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一种基于斜井水平对接型地热井井眼轨道及设计方法

阅读：776发布：2020-05-20

专利汇可以提供一种基于斜井水平对接型地热井井眼轨道及设计方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供的一种基于斜井水平对接型地热井井眼轨道及设计方法，包括以下步骤：第一步，根据施工区域的大小、形状确定斜井的井口A和水平工程井的井口B的位置及坐标，根据井口A和井口B的坐标计算两者之间的距离d1,再根据距离d1确定斜井井眼轨道的反向偏移距离d2；第二步，确定斜井的井眼轨道；第三步，确定水平工程井井眼轨道；本发明通过对斜井二开S202段实施反向偏移，产生了反向偏移距离d2，使d1+d2≥250m，有效增加了井下连通对接距离，确保了两井连通作业的顺利进行，为城市狭小场地采用水平对接型地热井技术开发中深层水热型地热资源创造了条件；解决了现有水热型地热资源开发方式“既取热也取水”的问题，真正实现了“只取热不取水”的目的。，下面是一种基于斜井水平对接型地热井井眼轨道及设计方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于斜井水平对接型地热井井眼轨道的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，根据施工区域的大小、形状确定斜井井口(A)和水平工程井井口(B)的位置及坐标，根据斜井井口(A)和水平工程井井口(B)的坐标计算两者之间的距离d1,再根据距离d1确定斜井井眼轨道的反向偏移距离d2；
第二步，确定斜井的井眼轨道，其中，斜井的井眼轨道包括斜井一开井眼轨道S1和斜井二开井眼轨道S2：
a1，确定斜井一开井眼轨道S1：
斜井一开井眼轨道S1从斜井井口(A)至斜井一开终点(C)为直井井眼轨道；
a2，确定斜井二开井眼轨道S2：
斜井二开井眼轨道S2包括第一段S201、第二段S202和第三段S203，具体地：
第一段S201从斜井一开终点(C)至斜井二开造斜起点(D)为直井井眼轨道；
第二段S202从斜井二开造斜起点(D)开始增斜至产生的偏移距后降斜至斜井二开造斜终点(E)，其中，斜井二开造斜终点(E)的水平偏移距满足d2≥250-d1，偏移方位为两井井口连线且背向水平工程井井口(B)，第二段S202的最大井斜角为6～12°；
第三段S203从斜井二开造斜终点(E)至斜井二开终点(F)为直井井眼轨道，同时，该段设置有与水平工程井连通的连通对接点(J)；
第三步，确定水平工程井井眼轨道，其中，水平工程井井眼轨道包括水平工程井一开井眼轨道S3和水平工程井二开井眼轨道S4：
b1，确定水平工程井一开井眼轨道S3：
水平工程井一开井眼轨道S3从水平工程井井口(B)至水平工程井一开终点(G)为直井井眼轨道；
b2，确定水平工程井二开井眼轨道S4：
水平工程井二开井眼轨道S4包括第一段S401、第二段S402和第三段S403，具体地：
第一段S401从水平工程井一开终点(G)至水平工程井二开造斜点(H)为直井井眼轨道；
第二段S402从水平工程井二开造斜点(H)至水平工程井着陆点(I)为稳增斜式井眼轨道，井眼轨道呈标准圆弧形；
第三段S403从水平工程井着陆点(I)至连通对接点(J)为水平井眼轨道；
第二步的a1中，斜井井口(A)位于地表面，井眼穿过表土层和松散层后至斜井一开终点(C)，其中，斜井一开终点(C)位于稳定黏土层中10～20m或基岩面以下10～20m；
第二步的a2的第一段S201中，井眼穿过稳定黏土层或基岩至斜井二开造斜起点(D)，斜井二开造斜起点(D)置于砂岩层的中部，且为二开井眼总垂深的三分之一等分点处。
2.根据权利要求1所述的一种基于斜井水平对接型地热井井眼轨道的设计方法，其特征在于：第二步的a2的第二段S202中，增斜式井眼轨道的井眼由斜井二开造斜起点(D)开始以造斜率4～6°/30m从井斜0°开始增斜直至产生的偏移距后结束，此时，增斜式井眼轨道的终点井斜为θ°，方位沿两井井口连线且背向水平工程井井口(B)；
降斜式井眼轨道的井眼由增斜式井眼轨道的终点开始以造斜率4～6°/30m从井斜θ°开始降斜直至产生的偏移距后结束，此时，降斜式井眼轨道的终点井斜为0°，方位沿两井井口连线背向水平工程井井口(B)。
3.根据权利要求1所述的一种基于斜井水平对接型地热井井眼轨道的设计方法，其特征在于：第二步的a2的第三段S203中，斜井二开终点(F)位于热储层中泥岩层以下20～40m；
任意选取热储层中厚度大于6m的泥岩层为斜井与水平工程井的连通对接层，同时将该泥岩层顶界以下2～4m设置为斜井与水平工程井的连通对接点(J)。
4.根据权利要求1所述的一种基于斜井水平对接型地热井井眼轨道的设计方法，其特征在于：第三步的b1中，水平工程井井口(B)位于地表面，井眼钻穿表土层和松散层直至水平工程井一开终点(G)，水平工程井一开终点(G)位于稳定黏土层中10～20m或基岩面以下
10～20m。
5.根据权利要求1所述的一种基于斜井水平对接型地热井井眼轨道的设计方法，其特征在于：第三步的b2的第一段S401中，井眼从水平工程井一开终点(G)穿过稳定黏土层或基岩至砂岩层中的水平工程井二开造斜点(H)，同时，水平工程井二开造斜点(H)与连通对接点(J)之间的垂深差TVDJ-TVDH跟水平工程井二开造斜点(H)与连通对接点(J)之间的水平距离d1+d2存在关联，其中：
若250m≤d1+d2≤346m，则190m≤TVDJ-TVDH≤d1+d2-60；
若d1+d2>346m,则190m≤TVDJ-TVDH≤286m。
6.根据权利要求1所述的一种基于斜井水平对接型地热井井眼轨道的设计方法，其特征在于：第三步的b2的第二段S402中，井眼自水平工程井二开造斜点(H)以造斜率6～9°/
30m由0°稳定增斜，方位沿两井井口连线且朝向斜井井口(A)，至水平工程井着陆点(I)着陆，此时，井斜增至90°；其中，水平工程井着陆点(I)与水平工程井二开造斜点(H)的水平位移之差VSI-VSH满足以下条件：
若250m≤d1+d2≤346m，则190m≤VSI-VSH≤d1+d2-60；
若d1+d2>346m,则190m≤VSI-VSH≤286m。
7.根据权利要求1所述的一种基于斜井水平对接型地热井井眼轨道的设计方法，其特征在于：第三步的b2的第三段S403中，第三段S403的井眼轨道的井斜保持90°，方位沿两井井口连线且朝向斜井井口(A)。
8.如权利要求1-7任一项设计所得的一种基于斜井水平对接型地热井井眼轨道，其特征在于：地热井井眼轨道呈U型结构。

