一种延长热突破时间的干热岩开采系统及开采方法

1.本发明涉及干热岩开采技术领域，尤其涉及一种延长热突破时间的干热岩开采系统及开采方法。


背景技术：

2.地热能作为一种稳定可再生清洁能源已经受到世界各国的广泛关注。地热能按温度和深度特征可分为浅层地热、中深层水热型地热和干热岩型地热。其中地热资源中绝大多数为干热岩型地热资源，干热岩温度范围在150℃-650℃，赋存在地下3-10km的高温高压环境中。目前研究发现，当干热岩生产井温度降低10℃或降低10％时，再进行干热岩开采不符合发电温度需求，该时间点为热突破时间，通常用热突破时间衡量干热岩热储寿命。
3.现有技术往往利用增强型地热系统开发干热岩，在开采过程中需要不断泵注低温流体冷却干热岩储层，迅速冷却的干热岩储层会导致生产井温度降低发生热突破。干热岩储层岩石基质十分致密，没有有效的换热通道，需要通过水压致裂的方式形成人造缝网，利用低温换热工质对流换热进行热能开采，目前的垂直对井系统，井点选择时地表占地面积大，换热效率较低，通过压裂形成的裂隙走向不易控制。
4.因此，希望有一种延长热突破时间的干热岩开采系统及开采方法能够解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

5.(一)要解决的技术问题
6.鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种延长热突破时间的干热岩开采系统及开采方法，减缓干热岩生产井温度降低的速度，延长干热岩开采的热突破时间，充分利用干热岩热能进行热储发电。本发明延长热突破时间的干热岩开采系统采用竖直井与水平井结合的结构，且本发明生产井在注入井上部。
7.水平井与竖直井结构相比，水平井压裂干热岩能够增大压裂范围且压裂裂隙与井筒结构连通程度较高，增大了泵注于人造干热岩热储中低温换热流体与干热岩的热交换面积，使得低温换热流体能够被充分加热进而减缓生产井降温速度；
8.生产井位于注入井上部，流体换热路径加长且沿途能吸收更多热能，使得生产井温度更不容易降低。
9.注入井在地下钻进分支井，确保注入井水平井筒与生产井水平井筒之间形成井距并最大程度减少地表占地面积。
10.本发明采用间歇开采的采热方法，与传统连续开采相比，间歇开采在用电的低谷期停止低温流体的注入，在此期间，在地温作用下干热岩热储将得到热能补充，进而减缓在整个开采周期内生产井降温速度。
11.(二)技术方案
12.为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
13.提供了一种延长热突破时间的干热岩开采系统，其特征在于：所述干热岩开采系统包括：生产井、注入井、第一热交换器、发电组件和冷却组件；
14.生产井的井口通过抽采泵连接第一热交换器的高温流体入口，第一热交换器的低温流体出口连接注入井的井口；
15.第一热交换器的高温热交换工质出口连接发电组件的热交换工质入口，发电组件的热交换工质出口连接冷却组件的高温热交换工质入口；冷却组件对来自发电组件的高温热交换工质进行冷却处理，形成低温热交换工质，冷却组件的低温热交换工质出口连接第一热交换器的低温热交换工质入口；
16.其中，生产井包括生产井垂直井筒段和生产井水平井筒段，注入井包括注入井垂直井筒段、注入井分支井筒段和注入井水平井筒段水平井筒段的布置方向为最小水平主应力方向；生产井水平井筒段出口设置在干热岩储层压裂区上部，注入井水平井筒段出口设置在干热岩储层压裂区下部；生产井水平井筒段和注入井水平井筒段均设置压裂射孔，所述压裂射孔形成的裂隙网络使得人造干热岩热储连通生产井和注入井。
17.本发明采用地下竖直井与水平井结合的井网结构，增大泵注于热储中的低温换热流体与高温干热岩的热交换面积；并且本发明结合间歇采热的方法，保证干热岩热能得到充分补充，进而延长干热岩开采的热突破时间。
18.可选的，所述生产井垂直井筒段包括第一垂直井筒；所述生产井水平井筒段包括第一水平井筒，第一垂直井筒的出口连接第一水平井筒的入口；
