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一种地热系统的锯齿状压裂装置及方法

阅读：31发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种地热系统的锯齿状压裂装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供的一种地热系统的锯齿状压裂装置及方法，包括压裂桥塞和射孔簇，其中，所述地热系统的斜井段上间隔布置有多个压裂桥塞，两个相邻的压裂桥塞之间设置有一组射孔簇，所述每组射孔簇包括两对射孔，所述两对射孔沿斜井段的轴线方向对称布置；每对射孔包括两个射孔，所述两个射孔中的一个射孔的开设方向为顺向压裂，另一个射孔的开设方向为逆向压裂；本发明能够将流体与地热储层接触面积提高2.3-2.8倍，大大提升注入尾水的换热效率，有利于地热资源的可持续性循环利用。，下面是一种地热系统的锯齿状压裂装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种地热系统的锯齿状压裂装置，其特征在于，包括压裂桥塞(1)和射孔簇，其中，所述地热系统的斜井段上间隔布置有多个压裂桥塞(1)，两个相邻的压裂桥塞(1)之间设置有一组射孔簇，所述每组射孔簇包括两对射孔，所述两对射孔沿斜井段的轴线方向对称布置；
每对射孔包括两个射孔(2)，所述两个射孔(2)中的一个射孔的开设方向为顺向压裂，另一个射孔的开设方向为逆向压裂。
2.根据权利要求1所述的一种地热系统的锯齿状压裂装置，其特征在于，每个所述射孔(2)的开设方向与斜井段之间设置的倾角相等，且每个射孔与斜井段均在同一竖直平面内。
3.根据权利要求1所述的一种地热系统的锯齿状压裂装置，其特征在于，斜井段上置于同一侧的射孔(2)同轴布置。
4.一种地热系统的锯齿状压裂方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，计算压裂簇间距，并在斜井段内的每一个压裂簇间距的中心位置设置有一个压裂桥塞；
第二步，两个相邻的压裂桥塞之间设置一组射孔簇，每组射孔簇设置有两对射孔，两对射孔沿斜井段的轴线对称布置；
第三步，每对射孔包括两个射孔，两个射孔中一个射孔为顺向压裂，另一个射孔为逆向压裂；进而在地热储层的斜井段形成锯齿状流体通道。
5.根据权利要求4所述的一种地热系统的锯齿状压裂方法，其特征在于，第一步中，压裂簇间距的具体计算方法是：
设各压裂主缝与斜井间的夹角均保持一致，且令该夹角为θ，则压裂簇间距表示为：
l＝2Lfrac·cosθ，其中θ＜90°-φ
其中，Lfrac为压裂缝网长度，其取值为100-200m；φ为斜井部分倾角。
6.根据权利要求4所述的一种地热系统的锯齿状压裂方法，其特征在于，每个所述射孔(2)的开设方向与斜井段之间设置的倾角相等，且每个射孔与斜井段均在同一竖直平面内。

说明书全文

一种地热系统的锯齿状压裂装置及方法

技术领域

[0001] 本系统涉及地热勘探开发技术领域，特别涉及一种地热系统的锯齿状压裂装置及方法。

背景技术

[0002] 地热资源是一种储量大、效率高、稳定性好的清洁可再生能源，对于节能减排、治理雾霾等方面具有重大意义。地热资源按照是否含有地下流体，可进一步划分为水热型地热资源和干热型地热资源。干热岩作为干热型地热资源的主要赋存载体，主要指不含或仅含少量流体、温度高于180℃且热能在当前技术经济条件下可利用的岩体。3-10km深处的干25
热岩总资源量约为2.5×10 J，相当于856万亿吨标煤，可见其资源潜力非常巨大。但由于干热岩地热资源多赋存于无水、致密的地热储层内，通常需通过注水并经过压裂酸化改造后才具有开采价值，因此，干热岩通常又被称为增强型地热系统，即enhanced geothermal system，简称EGS。

[0003] 目前，干热岩的压裂改造工艺主要是借鉴页岩气开采中的相关技术，因此主要是通过单井沿径向分段分簇压裂改造为主。尽管其也能起到增大换热面积的效果，但鉴于缝网间未形成有效沟通回路，导致井下流体可流动性较差，难以在液体流动过程中实现高效换热。部分学者提出通过实施双井、并在双井底部压裂形成U形连通通道的方式提升流体的可流动性，进而提高采热效率。然而，实施双井一方面增加了施工成本，一方面要求压裂造缝长度需达到数百米，在致密岩体、尤其在岩浆岩内实现这种压裂规模难度较大、能耗较高，不利于地热资源的经济性开发。因此，针对现有的地热储层压裂技术，无论是在技术性上、还是在经济性上，均还具有较大的提升空间。

