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CN106481328A - 一种利用颗粒状干冰建造干热岩人工热储的方法 - Google Patents

一种利用颗粒状干冰建造干热岩人工热储的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用颗粒状干冰建造干热岩人工热储的方法,本方法充分利用颗粒状干冰在目标层干热岩体内发生相态变化时吸热、体积膨胀压力增大、生成超临界二氧化碳,在干冰相态变化的整个过程中,干热岩体在温度差和压裂压力耦合作用下更容易产生体积破裂或丛式破裂,从而形成裂隙网络发育、具有更大热交换面积的人工热储层。本发明克服了水力致裂法在建造干热岩人工热储时的局限性,解决了水力致裂法在干热岩人工热储层建造中存在的成本高、周期长、形成的热储层裂隙不发育等技术缺点。

Description

一种利用颗粒状干冰建造干热岩人工热储的方法
技术领域
本发明属于干热岩人工热储建造领域,特别涉及一种将颗粒状干冰泵入干热岩人工热储目标层岩体裂缝,干冰在裂缝(裂隙)内吸热发生相态变化,生成超临界二氧化碳,流体压力增大,目标层岩体在热破裂弱化的同时,在高压力下更容易形成体积破裂或丛式破裂来建造干热岩人工热储的方法,具体为一种利用颗粒状干冰进行干热岩人工热储建造的方法。
背景技术
地热作为绿色的、可再生资源,被世界各国确定为维系社会可持续发展的新的“绿色能源”。干热岩地热一般是指温度在200℃以上的岩体中蕴藏的地热能资源,可经过人工开采从岩体中直接提取热量用于发电。
干热岩地热(或者增强型地热)开发利用的关键技术在于人工热储的建造,人工热储泛指采用人工方法在干热岩体内建成的水与干热岩体进行热交换的区域,一般表现为在两井或群井之间形成裂隙发育的裂缝丛(裂缝带)。目前建造人工热储常用的方法是水力致裂法,在岩体内产生裂隙并延伸相交,形成发育的裂隙网或裂隙带。美国Los AlamosNational Laboratory在总结Fenton Hill干热岩地热开发项目后指出:人工热储水力压裂连通是非常困难的,形成的人工热储是有限的。
干冰是在1个标准大气压下、-78.5 ℃存在的固态二氧化碳,干冰蓄冷是水冰的2倍,吸收热量后升华成二氧化碳气体,无任何残留、无毒性、无异味。其制作简单方便、二氧化碳来源充足、成本很低。干冰具有良好的物理特性:易挥发,当温度高于-78.5℃时就会发生升华,吸收热量迅速转化为无毒、无味的二氧化碳气体;同时,体积会迅速膨胀600-800倍,故在有限容积内,干冰遇高温吸热会发生相态的变化,转化成的气态二氧化碳会对容器壁产生高压,且有可能发生爆炸。当二氧化碳流体的温度、压力达到31.1℃和7.4MPa时,二氧化碳流体就处于超临界状态。超临界二氧化碳兼有气体和液体双重性质:密度大,通常是气体的几百倍,近于液体;粘度低,比液体粘度要小两个数量级,扩散系数高,约为液体的10-100倍。故超临界二氧化碳流具有气体的低粘度和易扩散、液体的高密度和易溶解的特性。
因此,对于致密、低渗透性的干热岩体,充分利用二氧化碳相态变化时吸热、体积变化产生压力变化,吸热后生成超临界二氧化碳的特点,结合超临界二氧化碳压裂岩体破裂压力低,二氧化碳相态变化时吸热形成温度梯度致使干热岩体力学性质弱化的特性,将颗粒状干冰泵入干热岩人工热储目标层,反复循环进行,干热岩体在温度差和压裂压力共同作用下体积破裂或丛式破裂,从而形成具有更大热交换面积的人工热储层,所建人工热储具有较长的使用寿命与较大的出力。
发明内容
为了克服水力致裂法在建造干热岩人工热储时的局限性,充分利用干冰相态变化时吸热、体积膨胀压力增大,生成的超临界二氧化碳更易于在岩体内形成体积破裂的特性,本发明提供了一种利用颗粒状干冰进行人工热储构造的方法。
本发明是采用如下的技术方案实现的:
一种利用颗粒状干冰进行人工热储建造的方法:充分利用颗粒状干冰在目标层干热岩体内发生相态变化时吸热、体积膨胀压力增大、生成超临界二氧化碳,在干冰相态变化的整个过程中,干热岩体在温度差和压裂压力耦合作用下更容易产生体积破裂或丛式破裂,从而形成裂隙网络发育、具有更大热交换面积的人工热储层。
其具体实施的步骤为:
