CN208594924U - 开发增强型地热的井网结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种开发增强型地热的井网结构，在干热岩地层的自然裂缝发育区设置一对注采水平井，注入井与采出井的水平段相互平行并与自然裂缝发育区的主裂缝方向垂直，两个水平井的水平段处于同一水平面内；两口水平井拉链式分段压裂形成交错式人工裂缝，人工裂缝沟通自然裂缝并扩展、延伸，在两口水平井间形成复杂裂缝沟通区；注入水平井的井口设置注入设备，采出水平井的井口设置采出设备，注入设备和采出设备分别通过循环工质输送管线连通于一发电设备。本实用新型能极大的提高增强型地热开发过程中循环工质与干热岩间的换热效率，提高注采井循环工质的流量和采出温度，降低井口注入压力和循环工质损失率，实现对增强型地热资源的高效开发。

Description

开发增强型地热的井网结构

技术领域

本实用新型是关于一种增强型地热高效开发的技术，尤其涉及一种利用双水平井拉链式分段压裂工艺开发增强型地热的井网结构。

背景技术

随着我国能源结构转型和环保要求的不断提高，发展高效、清洁、低碳的可再生能源已经成为必然趋势。增强型地热(Enhanced Geothermal Systems，EGS) 的资源量远大于水热型地热资源并且具有分布广泛、稳定性高的特点，是目前各国能源研究的热点。增强型地热的资源开发的研究对象是干热岩(Hot Dry Rock， HDR)，是指埋藏在地下3～10Km，温度在180～650℃，含有少量水或者不含水的岩石，美国、德国、法国、冰岛等国家都对增强型地热能源进行了示范工程并部分实现了商业化，现在主流的开发工艺是通过两口直井压裂后实现裂缝沟通，从一口直井注入低温水后经过干热岩换热后，将高温水从另一口直井中采出发电。这种双直井压裂注采法具有以下缺点：裂缝沟通面积小导致换热不充分，直井裂缝对接难度大导致裂缝沟通不彻底，注采水量和回灌率低导致发电能力受限，以上问题严重制约了增强型地热商业化的进程，如何改进增强型地热开发工艺，实现干热岩和取热工质的高效换热成为目前亟待解决的关键技术难题。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种开发增强型地热的井网结构，以克服现有技术的缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种开发增强型地热的井网结构，以解决现有增强型地热常规开发中裂缝沟通困难、换热不充分、注采流量与回灌效率低的问题。

本实用新型的目的是这样实现的，一种开发增强型地热的井网结构，在干热岩地层的自然裂缝发育区设置一对注采水平井，注入井与采出井的水平段相互平行并与自然裂缝发育区的主裂缝方向垂直，两个水平井的水平段处于同一水平面内；两口水平井拉链式分段压裂形成交错式人工裂缝，人工裂缝沟通自然裂缝并扩展、延伸，在两口水平井间形成复杂裂缝沟通区；注入水平井的井口设置注入设备，采出水平井的井口设置采出设备，所述注入设备和采出设备分别通过循环工质输送管线连通于一发电设备。

在本实用新型的一较佳实施方式中，两个水平井的水平段位于干热岩地层的中上部位，两个水平井的水平段的间距大于一倍的人工裂缝长度而小于两倍的人工裂缝长度。

在本实用新型的一较佳实施方式中，一对注采水平井均为三开套管完井的井身结构；一开钻进的钻头直径大于400mm，二开钻进的钻头直径大于300mm，三开钻进的钻头直径大于200mm；一开完钻下表层套管并G级水泥固井；二开完钻下技术套管并G级水泥固井，三开完钻下生产套管并G级水泥固井；二开完钻层位应在干热岩顶层以上50～70m；三开的水平段位于干热岩中，水平段长度为 1000～2000m；生产套管的导热系数大于100w/(m.k)，G级固井水泥的导热系数大于20w/(m.k)。

在本实用新型的一较佳实施方式中，两口水平井拉链式分段压裂的段数为 5～9段；射孔孔眼为螺旋分布，射孔孔眼间距为0.05～0.2m，射孔孔眼的相位角为45～60°；人工裂缝长度为50～100m，两口水平井压裂裂缝之间呈相互错开状态，两口水平井相邻人工裂缝的间距为50～200m。

