一种基于多相态CO2的层位式地热强化开采方法

一种基于多相态co2的层位式地热强化开采方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于多相态co2的层位式地热强化开采方法，主要适用于低渗透性、岩层致密的深部干热岩储层的地热高效开采。


背景技术：

2.受日益匮乏的资源量和环境污染的影响，传统的能源结构正面临着不可忽视的应用威胁，而频发的环境问题也给传统能源消费带来了质疑。我国地热资源十分丰富，应用潜力巨大。据统计，我国深层地热资源基数为2.09
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107ej，相当于856万亿吨标准煤。按照干热岩地热资源开采率的2％下限进行计算，深层地热能源可开采量约为17万亿吨标准煤。因此，深部地热资源开发也越来越得到世界各国及研究学者的青睐。
3.根据现有地热能分布特征，一般可分为浅层地热能(地表至地下200m)、水热型地热能(地下200m-3000m)和干热岩地热能(地下3000m以深)。现有学者多提出利用双井增强型地热开采模式，通过设置至少一个注入井注入高压水对干热岩储层进行改造，增强其渗透性和流体流量，然后驱动低温工质流经改造后的储层裂隙网络进行热能的提取，并将携带热量的工质流通过设置的生产井进行提取利用。该方法在世界范围内已得到广泛应用，也取得了比较好的技术突破，但同时也存在着一些应用局限性，比如，利用高压水对干热岩储层进行改造，这一过程会消耗大量的水资源，对于一些水资源匮乏地区的干热岩储层改造具有很大的应用限制；高压水改造储层过程多受地应力影响，产生的卸压范围呈多向性，难以做到储层致裂的有效控制；常规储层改造方式的改造范围较窄，后期的工质流所流经的区间有限，很难获取得到充足的热量；并且现有采用的双井开采模式常受限于注入井的改造能力，容易出现生产接续问题。另外公开号为：cn114033346a，名称为“一种基于二氧化碳介质的深层地热开采方法”的发明专利公开了采用二氧化碳作为传热介质进行地热开采的方法，其虽然无需高压水注入，但是由于其仍然需要设置双井模式，并且还要向井内设置co2相变致裂器进行致裂，而co2相变致裂器安装相对较为困难，且致裂范围有限，并且其注入井内的换热介质为超临界co2，这样不仅需要大型加热设备和加压设备，而且需要消耗大量能量，因此，这种方式也会导致地热资源的开采成本较高及换热效率较低；因此如何提供一种方法，能有效降低钻井施工复杂度及施工成本的情况下，还能有效保证地热资源开采后的换热效率，最终提高地热资源的整体开采效率，是本行业的研究方向之一。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于多相态co2的层位式地热强化开采方法，能有效降低钻井施工复杂度及施工成本的情况下，还能有效保证地热资源开采后的换热效率，最终提高地热资源的整体开采效率。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于多相态co2的层位式地热强化开采方法，具体步骤为：
6.a、首先利用钻机在地面向下进行钻设，使钻孔穿过上覆地层到达干热岩储层中形
180mm，钻井长度均处在200-300m范围。
16.进一步，所述第一水平钻井、第二水平钻井和第三水平钻井在空间层位上的方位角误差小于5
°
，第三水平钻井布置在竖井井底位置，第二水平钻井和第一水平钻井分别布置在第三水平钻井上方60m、120m位置。采用这个布设，不仅便于对地热层致裂，而且能更好的实现对地热层的换热开采。
17.进一步，所述高压密封器最大耐受压力为150mpa，最大耐受温度为500℃。这样能保证其密封效果。
18.进一步，所述耐温压封隔器能够承受的最大温度为600℃，最大压力为200mpa。这样能保证其密封效果。