(1)在干热岩地热开发区域进行地质资料勘察,确定最优生产井组布置,该生产井组由注入井和生产井组成。根据地热区域范围和干热岩地热梯度进行井组布置,井组的布置方式通常有以下几种:一口注入井和两口生产井(三井模式),一口注入井和四口生产井(五井模式),注入井与生产井间距L=500-800m。
(2)在干热岩开发区域,确定最优生产井组布置形式,依次确定注入井和生产井位置,通过钻井施工至目标层,即温度在200℃以上的干热岩地层深度。
(3)通过干冰压力泵向目标层循环泵入充足颗粒状干冰,对目标层实施垂直分段致裂,分段高度2-5m每段,每段高度由钻井深度和所受地应力大小确定。
(4)为保证压裂效果,对目标层实施颗粒状干冰循环压裂,并且通过压力传感器监控目标层环境压力P 0 ,通过干冰压力泵调节注入干冰流量,保证P 0 大于岩层最小起裂压力P t
(5)依次对生产井组中每口井实施上述(3)、(4)步骤。施工过程中,通过二氧化碳检测器监测相邻钻井中二氧化碳流量V 0,来判别目标层压裂效果,直至达到设计要求,停止压裂。
(6)上述压裂完成之后,通过注入井泵入充足颗粒状干冰,在井组间循环24-48小时,同时检测生产井中二氧化碳流量情况。有效避免裂隙闭合,实现干热岩目标层产生的裂隙扩展、贯通,最终形成渗透性强、热交换面积较大、裂隙发育的理想人工热储层。
(7)从注入井注入大量的低温水(20℃-30℃),在人工热储层进行充分的热交换后,高温过热水从生产井中排出,用于热水发电,实现地热提取。
上述的一种利用颗粒状干冰进行干热岩人工热储建造的方法,所述步骤(3)、(4)、(6)中使用的颗粒状干冰其粒度直径大小为2-4mm,其温度低于-78.5℃,通过井口设置的干冰压力泵向目标层泵入。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:(1)颗粒状干冰制备简单,二氧化碳来源充足,成本低廉,安全无毒。(2)充分利用颗粒状干冰吸热发生相态变化、生成气态二氧化碳,伴随体积增大产生较高压应力,吸热后生成超临界二氧化碳的特点,结合超临界二氧化碳压裂岩体破裂压力低,且干冰相态变化时吸热在干热岩体中形成温度梯度,致使干热岩体力学性质弱化的特性,将颗粒状干冰泵入干热岩人工热储目标层,循环压裂,从而形成裂隙发育、储水能力强的理想人工热储层,比传统水力压裂效果更好,成本更低。
附图说明
图1为生产井组“三井模式”布置方式示意图。
图2为生产井组“五井模式”布置方式示意图。
图3为颗粒状干冰在干热岩层发生相态变化建造人工热储示意图。
图中:1-注水井,2-生产井,3-干冰压力泵,4-目标层,5-颗粒状干冰,6-压力传感器,7-裂隙,8-二氧化碳,9-二氧化碳流量检测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
本发明的具体实施的步骤为:
(1)在某干热岩地热开发区域,首先进行地质资料勘察,根据地热分布区域范围和干热岩地热梯度,确定最优生产井组布置为一口注水井1和四口生产井2(五井模式),注水井1与生产井2间距L=750m。
(2)在该干热岩开发区域,依次确定注入井1和生产井2位置,通过钻井施工至目标层4,深度为2500m,监测岩层温度为280℃,满足商业开发要求。
(3)通过干冰压力泵3向目标层4循环泵入充足颗粒状干冰5,对目标层实施垂直分段致裂,每段高度2.5m,共分4段。
(4)对目标层4实施颗粒状干冰5循环压裂,并且通过压力传感器6监控目标层环境压力P 0 ,通过干冰压力泵3调节注入干冰流量,保证目标层有足够破裂压力P t
(5)依次对生产进组中每口井实施上述(3)、(4)步骤。施工过程中,通过二氧化碳检测器9监测相邻钻井中二氧化碳8流量,来判别目标层4压裂效果,直至达到设计要求,停止压裂。
(6)上述压裂完成之后,通过注入井1泵入充足颗粒状干冰5,在井组间循环48小时,同时检测生产井2中二氧化碳流量V 0情况。有效避免裂隙7闭合,实现干热岩目标层4产生的裂隙7会扩展、贯通,最终形成渗透性强、热交换面积较大、裂隙发育的理想人工热储层。
(7)完成上述施工后,从注入井1注入大量的低温水(20℃-30℃),在人工热储层进行充分的热交换后,高温过热水从生产井2中排出,用于热水发电,实现地热提取。