说明书全文

一种基于斜井水平对接型地热井井眼轨道及设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于地热能开发技术领域，涉及一种基于斜井水平对接型地热井井眼轨道及设计方法。

背景技术

[0002] 国内目前对中深层水热型地热资源的开发有三种方式：第一种是钻一口直井，从中直接抽采地下热水，不回灌；第二种是钻一口直井作为抽采井，周边钻多口直井作为回灌井，抽采与回灌相结合；第三种是钻一口直井，在井中下入同心管，利用同心管内外进行冷热水循环换热。这三种开发形式存在以下问题：①都将含水热储层(砂岩层)作为目的层，在含水热储层下入滤水管完井(滤水管由无缝钢套管钻孔后外包不锈钢滤水网组成)，因而井筒与热储层间并未隔绝，存在水力联系；②都有不同程度的直接或间接抽取地下水，而过量抽取地下水易导致地面沉降加剧、地裂缝活动增加；③受地层性质影响，回灌地下水效果欠佳，难以达到采灌平衡，同时回灌水易污染地下水；④直井同心管换热受井身结构尺寸限制，下入的同心管管径较小，循环水流量和换热量较小。总体而言，目前的开发方式不能达到或不能完全达到“只取热不取水”的目的。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种基于斜井水平对接地热井井眼轨道及设计方法，解决了现有水热型地热资源开发方式“既取热也取水”的问题，真正实现了“只取热不取水”的目的。

[0004] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0005] 本发明提供的一种基于斜井水平对接型地热井井眼轨道的设计方法，包括以下步骤：

[0006] 第一步，根据施工区域的大小、形状确定斜井井口和水平工程井井口的位置及坐标，根据斜井井口和水平工程井井口的坐标计算两者之间的距离d1,再根据距离d1确定斜井井眼轨道的反向偏移距离d2；

