一种开发干热岩地热资源的方法、管柱结构及系统与流程

1.本发明涉及胆道支架技术领域，特别地涉及一种开发干热岩地热资源的方法、管柱结构及系统。


背景技术：

2.地热资源因其具有储量大、可再生、应用清洁等优势特征受到能源开发领域的关注，其作为一种可再生的绿色资源被世界各国确定为可持续发展的新的绿色能源。地热资源分为两类，即天然热水资源和干热岩地热资源。对于干热岩地热资源而言，井眼是实现干热岩地热资源热传输到地面的有效通道，建立何种特征井眼、利用何种方式完井来传输干热岩地热资源热能是关系着干热岩地热资源能否顺利开发的关键问题。
3.干热岩具有以下特点：埋藏在地层深部，岩层温度较高，通常温度大于180℃；干热岩基体孔隙度极低，渗透性极差。干热岩开发利用过程，通常是先钻取深达干热岩层的井或井组，然后通过压裂措施在岩层内形成足够大热交换面积的裂缝带，最后通过循环介质的注入和采出来开发地热能源。其中，人工热储的建造及完井方式是干热岩地热开发过程中的关键环节，关系到干热岩地热开发的成败。
4.目前，干热岩采用增强型地热系统(egs)进行开发已有40多年的历史，其主要采用的技术手段是：
5.首先，在储存干热岩区块相距一定距离的位置钻两口对井，通过人工干预的方法(水力压裂方法)使其连通，选取一口井作为注入井，选取另一口井作为生产井；
6.然后，人工从地面注入井注入介质水到地下干热岩层，水流经过人工裂缝带流到生产井，水充分吸收干热岩岩体中的热量成为高温水，携带热量返到地面用于发电及取暖等；
7.而后，热能使用消耗后的低温水再次注入注入井，从干热岩吸收热量并变成高温水从生产井产出，如此循环提取地下干热岩的热量；注入井和生产井的裸眼段都采取裸眼完井的方式。
8.现有技术中也存在基于上述技术手段的技术方案，例如公布号为cn106640028a的专利申请，提出了一种两井连通循环增强型地热系统完井方法，该方法的采用钻取两口连通u型井，但是在高温环境下，长水平井段的施工及对应并钻穿采水井套管难度极大，施工成本高且成功率低。并且大位移长水平段的钻取对于钻头、井底钻具组合等抗高温要求高，原因在于钻头、井底钻具组合等随着大位移水平段钻进长度增加，其处于高温环境时间增加，同时随着大位移水平段钻进长度增加，对于地面钻井设备要求严格，成本较高。
9.此外，又如公布号为cn106640028a的专利申请，提出了一种单井循环增强型地热系统完井方法，该方法通过在地面向普通技术套管与油管形成的环形空间中注入水，水通过技术套管与油管形成的环形空间从上部往下部流到井眼底部，最后通过射孔孔眼进入油管内，水在油管内从下部向上部流动，然后流到地面接收装置。其热交换面积较小，不能有效保障在热井的开发周期内生产的高温水达到标准要求。
10.为此，研究设计出一种高效开发利用干热岩地热资源的方法即管柱结构，充分克服上述现有技术的缺陷，提高干热岩地热资源的开发效果。


技术实现要素：

11.针对上述现有技术中的问题，本技术提出了一种开发干热岩地热资源的方法、管柱结构及系统。
12.第一方面，本发明提出了一种开发干热岩地热资源的方法，包括：
13.步骤s10、确定注入井的井位并钻出所述注入井；
14.步骤s20、对所述注入井进行层段划分，根据所述层段划分情况，对所述注入井进行分段压裂改造，监测压裂产生的裂缝的延伸情况，判断裂缝的空间展布状态；
15.步骤s30、根据所述裂缝的空间展布状态，确定生产井的井位并钻出所述生产井；
16.步骤s40、在所述注入井与所述生产井中分别下入分段完井管柱，以形成对应所述层段划分的分段结构；
17.步骤s50、向所述注入井中注水，以进行生产测试，根据获取的所述注入井与所述生产井的生产测试数据确定生产开发参数，根据所述生产开发参数进行开发。
18.在一个实施方式中，步骤s20中，所述注入井的层段划分依据干热岩储层的天然裂缝分布情况以及储层甜点位置，所述层段划分包括确定层段数以及相应层段所在的深度。通过本实施方式，
19.在一个实施方式中，步骤s40中，在下入分段完井管柱前，还包括：
20.所述注入井进行注水剖面测试以确定各层段吸水情况，生产井进行产出剖面测试以确定各层段及出水情况；
21.根据各层段的所述吸水情况、所述出水情况以及温度分布，确定所述分段完井管柱的分段坐封位置。通过本实施方式，
