CN108691527A - 一种单井携热介质开发水热型地热能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单井携热介质开发水热型地热能的方法，按先后顺序包括以下步骤：在水热型地热层中钻U型井，U型井在地热层内为水平段，套管完井；套管内下入油管，水平段油管呈螺旋绕丝状，以增大热交换接触面积；优选合适的工作介质，将其从U型井的一端注入，注入时呈液态，其在水平段内与地热层进行热交换后吸热变为气态，从另一端采出；井口及水平段内布置若干温度、压力、流量传感器，实时监测井下状况；产出气体在地面用于发电或与其它介质进行热交换后变为液态，将液态的工作介质再次从注入端注入，循环上述步骤；在整个循环中，工作介质始终处于密封状态，无外溢。该方法工艺简单，操作方便，安全无污染，具有较高实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及地热能开发领域，具体的涉及一种单井携热介质开发水热型地热能的方法。
背景技术
地热资源作为一种清洁可再生能源已受到世界广泛重视，发展潜力巨大。地热能是清洁环保的新型可再生能源，资源储量大、分布广、发展前景广阔，市场潜力巨大。积极开发利用地热能对缓解我国能源资源压力、实现非化石能源目标、推进能源生产和消费革命、促进生态文明建设具有重要的现实意义和长远的战略意义。近年来，我国能源对外依存度逐年上升，开发利用地热资源可缓解国家能源供给紧张局面，可保障国家能源供应安全；同时，地热资源开发利用能耗低、污染小，且地热能为可再生能源，因此开发利用地热资源又能促使建设资源节约型和环境友好型社会，实现可持续发展，具有广阔的发展前景。
常规的水热型地热资源开采即在地热含水层钻井后，直接抽汲地热水至地面进行利用。但该种开采方法会引起一系列问题，如地热水过度开采引起地下水位下降、地面沉降、地面水平变形等地质环境问题；利用后的地热水排放也会带来许多问题，如改变排放地的生态环境、污染土壤环境等。
基于U型井钻井技术，针对当前水热型地热利用水资源过度开采等问题，利用油管作为携热介质的循环管路使其与油套环空内的地热水进行热交换，提出了一种基于携热工作介质循环利用技术的水热型地热能开发方法。该方法在地热层内钻取U型水平井段，完井后利用携热工作介质相态变化将地热能携带至地面进行地热能的开发和利用。整个过程中，携热工作介质处于封闭循环状态，避免了常规地热水开采带来的地质及环境问题。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种单井携热介质开发水热型地热能的方法，充分利用携热工作介质物理特性，采用螺旋环绕状油管增加接触面积促进携热介质在油管内与地热水进行热交换，进而发生相态变化，从而对地热能进行有效的开发。
本发明的技术方案为：一种单井携热介质开发水热型地热能的方法，具体步骤如下：
(1)经前期地质勘查、专家论证等步骤，合理选择一处水热型地热目标储层；
(2)钻取一口水平井与一口直井构成U型井；
(3)对U型井进行固井、完井作业；
(4)下入射孔枪至U型井水平段，将目标地热储层区域内的套管、水泥环和地热储层射穿，从而在水平井段内形成合理分布的射孔孔眼；
(5)完井后可利用酸液处理地热层水平段，增加地热储层渗透性；
(6)在U型井中下入油管；
(7)在井口及水平段适宜位置安装传感器，监测温度、压力、流量，数据通过光纤实时传输至地面；
(8)安装井口及地面装置；
(9)利用地面注入泵，将液态携热工作介质从注入井注入，在水平段油管内其与油套环空内的地热水进行热交换，吸热后工作介质将变为气态从采出井采出至地面；
(10)在地面，可利用气态的工作介质进行发电或者与其它介质进行热交换利用其热能，之后其将变为液态，从而继续进行循环从注入井注入。
进一步地，利用携热介质与地热层中的地热水进行热交换后相态发生变化开发地热能，避免了直接将地热水抽汲到地面。
进一步地，在步骤(1)中，选定的井位，既要具有优质的地热储层，又要具有良好的地表条件以有利于施工建设。
进一步地，在步骤(2)中，钻井时应尽量选择大尺寸钻头，以扩大井径，注入井的井底深度要大于采出井的井底深度，二者之间要有合理的深度差，在钻水平井段时可利用地质导向钻井的技术，精准控制井眼轨迹。
进一步地，在步骤(3)中，对注入井及水平段固井时采用高导热水泥、高导热套管，对采出井固井时采用低导热水泥、隔热套管。
进一步地，在步骤(4)中，在充分考虑地热层地质特征后，且在不破坏套管承压强度的前提下合理布置射孔位置，优化射孔数量及密度。
进一步地，在步骤(5)中，针对不同类型的地热储层采用不同的酸液进行处理，如碳酸盐岩储层可采用盐酸酸化，砂岩储层可采用土酸酸化等。
进一步地，在步骤(6)中，注入井及地热层水平段下入高导热油管，且水平段内的油管呈螺旋环绕状，以增加携热工作介质的热交换接触面积，采出井油管采用隔热油管，并在油管与套管间构建保温层。