19.所述第一垂直井筒的出口位于所述干热岩储层压裂区上部。
20.可选地，所述注入井垂直井筒段包括第二垂直井筒；所述注入井分支井筒段包括第一分支井筒和第二分支井筒；所述注入井水平井筒段包括第二水平井筒和第三水平井筒；第二垂直井筒的出口分别连接第一分支井筒的入口和第二分支井筒的入口，第一分支井筒的出口连接第二水平井筒的入口，第二分支井筒的出口连接第三水平井筒的入口；
21.所述第二垂直井筒的出口位于干热岩储层上部盖层，所述第一分支井筒的出口和第二分支井筒的出口在同一水平面，且位于干热岩储层压裂区下部。
22.可选地，所述第一水平井筒以第一预设间隔设置朝向第二水平井筒或第三水平井筒的第一压裂射孔，所述第二水平井筒以第二预设间隔设置朝向第一水平井筒的第二压裂射孔，所述第三水平井筒以第三预设间隔设置朝向第一水平井筒的第三压裂射孔。
23.可选地，所述第一压裂射孔、第二压裂射孔和第三压裂射孔使用高压压裂液进行压裂，所述高压压裂液为水、超临界二氧化碳或液氮。
24.可选地，所述发电组件包括涡轮机和发电装置，发电组件的热交换工质入口和热交换工质出口均设置在涡轮机上，高温热交换工质驱动涡轮机转动，进而涡轮机带动发电装置发电。
25.可选地，所述干热岩开采系统还包括地下换热流体补给装置和注入泵，地下换热流体补给装置通过注入泵连接注入井的井口。
26.所述热交换器采用双螺旋式管道延长热交换路径，增加所述热交换器内的高温流体与低温热交换工质接触时间，提供热交换率。
27.所述热交换工质为沸点36℃的戊烷。
28.一种延长热突破时间的干热岩开采方法，采用所述的延长热突破时间的干热岩开
采系统，所述方法包括：
29.s1：根据地质勘探选取目标干热岩储层，确定目标干热岩储层的赋存深度范围、地质背景和地应力条件；
30.s2：确定注入井与生产井的地表井口位置和绝对距离；
31.s3：使用钻机分别从生产井的井口位置和注入井的井口位置进行钻进操作以形成生产井和注入井，完钻后进行固井施工；
32.s4：利用射孔工具，在注入井水平井筒段和生产井水平井筒段进行预设射孔，射孔形成后在生产井和注入井中置入封隔器和高压压裂液进行压裂，形成人造干热岩热储连通生产井和注入井，压裂完成后向压裂形成的裂隙网络注入支撑剂；
33.s5：将换热流体工质注入到注入井中，在生产井中进行抽采，地热开采以预设的间歇开采方式运行，地热开采时抽采泵从生产井的井口抽采高温流体，高温流体流入第一热交换器中与低温液态热交换工质进行热交换，形成低温流体，低温流体流入注入井的井口；低温液态热交换工质在第一热交换器中被加热，形成气态高温热交换工质，气态高温热交换工质驱动发电组件进行发电后进入冷却组件进行冷却处理，形成低温液态热交换工质，再次进入第一热交换器，形成持续发电循环。
34.可选地，在步骤s1中包括：确定水平最大和最小主应力方向、以及干热岩储层顶部与底部的赋存深度。
35.可选地，在步骤s3中包括：
36.s31：使用钻机从生产井的井口位置钻进生产井垂直井筒段至干热岩储层压裂区上部，然后横向钻进生产井水平井筒段，完成生产井钻井；
37.s32：使用钻机从注入井的井口位置钻进注入井垂直井筒段至干热岩储层上部盖层，然后向下分别钻进两个分支井筒段直至干热岩储层压裂区下部，两个分支井筒段的底部在同一水平面，钻机分别沿两个分支井筒段横向钻进注入井水平井筒段，完成注入井钻井。
38.(三)有益效果
39.本发明的有益效果是：本发明提供一种延长热突破时间的干热岩开采系统及开采方法，减缓干热岩生产井温度降低的速度，延长干热岩开采的热突破时间，充分利用干热岩热能进行热储发电，相对于现有技术而言，其具有以下有益效果：
40.1.与传统干热岩开采系统相比，本发明采用地下竖直井与水平井结合的井网结构，增大泵注于人造干热岩热储中的低温换热流体与高温干热岩的热交换面积，且能显著减少地表占地面积。
41.2.与传统干热岩连续采热方式相比，本发明以间歇采热的方式，保证干热岩热能得到充分补充，进而延长干热岩开采的热突破时间。