在本实用新型的一较佳实施方式中，循环工质输送管线中设有能在裂缝沟通区内与干热岩之间进行充分换热的循环工质，该循环工质为清水或者临界二氧化碳。

在本实用新型的一较佳实施方式中，注入井和采出井钻井方位平行，两口井的钻井方位差为0°或者180°。

在本实用新型的一较佳实施方式中，两口水平井拉链式分段压裂的压裂液为清水中添加适量石英砂构成。

由上所述，本实用新型开发增强型地热的井网结构，能够极大的提高增强型地热开发过程中循环工质与干热岩间的换热效率，提高注采井循环工质的流量和采出温度，降低井口注入压力和循环工质损失率，实现对增强型地热资源的高效开发。本实用新型的具体有益效果为：(1)该开发增强型地热的井网结构安全环保、无废液(渣)排出，循环工质可以重复利用。(2)与现有直井相比，水平井大大增加了井筒与自然裂缝的沟通范围，增加了干热岩换热面积。(3)通过双水平井拉链式分段压裂工艺形成交错式的人工裂缝，人工裂缝与自然裂缝间相互沟通形成复杂的裂缝沟通区，为循环工质与干热岩之间的充分换热提供了通道。(4)该开发增强型地热的井网结构在保证循环工质出口温度的前提下增加了循环工质的流量，可以增加发电功率。(5)双水平井拉链式分段压裂工艺大大提高了两口井裂缝沟通的成功率，能够提高一次连通成功率，减少了后续补救施工作业。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：

图1：为本实用新型开发增强型地热的井网结构示意图。

图2:为采用本实用新型开发增强型地热的井网结构对增强型地热开发的工艺流程示意图。

附图标号：

100、开发增强型地热的井网结构；

1、注入井；

11、注入井表层套管；

12、注入井技术套管；

13、注入井生产套管；

15、注入井人工裂缝；

2、采出井；

21、采出井表层套管；

22、采出井技术套管；

23、采出井生产套管；

25、采出井人工裂缝；

3、复杂裂缝沟通区；

4、注入设备；

5、采出设备；

6、发电设备；

7、循环工质输送管线；

9、干热岩地层。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提出一种开发增强型地热的井网结构100，在干热岩地层9的自然裂缝发育区设置一对注采水平井，本实施方式中所述的自然裂缝是指自然垂直裂缝，注入井1与采出井2的水平段相互平行并与自然裂缝发育区的主裂缝方向垂直，两个水平井的水平段处于同一水平面内；两口水平井拉链式分段压裂形成交错式注入井人工裂缝15和采出井人工裂缝25，人工裂缝沟通自然裂缝并扩展、延伸，在两口水平井之间形成复杂裂缝沟通区3；注入水平井的井口设置有注入设备4，采出水平井的井口设置有采出设备5，所述注入设备4 和采出设备5分别通过循环工质输送管线7连通于一发电设备6。

本实用新型还提出一种开发增强型地热的工艺，如图2所示，其具体步骤如下：

步骤(1)：确定水平井方位，完成注采井的钻完井、压裂设计；

通过地质和测井资料，研究干热岩地层的自然裂缝发育情况，确定自然裂缝发育区和自然裂缝主要发育方向，确定注采井靶点位置和水平井方位(水平井方位与主裂缝方向垂直)，确定水平井拉链式分段压裂位置并完成相关的钻完井、压裂施工方案设计。

步骤(2)：完成注采水平井的钻井、下套管、固井作业；

干热岩主要的岩性是火成岩和沉积岩，干热岩深度为2000～6000m；两口水平井均采用三开套管完井的井身结构，注采井钻井、完井工艺相同；一开钻进的钻头直径大于400mm，二开钻进的钻头直径大于300mm，三开钻进的钻头直径大于200mm；一开完钻下注入井表层套管11和采出井表层套管21，G级水泥固井，水泥返至地面；二开钻井至干热岩层位上部地层完钻，二开完钻层位应在干热岩顶层以上50～70m(也就是技术套管的底部应在干热岩顶层上方50～70m)，完钻后下注入井技术套管12和采出井技术套管22，G级水泥固井，水泥返至地面；三开在干热岩中完成水平段的钻进，水平段长度为1000～2000m，完钻后下注入井生产套管13和采出井生产套管23，G级水泥固井，水泥返至地面；注入井生产套管13和采出生产套管23的导热系数大于100w/(m.k)，G级固井水泥的导热系数大于20w/(m.k)。

步骤(3)：通过拉链式分段压裂，使注采水平井间的人工裂缝与自然裂缝充分沟通，形成复杂的裂缝沟通区；

通过水平井分段压裂工艺将水平井从趾端到根端进行连续逐段射孔、压裂，两口水平井压裂裂缝之间两两相互错开，以使每条人工裂缝都能与自然裂缝相互沟通，减少人工裂缝直接沟通的几率。为确保压裂过程中裂缝沟通区中裂缝的复杂性，可进行重复压裂；两口水平井拉链式分段压裂的段数为5～9段；射孔孔眼为螺旋分布，射孔孔眼间距为0.05～0.2m，射孔孔眼的相位角为45～60°；人工裂缝长度为50～100m，两口水平井压裂裂缝之间呈相互错开状态，两口水平井相邻人工裂缝的间距为50～200m；两口水平井拉链式分段压裂的压裂液为清水中添加适量石英砂构成，石英砂作为支撑剂。

