回灌分支井眼连通，形成地热流体的循环流道；
(8)在导管的导管鞋16处下入封隔器17，封隔导管与环空15，防止回灌层与生产层的地热流体在垂直井眼内沟通；
(9)在地层与生产分支井眼压差作用下，生产层的地热流体流入生产分支井眼，并汇流到垂直井眼内，通过导管14开采至地面；
(10)在地面将采出的高温地热流体进行热量利用，高温地热流体放出热量变成低温地热流体，然后利用高压泵18将冷却后的低温地热流体通过导管与套管的环空回注至回灌分支井眼，并流入回灌层；
(11)流入回灌层的低温地热流体在重力与注采压差作用下，由上部的注入层向下部的生产层流动，在渗流过程中与地热储层进行充分热交换后，流入生产分支井眼内，然后通过导管开采至地面。
其中，向回灌储层内钻入多个第一分支径向水平井眼，向生产层内钻入多个第二分支径向水平井眼，分支井眼的直径、长度、数量和间距应根据储层的温度、压力、渗透率和含水量等物性确定，尽可能扩大井眼对储层的控制体积，改善储层的渗流能力，提高井眼的注入能力与产量。
进一步地，回灌层的数目为多个，尽量扩大回灌分支井眼对储层的控制体积。
进一步地，生产层的数目为多个，尽量扩大生产分支井眼对储层的控制体积。
进一步地，回灌层的数目为2～4个，生产层的数目为2～4个，可以尽量扩大回灌分支井眼与生产分支井眼对储层的控制体积。
进一步地，回灌层的滤水管和生产层的滤水管均为包网缠丝打孔滤水管，选择包网缠丝打孔滤水管，用于过滤地热流体中的杂质，避免固体颗粒磨损、堵塞管道和地面设备。
进一步地，每个回灌层可钻取4～8个第一分支径向分支井眼，每个生产层可钻取4～8个第二分支径向分支井眼，单个所述第一分支径向分支井眼和单个所述第二分支径向分支井眼的长度为100～500m。分支井眼的直径、长度、数量和间距应根据储层的温度、压力、渗透率和含水量等物性确定，尽可能扩大井眼对储层的控制体积，改善储层的渗流能力，提高井眼的注入能力与产量。
进一步地，回灌层以上井段采用普通水泥浆(常规石油钻井水泥浆)固井，生产层井段采用高导热性水泥浆(导热系数大于30W/(m·K))固井。生产层井段采用高导热性水泥浆固井有利于采出的地热流体与周围地层进行热交换。
进一步地，采用保温效果好的导管(导热系数小于0.5W/(m·K))，有利于降低导管内采出的高温地热流体与环空中的回注的低温流体间的热交换，起到保温作用。
进一步地，***的循环流量与泵压应根据储层的温度、压力、渗透率和含水量等物性确定，避免流速过大导致储层温度降低过快，缩短热储开发寿命，同时避免流速过小导致产量与取热功率过低。
下面根据图1和图2，再介绍一个更为具体的实施例：
(1)确定水热型地热储层1(位于上覆非渗透层8与下部非渗透层20之间)，根据区块地质资料，将地热储层1划分为位于上部的回灌层2，和位于下部的生产层3；
(2)根据区块地质资料，设计井身结构，利用钻头钻取多分支井眼的垂直井一开井段4，下入表层套管5，采用普通水泥浆6固井；
(3)利用小一级尺寸的钻头钻取垂直井二开井段7，钻进过程穿透上覆非渗透层8和回灌层2，直至生产层3底部5-10m位置处停钻；
(4)下入生产套管9，在回灌层2和生产层3之间的井段采用高导热型水泥浆10固井，回灌层2以上井段采用普通水泥浆6固井；
(5)在回灌层对应垂直井眼上部进行套管侧向开窗，向各回灌层内钻取若干第一分支径向水平井眼11，水平井眼数量由回灌层数量和渗透能力决定，一般为4～8个，水平段长度为100～500m，下入包网缠丝打孔的滤水管12完井；
(6)在生产层对应垂直井眼下部进行套管侧向开窗，向各生产层内钻取若干生产分支径向水平井眼13，水平井眼数量由回灌小层数量和渗透能力决定，一般为4～8个，水平段长度为100～500m，下入包网缠丝打孔的滤水管12完井；
(7)在垂直井眼中下入保温效果好的导管14至第一分支径向水平井眼11和第二分支径向水平井眼13之间的井段；