42.3.与传统干热岩开采系统相比，本发明通过地表的双螺式管道热交换器，增加热交换器内的高温流体与低温热交换工质接触时间，提高热交换率。
43.4.与传统干热岩开采系统相比，本发明选用低沸点的热交换工质，增大由气体膨胀所产生驱动涡轮机组切割磁感线的驱动能，提高热电转换效率。
附图说明
44.图1为本发明延长热突破时间的干热岩开采系统地表上方的简图；
45.图2为本发明延长热突破时间的干热岩开采系统地表下方的简图；
46.图3为本发明生产井及注入井的简图。
47.图4为不同开采间歇时间与生产井温度的对比图。
48.【附图标记说明】
49.1：生产井；2：注入井；3：抽采泵；4：注入泵；5：第一热交换器；6：第二热交换器；7：涡轮机；8：发电装置；9：冷却装置；10：地下换热流体工质补给装置；11：干热岩储层上部盖层；12：干热岩储层压裂区。
具体实施方式
50.为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
51.本发明实施例提出采用地下竖直井与水平井结合的井网结构，增大泵注于热储中的低温换热流体与高温干热岩岩的热交换面积；以间歇采热的方式，保证干热岩热能得到充分补充，进而延长干热岩开采的热突破时间；通过地表的双螺式管道热交换器，增加热交换器内的高温流体与低温热交换工质接触时间，提高热交换率；选用低沸点的热交换工质，增大由气体膨胀所产生驱动涡轮机组切割磁感线的驱动能，提高热电转换效率。
52.为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
53.如图1-3所示，本发明延长热突破时间的干热岩开采系统的生产井1包括第一垂直井筒和第一水平井筒，第一垂直井筒的出口连接第一水平井筒的入口，第一垂直井筒的出口位于干热岩储层上部盖层11。注入井2包括第二垂直井筒、第一分支井筒、第二分支井筒、第二水平井筒和第三水平井筒，第二垂直井筒的出口分别连接第一分支井筒的入口和第二分支井筒的入口，第一分支井筒的出口连接第二水平井筒的入口，第二分支井筒的出口连接第三水平井筒的入口；所述第二垂直井筒的出口位于干热岩储层上部盖层11，所述第一分支井筒的出口和第二分支井筒的出口在同一水平面，且位于干热岩储层压裂区12下部。
54.干热岩开采方法包括：根据地质勘探选取目标干热岩储层，选取目标干热岩储层压裂区12中部，获取干热岩场地地应力大小和分布信息，确定干热岩储层上部盖层11、干热岩储层压裂区12中部和干热岩储层压裂区12下部的埋藏深度，通常储层赋存深度在地下3-10km，确定生产井1和注入井2水平井段的钻井方向，确保生产井1和注入井2准确钻进至目标干热岩储层。
55.在目标干热岩储层对应的地表选择水平距离为20m-50m的两个井点，分别作为生产井1和注入井2的井口位置。具体距离可由干热岩区块的尺寸决定。
56.在生产井1的井口位置，利用钻机钻进生产井1的第一垂直井筒段并钻至干热岩储层上部盖层11，第一垂直井筒段的目标深度位于干热岩储层下部非渗透层13上部，达到目标深度后改变钻头钻进方向，钻进方向为最大水平主应力方向，钻取生产井1的第一水平井
筒段，第一水平井筒长度为1000m左右，完成钻井后进行固井施工。
57.在注入井2的位置，利用钻机钻进注入井2的第二垂直井筒段到目标深度后改变钻进方向，定向钻进第一分支井筒和第二分支井筒，并钻穿干热岩储层上部盖层11，最终钻井至干热岩储层压裂区12下部，两分支井底部距离为600-800m，并处在同一水平面，达到目标深度后改变钻头钻进方向，钻进方向为最小水平主应力方向，钻取注入井2的第二水平井筒和第三水平井筒，注入井2的水平井段在生产井1水平井段下方600-800m，第二水平井筒和第三水平井筒的长度为1000m左右，完成钻井后进行固井施工。
