本發(fā)明涉及一種開發(fā)干熱巖的方法，尤其涉及一種采用雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳的方式開發(fā)干熱巖的方法，屬于地?zé)崮荛_發(fā)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國對(duì)能源的需求量日益擴(kuò)大。與此同時(shí)，傳統(tǒng)化石能源的資源枯竭和環(huán)境污染等問題日益突出，開發(fā)清潔可再生資源已成為世界各國的能源策略。

地?zé)崮?geothermalenergy)是由地殼抽取的天然熱能，這種能量來自地球內(nèi)部的熔巖，并以熱力形式存在，是引致火山爆發(fā)及地震的能量。地?zé)崮茏鳛橐环N清潔可再生新能源，具有儲(chǔ)量豐富、分布廣泛、低碳環(huán)保、易于開采和直接利用等優(yōu)點(diǎn)。因此，加快地?zé)豳Y源的高效開發(fā)利用，對(duì)緩解能源需求和大氣污染問題具有現(xiàn)實(shí)意義。

深層干熱巖資源(新興地?zé)崮茉?，一般指溫度大?00℃，埋深數(shù)千米，內(nèi)部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體)以其廣泛分布和高熱儲(chǔ)溫度的優(yōu)勢(shì)而更具開發(fā)潛力與前景，被認(rèn)為是地?zé)崮芪磥戆l(fā)展的重點(diǎn)目標(biāo)。

我國地?zé)豳Y源豐富，據(jù)國土資源部2015年數(shù)據(jù)顯示，全球5km以內(nèi)地?zé)豳Y源量約4900萬億噸標(biāo)煤，中國約占1/6。尤其是埋深在3-10km的干熱巖資源總量高達(dá)2.52×10²⁵j，相當(dāng)于860萬億噸標(biāo)煤，若按2％的可采儲(chǔ)量計(jì)算，等于中國2010年能源消耗總量的5300倍。在新的能源“十三五”規(guī)劃中，我國已將大力發(fā)展清潔能源作為今后節(jié)能減排的重頭戲。2017年2月發(fā)布的我國《地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》中亦強(qiáng)調(diào)：要積極開展干熱巖資源的勘查開發(fā)工作與發(fā)電試驗(yàn)，建立2-3個(gè)干熱巖勘查開發(fā)示范基地。因此，促進(jìn)干熱巖資源的開發(fā)利用對(duì)推動(dòng)我國可再生能源事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

干熱巖地層埋藏深，巖石十分致密，滲透率與孔隙度極小。因此在開發(fā)干熱巖中的地?zé)豳Y源時(shí)，必須通過大型水力壓裂改造儲(chǔ)層，形成換熱工質(zhì)的流動(dòng)通道。但目前的注采垂直對(duì)井的壓裂難度大，規(guī)模有限，不易形成有效溝通的體積縫網(wǎng)。

目前，水仍然是干熱巖資源開發(fā)的首選取熱介質(zhì)，因?yàn)槠渚哂懈邿崛荨⒏邔?dǎo)熱性等優(yōu)良熱力學(xué)性質(zhì)，并且儲(chǔ)量大、來源廣、安全性能高。但在地?zé)衢_發(fā)過程中，水易于地層巖石發(fā)生水巖反應(yīng)，從而損害地?zé)醿?chǔ)層，降低取熱效率，還會(huì)帶來管線結(jié)垢等嚴(yán)重問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種采熱效率高、壓裂難度低，不會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成損害的干熱巖開發(fā)方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供了一種雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法，該雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法包括以下步驟：

確定干熱巖儲(chǔ)層的頂部和底部的埋藏深度；

確定生產(chǎn)井和注入井的井點(diǎn)；

在生產(chǎn)井井點(diǎn)，鉆取生產(chǎn)井垂直井眼，垂直井眼至干熱巖儲(chǔ)層的頂部以下10m-15m，造斜并鉆取生產(chǎn)井水平井眼，完鉆后下入套管并注水泥漿固井；

在注入井井點(diǎn)，鉆取注入井垂直井眼，垂直井眼至干熱巖儲(chǔ)層的深度為100m-150m處，造斜并鉆取注入井水平井眼，完鉆后下入套管并注水泥漿固井；

對(duì)生產(chǎn)井水平井眼與注入井水平井眼進(jìn)行射孔，進(jìn)行分段壓裂；

將超臨界二氧化碳注入注入井內(nèi)，保證超臨界二氧化碳充足，維持循環(huán)排量，當(dāng)生產(chǎn)井產(chǎn)出的超臨界二氧化碳的溫度低于干熱巖儲(chǔ)層的溫度時(shí)，取熱結(jié)束，完成雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳對(duì)干熱巖的開發(fā)。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，取熱過程中，注入低溫超臨界二氧化碳的低溫前緣不斷向生產(chǎn)井推進(jìn)，取熱一段時(shí)間后，低溫前緣到達(dá)生產(chǎn)井，生產(chǎn)井產(chǎn)出的超臨界co2溫度低于干熱巖儲(chǔ)層的溫度，取熱結(jié)束。