[0004] 可见，目前尚未形成一种高效的地热系统压裂工艺方法，不仅可以仅实施单口地热钻井、降低施工成本，同时在既有的压裂改造能力下，可有效保证流体在压裂缝网中的可流动性。因此，有必要形成一种新型的地热系统压裂工艺及方法，以满足对地热开发、尤其是干热岩开发在技术性和经济性方面的实际需要。发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种地热系统的锯齿状压裂装置及方法，解决了现有的地热系统的压裂方法存在单井换热效率低、双井成本高的缺陷。

[0006] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0007] 本发明提供的一种地热系统的锯齿状压裂装置，包括压裂桥塞和射孔簇，其中，所述地热系统的斜井段上间隔布置有多个压裂桥塞，两个相邻的压裂桥塞之间设置有一组射孔簇，所述每组射孔簇包括两对射孔，所述两对射孔沿斜井段的轴线方向对称布置；每对射孔包括两个射孔，所述两个射孔中的一个射孔的开设方向为顺向压裂，另一个射孔的开设方向为逆向压裂。

[0008] 优选地，每个所述射孔的开设方向与斜井段之间设置的倾角相等，且每个射孔与斜井段均在同一竖直平面内。

[0009] 优选地，斜井段上置于同一侧的射孔同轴布置。

[0010] 一种地热系统的锯齿状压裂方法，包括以下步骤：

[0011] 第一步，计算压裂簇间距，并在斜井段内的每一个压裂簇间距的中心位置设置有一个压裂桥塞；

[0012] 第二步，两个相邻的压裂桥塞之间设置一组射孔簇，每组射孔簇设置有两对射孔，两对射孔沿斜井段的轴线对称布置；

[0013] 第三步，每对射孔包括两个射孔，两个射孔中一个射孔为顺向压裂，另一个射孔为逆向压裂；进而在地热储层的斜井段形成锯齿状流体通道。

[0014] 优选地，第一步中，压裂簇间距的具体计算方法是：

[0015] 设各压裂主缝与斜井间的夹角均保持一致，且令该夹角为θ，则压裂簇间距表示为：

[0016] l＝2Lfrac·cosθ，其中θ＜90°-φ

[0017] 其中，Lfrac为压裂缝网长度，其取值为100-200m；φ为斜井部分倾角。

[0018] 优选地，每个所述射孔的开设方向与斜井段之间设置的倾角相等，且每个射孔与斜井段均在同一竖直平面内。

[0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0020] 本发明提供的一种地热系统的锯齿状压裂装置及方法，本发明将射孔的开设方向设置为顺向压裂及逆向压裂，使得斜井段的两侧形成锯齿状流体通道，斜井段内注入的流体流经锯齿状流体通道，形成了流体回路，该结构增加了冷水与高温岩体的接触面积，提高了地热资源的交换效率；本发明能够将流体与地热储层接触面积提高2.3-2.8倍，大大提升注入尾水的换热效率，有利于地热资源的可持续性循环利用；与地下U形连接的地热压裂工艺相比，本发明仅需形成小范围压裂缝网，可有效节约在压裂过程中的能量消耗。附图说明

[0021] 图1是地热系统图；

[0022] 图2是锯齿状流体通道示意图；

[0023] 其中，1、压裂桥塞2、射孔3、斜井段。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

[0025] 如图1和图2所示，本发明提供的一种地热系统的锯齿状压裂装置，包括压裂桥塞1和射孔簇，其中，所述地热系统的斜井段3上间隔布置有多个压裂桥塞1，两个相邻的压裂桥塞1之间设置有一组射孔簇，所述每组射孔簇包括两对射孔，所述两对射孔沿斜井段的轴线方向对称布置；每对射孔包括两个射孔2，所述两个射孔2中的一个射孔的开设方向为顺向压裂，另一个射孔的开设方向为逆向压裂。

