一种地压地热系统气水同采防气窜设计与完井方法 |
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| 申请号 | CN201710130828.2 | 申请日 | 2017-03-06 | 公开(公告)号 | CN106837263A | 公开(公告)日 | 2017-06-13 |
| 申请人 | 中国石油集团钻井工程技术研究院; 中国石油大学(北京); | 发明人 | 查永进; 任威严; 刘明鑫; 杜世亮; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种地压地热系统气 水 同采防气窜设计与完井方法，其特点主要包括：表层 套管 、技术套管、气密封套管、油管、封隔器、桥塞、压 力 测量装置和安全密封 阀 门 。气水在封隔器下部的流动通道为：水在油管内流动，气在油管与气密封套管之间的环形空间产内流动；当气水流经封隔器和桥塞后，水通过内孔眼进入封隔器上部的油管与技术套管之间的环形空间，产出的高温水进行热交换发电； 天然气 通过压力测量装置的测量，在压力增大到一定值时，安全密封阀门打开，天然气通过外孔眼进入桥塞上部的油管，当压力低于一定值时，安全密封阀门关闭，循环往复，采出的天然气通过燃烧 锅炉 发电。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种地压地热系统气水同采防气窜设计与完井方法，主要由表层套管、技术套管、气密封套管、油管、封隔器、桥塞、压力测量装置、安全密封阀门组成，其特征在于：所述桥塞安装在油管内部，封隔器安装在油管与气密封套管形成的环形空间内部，桥塞与封隔器安装在同一深度位置；在所述封隔器位置处开有外孔眼和内孔眼；压力测量装置安装在油管与气密封套管形成的环形空间中且位于封隔器下部；气密封套管下入到所述地热储层中，气密封套管下入位置在所述地热储层上部；油管下入位置在所述地热储层下部。 |
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| 说明书全文 | 一种地压地热系统气水同采防气窜设计与完井方法技术领域[0001] 本发明涉及地热开采技术领域，具体涉及一种地压地热系统气水同采防气窜设计与完井方法。 背景技术[0002] 资源与环境是人类赖以生存、繁衍和发展的基本条件，资源环境与可持续发展已成为人类共同面临的重大问题。相对于煤、石油、天然气等不可再生化石资源给环境带来的污染，地热资源作为一种清洁、低碳、安全、高效的可再生能源，在资源紧缺的今天引起我们更大的重视。 [0003] 地热资源是指在当前技术经济和地质环境条件下，能够从地壳内科学、合理地开发出来的岩石中的热能量、地热流体中的热能量及其伴生的有用组分。地热能是储存在地球内部的热量，一方面来源于地球深处的高温融溶体，另一方面源于放射性元素的衰变。地热能按属性可分为4种类型：(1)水热型，即地球浅处(地下100m-4500m)所见到的高温热水或水热蒸汽；(2)地压地热能，即在某些大型沉积盆地深处(地下3km-6km)存在着的高温高压流体，其中含有大量甲烷气体；(3)干热岩地热能，乃由于特殊地质条件造成高温但少水甚至无水的干热岩体，需用人工注水的办法才能将其热能取出；(4)岩浆热能，即储存在高温(700℃-2000℃)熔融岩浆体中的巨大热能，但如何开发利用目前仍处于探索阶段。在上述4类地热能中，只有第1类水热型地热资源已达到商业开发利用阶段。 [0004] 地压地热能与水热型地热能的主要区别在于这种资源具有较高的压力，同时含有溶解气体，溶解气体的主要成分为甲烷。甲烷在标准温度与压力条件下相对来说很难溶解在水中，但其在水中的溶解度随着压力的增加而快速上升。例如，当在井深2400米处，甲烷在水中溶解度为地面的100倍，因此地压地热能包含有高温水热能和可燃烧的甲烷气体，我们可以开发和利用。 [0005] 我们称地压地热能的开采为地压地热系统，因地压地热能的特殊储存方式决定了其开采方法与水热型有较大不同，水热型地热系统开发中只需要将地下高温的热水开采到地面，而地压地热系统开发中既要将地下的高温热水开采到地面，又要将地下的甲烷气体开采到地面。若用开采普通水热型地热系统的方法来开采地压地热系统，则会将地下的水和甲烷通过一个管道同时采出地面，气水混合物同时到达地面后不但需要进行分离等措施，而且存在甲烷气体燃烧爆炸的危险，因此，我们需要提出一套专门针对地压地热系统的开采方法。 [0006] 基于以上分析，本发明专利设计了一种地压地热系统气水同采防气窜设计与完井方法，该成井方法只需要钻一口井，井身结构下部分别有桥塞安装在油管内以及封隔器安装在油管与气密封套管形成的环形空间中，在封隔器下部井眼中，热水在油管中流动，气体在油管与气密封套管之间的环形空间中流动，通过封隔器时水和气体的流动通道改变，即在封隔器上部井眼中，气体在油管中流动，热水在油管与技术套管之间的环形空间中流动，该设计避免了气体在油管与技术套管之间的环形空间中流动时泄露的可能，大大降低了对技术套管的密封性的要求，降低了生产成本，同时实现对地热能的安全、高效、可持续、低成本的开发和利用。 发明内容[0007] 本发明的目的在于为地压地热系统提供一种地压地热系统气水同采防气窜设计与完井方法，以此更加高效地开发利用地热资源。 [0008] 为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案： [0009] 一种地压地热系统气水同采防气窜设计与完井方法主要由表层套管、技术套管、气密封套管、油管、封隔器、桥塞、压力测量装置和安全密封阀门组成。 [0010] 本发明开发地压地热能的井型为直井，直井为石油开发领域与地平线垂直钻入地层的井。所述直井为二开结构，下入顺序为表层套管、技术套管、气密封技术套管、油管、封隔器和桥塞；在井下一定深度位置处，在油管与气密封套管之间的环形空间下入封隔器，在同样位置处向油管内下入桥塞，封隔器与桥塞在井下相同位置将油管内外环境的上下部分良好的分隔；从油管下入射孔工具向油管与气密封套管之间的环形空间射孔，在横截面上射四个孔，分别为两个内孔眼，两个外孔眼，每相邻的两孔眼成90°，孔眼与油管壁轴向成30°；外孔眼有两个，内径相同，从下向上外孔眼依次穿过封隔器、油管、桥塞；内孔眼有两个，内径相同，从下向上内孔眼依次穿过桥塞、油管、封隔器；该直井井身结构特点在于油管下入地层深度比气密封套管更深，气密封套管下入到所述地热储层上部，油管下入到地热储层下部，油管下入深度与气密封技术套管下入深度的差别由地热储层厚度决定。 [0011] 压力测量装置安装在油管与气密封套管形成的环形空间中且位于封隔器下部，安全密封阀门安装在两个外孔眼内，对油管与气密封套管之间的环形空间和油管之间的连通进行封隔控制，压力测量装置和安全密封阀门通过电缆连接，通过压力测量装置对安全密封阀门进行控制开关。 [0012] 在地压地热系统中，气体溶解于水中，当钻井钻开地压地热储层时地层压力降低，气体从水中缓慢析出，形成的小气泡慢慢上浮，使得气体慢慢上浮到地热储层上部，地热储层下部的水中的溶解气体全部析出，储层下部是水，储层上部则是气水混合物。 [0013] 在气水同层开采时，在桥塞下部位置，地层中的水通过油管向上流动，达到桥塞位置时，水通过两个内孔眼进入上部的油管与技术套管之间的环形空间，即内孔眼改变了水的流动方向，由内层的油管流向油管与技术套管之间的环形空间，经由油管与技术封套管之间的环形空间源源不断采出地面，采出水进行热交换发电。 [0014] 在气水同层开采时，气体从地层水中析出，由于地层压力作用，在开始阶段，油管与技术套管之间的环形空间中充满了气水混合物，但随着溶解气解析的进行，形成的气泡缓慢上浮到油管与气密封技术套管之间的环形空间，此时油管与气密封技术套管之间环形空间的上部通过安全密封阀门密封，则气体在油管与气密封技术套管之间的环形空间中缓慢累积，随着所述环形空间中的气体不断增多，，环形空间内的压力也不断增大，油管与气密封技术套管之间的环形空间中的气体将油管与气密封技术套管之间的环形空间中的水缓慢向下挤压，即气体将水挤压到环空外部。假设封隔器安装深度为h，假设气密封技术套管下去深度为H，根据地层压力计算原理和压力计算公式知：当油管与气密封技术套管之间的环形空间中全是水时，封隔器处压力P1＝ρgh；当油管与气密封技术套管之间的环形空间中全是气体时，封隔器处压力P2＝ρgH。 [0015] 随着气体在油管与气密封技术套管之间的环形空间中不断累积，所述环空中的压力不断增加，由于封隔器处安装有压力测量装置，当压力测量装置测量到的压力为P2＝ρgH时，所述环形空间中充满气体，压力测量装置将信号通过电缆传递到安装在外孔眼内的安全密封阀门，安全密封阀门接收到P2＝ρgH的信号时，安全密封阀门打开，油管与气密封技术套管之间的环形空间中的气体通过外孔眼进入油管内，气体通过油管采出到地面，进行燃烧发电。 [0016] 随着油管与气密封技术套管之间的环形空间中的气体通过外孔眼不断进入油管，所述环空中的压力不断降低，当压力降低到P1＝ρgh时，油管与气密封技术套管之间的环形空间中再次充满液体，此时压力测量装置将信号通过电缆传递到安装在外孔眼内的安全密封阀门，安全密封阀门接收到P1＝ρgh的信号时，安全密封阀门关闭。安全密封阀门关闭后，气体又会在油管与气密封技术套管之间的环形空间中再次累积，进行下一次的循环，通过安全密封阀门不断的关闭与打开，将地层气体通过油管不断的开采到地面。 [0017] 通过本发明设计，有如下技术优点：(1)套管是一段一段通过丝扣连接起来的，因为气体在所述环形空间中压力大易泄漏和气窜，对技术套管的强度、气密封性能和连接丝扣要求较高，提高了地热开采成本，通过本发明上述的技术原理叙述，本设计在封隔器位置处改变了气水的原有流动通道，气体从油管与技术套管之间的环形空间中通过外孔眼进入油管，油管是连续的钢管，不存在气密封要求，水从油管通过内孔眼进入油管与技术套管之间的环形空间，水在油管与技术套管之间的环形空间流动时，对技术套管的强度、气密封性能和连接丝扣要求较低，该发明会显著降低地压地热系统的开采成本。(2)本发明将易泄漏和气窜的气体由原来在油管与技术套管之间的环形空间中流动，改为在油管中流动，极大的降低的气体泄漏和气窜后燃烧爆炸的风险。附图说明 [0018] 附图1为本发明的结构示意图。 [0019] 附图2为本发明的横截面示意图。 [0020] 图中标号：1表层套管、2技术套管、3气密封套管、4油管、5封隔器、6桥塞、7压力测量装置、8安全密封阀门、9地面、10电缆、11外孔眼、12内孔眼、13水泥、14油管与气密封技术套管之间的环形空间。 具体实施方式[0021] 以下结合附图1，详细说明本发明，如下： [0022] 一种地压地热系统气水同采防气窜设计与完井方法主要由表层套管1、技术套管2、气密封套管3、油管4、封隔器5、桥塞6、压力测量装置7、安全密封阀门8、地面9、电缆10、外孔眼11、内孔眼12、水泥13、油管与气密封技术套管之间的环形空间14组成。 [0023] 本发明开发地压地热能的井型为直井，直井为石油开发领域与地平线垂直钻入地层的井。