在本發(fā)明的雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法中，根據(jù)地質(zhì)勘查，選取目標(biāo)干熱巖儲(chǔ)層，并按照本領(lǐng)域常規(guī)方式確定干熱巖儲(chǔ)層的頂部與底部的埋藏深度。

在本發(fā)明的雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法中，優(yōu)選地，確定生產(chǎn)井和注入井的井點(diǎn)時(shí)，使生產(chǎn)井的井點(diǎn)和注入井的井點(diǎn)的水平距離為1000m-1500m，具體距離由干熱巖區(qū)塊的尺寸決定。

在本發(fā)明的雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法中，優(yōu)選地，生產(chǎn)井垂直井眼采用保溫型水泥漿固井；更優(yōu)選地，所述保溫型水泥漿導(dǎo)熱系數(shù)小于0.5w/m·k。

在本發(fā)明的雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法中，優(yōu)選地，生產(chǎn)井水平井眼采用高導(dǎo)熱型水泥漿固井；更優(yōu)選地，所述高導(dǎo)熱型水泥漿導(dǎo)熱系數(shù)大于30w/m·k。

在本發(fā)明的雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法中，優(yōu)選地，注入井垂直井眼采用高導(dǎo)熱型水泥漿固井；更優(yōu)選地，所述高導(dǎo)熱型水泥漿的導(dǎo)熱系數(shù)大于30w/m·k。

在本發(fā)明的雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法中，優(yōu)選地，所述注入井水平井眼采用高導(dǎo)熱型水泥漿固井；更優(yōu)選地，所述高導(dǎo)熱型水泥漿的導(dǎo)熱系數(shù)大于30w/m·k。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，采用高導(dǎo)熱型水泥漿固井有利于井筒內(nèi)的超臨界二氧化碳與周圍地層進(jìn)行熱交換；采用保溫型水泥漿固井可以避免采出的高溫超臨界二氧化碳與周圍地層換熱，起到保溫作用。

在本發(fā)明的雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法中，優(yōu)選地，注入井水平井眼和生產(chǎn)井水平井眼在干熱巖儲(chǔ)層中處于同一平面內(nèi)，且在干熱巖儲(chǔ)層厚度方向上間距為100m-500m。具體間距由干熱巖儲(chǔ)層的厚度與溫度確定，既保證超臨界二氧化碳具有足夠長的取熱距離，避免低溫前緣過早到達(dá)生產(chǎn)井，從而縮短干熱巖儲(chǔ)層壽命；又要避免間距過大增加干熱巖儲(chǔ)層的壓裂難度，致使壓裂縫網(wǎng)無法有效溝通生產(chǎn)井水平井眼和注入井水平井眼。

在本發(fā)明的雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法中，優(yōu)選地，注入井水平井眼和生產(chǎn)井水平井眼的長度為1000m-1500m，且注入井水平井眼長度與生產(chǎn)井水平井眼長度相同。

在本發(fā)明的雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法中，優(yōu)選地，對(duì)生產(chǎn)井水平井眼與注入井水平井眼進(jìn)行射孔時(shí)，對(duì)生產(chǎn)井水平井眼下半部分進(jìn)行射孔，且射孔方向向下；對(duì)注入井水平井眼上半部分進(jìn)行射孔，且射孔方向向上。