58.利用射孔工具，在生产井1的第一水平井筒段的两侧以固定间隔打生产井射孔，生产井射孔分别朝向注入井2的第二水平井筒和第三水平井筒；在注入井2的第二水平井筒以固定间隔打注入井第一射孔，注入井第一射孔朝向生产井1的第一水平井筒段；在注入井2的第三水平井筒以固定间隔打注入井第二射孔，注入井第二射孔朝向生产井1的第一水平井筒段；射孔形成后在生产井1和注入井2中放入封隔器并注入高压压裂液，压裂液选择水、超临界二氧化碳或者液氮。在射孔段进行分段压裂改造形成人造干热岩热储连通生产井1和注入井2，压裂完成后利用环保且成本低廉的支撑剂注入至压裂形成的裂隙网络中，人造干热岩热储改造后进行循环注采实验，最后在地表监测采出流体的温度和压力是否符合要求。
59.在地热开采运行阶段，生产井1采出高温流体进行热电转换形成采热-发电-回灌循环，有效发电温度范围在130℃及以上。开采运行时换热流体工质通过注入泵4注入到注入井2中，生产井1利用抽采泵3进行抽采高温换热流体工质，通过抽采泵3开采的高温流体，流入第一热交换器5中，第一热交换器5采用双螺旋式管道进行热交换并延长热交换路径，提高热交换率充分开采热能。在第一热交换器5中采用热交换工质(低沸点戊烷，沸点36℃)与采出的高温流体进行热交换，当热交换工质被加温后由液态转化为气态，利用气体的动能驱动涡轮机7带动发电装置8切割磁感线进行发电，最终通过电缆将电能输送至用户。高温热交换工质驱动涡轮机7后利用冷却装置9在第二热交换器6中对高温热交换工质进行冷却处理，冷却完成的热交换工质再与采出的高温流体进行热交换形成持续发电循环，此系统不提取在人造干热岩热储中进行换热的换热流体工质。在地表安装地下换热流体工质补给装置10，补充低温换热流体工质，通过注入泵4将换完热的流体工质和补充的流体工质一同注入至注入井2中，形成注采循环，当生产井1采出温度不符合当前经济合理的发电温度时，停止干热岩热储的热能开采，最终完成深部干热岩的热能开发。
60.根据本发明的具体实施方式，在干热岩热能开采的过程中，进行注采循环时热能提取大于热能恢复，使得注入井周围热储温度逐渐降低形成冷锋面，随着开采的持续进行冷锋面逐渐漫延至生产井造成生产井温度降低。当生产井温度降低至发电合理阈值时，认为发生了热突破，采热结束。
61.本发明采取间歇开采的方式进行地热资源的开采，在用电高峰季节采热发电，低谷季节热储停采恢复，例如处于用电高峰期的夏季为必须开采时间段，具体间歇开采方案由实际干热岩电站的需求决定。如图4所示，采用不同间歇开采下生产井温度随开采时间的演化规律图，从图中可以看出随着间歇时间的增长生产井温度降低得越缓慢。

技术特征：
1.一种延长热突破时间的干热岩开采系统，其特征在于：所述干热岩开采系统包括：生产井、注入井、第一热交换器、发电组件和冷却组件；生产井的井口通过抽采泵连接第一热交换器的高温流体入口，第一热交换器的低温流体出口连接注入井的井口；第一热交换器的高温热交换工质出口连接发电组件的热交换工质入口，发电组件的热交换工质出口连接冷却组件的高温热交换工质入口；冷却组件对来自发电组件的高温热交换工质进行冷却处理，形成低温热交换工质，冷却组件的低温热交换工质出口连接第一热交换器的低温热交换工质入口；其中，生产井包括生产井垂直井筒段和生产井水平井筒段，注入井包括注入井垂直井筒段、注入井分支井筒段和注入井水平井筒段；生产井水平井筒段出口设置在干热岩储层压裂区上部，注入井水平井筒段出口设置在干热岩储层压裂区下部；生产井水平井筒段和注入井水平井筒段均设置压裂射孔，所述压裂射孔形成的裂隙网络使得人造干热岩热储连通生产井和注入井。2.根据权利要求1所述的一种延长热突破时间的干热岩开采系统，其特征在于：所述生产井垂直井筒段包括第一垂直井筒；所述生产井水平井筒段包括第一水平井筒，第一垂直井筒的出口连接第一水平井筒的入口；所述第一垂直井筒的出口位于所述干热岩储层压裂区上部。3.根据权利要求2所述的一种延长热突破时间的干热岩开采系统，其特征在于：所述注入井垂直井筒段包括第二垂直井筒；所述注入井分支井筒段包括第一分支井筒和第二分支井筒；所述注入井水平井筒段包括第二水平井筒和第三水平井筒；第二垂直井筒的出口分别连接第一分支井筒的入口和第二分支井筒的入口，第一分支井筒的出口连接第二水平井筒的入口，第二分支井筒的出口连接第三水平井筒的入口；所述第二垂直井筒的出口位于干热岩储层上部盖层，所述第一分支井筒的出口和第二分支井筒的出口在同一水平面，且位于干热岩储层压裂区下部。