所述直井为二开结构，下入顺序为表层套管1、技术套管2、气密封技术套管3、油管4、封隔器5和桥塞6；在井下一定深度位置处，在油管4与气密封套管之间的环形空间14下入封隔器5，在同样位置处向油管4内下入桥塞6，封隔器5与桥塞6在井下相同位置将油管4内外环境的上下部分良好的分隔；从油管4下入射孔工具向油管4与气密封套管之间的环形空间14射孔，在横截面上射四个孔，分别为两个内孔眼12，两个外孔眼11，每相邻的两孔眼成 90°，孔眼与油管4壁轴向成30°；外孔眼11有两个，内径相同，从下向上外孔眼11依次穿过封隔器5、油管4、桥塞6；内孔眼12有两个，内径相同，从下向上内孔眼12依次穿过桥塞6、油管 4、封隔器5；该直井井身结构特点在于油管4下入地层深度比气密封套管更深，气密封套管下入到所述地热储层上部，油管4下入到地热储层下部，油管4下入深度与气密封技术套管3下入深度的差别由地热储层厚度决定。 [0024] 压力测量装置7安装在油管4与气密封套管形成的环形空间14中且位于封隔器5下部，安全密封阀门8安装在两个外孔眼11内，对油管4与气密封套管之间的环形空间14和油管4之间的连通进行封隔控制，压力测量装置7和安全密封阀门8通过电缆10连接，通过压力测量装置7对安全密封阀门8进行控制开关。 [0025] 在地压地热系统中，气体溶解于水中，当钻井钻开地压地热储层时地层压力降低，气体从水中缓慢析出，形成的小气泡慢慢上浮，使得气体慢慢上浮到地热储层上部，地热储层下部的水中的溶解气体全部析出，储层下部是水，储层上部则是气水混合物。 [0026] 在气水同层开采时，在桥塞6下部位置，地层中的水通过油管4向上流动，达到桥塞6位置时，水通过两个内孔眼12进入上部的油管4与技术套管2之间的环形空间14，即内孔眼 12改变了水的流动方向，由内层的油管4流向油管4与技术套管2之间的环形空间14，经由油管4与技术封套管之间的环形空间14源源不断采出地面，采出水进行热交换发电。 [0027] 在气水同层开采时，气体从地层水中析出，由于地层压力作用，在开始阶段，油管4与技术套管2之间的环形空间14中充满了气水混合物，但随着溶解气解析的进行，形成的气泡缓慢上浮到油管4与气密封技术套管3之间的环形空间14，此时油管4与气密封技术套管3之间环形空间14的上部通过安全密封阀门8密封，则气体在油管4与气密封技术套管3之间的环形空间14中缓慢累积，随着所述环形空间14中的气体不断增多，，环形空间14内的压力也不断增大，油管4与气密封技术套管3之间的环形空间14中的气体将油管4与气密封技术套管3之间的环形空间14中的水缓慢向下挤压，即气体将水挤压到环空外部。假设封隔器5安装深度为h，假设气密封技术套管3下去深度为H，根据地层压力计算原理和压力计算公式知：当油管4与气密封技术套管3之间的环形空间14中全是水时，封隔器5处压力P1＝ρgh；当油管4与气密封技术套管3之间的环形空间14中全是气体时，封隔器5处压力P2＝ρgH。 [0028] 随着气体在油管4与气密封技术套管3之间的环形空间14中不断累积，所述环空中的压力不断增加，由于封隔器5处安装有压力测量装置7，当压力测量装置7测量到的压力为P2＝ρgH时，所述环形空间14中充满气体，压力测量装置7将信号通过电缆10传递到安装在外孔眼11内的安全密封阀门8，安全密封阀门8接收到P2＝ρgH的信号时，安全密封阀门8打开，油管4与气密封技术套管3之间的环形空间14中的气体通过外孔眼11进入油管4内，气体通过油管4采出到地面，进行燃烧发电。 [0029] 随着油管4与气密封技术套管3之间的环形空间14中的气体通过外孔眼11不断进入油管4，所述环空中的压力不断降低，当压力降低到P1＝ρgh时，油管4与气密封技术套管3 之间的环形空间14中再次充满液体，此时压力测量装置7将信号通过电缆10传递到安装在外孔眼11内的安全密封阀门8，安全密封阀门8接收到P1＝ρgh的信号时，安全密封阀门8关闭。安全密封阀门8关闭后，气体又会在油管4与气密封技术套管3之间的环形空间14中再次累积，进行下一次的循环，通过安全密封阀门8不断的关闭与打开，将地层气体通过油管4不断的开采到地面。 |
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