Claims (2)

1.一种利用颗粒状干冰进行干热岩人工热储建造的方法,其特征在于,充分利用颗粒状干冰在目标层干热岩体内发生相态变化时吸热、体积膨胀压力增大、生成超临界二氧化碳,在干冰相态变化的整个过程中,干热岩体在温度差和压裂压力耦合作用下更容易产生体积破裂或丛式破裂,从而形成裂隙网络发育、具有更大热交换面积的人工热储层;
其具体实施的步骤为:
(1)在干热岩地热开发区域进行地质资料勘察,确定最优生产井组布置,该生产井组由注入井(1)和生产井(2)组成;根据地热区域范围和干热岩地热梯度进行井组布置,井组的布置方式有以下几种:一口注入井(1)和两口生产井(2),一口注入井(1)和四口生产井(3),注入井(1)与生产井(2)间距L=500-800m;
(2)在干热岩开发区域,确定最优生产井组布置形式,依次确定注入井(1)和生产井(2)位置,通过钻井施工至目标层(4),即温度在200℃以上的干热岩地层;
(3)通过干冰压力泵(3)向目标层(4)循环泵入颗粒状干冰(5),对目标层(4)实施垂直分段致裂,分段高度为每段2-5m,每段高度由钻井深度和所受地应力大小确定;
(4)为保证压裂效果,实施颗粒状干冰(5)循环压裂,并且通过压力传感器(6)监控目标层(4)环境压力P 0 ,通过干冰压力泵(3)调节注入颗粒状干冰(5)流量,保证环境压力P 0 大于岩层最小起裂压力P t
(5)依次对生产井组中每口井实施上述(3)、(4)步骤,施工过程中,通过二氧化碳检测器(9)监测相邻钻井中二氧化碳(8)流量V 0,来判别目标层(4)压裂效果,直至达到设计要求,停止压裂;
(6)上述压裂完成之后,通过注入井(1)泵入颗粒状干冰(5),在井组间循环24-48小时,同时检测生产井(2)中二氧化碳(8)流量,有效避免裂隙(7)闭合,实现干热岩目标层产生的裂隙(7)会扩展、贯通,最终形成渗透性强、热交换面积较大、裂隙发育的理想人工热储层;
(7)从注入井(1)注入低温水,低温水的温度为20℃-30℃,在人工热储层进行充分的热交换后,高温过热水从生产井(2)中排出,用于热水发电,实现地热提取。
2.根据权利要求1所述的一种利用颗粒状干冰进行干热岩人工热储建造的方法,其特征在于:所述步骤(3)、(4)、(6)中使用的颗粒状干冰(5)其粒度直径大小为2-4mm,其温度低于-78.5℃,通过井口设置的干冰压力泵(3)向目标层(4)泵入。
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