步骤(4)：安装注入井、采出井井口设备及发电设备，通过循环工质开发增强型地热资源；

注采井压裂施工结束后，在各自井口对应安置注入设备4、采出设备5及循环工质输送管线7，在地面发电厂安装发电设备6，循环工质输送管线7中设有循环工质，该循环工质为清水或者临界二氧化碳；从注入水平井注入低温循环工质，经过注入设备4进入井筒，通过注入井人工裂缝15进入两水平井间的裂缝沟通区3，在裂缝沟通区3内低温循环工质与干热岩之间进行充分换热后变为高温循环工质；高温循环工质从采出井的人工裂缝25进入井筒内，沿井筒和井口采出设备5进入发电厂的发电设备6进行发电，发电后的冷却循环工质重新进入循环工质输送管线7进行新一轮的换热。

由上所述，本实用新型开发增强型地热的井网结构及其开发工艺，在自然裂缝基础上通过人工造缝形成复杂缝网，在两口水平井之间形成高效换热通道，极大的提高换热效率。具体来说，本实用新型中的水平井相比现有技术中的直井能充分沟通岩层中的自然裂缝、增加井筒与干热岩接触面积，通过双水平井的拉链式分段压裂形成交错式的人工裂缝，人工裂缝与自然裂缝充分沟通并且扩大裂缝尺寸和延伸范围，在两口水平井间形成复杂裂缝沟通区，裂缝沟通区提高了两口水平井裂缝连通几率，为低温工质的换热提供了充分的热交换通道，扩大了干热岩的利用面积，有利于提高注采井循环工质的温度与流量。

本实用新型开发增强型地热的井网结构及其开发工艺，克服了增强型地热常规开发方法中裂缝沟通困难、换热不充分、注采流量与回灌效率低的缺点，为增强型地热的高效开发提供了全新思路。

在上述步骤(1)中，测井资料是指地应力测井解释资料和井壁成像测井解释资料。

在上述步骤(3)中，注入水平井分段压裂工艺是指填砂分段式压裂工艺、机械桥塞式分段压裂工艺或者封隔器分段压裂工艺。

进一步，在本实施方式中，两个水平井的水平段位于干热岩地层的中部部位或中上部部位，两个水平井的水平段的间距大于一倍的人工裂缝长度而小于两倍的人工裂缝长度；注采井在垂直两水平段的直线方向上的井口间距为100～200m。

注入井1和采出井2钻井方位平行，两口井的钻井方位差为0°或者180°，即两口水平井呈同向设置或呈反向设置。

当开发的干热岩的厚度较厚时，可将平行设置的两口水平井变为垂直设计 (即：将注采井水平段设置为垂直方向)，注入井在干热岩层偏上部，采出井在干热岩层偏下部，将水平设置的两口水平井水平段转换成垂直设置；仍通过拉链式分段压裂工艺在干热岩垂直方向上形成复杂的裂缝网络，通过上部水平井注入低温循环工质，工质在重力作用下经过复杂裂缝网络换热后在下部的水平井采出发电。

本实用新型的有益效果为：(1)该开发增强型地热的井网结构安全环保、无废液(渣)排出，循环工质可以重复利用。(2)与现有直井相比，水平井大大增加了井筒与自然裂缝的沟通范围，增加了干热岩换热面积。(3)通过双水平井拉链式分段压裂工艺形成交错式的人工裂缝，人工裂缝与自然裂缝间相互沟通形成复杂的裂缝沟通区，为循环工质与干热岩之间的充分换热提供了通道。(4) 该开发增强型地热的井网结构在保证循环工质出口温度的前提下增加了循环工质的流量，可以增加发电功率。(5)双水平井拉链式分段压裂工艺大大提高了两口井裂缝沟通的成功率，能够提高一次连通成功率，减少了后续补救施工作业。

实施例一

下面以一具体实例对本实用新型开发增强型地热的井网结构及其开发工艺作出说明：

步骤(1)，根据增强型地热开发地区的地质资料、地应力测井资料和井壁成像测井资料确定干热岩地层的自然裂缝发育情况和自然裂缝主要发育方向，本实施例的自然裂缝主要发育方向为南-北方向(如图1所示)，因此，两口水平井的钻井方位为东-西方向；确定水平井拉链式分段压裂位置并完成相关的钻完井、施工方案设计。

步骤(2)，本实施例中注入井1与采出井2的钻井方位相反(如图1所示)，即两井的钻井方位相差180°；根据本地区水平井水力压裂后人工裂缝的缝长监测结果合理设计两口井在垂直井筒方向的井间距，在本实施例中注采井在垂直井筒方向的井口间距为150m，两口井均采用三开套管完井的井身结构；