(8)连通导管14与第二分支径向水平井眼13，连通导管14与生产套管9的环空15和第一分支径向水平井眼11，形成地热流体的循环通道；
(9)在导管鞋16处下入封隔器17，封隔导管14与生产套管9的环空15，防止第一分支径向水平井眼11和第二分支径向水平井眼13的地热流体在垂直井眼内沟通；
(10)在地面利用高压泵18向导管14与生产套管9的环空15注入低温流体，低温流体流入第一分支径向水平井眼11，并进入回灌层2，与水热型地热储层1进行充分热交换得到高温流体；
(11)高温流体在水热型地热储层1与第二分支径向水平井眼13压差作用下，流入第二分支径向水平井眼13，并汇流到垂直井眼内，通过导管14开采至地面；
(12)采出的高温流体在地面通过热交换装置19进行热量利用，然后通过高压泵18将冷却后的流体，由导管14与生产套管9的环空15注入第一分支径向水平井眼11，并流入水热型地热储层1，完成流体循环换热。
本发明将多分支水平井技术引用到水热型地热开发中，突破现有地热开发方式对于中国复杂的地热储层条件存在的单井产量低、回灌困难等问题，实现地热单井高效低成本开发，尽可能提高地热储层的热采收率，促进中国地热资源的可持续发展进程。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种多分支水平井闭式循环开发水热型地热的方法，其特征在于，所述多分支水平井闭式循环开发水热型地热的方法包括以下步骤：
(1)根据地热储层地质条件将水热型地热储层划分为不同地质条件的小层，将上部水温相对较低、渗透率较高的小层作为回灌层，将下部水温相对较高的小层作为生产层；
(2)确定地热储层埋深，设计钻井工程方案，钻取分支井眼的垂直井眼至储层底部；
(3)在垂直井眼中下入生产套管，注水泥固井；
(4)在回灌层对应的垂直井眼内进行套管侧向开窗，向回灌层内钻入至少一个第一分支径向水平井眼，形成回灌分支井眼，在回灌分支井眼内下入回灌层的滤水管完井；
(5)在生产层对应的垂直井眼内进行套管侧向开窗，向生产层内钻入至少一个第二分支径向水平井眼，形成生产分支井眼，在生产分支井眼内下入生产层的滤水管完井；
(6)在垂直井眼的生产套管内下入导管，导管下深至回灌层和生产层之间的井段；
(7)使导管与生产分支井眼连通，使导管与套管的环空和回灌分支井眼连通，形成地热流体的循环流道；
(8)在导管的导管鞋处下入封隔器，封隔导管与套管环空，防止回灌层与生产层的地热流体在垂直井眼内沟通；
(9)在地层与生产分支井眼压差作用下，生产层的地热流体流入生产分支井眼，并汇流到垂直井眼内，通过导管开采至地面；
(10)在地面将采出的高温地热流体进行热量利用，高温地热流体放出热量变成低温地热流体，然后利用高压泵将冷却后的低温地热流体通过导管与套管的环空回注至回灌分支井眼，并流入回灌层；
(11)流入注入层的低温地热流体在重力与注采压差作用下，由上部的注入层向下部的生产层流动，在渗流过程中与地热储层进行充分热交换后，流入生产分支井眼内，然后通过导管开采至地面；
回灌层的数目为2～4个，生产层的数目为2～4个；
每个回灌层可钻取4～8个第一分支径向分支井眼，每个生产层可钻取4～8个第二分支径向分支井眼；
单个所述第一分支径向分支井眼的长度为100～500m；
单个所述第二分支径向分支井眼的长度为100～500m。
2.如权利要求1所述的多分支水平井闭式循环开发水热型地热的方法，其特征在于，向回灌层内钻入多个第一分支径向水平井眼，向生产层内钻入多个第二分支径向水平井眼。
3.如权利要求1所述的多分支水平井闭式循环开发水热型地热的方法，其特征在于，所述回灌层的滤水管和生产层的滤水管均为包网缠丝打孔滤水管。
4.如权利要求1所述的多分支水平井闭式循环开发水热型地热的方法，其特征在于，生产层井段采用高导热性水泥浆固井；所述高导热性水泥浆的导热系数大于30W/m·K。
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