CN111810105B - 一种区域致裂干热岩建造人工热储的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种区域致裂干热岩建造人工热储的方法，先在地面确定注入井的位置，然后钻设注入井，然后在注入井周围设置多个生产井，且各个生产井的深度与注入井相同；在注入井最深处上方50～100m的井壁处，分别向各个生产井均施工一个钻采孔，在钻采孔形成后，每个钻采孔底部持续受四个力的作用发生变形，进而使下方的干热岩自上而下依次形成:裂隙带、变形带和原始带，处于裂隙带和变形带的干热岩产生大量裂隙，对干热岩进行区域性充分卸压致裂，致裂效果好、致裂范围广，使得裂隙很难闭合；最终实现低成本、高效率的建造人工热储，无需水力压裂节约水资源，且由于提高了干热岩的渗透率使得人工热储区域具有较高的热交换能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种区域致裂干热岩建造人工热储的方法，属于干热岩热能利用技术领域。
背景技术
干热岩是指地层深处3000～10000m范围内存在的一种不含水或含水很少、致密不渗透的热岩体，温度一般在150～650℃之间，是一种清洁、可再生的绿色资源。干热岩地热能的开发利用有以下特点：(1)干热岩地热能开发潜力巨大。据估计，地壳深部在3千米、温度在200℃以上的干热岩地热资源总量相当于化石能源的100～1000倍；(2)地热能清洁，无污染，没有有害气体排放，也没有其他流体或固体废弃物的污染；(3)干热岩地热的开发可以提供不间断的电力供应，且不受季节、昼夜、气候、地域等自然条件的影响。因此干热岩的开发前景很好。但是由于干热岩体的低渗透率特性，将换热流体注入干热岩体后仅能与其表面接触后进行热交换，然后将换热后温度较高的气体回收进行后续利用，干热岩体内部的温度无法被利用，大大降低了干热岩体的热能利用率；因此如何在换热时提高干热岩体内部与换热流体的接触面积，即提高低渗透干热岩体的渗透率，进而提高干热岩体的热能利用率，最终建造较大范围的人工热储，是干热岩开发与利用的难点。目前，国内外对于人工热储的建造方法主要是水力压致裂法。水力压裂是通过钻孔向深部干热岩体注入高压流体，导致热储层岩体发生张性破坏形成裂缝。水力压裂成本较高，且形成的单一高渗透裂缝换热面积小，不适宜地热开采；水力压裂过程中的高注入压力可能会引发地震，对施工人员和地表设施的安全造成威胁。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种区域致裂干热岩建造人工热储的方法，通过施工钻采孔利用干热岩自身膨胀力对其进行卸压致裂，不仅能使干热岩具有较好的渗透率，而且不会浪费水资源，同时能保证施工人员的安全性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种区域致裂干热岩建造人工热储的方法，具体步骤为：
A、先从地面划定干热岩开发区域，然后进行地质勘探，获取该开发区域下方中干热岩上表面与地面的最大深度及所处位置，处于最大深度干热岩正上方的地面确定为注入井施工位置；
B、在确定的施工位置从地面向下方钻设注入井，先将注入井的深度达到勘探获取的干热岩最大深度，然后采用测温设备对该深度的岩体进行测温，若岩体温度未超过200℃，则使注入井继续向下钻设，直至测得的岩体温度超过200℃时停止，完成注入井的施工；
C、在地面上，以注入井为圆心、半径为1000～1200m的圆周上选择多个生产井施工位置，且多个生产井施工位置均分圆周；在每个生产井施工位置均从地面向下方施工生产井，每个生产井的深度均与注入井的深度相同；
D、选择一个生产井，在注入井最深处上方50～100m的井壁处，采用定向钻机从该位置向该生产井连续钻取岩层形成钻采孔，直至钻采孔将该生产井包围停止，完成一个钻采孔的施工；
E、再选择一个生产井并重复步骤D，直至每个生产井均完成钻采孔的施工，且相邻钻采孔之间留有未钻采区域；
F、各个钻采孔形成后等待10～20天，在该时间段内钻采孔受力变形对下方的干热岩进行卸压致裂，最终使干热岩产生大量裂隙提高其渗透率，形成干热岩人工热储区域；此时开始向注入井内注入水，水进入干热岩产生的裂隙内与干热岩充分进行热交换后生成高温水蒸气，高温水蒸气在干热岩的裂隙内流动，然后对各个生产井进行抽采将高温水蒸气从生产井内抽出，并进行后续利用。
