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一种水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的方法

阅读：759发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种水 -液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的方法，该方法是：首先采用高压水在短时间内通过射流喷嘴对干热岩进行压裂形成主裂隙，然后停止水力压裂，通过射流喷嘴在主裂隙中注入液氮，在液氮气化过程中已含水的干热岩体将产生近400℃极大温差使得其内部颗粒产生不同程度的收缩变形而产生微裂缝，同时气化后体积膨胀的氮气更容易进入微裂隙对干热岩进行再次压裂；如此反复，分别利用水和液氮不停的进行交替疲劳压裂使得干热岩体裂缝持续增加、扩大并相互连通，以致在注入井和生产井之间形成复杂连通的裂隙缝网；最后，利用水作为携热介质对地热能进行开采。本发明解决了目前水力压裂导致裂隙通道发生堵塞的问题，且提高了采热效率。，下面是一种水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的方法，其特征在于，在选定的干热岩地热开发区域，利用钻井设备施工注入井和至少两个生产井；利用大排量高压水在注入井内进行首次压裂，在干热岩体内形成主裂隙，并使得干热岩含水；再利用高压液氮对主裂隙进行二次压裂；利用液氮与含水干热岩相遇产生的近400℃温差使得主裂隙表面产生大量微裂隙，然后利用液氮气化后的高压气体更容易进入微裂隙进行压裂的特性，再次对微裂隙进行压裂；反复循环利用高压水、高压液氮对干热岩进行压裂，直至注入井和生成井之间形成渗透性好、热交换面积大、贯通的裂隙缝网；最后注入水作为携热介质对地热能进行开采，提高工业采热效率。
2.根据权利要求1所述的一种水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的方法，其特征在于，所述高压水和高压液氮的压裂压力P大于压裂地层垂直地应力σ3。
3.根据权利要求1所述的一种水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的方法，其特征在于，所述注入井和生产井之间的水平距离为1000m-1500m。
4.根据权利要求1所述的一种水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的方法，其特征在于，所述水的温度为小于等于20℃。
5.根据权利要求1所述的一种水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的方法，其特征在于，所述液氮的温度为-196℃。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的方法，其特征在于，所用装置包括水力压裂系统、液氮压裂系统以及三通B(10)，所述水力压裂系统包括热交换器(14)、闸阀C(13)、高压水泵(12)，生产井与热交换器(14)入口相连，热交换器(14)出口依次与闸阀C(13)、高压水泵(12)相连；所述液氮压裂系统包括液氮罐A(1)、闸阀A(3)、液氮增压泵(8)，所述液氮罐A(1)的出口经闸阀A(3)与液氮增压泵(8)的入口相连，所述高压水泵(12)的出水管与所述液氮增压泵(8)的出液氮管分别通过三通B(10)与注入井(18)中的压裂管(30)相连，所述压裂管(30)的上端设置有封隔器(19)，所述压裂管(30)的末端设置有射流喷嘴(25)。
7.根据权利要求6所述的一种水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的方法，其特征在于，所述液氮压裂系统还包括液氮罐B(4)、闸阀B(6)及三通A(7)，所述液氮罐A(1)的出口经闸阀A(3)与三通A(7)的一入口相连，所述液氮罐B(4)的出口经闸阀B(6)与三通A(7)的另一入口相连，三通A(7)的出口与液氮增压泵(8)的入口相连。
8.根据权利要求6所述的一种水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的方法，其特征在于，所述液氮增压泵(8)、所述高压水泵(12)与三通B(10)之间的连接管路上分别设有单向阀C(9)和单向阀D(11)。
9.根据权利要求6所述的一种水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的方法，其特征在于，所述注入井(18)、生产井的井口均设有密封装置(22)。
10.根据权利要求6所述的一种水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的方法，其特征在于，所述热交换器(14)连接发电站(15)。

说明书全文

一种水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及地热能开采技术领域，具体涉及一种水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的方法。

背景技术

[0002] 干热岩是指地层深处3000～10000m范围内存在的一种不含水或含水很少、致密不渗透的热岩体，温度一般在150～650℃之间，是一种清洁、可再生的绿色资源。我国开发利用干热岩地热能的技术还处在起步阶段，相比于美国、法国、日本等技术水平较先进的国家差距较大。