进一步地，在步骤(7)中，在井口及水平段两端安装传感器，监测温度、压力、流量等参数，监测采集到的数据通过光纤电缆实时传输至地面进行处理，以利于地面注入量、注入速度及井口压力等参数的调整。
进一步地，在步骤(9)中，因注入井较采出井深度大，注采井间具有高度差，携热工作介质注入后将在重力作用下充满整个水平段油管，进而与油管外的地热水及地热层发生热交换，温度逐渐升高，当达到沸点时，由液态变为气态，进而利用采出井的抽汲泵等装置将其采集至地面。
进一步地，在步骤(9)中，携热工作介质应根据地热储层的条件进行优选，理想状态下其沸点应略低于地热层温度，可保证其在地热层内进行热交换后变为气态，且其比热容要大，这样单位体积工作介质可吸收更多的热量，依据不同的情况，携热工作介质可以是普通的水或者其它符合条件、性能优良的流体或混合物。
进一步地，在步骤(10)中，开采出来的高温气态携热工作介质优选用来发电，之后根据余热情况，可进行多级利用直至其变为液态且温度降低到环境温度后重新从注入井注入进行循环。
本发明利用工作介质进行地热能开发利用的原理如下：首先将工作介质通过U型井注入端注入地热储层中，因井筒内温度逐渐升高，工作介质不断吸热，尤其在地热储层水平井段部分，工作介质吸热后最终变为气体，最后经过采出端采出；在地面，利用气态的工作介质发电或者与其它介质进行热交换后又变为液态，之后重新注入，循环利用。整个循环过程可分为四个阶段：液态工作介质注入阶段、工作介质热交换阶段、气态工作介质采出阶段、气态工作介质地面利用阶段。
本发明的有益效果为：本发明①采用单井开采地热能，可有效降低常规地热开采注、采井钻井建设及地面土地征集建设费用。②利用该方法进行地热开采时，无需抽取地下热水，可最大限度保持地下地质状况原貌，减少对地下水的开采量且能避免地下水开采带来的地面沉降、地下水位下降等地质环境问题；同时，也避免了利用后的地热尾水处理问题，无需再钻取地热回灌井，节省大量成本，并避免了地回灌引起的地震等问题。③水平段利用高导热螺旋油管或其它高效率热置换装置，促使携热工作介质与地热水进行热交换，提高携热工作介质温度促使其变为气态；同时，采出端采用隔热油管及油套环空内充填保温层，可降低采出过程中的热量损失，提高了携热流体的采热能力；此外，携热流体在地面热交换后变为液态可再次注入，循环利用。整个过程在封闭管网内进行，携热工作介质无外泄，效率高、安全环保。④通过合理优选携热工作介质，可实现无论地热层温度如何，在注入端时工作介质为液态，在地热水平段内热交换后变为气态。
附图说明
图1为单井携热介质开发水热型地热能的井身结构示意图。
其中，1、注入井井口装置，2、注入井井口传感器，3、上覆隔层，4、注入井套管，5、注入井油管， 6、地热储层，7、水平段传感器，8、扶正器，9、水平段油管，10、射孔孔眼、11、水平段套管，12、水平段传感器，13、采出井油管，14、采出井套管，15、隔热层，16、采出井井口传感器，17、采出井井口装置，18、地面发电站或热交换装置。
图2为螺旋状环绕管示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
一种单井携热介质开发水热型地热能的方法，具体步骤如下：
(1)经过前期地质勘探、专家论证优选一处水热型地热目的层位6；
(2)在地热储层中钻取一口水平井和一口直井，水平井水平段位于地热储层内，利用地质导向钻井技术将水平段与采出井相沟通连接，且注入井的井深要大于采出井，水平段呈现一定坡度，向采出井端翘起；
(3)为增加热交换接触面积，在经济技术条件允许下水平井段应尽量长，且水平井眼半径也应尽量大，从而可以下入大直径油管，增加热交换接触面积。
(4)注入井及水平段采用高导热水泥浆进行固井，且使用高导热套管组成注入井套管4、水平段套管 11，采出井采用隔热水泥固井及隔热套管14；
(5)注入井段及水平井段使用高导热油管组成注入井油管5、水平段油管9，采出井段使用隔热油管 13，且采出井段油套环空内填充聚氨酯泡沫形成隔热层15，以进一步隔热保温；
(6)在水平井段内进行分段射孔得到射孔孔眼10，建立地热水流动通道，射孔规模可依据套管及地热层特性合理确定；
(7)射孔后对水平井段进行酸化，解除钻井及固井等作业引起的污染，增强地热层的渗流能力，增加地热水的流动能力；
(8)在整个U型井井段，尤其是水平井段安装扶正器8，以确保油管位于套管中间，此时水平段油套环空内充满地热水；
(9)在注入井、采出井井口，水平段两端适当位置安装传感器2、7、11、15，可实时监测温度、压力、流量等参数；
(10)打开注入井及采出井，将液态低温携热工作介质从注入井注入到地热层内的水平段油管9内，因为注入井较深，由于重力作用，携热介质将在水平段油管内由注入端向采出端运移，在运移过程中携热工作介质通过油管进行热交换，吸热后最终变为气态，并由采出井井口装置17采集至地面；