[0007] 第二步，确定斜井的井眼轨道，其中，斜井的井眼轨道包括斜井一开井眼轨道S1和斜井二开井眼轨道S2：

[0008] a1，确定斜井一开井眼轨道S1：

[0009] 斜井一开井眼轨道S1从斜井井口至斜井一开终点为直井井眼轨道；

[0010] a2，确定斜井二开井眼轨道S2：

[0011] 斜井二开井眼轨道S2包括第一段S201、第二段S202和第三段S203，具体地：

[0012] 第一段S201从斜井一开终点至斜井二开造斜起点为直井井眼轨道；

[0013] 第二段S202从斜井二开造斜起点开始增斜至产生的偏移距后降斜至斜井二开造斜终点，其中，斜井二开造斜终点的水平偏移距满足d2≥250-d1，偏移方位为两井井口连线且背向水平工程井井口，第二段S202的最大井斜角为6～12°；

[0014] 第三段S203从斜井二开造斜终点至斜井二开终点为直井井眼轨道，同时，该段设置有与水平工程井连通的连通对接点；

[0015] 第三步，确定水平工程井井眼轨道：

[0016] b1，确定水平工程井一开井眼轨道S3：

[0017] 水平工程井一开井眼轨道S3从水平工程井井口至水平工程井一开终点为直井井眼轨道；

[0018] b2，确定水平工程井二开井眼轨道S4：

[0019] 水平工程井二开井眼轨道S4包括第一段S401、第二段S402和第三段S403，具体地：

[0020] 第一段S401从水平工程井一开终点至水平工程井二开造斜点为直井井眼轨道；

[0021] 第二段S402从水平工程井二开造斜点至水平工程井着陆点为稳增斜式井眼轨道，井眼轨道呈标准圆弧形；

[0022] 第三段S403从水平工程井着陆点至连通对接点为水平井眼轨道。

[0023] 优选地，第二步的a1中，斜井井口位于地表面，井眼穿过表土层和松散层后至斜井一开终点，其中，斜井一开终点位于稳定黏土层中10～20m或基岩面以下10～20m。

[0024] 优选地，第二步的a2的第一段S201中，井眼穿过稳定黏土层或基岩至斜井二开造斜起点，斜井二开造斜起点置于砂岩层的中部，且为二开井眼总垂深的三分之一等分点处。

[0025] 优选地，第二步的a2的第二段S202中，增斜式井眼轨道的井眼由斜井二开造斜起点开始以造斜率4～6°/30m从井斜0°开始增斜直至产生的偏移距后结束，此时，增斜式井眼轨道的终点井斜为θ°，方位沿两井井口连线且背向水平工程井井口；

[0026] 降斜式井眼轨道的井眼由增斜式井眼轨道的终点开始以造斜率4～6°/30m从井斜θ°开始降斜直至产生的偏移距后结束，此时，降斜式井眼轨道的终点井斜为0°，方位沿两井井口连线背向水平工程井井口。

[0027] 优选地，第二步的a2的第三段S203中，斜井二开终点位于热储层中泥岩层以下20～40m；任意选取热储层中厚度大于6m的泥岩层为斜井与水平工程井的连通对接层，同时将该泥岩层顶界以下2～4m设置为斜井与水平工程井的连通对接点。

[0028] 优选地，第三步的b1中，水平工程井井口位于地表面，井眼钻穿表土层和松散层直至水平工程井一开终点，水平工程井一开终点位于稳定黏土层中10～20m或基岩面以下10～20m。

[0029] 优选地，第三步的b2的第一段S401中，井眼从水平工程井一开终点穿过稳定黏土层或基岩至砂岩层中的水平工程井二开造斜点，同时，水平工程井二开造斜点与连通对接点之间的垂深差TVDJ-TVDH跟水平工程井二开造斜点与连通对接点之间的水平距离d1+d2存在关联，其中：

[0030] 若250m≤d1+d2≤346m，则190m≤TVDJ-TVDH≤d1+d2-60；

[0031] 若d1+d2>346m,则190m≤TVDJ-TVDH≤286m。

[0032] 优选地，第三步的b2的第二段S402中，井眼自水平工程井二开造斜点以造斜率6～9°/30m由0°稳定增斜，方位沿两井井口连线且朝向斜井井口，至水平工程井着陆点着陆，此时，井斜增至90°；其中，水平工程井着陆点与水平工程井二开造斜点的水平位移之差VSI-VSH满足以下条件：