19.进一步，所述绝热注液管和绝热抽采管均采用柔性材料，且能够承受的最大温度为500℃；绝热注液管管径为80mm，绝热抽采管管径为150mm。这样设置保证通过绝热注液管注入地热层内的co2介质处于液态，便于后续工作的开展。
20.进一步，所述co2泵体的注入压力可调控范围为10-70mpa，注入流量范围为5-10l/min。这种参数范围能满足致裂时对co2泵体的调控需要，保证致裂的顺利进行。
21.与现有技术相比，本发明将注入井和抽采井合二为一，并且与多种相态的co2相结合的方式，通过定向卸压技术和不同相态co2相变时产生的能量扩大地热储层改造区域面积，联合多种监测传感器实现原位监测，保证致裂的顺利进行，提出了“单主井改造提热—副井监测”的开采模式，即只有一个井伸入地热层，无需额外再增设，监测井仅仅是处于上覆底层内，这样的方式一方面形成了能够集合储层改造、工质驱动取热和工质提热等工序为一体的单井开采方式，大大减小了钻井成本，提高了单一钻井的利用效率；另一方面利用液态co2注入地热层时受热后相变膨胀致裂原理增加体积改造范围，并且在相变致裂的同时，随着内部压力及温度的持续增加，使co2气体变成处于超临界状态的co2流体，在致裂完成后(即裂隙网络连通各个钻井时)，此时利用其超临界状态的强流动性、低摩阻性等优势进入裂隙网络的多尺度孔裂隙结构中使超临界状态的co2流体与地热层换热后，携带大量的地热能，最后高温超临界状态的co2流体通过绝热抽采管进入换热器内进行换热降温，使其提取的热量用于发电装置进行发电，换热完成后降温的co2气体进入低温冷凝管，通过低温冷凝管降温作用使co2气体重新液化成液态co2进行储藏，作为后续注入的工质源，从而实现了co2工质的闭环利用；另外通过监测井的设置，利用微震技术、声波技术和气体监测技术分别监测储层致裂改造过程和气体运移规律，借助现有的深度学习算法对海量数据进行训练预测，可为调节co2工质不同阶段的注入参数进行有效调节，最终保证致裂的顺利进行，有效保证了地热资源开采后的换热效率，提高了地热资源的整体开采效率。
附图说明
22.图1是本发明的结构示意图。
23.图中：1-上覆地层；2-干热岩储层；3-竖井；4-第一水平钻井；5-第二水平钻井；6-第三水平钻井；7-绝热注液管；8-高压密封器；9-耐温压封隔器；10-co2泵体；11-绝热抽采管；12-换热器；13-传热管路；14-发电装置；15-低温冷凝管；16-裂隙网络；17-多源数据反演系统；18-光纤数据传输线；19-监测井；20-监测装置。
具体实施方式
24.下面将对本发明作进一步说明。
25.如图1所示，本发明的具体步骤为：
26.a、首先利用钻机在地面向下进行钻设，使钻孔穿过上覆地层1到达干热岩储层1中形成竖井3，竖井3分成上覆地层段和干热岩储层段，竖井3的直径为300-400mm，竖井3井底进入干热岩储层1内150-200m范围内；
27.b、在钻机上安装定向钻头，并将定向钻头伸入至干热岩储层2，使定向钻头从竖井3沿同一水平方向在干热岩储层2不同深度依次钻进形成三个水平钻井，三个水平钻井的钻井直径均为150-180mm，钻井长度均处在200-300m范围，且从上至下分别设定为第一水平钻井4、第二水平钻井5和第三水平钻井6，第一水平钻井4、第二水平钻井5和第三水平钻井6在空间层位上的方位角误差小于5
°
，第三水平钻井6布置在竖井3井底位置，第二水平钻井4和第一水平钻井3分别布置在第三水平钻井5上方60m、120m位置；采用这个布设，不仅便于对地热层致裂，而且能更好的实现对地热层的换热开采；并在退钻时排渣排浆；接着利用钻机从地面钻设监测井19，使监测井19的终孔位置处于第一水平钻井4正上方的上覆地层1内；
28.c、在竖井3的上覆地层段和干热岩储层段交界处安装高压密封器8，对竖井3的干热岩储层段进行封堵；高压密封器8最大耐受压力为150mpa，最大耐受温度为500℃，这样能保证其密封效果；然后将绝热注液管7一端和绝热抽采管11一端均伸入竖井3内、并穿过高压密封器8，其中绝热注液管7一端伸入第二水平钻井5中，并在绝热注液管7一端安装耐温压封隔器9对第二水平钻井进行封堵；耐温压封隔器9能够承受的最大温度为600℃，最大压力为200mpa。这样能保证其密封效果；绝热抽采管11一端处于竖井3的干热岩储层段；