其中卸压致裂的具体过程为：钻采孔形成前，干热岩在上覆岩体自重应力的作用下处于受压迫状态，储藏了一定的力学能量；钻采孔形成以后，由于受压迫储藏的能量会使钻采孔底部承受自身膨胀产生的作用力以及其下方干热岩对钻采孔底部的膨胀作用力，这两个力都会迫使钻采孔下方岩体向钻采孔内膨胀运动，同时受上覆岩体重力作用影响四周岩柱内产生应力集中，通过支撑传递给钻采孔底部岩体并向水平四周和垂直深部传递；水平挤压应力与原有的水平侧向应力相叠加，迫使在距岩柱一定距离的钻采孔底部岩体向上弯曲变形，最终使整个钻采孔底部呈现上半部分受拉张、下半部分受压缩的力学状态；即整个钻采孔底部受四个力的作用，分别为底部岩体自身膨胀作用力、下方干热岩对钻采孔底部的膨胀作用力、四周岩柱集中应力和原有水平侧向应力。钻采孔形成后持续受到上述四个力影响下发生变形，进而使下方的干热岩自上而下依次形成:裂隙带、变形带和原始带，处于裂隙带和变形带的干热岩产生大量裂隙，使干热岩完成区域性充分卸压致裂。
进一步，所述生产井的数量为4～8个。
进一步，所述步骤D的钻采孔形状从地面向下俯视为以注入井为圆心、半径为1250～1300m且开角为30～60°的扇形；所述未钻采区域的形状从地面向下俯视为以注入井为圆心、半径为注入井半径的20～30倍的扇形。采用这种结构的钻采孔形状能提高对下方干热岩的卸压致裂；同时在生产井周围留有未钻采区域，确保了生产井的井身稳定性。
进一步，所述钻采孔钻取的岩层厚度为5～10m。
与现有技术相比，本发明先在地面确定注入井的位置，然后钻设注入井，直至注入井最深处的岩体温度超过200℃时停止，然后在注入井周围设置多个生产井，且各个生产井的深度与注入井相同；在注入井最深处上方50～100m的井壁处，分别向各个生产井均施工一个钻采孔，在钻采孔形成后，每个钻采孔底部持续受四个力的作用发生变形，四个力分别为底部岩体自身膨胀作用力、下方干热岩对钻采孔底部的膨胀作用力、四周岩柱集中应力和原有水平侧向应力；进而使下方的干热岩自上而下依次形成:裂隙带、变形带和原始带，处于裂隙带和变形带的干热岩产生大量裂隙，对干热岩进行区域性充分卸压致裂，致裂效果好、致裂范围广，使得裂隙很难闭合；最终实现低成本、高效率的建造人工热储，保证人工热储区域具有较长的服务年限，且由于提高了干热岩的渗透率使得人工热储区域具有较高的热交换能力，具有广泛实用性。
附图说明
图1是采用本发明施工后的示意图；
图2是图1的A-A向剖视图。
图中：1、注入井，2、生产井，3、钻采孔，4、干热岩，5、裂隙带，6、变形带，7、原始带，8、未钻采区域。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明的具体步骤为：
A、先从地面划定干热岩开发区域，然后进行地质勘探，获取该开发区域下方中干热岩4上表面与地面的最大深度及所处位置，处于最大深度干热岩4正上方的地面确定为注入井1施工位置；
B、在确定的施工位置从地面向下方钻设注入井1，先将注入井1的深度达到勘探获取的干热岩4最大深度，然后采用测温设备对该深度的岩体进行测温，若岩体温度未超过200℃，则使注入井1继续向下钻设，直至测得的岩体温度超过200℃时停止，完成注入井1的施工；
C、在地面上，以注入井1为圆心、半径为1000～1200m的圆周上选择多个生产井2施工位置，且多个生产井2施工位置均分圆周；在每个生产井2施工位置均从地面向下方施工生产井2，每个生产井2的深度均与注入井1的深度相同；
D、选择一个生产井2，在注入井1最深处上方50～100m的井壁处，采用定向钻机从该位置向该生产井2连续钻取岩层形成钻采孔3，直至钻采孔3将该生产井2包围停止，完成一个钻采孔3的施工；
E、再选择一个生产井2并重复步骤D，直至每个生产井2均完成钻采孔3的施工，且相邻钻采孔3之间留有未钻采区域8；
F、各个钻采孔3形成后等待10～20天，在该时间段内钻采孔3受力变形对下方的干热岩4进行卸压致裂，最终使干热岩4产生大量裂隙提高其渗透率，形成干热岩人工热储区域；此时开始向注入井1内注入水，水进入干热岩4产生的裂隙内与干热岩4充分进行热交换后生成高温水蒸气，高温水蒸气在干热岩4的裂隙内流动，然后对各个生产井2进行抽采将高温水蒸气从生产井2内抽出，并进行后续利用。