[0003] 干热岩由于埋藏较深、所处地应力大，且岩体致密、孔隙度小、渗透率极低、基本不含流体。因此，在开发干热岩地热时，需要对储层进行压裂改造。目前我国采用的主要方法是是对热储层进行水力压裂改造，将注入井与生产井之间用裂隙网连通起来，并向储层中注入大量的水作为携热介质，通过水的循环和与干热岩之间的热交换，将地热开采出来。该方法的优点在于水作为携热介质具有高热容、高导热性能，且安全、经济、方便、易取；其缺点是：在高温下水会成为溶解岩石矿物质的强溶剂，使得裂隙表面岩体发生膨胀变形或碎屑脱落，这将导致裂隙通道发生堵塞，岩体渗透性变小，极大的降低了裂隙缝网的导通能力，尤其在生产井口附近易堵塞通道，影响采热效率。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的方法，能够较好的解决水力压裂所引起的裂隙缝网堵塞问题。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的方法，在选定的干热岩地热开发区域，利用钻井设备施工注入井和至少两个生产井；利用大排量高压水在注入井内进行首次压裂，在干热岩体内形成主裂隙，并使得干热岩含水；再利用高压液氮对主裂隙进行二次压裂；利用液氮与含水干热岩相遇产生的近400℃温差使得主裂隙表面产生大量微裂隙，然后利用液氮气化后的高压气体更容易进入微裂隙进行压裂的特性，再次对微裂隙进行压裂；反复循环利用高压水、高压液氮对干热岩进行压裂，直至注入井和生成井之间形成渗透性好、热交换面积大、贯通的裂隙缝网；最后注入水作为携热介质对地热能进行开采，提高工业采热效率。

[0006] 优选的，所述高压水和高压液氮的压裂压力P大于压裂地层垂直地应力σ3。

[0007] 优选的，所述注入井和生产井之间的水平距离为1000m-1500m。

[0008] 优选的，所述水的温度为小于等于20℃。

[0009] 优选的，所述液氮的温度为-196℃。

[0010] 本发明还提供上述水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的方法所用的装置，包括水力压裂系统、液氮压裂系统以及三通B，所述水力压裂系统包括热交换器、闸阀C、高压水泵，所述生产井与热交换器入口相连，热交换器出口依次与闸阀C、高压水泵相连；所述液氮压裂系统包括液氮罐A、闸阀A、液氮增压泵，所述液氮罐A的出口经闸阀A与液氮增压泵的入口相连，所述高压水泵的出水管与所述液氮增压泵的出液氮管分别通过三通B与注入井中的压裂管相连，所述压裂管的上端设置有封隔器，所述压裂管的末端设置有射流喷嘴。

[0011] 进一步地，所述液氮压裂系统还包括液氮罐B、闸阀B及三通A，所述液氮罐A的出口经闸阀A与三通A的一入口相连，所述液氮罐B的出口经闸阀B与三通A的另一入口相连，三通A的出口与液氮增压泵的入口相连。

[0012] 优选的，所述液氮增压泵、所述高压水泵与三通B之间的连接管路上分别设有单向阀C和单向阀D。

[0013] 优选的，所述注入井、生产井的井口均设有密封装置。

[0014] 优选的，所述热交换器连接发电站。

[0015] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

[0016] 1、本发明充分利用液氮与含水干热岩巨大的温差，且液氮气化后形成的体积庞大的高压氮气，更容易进入微裂隙使干热岩产生破裂的特点，解决了目前水力压裂时水会溶解岩石矿物质使得裂隙表面岩体发生膨胀变形或碎屑脱落，导致裂隙通道发生堵塞的问题。

[0017] 2、氮气无色无嗅，无腐蚀性，无污染、不可燃，温度极低，是一种稳定性非常好的物质，且氮气在生产现场可以通过制氮设备直接制取，也避免了在液氮运输途中的危险和高成本。附图说明

[0018] 图1为本发明实施例1的一种水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的装置示意图；

[0019] 图2为本发明实施例2的一种水-液氮交替疲劳压裂干热岩提高采热率的装置示意图；

[0020] 图中，1-液氮罐A，2-单向阀A，3-闸阀A，4-液氮罐B，5-单向阀B，6-闸阀B，7-三通A，8-液氮增压泵，9-单向阀C，10-三通B，11-单向阀D，12-高压水泵，13-闸阀C，14-热交换器，
15-发电站，16-单向阀E，17-生产井A，18-注入井，19-封隔器，20-单向阀F，21-生产井B，22-密封装置，23-保温层，24-上覆岩层，25-射流喷嘴，26-主裂隙，27-微裂隙，28-裂隙缝网，
29-干热岩，30-压裂管。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

[0022] 实施例1

[0023] 如图1所示，在确定的干热岩地热开发区域，采用本发明方法，欲在深部3000m处的干热岩层内采取地热能。首先利用钻井设备对岩层进行施工建造注入井18、生产井A17及生产井B21，使得注入井18与生产井A17、生产井B21的水平距离分别为1000m-1500m。然后利用本发明方法在干热岩层内进行人工造缝，使得注入井18和生产井A17、生产井B21之间形成巨大的裂隙带。造缝完成后，向注入井18注入大量常温或低温水，使其在裂隙带内与干热岩进行充分热交换，然后从生产井得到200℃以上高温水或蒸气进行发电。