(11)携热工作介质的选取主要依据地热层温度，应使其在略低于地热层温度的条件下气化变为气态，且尽可能具有高密度、高比热容的特性，以增加吸热量；
(12)在注入过程中，依据传感器监测数据判断井下状况，若传感器12监测到水平段采出端仍含有较多液体工作介质，则应降低注入端的注入速度，减小注入量，使水平段内的热交换充分进行；
(13)如果传感器2与16监测到注入端与采出端的等效流量不相等，则可判断为井下发生泄漏，应暂停注入，查找原因；
(14)采出端的气态工作介质到达地面后，优选利用地面电站18进行发电，且进行多级利用，直至其温度达到室温且又重新变为液态，此时可通过注入端井口装置1重新注入进行循环；
(15)维持合理的工作制度，保证循环不断进行。
(16)为了让携热工作介质充分进行热交换，水平段的油管可更换为其它高效率的热置换装置，或者可将油管加工为螺旋环绕状，以增加热交换接触面积，如图2所示。同时，也可采用双水平井或者多水平井技术，在地热层内建立多个水平井段以增加热交换接触面积。
该方法不抽取地下水，可减少水资源开采，防止地面沉降、地面水平变形等地质环境问题；也没有地热回灌井，可有效避免因注水引发的地震等问题，也可避免因注入水水质问题带来的地下水污染情况。方法简单、环境友好。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，对于本领域内的技术人员来说，在未脱离本发明思路的前提下，还可做出其他类似的改变，而这都应视为本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种单井携热介质开发水热型地热能的方法，其特征在于，其具体步骤如下：
(1)经前期地质勘查、专家论证等步骤，合理选择一处水热型地热目标储层；
(2)钻取一口水平井与一口直井构成U型井；
(3)对U型井进行固井、完井作业；
(4)下入射孔枪至U型井水平段，将目标地热储层区域内的套管、水泥环和地热储层射穿，从而在水平井段内形成合理分布的射孔孔眼；
(5)完井后可利用酸液处理地热层水平段，增加热储层渗透性；
(6)在U型井中下入油管；
(7)在井口及水平段适宜位置安装传感器，监测温度、压力、流量，数据通过光纤实时传输至地面；
(8)安装井口及地面装置；
(9)利用地面注入泵，将液态携热工作介质从注入井注入，在水平段油管内其与油套环空内的地热水进行热交换，吸热后工作介质将变为气态从采出井采出至地面；
(10)在地面，可利用气态的工作介质进行发电或者与其它介质进行热交换利用其热能，之后其将变为液态，从而继续进行循环从注入井注入。
2.如权利要求1所述的单井携热介质开发水热型地热能的方法，其特征在于，利用携热介质与地热层中的地热水进行热交换后相态发生变化进而开发地热能，避免了直接将地热水抽汲到地面。
3.如权利要求1所述的单井携热介质开发水热型地热能的方法，其特征在于，在步骤(2)中，钻井时应尽量选择大尺寸钻头，以扩大井径，注入井的井底深度要大于采出井的井底深度，二者之间要有合理的深度差距，在钻水平井段时可利用地质导向钻井的技术，精准控制井眼轨迹。
4.如权利要求1所述的单井携热介质开发水热型地热能的方法，其特征在于，在步骤(3)中，对注入井及水平段固井时采用高导热水泥、高导热套管，对采出井固井时，采用低导热水泥、隔热套管。
5.如权利要求1所述的单井携热介质开发水热型地热能的方法，其特征在于，在步骤(5)中，针对不同类型的地热储层采用不同的酸液进行处理，如碳酸盐岩储层可采用盐酸酸化，砂岩储层可采用土酸酸化等。
6.如权利要求1所述的单井携热介质开发水热型地热能的方法，其特征在于，在步骤(6)中，注入井及地热层水平段下入高导热油管，且水平段内的油管呈螺旋环绕状，以增加携热工作介质的热交换接触面积，在采出井油管采用低导热油管，并在油管与套管间构建保温层。
7.如权利要求1所述的单井携热介质开发水热型地热能的方法，其特征在于，在步骤(7)中，在井口及水平段两端安装传感器，监测温度、压力、流量等参数，监测采集到的数据通过光纤电缆实时传输至地面进行处理，以利于地面注入量、注入速度及井口压力等参数的调整。
8.如权利要求1所述的单井携热介质开发水热型地热能的方法，其特征在于，在步骤(9)中，因注入井较采出井深度大，注采井间具有高度差，携热工作介质注入后将在重力作用下充满整个水平段油管，进而与油管外的地热水及地热层发生热交换，温度逐渐升高，当达到沸点时，由液体变为气态，进而利用采出井的抽汲泵等装置将其采集至地面。
9.如权利要求1所述的单井携热介质开发水热型地热能的方法，其特征在于，在步骤(10)中，开采出来的高温气态携热工作介质优选用来发电，之后根据余热情况，可进行多级利用直至其变为液态且温度降低到环境温度后重新从注入井注入进行循环。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20181023 |