29.d、绝热注液管7另一端与co2泵体10的出口连接，绝热抽采管7另一端与换热器11的进口连接，换热器11的热量排出口通过传热管路13与发电装置14连接，换热器11的流体排出口与低温冷凝管15一端连接，低温冷凝管15另一端与co2泵体10的进口连接，接着将监测装置20送入监测井19的终孔位置，监测装置20通过光纤数据传输线18与地面上的多源数据反演系统17连接，所述监测装置20包括微震监测探头、超声波探头和气体监测探头，且各个探头均采用热绝缘包裹方式用于隔离高温。采用这种结构能通过多种不同探头对地热层的致裂情况进行数据采集，便于后续数据处理的准确性，完成多相态co2地热开采系统的布设工作；所述绝热注液管7和绝热抽采管11均采用柔性材料，且能够承受的最大温度为500℃；绝热注液管7管径为80mm，绝热抽采管11管径为150mm。这样设置保证通过绝热注液管7注入地热层内的co2介质处于液态，便于后续工作的开展；
30.e、开始进行地热开采工作时，先启动co2泵体10一段时间，使其将低温冷凝管15内的高压低温液态co2流体经由绝热注液管7注入第二水平钻井5内，低温液态co2流体在第二水平钻井5内受到地热温度影响持续升温，此时液态co2流体吸热过程中发生瞬态相变形成co2气体，由于第二水平钻井5被封堵，其产生的高压膨胀作用对第二水平钻井5周围干热岩进行冲击致裂，完成一次冲击致裂过程，然后重复上述过程再启动co2泵体10一段时间，如此经过多次循环致裂过程后，使第二水平钻井5周围的干热岩形成复杂的裂隙网络16，同时监测装置20实时对下方的地质情况进行监测，并将监测数据反馈给多源数据反演系统17，多源数据反演系统17根据监测数据对地热层的致裂情况进行确定，并根据致裂情况调整co2泵体10的注入压力和注入流量，直至监测到第二水平钻井5通过裂隙网络16分别与第一
水平钻井4和第三水平钻井6发生贯通时，停止co2泵体10工作完成致裂过程；所述co2泵体10的注入压力可调控范围为10-70mpa，注入流量范围为5-10l/min。这种参数范围能满足致裂时对co2泵体10的调控需要，保证致裂的顺利进行；
31.f、当裂隙网络16将第一水平钻井4、第二水平钻井5和第三水平钻井6相互贯通时，由于持续多次循环注入的液态co2流体在地热温度及气化产生的压力共同作用下，液态co2流体相变形成co2气体会变成处于超临界状态的co2流体，接着由于第一水平钻井4和第三水平钻井6内的气压较低，此时处于超临界状态的co2流体沿着裂隙网络16进入第一水平钻井4和第三水平钻井6内，并持续进行吸热，最终经由竖井3进入绝热抽采管11内；
32.g、高温co2流体经过绝热抽采管11进入换热器12，在换热器12内经过辐射换热过程将分离出来的热量通过传热管路13进入发电装置14进行发电，换热完成后降温的co2气体进入低温冷凝管15，通过低温冷凝管15降温作用使co2气体重新液化成液态co2进行储藏；
33.h、待换热器12分离出来的热量值低于设定值时，重复步骤e至g，从而提高换热器12分离出来的热量值，如此循环，最终实现对干热岩的地热开采。
34.上述高压密封器8、耐温压封隔器9、co2泵体10、换热器12、发电装置14、低温冷凝管15、多源数据反演系统17和监测装置20均为现有设备或器件，能通过市场购买获得；其中多源数据反演系统17在接收到监测装置20反馈的监测数据后采用已知的深度学习算法和滤波降噪技术对监测数据进行分析处理，从而实现致裂过程的可视化。便于后续根据致裂情况及时调整co2泵体的压力及流量。低温冷凝管15能将流入的co2气体通过持续降温，使其相变成液态co2流体。
35.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。