在本發(fā)明的雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法中，優(yōu)選地，在生產(chǎn)井水平井眼和注入井水平井眼內(nèi)進(jìn)行分段壓裂時(shí)，壓裂液介質(zhì)采用超臨界二氧化碳。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，在生產(chǎn)井水平井眼和注入井水平井眼內(nèi)進(jìn)行分段壓裂，在干熱巖儲(chǔ)層中造出體積縫網(wǎng)，形成取熱介質(zhì)與儲(chǔ)層進(jìn)行熱交換的滲流通道，有效溝通注入井眼與生產(chǎn)井眼。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，在地面安裝生產(chǎn)井井口與注入井井口，并利用高壓管匯(氣體減壓輸出裝置)將生產(chǎn)井、注入井、高壓泵、換熱器和超臨界二氧化碳補(bǔ)給裝置連通，形成循環(huán)系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，超臨界二氧化碳的密度對(duì)溫壓條件敏感，在一定溫差下容易產(chǎn)生較大的密度差，形成較大浮升力。當(dāng)將低溫超臨界二氧化碳泵入注入井內(nèi)，超臨界二氧化碳由注入井水平井眼進(jìn)入干熱巖儲(chǔ)層，在儲(chǔ)層中的滲流通道內(nèi)，超臨界二氧化碳與干熱巖儲(chǔ)層進(jìn)行充分的熱交換，溫度升高，密度減小，產(chǎn)生向上的浮升力，沿著滲流通道向生產(chǎn)井水平井眼流動(dòng)，并流入生產(chǎn)井水平井眼內(nèi)；進(jìn)入生產(chǎn)井水平井眼的超臨界二氧化碳在浮力的作用下，經(jīng)生產(chǎn)井開采至地面，在地面將采出的高溫超臨界二氧化碳經(jīng)換熱器進(jìn)行熱交換，進(jìn)而通過熱交換獲得干熱巖熱量，然后將冷卻后的超臨界二氧化碳通過注入井再次泵入干熱巖儲(chǔ)層，如此往復(fù)循環(huán)，形成一個(gè)循環(huán)的開發(fā)干熱巖系統(tǒng)。在循環(huán)過程中，由于不斷有超臨界二氧化碳遺留在干熱巖儲(chǔ)層中，需要定期向循環(huán)系統(tǒng)補(bǔ)給超臨界二氧化碳，避免循環(huán)流量下降幅度過大。

本發(fā)明的雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法的采熱效率高，壓裂難度降低。在干熱巖儲(chǔ)層中鉆取雙水平井眼，可以擴(kuò)大井眼對(duì)儲(chǔ)層的控制體積，增大泄流面積，改善儲(chǔ)層導(dǎo)流能力，提高儲(chǔ)層的采熱效率。另外，利用雙水平在儲(chǔ)層中進(jìn)行分段體積壓裂，可避免雙直井長距離壓裂時(shí)無法有效溝通裂縫的難題，降低壓裂難度，通過分段體積壓裂形成的體積縫網(wǎng)，更容易溝通生產(chǎn)井與注入井的水平井眼。

本發(fā)明的雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法利用超臨界二氧化碳作為取熱工質(zhì)，能耗低。與水相比，超臨界二氧化碳黏度小，在干熱巖儲(chǔ)層中的滲流阻力小，循環(huán)取熱介質(zhì)所需要的能量小。超臨界二氧化碳的密度對(duì)溫壓條件敏感，在注采的溫差條件下容易引起較大的密度差，從而產(chǎn)生浮升力，作為自身循環(huán)取熱的驅(qū)動(dòng)力。

本發(fā)明的雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法采用的超臨界二氧化碳表面張力為零，容易滲入微裂縫內(nèi)，與儲(chǔ)層充分換熱，另外，利用該優(yōu)勢(shì)，在對(duì)干熱巖壓裂改造時(shí)，將超臨界二氧化碳作為壓裂液，其可以滲入微裂縫加速裂縫擴(kuò)展，降低壓裂改造難度。

本發(fā)明的雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法在開發(fā)過程中，部分二氧化碳遺留在地層中，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的地質(zhì)埋存。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1中的雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法的結(jié)構(gòu)圖。

圖2為實(shí)施例1中的雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法的另一結(jié)構(gòu)圖。

主要附圖符號(hào)說明

1干熱巖儲(chǔ)層2生產(chǎn)井3注入井4生產(chǎn)井水平井眼5注入井水平井眼6生產(chǎn)井垂直井眼7上覆非滲透層8套管9保溫型水泥漿10尾管11高導(dǎo)熱型水泥漿12注入井垂直井眼13炮眼14體積縫網(wǎng)15高壓管匯16高壓泵17換熱器18超臨界co2補(bǔ)給裝置19下部非滲透層

具體實(shí)施方式

為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行以下詳細(xì)說明，但不能理解為對(duì)本發(fā)明的可實(shí)施范圍的限定。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供了一種雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法，采用圖1和圖2所示的井網(wǎng)結(jié)構(gòu)，具體包括以下步驟：

(1)根據(jù)地質(zhì)勘查，選取目標(biāo)干熱巖儲(chǔ)層1，確定干熱巖儲(chǔ)層1的頂部與底部的埋藏深度，以確保生產(chǎn)井2和注入井3準(zhǔn)確鉆達(dá)儲(chǔ)層；

(2)在干熱巖儲(chǔ)層1對(duì)應(yīng)的地面選擇相距1500m的兩個(gè)井點(diǎn)，分別作為生產(chǎn)井2與注入井3的井口位置；