22.在一个实施方式中，步骤s40中，在下入分段完井管柱后，还包括：
23.进行管柱校深，根据校深结果调整所述分段完井管柱的深度，使相应的管柱封隔器对准对应的预设位置并坐封相应的管柱封隔器。通过本实施方式，
24.在一个实施方式中，还包括：
25.在获得所述生产测试数据后，判断所述生产测试数据是否到达设计要求；
26.若所述生产测试数据未达到设计要求，进行分段酸化，以提高所述注入井与所述生产井之间通过所述裂缝连通的连通效果。通过本实施方式，
27.在一个实施方式中，步骤s50中，在进行分段酸化后，还包括：
28.再次进行生产测试并重新获取生产测试数据，根据重新获取的所述生产测试数据重新确定生产开发参数。通过本实施方式，
29.在一个实施方式中，步骤s50中，所述生产测试数据包括所述注入井各层段的注入量以及所述生产井各层段的产出量与产出温度。通过本实施方式，
30.第二方面，本发明提出了一种利用上述的方法开发干热岩地热资源的管柱结构，包括：
31.注入管柱，所述注入管柱设置于注入井，其包括多个由管柱封隔器分隔出的第一管段，每个所述第一管段上均设置有用于控制注入水量的配水器；
32.生产管柱，所述生产管柱设置于生产井，其包括多个由管柱封隔器分隔出的第二管段，每个所述第二管段上均设置有用于控制产出水量的控制器；
33.其中，所述第一管段与所述第二管段一一对应，每个所述第一管段与所述第二管段之间均具有由裂缝构成的连通通道。
34.在一个实施方式中，所述注入管柱底部的管口处设置有单向阀，所述生产管柱底部的的管口处设置有丝堵。通过本实施方式，
35.第三方面，本发明提出了一种开发干热岩地热资源的系统，其特征在于，包括上述的管柱结构以及井上注入设备与井上产出设备。
36.上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
37.本发明提供的一种开发干热岩地热资源的方法、管柱结构及系统，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：
38.本发明的一种开发干热岩地热资源的方法、管柱结构及系统，该方法利用干热岩注入井的分段压裂后的分段注入及生产井的分段生产，提高干热岩分段改造后的地热资源利用效果。基于分段压裂实现注入井的注入水的波及程度、波及范围的改善，可大幅度提高干热岩的生产井的出水效果，使得生产井的出水量和水温达到最优，实现干热岩井人工热储体积的最大化。本发明对应开采方法的开采管柱结构的结构简单、安全性高，有利于提高干热岩地热资源的开发利用效果。
附图说明
39.在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
40.图1显示了本发明的方法的流程图；
41.图2显示了本发明的管柱结构的示意图。
42.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
43.附图标记：
44.1-注入管柱，11-第一管段，12-配水器，13-单向阀，2-生产管柱，21-第二管段，22-控制器，23-丝堵，3-管柱封隔器，4-连通通道。
具体实施方式
45.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
46.实施例1
47.本实施例提供了一种开发干热岩地热资源的方法，包括：
48.步骤s10、确定注入井的井位并钻出注入井；
49.对干热岩开发的注入井而言，干热岩段采用裸眼完井或套管完井。
50.步骤s20、对注入井进行层段划分，根据层段划分情况，对注入井进行分段压裂改造，监测压裂产生的裂缝的延伸情况，判断裂缝的空间展布状态；
51.注入井的层段划分依据干热岩储层的天然裂缝分布情况以及储层甜点位置，层段划分包括确定层段数以及相应层段所在的深度；
52.针对层段划分而言，其依据干热岩段天然裂缝分布及“甜点”(地热资源集中分布
区域)位置，来确定改造的层段数及具体深度数据。
53.此外，根据干热岩段完井方式，确定分段压裂改造技术，选取的分段压裂方式要可靠性好、安全性高的分段压裂方式及优化的施工方案。在施工方案确定的基础上，确定压裂裂缝的监测方案，综合利用测斜仪及微地震进行监测，确定注入井压裂裂缝的空间展布状态。