注采水平井均采用Φ444.5mm的钻头完成一开钻进，完钻后下入Φ339.7mm、导热系数大于100w/(m·k)的J级表层套管，采用导热系数应该大于20w/(m·k) 的G级水泥完成固井，水泥上返至地面；采用Φ311.2mm的钻头完成二开钻进，完钻层位应在干热岩上部70m处，完钻后下入Φ244.5mm、导热系数大于 100w/(m·k)的J级技术套管，采用导热系数应该大于20w/(m·k)的G级水泥完成固井，水泥上返至地面；采用Φ215.9mm的钻头完成三开钻进，水平段在干热岩中钻进，水平段长度为1500m，完钻后下入Φ139.7mm、导热系数大于100w/(m·k) 的J级生产套管，采用导热系数应该大于20w/(m·k)的G级水泥完成固井，水泥上返至地面。

步骤(3)，注采水平井通过拉链式分段压裂实现人工裂缝与干热岩自然裂缝之间的充分沟通。水平井通过可钻桥塞分段压裂工艺将水平井从趾端至根端进行逐段射孔，射孔孔眼采用螺旋分布，孔间距为0.1m，射孔相位角为45°，实施例中水平井压裂过程中采用清水+石英砂作为压裂液，压裂段数为5段，人工裂缝的半长大于75m。两口水平井压裂裂缝之间两两相互错开，使每条人工裂缝都能与自然裂缝充分沟通，减少人工裂缝直接沟通的几率，实施例中两井相邻的人工裂缝间距为150m。压裂过程中为确保裂缝沟通区中裂缝的复杂性，可进行重复压裂。

步骤(4)，在注入井和采出井的井口安装注入设备、采出设备及循环工质的输送管线。本实施例中的循环工质为清水，从注入水平井注入的低温水经过注入设备进入井筒，然后通过人工裂缝进入水平井间的裂缝沟通区，在裂缝沟通区内低温水与干热岩间进行充分换热后成为高温水；高温水从采出井的人工裂缝进入井筒内，沿井筒和井口采出设备进入发电厂的发电设备进行发电，发电后的冷却水重新进入循环工质的输送管线进行新一轮的换热。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims (7)

1.一种开发增强型地热的井网结构，其特征在于，在干热岩地层的自然裂缝发育区设置一对注采水平井，注入井与采出井的水平段相互平行并与自然裂缝发育区的主裂缝方向垂直，两个水平井的水平段处于同一水平面内；两口水平井拉链式分段压裂形成交错式人工裂缝，人工裂缝沟通自然裂缝并扩展、延伸，在两口水平井间形成复杂裂缝沟通区；注入水平井的井口设置注入设备，采出水平井的井口设置采出设备，所述注入设备和采出设备分别通过循环工质输送管线连通于一发电设备。

2.如权利要求1所述的开发增强型地热的井网结构，其特征在于，两个水平井的水平段位于干热岩地层的中上部位，两个水平井的水平段的间距大于一倍的人工裂缝长度而小于两倍的人工裂缝长度。

3.如权利要求1所述的开发增强型地热的井网结构，其特征在于，一对注采水平井均为三开套管完井的井身结构；一开钻进的钻头直径大于400mm，二开钻进的钻头直径大于300mm，三开钻进的钻头直径大于200mm；一开完钻下表层套管并G级水泥固井；二开完钻下技术套管并G级水泥固井，三开完钻下生产套管并G级水泥固井；二开完钻层位应在干热岩顶层以上50～70m；三开的水平段位于干热岩中，水平段长度为1000～2000m；生产套管的导热系数大于100w/(m.k)，G级固井水泥的导热系数大于20w/(m.k)。

4.如权利要求1所述的开发增强型地热的井网结构，其特征在于，两口水平井拉链式分段压裂的段数为5～9段；射孔孔眼为螺旋分布，射孔孔眼间距为0.05～0.2m，射孔孔眼的相位角为45～60°；人工裂缝长度为50～100m，两口水平井压裂裂缝之间呈相互错开状态，两口水平井相邻人工裂缝的间距为50～200m。

5.如权利要求1所述的开发增强型地热的井网结构，其特征在于，循环工质输送管线中设有能在裂缝沟通区内与干热岩之间进行充分换热的循环工质，该循环工质为清水或者临界二氧化碳。

6.如权利要求1所述的开发增强型地热的井网结构，其特征在于，注入井和采出井钻井方位平行，两口井的钻井方位差为0°或者180°。

7.如权利要求1所述的开发增强型地热的井网结构，其特征在于，两口水平井拉链式分段压裂的压裂液为清水中添加适量石英砂构成。