[0033] 若250m≤d1+d2≤346m，则190m≤VSI-VSH≤d1+d2-60；

[0034] 若d1+d2>346m,则190m≤VSI-VSH≤286m。

[0035] 优选地，第三步的b2的第三段S403中，第三段S403的井眼轨道的井斜保持90°，方位沿两井井口连线且朝向斜井井口。

[0036] 一种基于斜井水平对接型地热井井眼轨道,地热井井眼轨道呈U型结构。

[0037] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0038] 本发明提供的一种基于斜井水平对接型地热井井眼轨道的设计方法，通过对斜井二开S202段实施反向偏移，产生了反向偏移距离d2，使d1+d2≥250m，有效增加了井下连通对接距离，确保了两井连通作业的顺利进行，为城市狭小场地采用水平对接型地热井技术开发中深层水热型地热资源创造了条件；通过调整斜井二开S202段的造斜率和反向偏移井段长度，能进一步增加反向偏移距d2，使d1+d2远超过250m，从而进一步提高井下连通对接距离。

[0039] 进一步的，将斜井一开终点、水平工程井一开终点置于稳定黏土层或基岩面以下，能为成井后井眼中的套管提供有效持力层，从而有效封隔上部松散层、流沙层等复杂地层，提高二开井眼作业安全性。

[0040] 进一步的，将斜井二开造斜起点、水平工程井二开造斜点置于稳定砂岩层中，能为钻井造斜工具提高有效支点，有利于快速提高井斜，增加造斜效果。

[0041] 进一步的，将热储层中厚度≥6m的泥岩层作为连通对接层，并将连通对接点置于该泥岩层以下2～4m，能利用泥岩层本身为隔水层的特性，进一步提高井筒与含水热储层的封隔效果，提高“取热不取水”效果。

[0042] 进一步的，采用在斜井实施反向偏移的方式，水平工程井井眼轨道平滑，施工简单，有利于提高水平工程井井眼质量。附图说明

[0043] 图1是井眼轨道设计示意图。

具体实施方式

[0044] 下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

[0045] 为真正实现“只取热不取水”开发1500～3000m中深层水热型地热资源，采用一种新型水平对接型地热井技术，将直井井筒与水平工程井井筒通过对接连通形成“U”型管，利用冷热水循环取热。这种新型水平对接型地热井对直井与水平工程井的井口距离有一定的要求(通常不低于250m)，以确保两井之间有足够的对接连通距离。但在城市地区采用该技术时，由于施工场地大小的限制，这个具体的井口距离要求通常难以达到。为解决此问题，本发明提供一种将直井井眼向两井井口连线反方向偏斜，增加井下对接连通距离的井眼轨道确定方法。直井井眼偏斜后，不再是真正意义上的垂直井，称之为斜井(下同)。

[0046] 如图1所示，本发明提供的一种基于斜井水平对接型地热井的井眼轨道，包括斜井和水平工程井，斜井和水平工程井的井眼轨道在底部对接连接，整体呈U型结构。

[0047] 斜井包括斜井一开井眼和斜井二开井眼，其中，斜井一开井眼呈垂直状结构；斜井二开井眼包括第一垂直段斜井、倾斜段斜井和第二垂直段斜井，且自斜井一开井眼的底部至斜井二开井眼的底部依次为第一垂直段斜井、倾斜段斜井和第二垂直段斜井；倾斜段斜井包括增斜段斜井和降斜段斜井，且自第一垂直段斜井的底部至第二垂直段斜井的井口依次为增斜段斜井和降斜段斜井。

[0048] 水平工程井包括水平工程井一开井眼和水平工程井二开井眼，其中，水平工程井一开井眼呈垂直状结构；水平工程井二开井眼包括垂直段工程井、倾斜段工程井和水平段工程井，且自水平工程井一开井眼的底部至水平工程井二开井眼的底部依次为垂直段工程井、倾斜段工程井和水平段工程井；倾斜段工程井为圆弧形的稳增斜井结构。

[0049] 本发明还提供的一种基于斜井水平对接型地热井的井眼轨道的设计方法，包括以下步骤：

[0050] 第一步，根据施工区域地质条件，对井眼钻遇的地层进行分层，确定表土层、松散层、稳定黏土层、基岩面、砂岩层、泥岩层和热储层的深度，尤其确定热储层中厚度≥6m的泥岩层深度；

[0051] 第二步，测量斜井井口A和水平工程井井口B的坐标，根据两者的坐标计算两井井口之间的距离d1，同时根据距离d1确定斜井井眼轨道需要的反向偏移距离d2，其中，d2≥250-d1；