54.步骤s30、根据裂缝的空间展布状态，确定生产井的井位并钻出生产井；
55.根据裂缝空间展布状态中的主要延伸方向，确定生产井的井位并钻出生产井，此时注入井与生产井通过裂缝连通。
56.步骤s40、在注入井与生产井中分别下入分段完井管柱，以形成对应层段划分的分段结构；
57.选择合适的油管柱(压力等级、管径大小及油管长度)，配套的管柱封隔器、控制器、锚定器等工具，在地面进行分段管柱的工具组配，然后按照施工要求下入注入井和生产井中，形成井中的管柱分段结构。
58.注入井和生产井中的管柱分段结构，能够针对不同的管段、井段进行水量控制，以实现根据地层中地热资源分布的差异，针对性的进行水量的控制，使得在相应合适的注入水量下得到合适的产出水量与产出温度，实现地热资源的最大化利用。对于注入水量具体值的确定，可以通过数值模拟方法进行优化，最终确定一个合适的值。
59.步骤s50、向注入井中注水，以进行生产测试，根据获取的注入井与生产井的生产测试数据确定生产开发参数，根据生产开发参数进行开发；生产测试数据包括注入井各层段的注入量以及生产井各层段的产出量与产出温度；
60.对注入井进行注水并进行生产井的生产测试，下入测试仪器，分别对注入井、生产井进行详细测试，获得注入井各段的注入量、生产井各段的产出量与产出温度。依据测试结果进行开发参数的优化，优化的方法是，首先进行计算机数值模拟优化，确定初步的参数，然后用初步的参数运行一段时间，再次使用测试的结果进行校正，迭代，最终确定一个较好的参数。开发参数优化的总目标是使得生产井的产出水量、产出水温度达到最优，提高干热岩开发利用效果。
61.选择合适的生产开发参数，进行干热岩发电站的建设，进行干热岩的发电利用。生产开发参数包括，针对注入井各层段的注水量、生产井各层段的出水量等。
62.实施例2
63.本实施例提供了一种开发干热岩地热资源的方法，包括：
64.步骤s10、确定注入井的井位并钻出注入井；
65.在步骤s10前，需要对干热岩储层的参数进行评估，评估内容包括干热岩储层的纵横向展布特征、岩性及全岩矿物组分、物性、岩石力学参数及三向地应力特征，天然裂缝状态及空间分布、温度、压力等。评估可综合应用地震、测井、录井及岩心室内测试等方法进行。
66.对干热岩开发的注入井而言，干热岩段采用裸眼完井或套管完井。
67.步骤s20、对注入井进行层段划分，根据层段划分情况，对注入井进行分段压裂改造，监测压裂产生的裂缝的延伸情况，判断裂缝的空间展布状态；
68.注入井的层段划分依据干热岩储层的天然裂缝分布情况以及储层甜点位置，层段
划分包括确定层段数以及相应层段所在的深度；
69.针对层段划分而言，其依据干热岩段天然裂缝分布及“甜点”(地热资源集中分布区域)位置，来确定改造的层段数及具体深度数据。
70.此外，根据干热岩段完井方式，确定分段压裂改造技术，选取的分段压裂方式要可靠性好、安全性高的分段压裂方式及优化的施工方案。在施工方案确定的基础上，确定压裂裂缝的监测方案，综合利用测斜仪及微地震进行监测，确定注入井压裂裂缝的空间展布状态。
71.步骤s30、根据裂缝的空间展布状态，确定生产井的井位并钻出生产井；
72.根据裂缝空间展布状态中的主要延伸方向，确定生产井的井位并钻出生产井，此时注入井与生产井通过裂缝连通。
73.步骤s40：
74.步骤s41、注入井进行注水剖面测试以确定各层段吸水情况，生产井进行产出剖面测试以确定各层段及出水情况；根据各层段的吸水情况、出水情况以及温度分布，确定分段完井管柱的分段坐封位置；
75.通过向注入井中注入，可以进行注入井的注水剖面测试以及生产井的产出剖面测试，从而根据注入井各层段吸水情况以及生产井各层段及出水情况，来进一步确定井中管柱分段的位置。
76.步骤s42、在注入井与生产井中分别下入分段完井管柱，以形成对应层段划分的分段结构；
77.根据步骤s41中所确定的井中管柱分段的位置，选择合适的油管柱(压力等级、管径大小及油管长度)，配套的管柱封隔器、控制器、锚定器等工具，在地面进行分段管柱的工具组配，然后按照施工要求下入注入井和生产井中，形成井中的管柱分段结构。
78.注入井和生产井中的管柱分段结构，能够针对不同的管段、井段进行水量控制，以实现根据地层中地热资源分布的差异，针对性的进行水量的控制，使得在相应合适的注入水量下得到合适的产出水量与产出温度，实现地热资源的最大化利用。对于注入水量具体值的确定，可以通过数值模拟方法进行优化，最终确定一个合适的值。