(3)根據(jù)區(qū)塊地質(zhì)資料，設(shè)計(jì)生產(chǎn)井2與注入井3的井身結(jié)構(gòu)，確保生產(chǎn)井水平井眼(鉆頭從地表鉆至完鉆井深所形成的地底與地表的井筒通道)4和注入井水平井眼5間距合理，在500m范圍，并且應(yīng)處于同一平面；

(4)在生產(chǎn)井2的井口，利用鉆頭鉆取生產(chǎn)井垂直井眼6，鉆穿上覆非滲透層7，直至干熱巖儲(chǔ)層1的頂部以下15m停鉆，下入套管8，并注入保溫型水泥漿9進(jìn)行固井；

(5)在生產(chǎn)井垂直井眼6中下入小一級(jí)尺寸的鉆頭和地質(zhì)導(dǎo)向工具，進(jìn)行造斜，并鉆取生產(chǎn)井水平井眼4，水平井眼長度為1500m，完鉆后下入尾管10并注入高導(dǎo)熱型水泥漿11固井；

(6)在注入井3的井口，利用鉆頭鉆取注入井垂直井眼12，鉆穿上覆非滲透層7，鉆達(dá)干熱巖儲(chǔ)層1的深度為500m停鉆，下入套管8，并注入高導(dǎo)熱型水泥漿11進(jìn)行固井；

(7)在注入井垂直井眼12中下入小一級(jí)尺寸的鉆頭和地質(zhì)導(dǎo)向工具，進(jìn)行造斜，并鉆取注入井水平井眼5，保證注入井水平井眼5與生產(chǎn)井水平井眼4的長度相同，注入井水平井眼5與下部非滲透層19的垂直距離為20m，完鉆后下入尾管10并注入高導(dǎo)熱型水泥漿11固井；

(8)利用射孔工具，在生產(chǎn)井水平井眼4下半部分向下射孔，形成炮眼13，在注入井水平井眼5上半部分進(jìn)行射孔，形成炮眼13；

(9)將超臨界co2作為壓裂液，在生產(chǎn)井水平井眼4和注入井水平井眼5內(nèi)進(jìn)行分段體積壓裂，在干熱巖儲(chǔ)層中造出體積縫網(wǎng)14，形成超臨界co2與儲(chǔ)層進(jìn)行熱交換的滲流通道，有效溝通生產(chǎn)井2與注入井3；

(10)在地面安裝生產(chǎn)井井口與注入井井口，并利用高壓管匯15將生產(chǎn)井2、注入井3、高壓泵16、換熱器17和超臨界co2補(bǔ)給裝置18連通，形成封閉的循環(huán)系統(tǒng)；

(11)在地面采用高壓泵16將低溫超臨界co2泵入注入井3內(nèi)，超臨界co2由注入井水平井眼5進(jìn)入干熱巖儲(chǔ)層1；儲(chǔ)層中的滲流通道內(nèi)，超臨界co2與干熱巖儲(chǔ)層1進(jìn)行充分熱交換，溫度升高，密度減小，產(chǎn)生向上的浮升力，沿著滲流通道向生產(chǎn)井水平井眼4流動(dòng)，并流入井眼內(nèi)；進(jìn)入生產(chǎn)井水平井眼4的超臨界co2在浮力的作用下，經(jīng)生產(chǎn)井2開采至地面，在地面將采出的高溫超臨界co2經(jīng)換熱器17進(jìn)行熱交換，然后利用高壓泵16將冷卻后的超臨界co2通過注入井3再次泵入干熱巖儲(chǔ)層1，完成超臨界co2循環(huán)換熱，在取熱過程中，定期通過超臨界co2補(bǔ)給裝置18為系統(tǒng)補(bǔ)充超臨界co2，維持循環(huán)排量，當(dāng)生產(chǎn)井產(chǎn)出的超臨界二氧化碳的溫度低于干熱巖儲(chǔ)層的溫度時(shí)，取熱結(jié)束，完成雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳對(duì)干熱巖的開發(fā)。

以上實(shí)施例說明，本發(fā)明的雙水平井循環(huán)超臨界二氧化碳開發(fā)干熱巖的方法將雙水平井技術(shù)引用到干熱巖資源的開發(fā)中，發(fā)揮雙水平井技術(shù)泄流面積大、儲(chǔ)層改造難度小的優(yōu)勢(shì)；并將超臨界co2作為取熱工質(zhì)，解決水作為取熱工質(zhì)時(shí)引起的儲(chǔ)層損害與結(jié)垢問題，實(shí)現(xiàn)干熱巖的高效開發(fā)，推動(dòng)我國地?zé)崮苄袠I(yè)的快速發(fā)展。