[0052] 第三步，确定斜井一开井眼轨道S1：斜井一开井眼的轨道S1由斜井井口A至斜井一开终点C，且轨道S1采用垂直井眼轨道，其中，斜井井口A位于地表面，井眼穿过表土层和松散层后至斜井一开终点C，其中，斜井一开终点C位于稳定黏土层中10～20m或基岩面以下10～20m；

[0053] 第四步，确定斜井二开井眼轨道S2，由斜井一开终点C钻至斜井二开终点F，同时，斜井二开井眼轨道S2包括第一段S201、第二段S202和第三段S203：

[0054] 具体地，第一段S201采用垂直井眼轨道，且由斜井一开终点C至斜井二开造斜起点D，其中，井眼穿过稳定黏土层或基岩后至斜井二开造斜起点D，斜井二开造斜起点D置于砂岩层的中部，且位于二开井眼总垂深的三分之一等分点处；

[0055] 第二段S202采用“增斜-降斜”式井眼轨道，且由斜井二开造斜起点D至斜井二开造斜终点E，其中，增斜式井眼轨道的井眼由斜井二开造斜起点D开始以造斜率4～6°/30m从井斜0°开始增斜直至产生的偏移距后结束，此时，增斜式井眼轨道的终点井斜为θ°，偏移方位为两井井口连线且背向水平工程井井口B；

[0056] 降斜式井眼轨道的井眼由增斜式井眼轨道的终点开始以造斜率4～6°/30m从井斜θ°开始降斜直至产生的偏移距后结束，此时，降斜式井眼轨道的终点井斜为0°，偏移方位为两井井口连线且背向水平工程井井口B；

[0057] 第二段S202全段井眼的最大井斜角为6～12°；配合compass钻井轨道设计软件，进一步调整和优化造斜率和最大井斜角，满足E点偏移距d2≥250-d1条件下，E点置于砂岩层中；

[0058] 第三段S203采用垂直井眼轨道，且由斜井二开造斜终点E至斜井二开终点F,其中，井眼穿过砂岩层至热储层中泥岩层以下20～40m；

[0059] 同时，任意选取热储层中厚度大于6m的泥岩层为斜井与水平工程井的连通对接层；同时将该泥岩层顶界以下2～4m设置为斜井与水平工程井的连通对接点J；

[0060] 第五步，确定水平工程井一开井眼轨道S3：

[0061] 水平工程井一开井眼轨道S3采用垂直井眼轨道，且水平工程井一开井眼轨道S3由水平工程井井口B至水平工程井一开终点G，其中，水平工程井井口B位于地表面，井眼钻穿表土层和松散层直至水平工程井一开终点G，水平工程井一开终点G位于稳定黏土层中10～20m或基岩面以下10～20m；

[0062] 第六步，确定水平工程井二开井眼轨道S4：

[0063] 水平工程井二开井眼轨道S4由水平工程井一开终点G至连通对接点J，包括第一段S401、第二段S402，第三段S403，具体地：

[0064] 第一段S401采用垂直井眼轨道，由水平工程井一开终点G至水平工程井二开造斜点H，其中，井眼穿过稳定黏土层或基岩至砂岩层中的水平工程井二开造斜点H，同时，水平工程井二开造斜点H与连通对接点J之间的垂深差TVDJ-TVDH跟水平工程井二开造斜点H与连通对接点J之间的水平距离d1+d2存在关联，其中：

[0065] 若250m≤d1+d2≤346m，则190m≤TVDJ-TVDH≤d1+d2-60；

[0066] 若d1+d2>346m,则190m≤TVDJ-TVDH≤286m；

[0067] 第二段S402采用稳增斜井眼轨道，井眼轨道呈标准圆弧形，由水平工程井二开造斜点H至水平工程井着陆点I，其中，井眼自水平工程井二开造斜点H以造斜率6～9°/30m由0°稳定增斜，方位沿两井井口连线且朝向斜井井口A，至水平工程井着陆点I着陆，此时，井斜增至90°；着陆点I的位置根据井眼轨道的设计参数以及已定的H点位置确定，由于标准圆弧井眼轨道的对称关系，着陆点I与造斜点H的水平位移之差VSI-VSH与TVDJ-TVDH存在等量关系，故，着陆点I的位置满足条件为：

[0068] 若250m≤d1+d2≤346m，则190m≤VSI-VSH≤d1+d2-60；

[0069] 若d1+d2>346m,则190m≤VSI-VSH≤286m；

[0070] 第三段S403采用水平井眼轨道，由水平工程井着陆点I至连通对接点J，其中，该井眼轨道的井斜保持90°，方位沿两井井口连线且朝向斜井井口A。

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