79.步骤s43、进行管柱校深，根据校深结果调整分段完井管柱的深度，使相应的管柱封隔器对准对应的预设位置并坐封相应的管柱封隔器；
80.坐封管柱封隔器后，进行管柱丢手并安装井口。
81.步骤s50：
82.步骤s51、向注入井中注水，以进行生产测试并获取的注入井与生产井的生产测试数据，生产测试数据包括注入井各层段的注入量以及生产井各层段的产出量与产出温度；
83.对注入井进行注水并进行生产井的生产测试，下入测试仪器，分别对注入井、生产井进行详细测试，获得注入井各段的注入量、生产井各段的产出量与产出温度。依据测试结果进行开发参数的优化，优化的方法是，首先进行计算机数值模拟优化，确定初步的参数，然后用初步的参数运行一段时间，再次使用测试的结果进行校正，迭代，最终确定一个较好的参数。开发参数优化的总目标是使得生产井的产出水量、产出水温度达到最优，提高干热岩开发利用效果。
84.产出量与注入量正相关，一般增大注入量，产出量就增大，但产出温度会降低；而
减小注入量，产出量就减小，但产出温度会升高。需要在产出水量与产出水温度之间寻找平衡点，使得总的产出热量最高。
85.步骤s52、在获得生产测试数据后，判断生产测试数据是否到达设计要求；若生产测试数据未达到设计要求，进行分段酸化，以提高注入井与生产井之间通过裂缝连通的连通效果；
86.将酸液注入到地层中，依靠酸液的化学溶蚀作用，使酸液与地层岩石中的碳酸盐岩、粘土矿物等成分发生化学作用来提高地层的渗透性，进而增大裂缝的流通面积，提高注入井与生产井之间通过裂缝连通的连通效果。
87.步骤s53、再次进行生产测试并重新获取生产测试数据，根据重新获取的生产测试数据重新确定生产开发参数。
88.步骤s54、根据获取的注入井与生产井的生产测试数据确定生产开发参数，根据生产开发参数进行开发；
89.根据步骤s51或步骤s53选择合适的生产开发参数，进行干热岩发电站的建设，进行干热岩的发电利用。生产开发参数包括，针对注入井各层段的注水量、生产井各层段的出水量等。
90.实施例3
91.本实施例提供了一种利用实施例1与实施例2的方法开发干热岩地热资源的管柱结构，包括：
92.注入管柱1，注入管柱1设置于注入井，其包括多个由管柱封隔器3分隔出的第一管段11，每个第一管段11上均设置有用于控制注入水量的配水器12；
93.生产管柱2，生产管柱2设置于生产井，其包括多个由管柱封隔器3分隔出的第二管段21，每个第二管段21上均设置有用于控制产出水量的控制器22；
94.其中，第一管段11与第二管段21一一对应，每个第一管段11与第二管段21之间均具有由裂缝构成的连通通道4。
95.具体地，如附图图2所示，注入井设置注入管柱1、生产井中设置生产管柱2，注入管柱1与生产管柱2均为分段式结构，其包括多个用于分段的管柱封隔器3，管柱封隔器3与井壁配合实现管段(井段)的分隔。注入管柱1的第一管段11与生产井的第二管段21相互对应，二者高度水平基本相同且二者之间通过连通通道4(附图2中a-a和b-b所示)相互连通。连通通道4由压裂产生的裂缝构成，连通通道4的延伸方向代表了裂缝的主要方向。
96.注入管柱1中第一管段11的配水器12用于控制向该管段中注入的水的水量、生产管柱2中第二管段21的控制器22用于控制由该管段输出的水的水量，从而根据地热资源相对管段的分布，控制每个管段对应的水量，进而控制产出水的总量以及产出水的温度，来提高干热岩地热资源的开发利用效果。
97.进一步地，注入管柱1底部的管口处设置有单向阀13，生产管柱2底部的管口处设置有丝堵23。
98.实施例4
99.本实施例提供了一种开发干热岩地热资源的系统，包括实施例3中的管柱结构以及井上注入设备与井上产出设备。
100.具体地，井上注入设备对应注入管柱1，用于向注入井中注水；井上产出设备对应
生产管柱2，用于输出生产井产出的产出水。
101.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
102.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。