其中卸压致裂的具体过程为：钻采孔3形成前，干热岩4在上覆岩体自重应力的作用下处于受压迫状态，储藏了一定的力学能量；钻采孔4形成以后，由于受压迫储藏的能量会使钻采孔4底部承受自身膨胀产生的作用力以及其下方干热岩4对钻采孔3底部的膨胀作用力，这两个力都会迫使钻采孔3下方岩体向钻采孔3内膨胀运动，同时受上覆岩体重力作用影响四周岩柱内产生应力集中，通过支撑传递给钻采孔3底部岩体并向水平四周和垂直深部传递；水平挤压应力与原有的水平侧向应力相叠加，迫使在距岩柱一定距离的钻采孔3底部岩体向上弯曲变形，最终使整个钻采孔3底部呈现上半部分受拉张、下半部分受压缩的力学状态；即整个钻采孔3底部受四个力的作用，分别为底部岩体自身膨胀作用力、下方干热岩4对钻采孔3底部的膨胀作用力、四周岩柱集中应力和原有水平侧向应力。钻采孔3形成后持续受到上述四个力影响下发生变形，进而使下方的干热岩4自上而下依次形成:裂隙带5、变形带6和原始带7，处于裂隙带5和变形带6的干热岩4产生大量裂隙，使干热岩4完成区域性充分卸压致裂。
上述测温设备和定向钻机均为现有设备。
进一步，所述生产井2的数量为4～8个。
进一步，所述步骤D的钻采孔3形状从地面向下俯视为以注入井1为圆心、半径为1250～1300m且开角为30～60°的扇形；所述未钻采区域8的形状从地面向下俯视为以注入井1为圆心、半径为注入井1半径的20～30倍的扇形。采用这种结构的钻采孔3形状能提高对下方干热岩4的卸压致裂；同时在生产井2周围留有未钻采区域8，确保了生产井2的井身稳定性。
进一步，所述钻采孔3钻取的岩层厚度为5～10m。
Claims (3)
1.一种区域致裂干热岩建造人工热储的方法，其特征在于，具体步骤为：
A、先从地面划定干热岩开发区域，然后进行地质勘探，获取该开发区域下方中干热岩上表面与地面的最大深度及所处位置，处于最大深度干热岩正上方的地面确定为注入井施工位置；
B、在确定的施工位置从地面向下方钻设注入井，先将注入井的深度达到勘探获取的干热岩最大深度，然后采用测温设备对该深度的岩体进行测温，若岩体温度未超过200℃，则使注入井继续向下钻设，直至测得的岩体温度超过200℃时停止，完成注入井的施工；
C、在地面上，以注入井为圆心、半径为1000～1200m的圆周上选择多个生产井施工位置，且多个生产井施工位置均分圆周；在每个生产井施工位置均从地面向下方施工生产井，每个生产井的深度均与注入井的深度相同；
D、选择一个生产井，在注入井最深处上方50～100m的井壁处，采用定向钻机从该位置向该生产井连续钻取岩层形成钻采孔，直至钻采孔将该生产井包围停止，完成一个钻采孔的施工；所述钻采孔形状从地面向下俯视为以注入井为圆心、半径为1250～1300m且开角为30～60°的扇形；
E、再选择一个生产井并重复步骤D，直至每个生产井均完成钻采孔的施工，且相邻钻采孔之间留有未钻采区域；所述未钻采区域的形状从地面向下俯视为以注入井为圆心、半径为注入井半径的20～30倍的扇形；
F、各个钻采孔形成后等待10～20天，在该时间段内每个钻采孔底部持续受四个力的作用发生变形，四个力分别为底部岩体自身膨胀作用力、下方干热岩对钻采孔底部的膨胀作用力、四周岩柱集中应力和原有水平侧向应力；进而使下方的干热岩自上而下依次形成:裂隙带、变形带和原始带，处于裂隙带和变形带的干热岩产生大量裂隙，对干热岩进行区域性卸压致裂；最终提高干热岩的渗透率，形成干热岩人工热储区域；此时开始向注入井内注入水，水进入干热岩产生的裂隙内与干热岩充分进行热交换后生成高温水蒸气，高温水蒸气在干热岩的裂隙内流动，然后对各个生产井进行抽采将高温水蒸气从生产井内抽出，并进行后续利用。
2. 根据权利要求1 所述的一种区域致裂干热岩建造人工热储的方法，其特征在于，所述生产井的数量为4个。
3. 根据权利要求1 所述的一种区域致裂干热岩建造人工热储的方法，其特征在于，所述钻采孔钻取的岩层厚度为5～10m。
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