4.根据权利要求3所述的一种延长热突破时间的干热岩开采系统，其特征在于：所述第一水平井筒以第一预设间隔设置朝向第二水平井筒或第三水平井筒的第一压裂射孔，所述第二水平井筒以第二预设间隔设置朝向第一水平井筒的第二压裂射孔，所述第三水平井筒以第三预设间隔设置朝向第一水平井筒的第三压裂射孔。5.根据权利要求4所述的一种延长热突破时间的干热岩开采系统，其特征在于：所述第一压裂射孔、第二压裂射孔和第三压裂射孔使用高压压裂液进行压裂，所述高压压裂液为水、超临界二氧化碳或液氮。6.根据权利要求1所述的一种延长热突破时间的干热岩开采系统，其特征在于：所述发电组件包括涡轮机和发电装置，发电组件的热交换工质入口和热交换工质出口均设置在涡轮机上，高温热交换工质驱动涡轮机转动，进而涡轮机带动发电装置发电。7.根据权利要求8所述的一种延长热突破时间的干热岩开采系统，其特征在于：所述干热岩开采系统还包括地下换热流体补给装置和注入泵，地下换热流体补给装置通过注入泵连接注入井的井口。8.一种延长热突破时间的干热岩开采方法，其特征在于：所述方法采用如权利要求1-7中任一项所述的延长热突破时间的干热岩开采系统，所述方法包括：
s1：根据地质勘探选取目标干热岩储层，确定目标干热岩储层的赋存深度范围、地质背景和地应力条件；s2：确定注入井与生产井的地表井口位置和绝对距离；s3：使用钻机分别从生产井的井口位置和注入井的井口位置进行钻进操作以形成生产井和注入井，完钻后进行固井施工；s4：利用射孔工具，在注入井水平井筒段和生产井水平井筒段进行预设射孔，射孔形成后在生产井和注入井中置入封隔器和高压压裂液进行压裂，形成人造干热岩热储连通生产井和注入井，压裂完成后向压裂形成的裂隙网络注入支撑剂；s5：将热储换热流体注入到注入井中，在生产井中进行抽采，地热开采以预设的间歇开采方式运行，地热开采时抽采泵从生产井的井口抽采高温流体，高温流体流入第一热交换器中与低温液态热交换工质进行热交换，形成低温流体，低温流体流入注入井的井口；低温液态热交换工质在第一热交换器中被加热，形成气态高温热交换工质，气态高温热交换工质驱动发电组件进行发电后进入冷却组件进行冷却处理，形成低温液态热交换工质，再次进入第一热交换器，形成持续发电循环。9.如权利要求8所述的延长热突破时间的干热岩开采方法，其特征在于：在步骤s1中包括：确定水平最大和最小主应力方向、以及干热岩储层顶部与底部的赋存深度。10.如权利要求9所述的延长热突破时间的干热岩开采方法，其特征在于：在步骤s3中包括：s31：使用钻机从生产井的井口位置钻进生产井垂直井筒段至干热岩储层压裂区上部，然后横向钻进生产井水平井筒段，完成生产井钻井；s32：使用钻机从注入井的井口位置钻进注入井垂直井筒段至干热岩储层上部盖层，然后向下分别钻进两个分支井筒段直至干热岩储层压裂区下部，两个分支井筒段的底部在同一水平面，钻机分别沿两个分支井筒段横向钻进注入井水平井筒段，完成注入井钻井。

技术总结
本发明涉及一种延长热突破时间的干热岩开采系统及开采方法，生产井的井口通过抽采泵连接第一热交换器的高温流体入口，第一热交换器的低温流体出口连接注入井的井口；第一热交换器的高温热交换工质出口连接发电组件的热交换工质入口，发电组件的热交换工质出口连接冷却组件的高温热交换工质入口；冷却组件的低温热交换工质出口连接第一热交换器的低温热交换工质入口；生产井包括生产井垂直井筒段和生产井水平井筒段，注入井包括注入井垂直井筒段、注入井分支井筒段和注入井水平井筒段；生产井水平井筒段和注入井水平井筒段均设置压裂射孔。本发明使用间歇开采方式延长了干热岩的热突破发生时间，增加干热岩热储寿命并提高了热储发电量。了热储发电量。了热储发电量。


技术研发人员：刘造保 吴名 于湛 覃渝 王厚宇
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2023.01.30
技术公布日：2023/5/13