[0024] 所用装置包括水力压裂系统、液氮压裂系统以及三通B10，所述水力压裂系统包括热交换器14、闸阀C13、高压水泵12，生产井A17及生产井B21分别与热交换器14入口相连，热交换器14出口依次与闸阀C13、高压水泵12相连；所述液氮压裂系统包括液氮罐A1、闸阀A3、液氮增压泵8，所述液氮罐A1的出口经闸阀A3与液氮增压泵8的入口相连，所述高压水泵12的出水管与所述液氮增压泵8的出液氮管分别通过三通B10与注入井18中的压裂管30相连，所述压裂管30的上端设置有封隔器19，所述压裂管30的末端设置有射流喷嘴25；所述液氮增压泵8、所述高压水泵12与三通B10之间的连接管路上分别设有单向阀C9和单向阀D11，所述液氮罐A1与所述闸阀A3之间的连接管路上设有单向阀A2，所述生产井A17、生产井B21与所述热交换器14之间的管路上分别设有单向阀E16和单向阀F20；所述热交换器14连接发电站15。

[0025] 具体步骤如下：

[0026] (1)分别确定注入井18、生产井A17及生产井B21的井点位置，利用钻井设备施工注入井18、生产井A17及生产井B21，使得注入井18与生产井A17及生产井B21的水平距离分别为1000m-1500m；所述注入井、生产井的上部均设有保温层

[0027] (2)钻取岩芯，确定上覆岩层24结构及厚度，根据公式地层垂直地应力σ3＝γh，其中γ为上覆岩层容重；h为干热岩体的埋深，计算地层垂直地应力σ3＝77.8MPa；

[0028] (3)打开闸阀C13、高压水泵12和单向阀D11，保持单向阀A2、闸阀A3、单向阀C9、单向阀E16和单向阀F20关闭，利用水力压裂系统向注入井18注入80-90MPa的高压水，经由射流喷嘴25对干热岩29进行首次压裂，使得干热岩28产生第一次破裂，形成主裂隙26，压裂1小时后，关闭闸阀C13、高压水泵12、单向阀D11，停止水力压裂；

[0029] (4)打开单向阀A2、闸阀A3、液氮增压泵8和单向阀C9，保持单向阀E16和单向阀F20关闭，利用液氮压裂系统向注入井18注入80-90MPa的高压液氮，经由射流喷嘴25对干热岩29进行二次压裂，使得干热岩29在射流作用下产生第二次破裂，使得岩体主裂隙26不断扩展，持续压裂1小时后，关闭单向阀A2、闸阀A3、液氮增压泵8和单向阀C9；

[0030] (5)停止液氮注入后，利用井口密封装置22分别对注入井18、生产井A17及生产井B21进行密封，并利用高压氮气检验其密封效果，确保气化后的氮气不泄露；

[0031] (6)由于水力压裂后裂隙表面岩体已含有足够水分，在液氮注入气化过程中，已含水的干热岩体将产生近400℃极大温差，使得其微空隙内部水分子结冰体积膨胀，而含水岩石颗粒将产生不同程度的收缩变形而产生第三次破裂，在主裂隙周围产生大量微裂隙27；

[0032] (7)利用封隔器19封闭注入井18的井口进行焖井1小时，液氮气化后将产生体积膨胀的高压氮气进入岩体微空隙、微裂隙，使得干热岩体产生第四次破裂，使得微裂隙不断发育、扩展，使得各主裂隙26和微裂隙27之间不断联通；

[0033] (8)重复步骤(3)和(4)，反复用水和液氮交替进行疲劳压裂，直至注入井18和生成井A17、生成井B21之间形成渗透性好、热交换面积大、贯通的裂隙缝网28，当生成井A17或生成井B21有水涌出时，停止人工造缝过程；

[0034] (9)由于水所具有的高热容、高导热性能远高于氮气，造缝完成后，向注入井18注入大量常温(20℃)或低温(＜20℃)水，使其在裂隙缝网28内与干热岩29发生充分热交换，打开单向阀E16和单向阀F20，然后从生产井得到200℃以上高温水或蒸气通过热交换器14输送到发电站15进行发电；

[0035] (10)从发电站15出来的冷水可继续用来作为携热介质进行水力压裂，如此循环使用，可完成进水井和出水井所组成的水循环系统热交换过程。

[0036] 实施例2

[0037] 如图2所示，与实施例1不同的是，所述液氮压裂系统还包括液氮罐B4、闸阀B6及三通A7，所述液氮罐A1的出口经闸阀A3与三通A7的一入口相连，所述液氮罐B4的出口经闸阀B6与三通A7的另一入口相连，三通A7的出口与液氮增压泵8的入口相连；所述液氮罐B4与所述闸阀B6之间的连接管路上设有单向阀B5。

[0038] 当液氮罐A1中的液氮注入完毕后，切换三通A7，打开单向阀B5、闸阀B6，改用液氮罐B提供液氮，保证压裂工作不间断。

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