[0026] 每个所述射孔2的开设方向与斜井段之间设置的倾角相等，且每个射孔与斜井段均在同一竖直平面内。

[0027] 斜井段上置于同一侧的射孔2同轴布置。

[0028] 一种地热系统的锯齿状压裂方法，包括以下步骤：

[0029] 步骤一、搜集研究区区域地质及钻井基础资料，重点搜集与地热开采相关的勘探开发资料；

[0030] 根据地热资源范围，综合调研研究区基本地质情况，搜集包括区域沉积和构造条件、地热储层温度、岩性、深度和厚度等基本参数；同时，搜集研究区主要钻井资料，包括钻井位置、钻探深度、井眼轨迹、产水温度和出水量等，为进一步压裂设计奠定资料基础；

[0031] 步骤二、通过压裂初试、物理模拟实验或钻探经验，确定压裂基本参数；

[0032] 通过前期的压裂初试、物理模拟实验或钻探施工，可直接获取压裂施工的相关基础参数，包括压裂施工的注水压力、射孔簇密度、孔径、相位等，并结合声发射等技术可获取对应注水条件下所形成缝网的长度和宽度；

[0033] 第三步，基于区域地质资料和压裂基本参数，计算地热系统的斜井段总长和压裂簇间距；

[0034] 设定地热储层厚度为T，斜井部分倾角为φ，则斜井部分总长为：

[0035] Lwell＝T/sinφ，

[0036] 其中，φ建议设置为45°-60°，以便于注入地下的冷水可顺势流入后续形成的压裂缝网中；

[0037] 假定各压裂主缝与斜井间的夹角均保持一致，且令该夹角为θ，则压裂簇间距l可表示为：

[0038] l＝2Lfrac·cosθ，其中θ＜90°-φ

[0039] 压裂缝网长度Lfrac可根据实际情况进行优选，结合压裂时间，通常Lfrac应取100-200m为宜。

[0040] 第四步，根据第三步计算得到的压裂簇间距，将斜井段分割为多节，得到多个斜井段节，每节斜井段节的长度为压裂簇间距；

[0041] 第五步，在每节斜井段节内，设置一个压裂桥塞1，两个相邻的压裂桥塞1的中间位置应设置一组射孔簇；

[0042] 每组射孔簇共包含两对射孔，两对射孔沿斜井段的轴线对称布置；每对射孔包括两个射孔，两个射孔中一个射孔为顺向压裂，另一个射孔为逆向压裂；进而在地热储层的斜井段形成锯齿状流体通道，该连续的锯齿状裂缝形态，提高热交换效率。

[0043] 其中，各射孔方向均与斜井段之间的倾角为θ，且射孔与斜井均在同一竖直平面内。

[0044] 实施例

[0045] 第一步，钻井钻至地热储层顶部，并利用导向井技术在储层中实施斜井至储层底部；

[0046] 实施地热钻井至地热储层顶部，进入储层后利用导向井技术沿一定倾角实施斜井，斜井倾角以方案设定的φ值为宜，以便地热尾水可从后续形成的压裂缝网中流过。

[0047] 沿同一倾角继续钻进地热斜井，直至最终钻穿储层。此时，斜井在地热储层中的总钻进长度即为上述步骤三中所计算得到的Lwell。

[0048] 第二步、基于锯齿状压裂工艺方案中的具体参数，利用多级分段水力压裂技术，同时开展顺向和逆向水力压裂；

[0049] 根据上述所形成的锯齿状压裂方案，并结合斜井钻进地热储层的实际情况，综合考虑并确认最终压裂相关参数，按最终方案的注水压力P、射孔孔径Φ、射孔夹角θ、每簇孔数和压裂簇间距l，在相应位置布设压裂桥塞和压裂射孔，同时开展顺向和逆向压裂工作，通过形成的顺向和逆向压裂裂缝，在斜井两侧形成锯齿状压裂缝网。

[0050] 第三步、开展地热注水作业，利用水力压裂形成的锯齿状通道，提高地热资源交换效率。

[0051] 经过第一步和第二步，在地热储层斜井两侧形成了锯齿状流体通道。注入的流体可流经锯齿状流体通道，并形成了流体回路，增加了冷水与高温岩体的接触面积，提高了地热资源的交换效率。

[0052] 根据计算，压裂后的换热效率可提高至未压裂时的2cos-1θ倍；若考虑θ通常取值为30°-45°，则整体可提高换热效率2.3-2.8倍。

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