技术领域
[0001] 本
发明涉及
热能开采领域，具体是涉及一种单井闭式循环开发干热岩的方法。
背景技术
[0002] 干热岩是指
地层深处(深埋超过2000m)普遍存在的没有
水或
蒸汽的、致密不渗透的热岩体，主要是各种
变质岩或结晶岩体。目前，干热岩的开发利用主要是发电。
[0003] 现有干热岩开发方案主要包括以下两种：
[0004] (1)水
力压裂开发利用干热岩。通过注水井将高压水注入地下2000～6000米的岩层，使其渗透进入岩层中人工压裂造出的缝隙并吸收地热
能量；再通过另一个开发井(相距约200～600米左右)将
岩石裂隙中的高温水、
汽提取到地面；取出的水、汽
温度可达150～200℃，通
过热交换及地面循环装置用于发电；冷却后的水再次通过高压
泵注入地下热交换系统循环使用。该方法需要进行大型水力压裂，存在压裂成本高、压裂裂缝不易控制、压裂
液化学品具有潜在的污染等
缺陷。
[0005] (2)单井闭式循环开发利用干热岩。将同轴或U型井筒
热交换器安装在井筒中，通过封闭的
流体循环系统从地下提取热量，井筒中循环的流体不与周围地层
接触。该方法避免了大型水力压裂施工，同时，循环流体不与地层直接接触，避免了流体对管柱的
腐蚀和管柱
结垢堵塞通道，但存在取热效率低，功率有限的缺陷。
[0006] 中国
专利CN106948795A公开了一种多分支水平井闭式循环开发水热型地热的方法。该方法在生产层和回灌层分别采用
套管侧钻开窗钻若干分支径向水平井眼，并利用封隔器分隔
导管和套管环空，流体通过环空、回灌层分支井眼进入地层加热，再通过生产层分支井眼进入导管返回地面。但该方法套管侧钻分支水平井，钻井工艺复杂、钻井周期长，成本高。同时流体在地层中渗流加热，适应于渗透率高的地热储层，不适应于干热岩储层。
[0007] 中国专利CN107989589A公开了一种提高干热岩压裂后热交换效率的方法。该方法采用单井压裂技术，在干热岩储层水力压裂出灌注耐高温导热
水泥，使水力压裂近井区域密集裂缝封闭，仅留存远井区域的裂缝，达到改善携热流体流通路径，提高换热效率的目的。但该方法需要采用水力压裂技术，裂缝成本相对较高。同时，流体与地层直接接触，容易造成管柱结垢和腐蚀。
[0008] 专利CN205957523U公开了一种干热岩单井多分支换热系统。该系统由注入系统、换热系统和排出系统组成。其中，换热系统包括分支裸眼井孔、热交换工质容腔和干热岩体。该方法的分支裸眼井孔相互连通，施工难度大。同时，流体与地层直接接触，容易造成管柱结垢和腐蚀。但该方法的分支裸眼井孔相互连通，施工难度大。同时，流体与地层直接接触，容易造成管柱结垢和腐蚀。
发明内容
[0009] 为了解决以上
现有技术中存在的问题，本发明采用高压喷射钻井方式在干热岩储层中钻微井眼鱼骨分支井，再对微井眼鱼骨分支和处于干热岩中的主井眼注入含高导热材料的水泥浆，再在主井眼中下入装有毛细金属管网的井下热交换完井装置，该方法通过采用微井眼鱼骨分支井提高井筒热交换面积、采用高导热材料提高换热装置周围材料的热导率，采用毛细金属管网提高井下热交换装置的热交换面积，能够有效提高单井闭式循环开发利用干热岩的热交换效率和
可持续性，用于克服现有干热岩开发利用方案压裂成本高、压裂效果差、污染环境、换热效率低等缺陷。
[0010] 本发明的目的是提供一种干热岩单井闭式开发方法，包括以下步骤：
[0011] 步骤(1)确定干热岩埋深，设计钻井工程方案，钻垂直井或水平井至储层，形成主井眼；
[0012] 步骤(2)在干热岩主井眼内下入微井眼分支井钻井装置，采用高压喷射钻井方式在干热岩储层中钻微井眼鱼骨分支井；
[0013] 步骤(3)在微井眼鱼骨分支井和处于干热岩中的主井眼中注入含高导热材料的水泥浆；
[0014] 步骤(4)在主井眼中下入井下热交换完井装置至井底；
[0015] 步骤(5)安装地面井口装置、换热器和工质泵，开采干热岩热能。
[0016] 所述干热岩单井闭式开发方法中，优选地，
[0017] 所述步骤(1)中，干热岩储层上部的主井眼采用套管和普通水泥浆固井，保持井筒流体与地层的隔离，同时保持井筒长期完整性。位于干热岩储层中的主井眼直径为114～915mm，更优选为150～220mm，采用裸眼完井。
[0018] 所述步骤(2)中，所述微井眼分支井钻井装置通过
钻杆下入到主井
眼底部，坐封悬挂器固定微井眼分支井钻井装置，地面高压流体在地面泵的作用下通过钻杆泵入分支软管，在水射流作用下，所有分支软管喷射一次性进入干热岩储层，形成微井眼鱼骨分支井，提高储层的热交换面积。
[0019] 所述微井眼分支井钻井装置由1～100个长度为6～12m的短节构成，每个短节内装有2～8个分支软管，每个分支软管的长度为6～12m，分支软管前端的
钻头与短节固定，并密封，另一端可自由移动。
[0020] 短节和分支软管的数量可以根据实际储层井眼直径情况进行调整，例如，每10m储层安装一个短节，每个短节长度为10m，一次下井作业安装100个短节，每个短节安装2个分支软管，每个分支软管的长度为10m，喷射作业后共形成200个长度为10m的微井眼鱼骨分支，每个鱼骨分支的
排量为0.025m3/min，喷射压力可以高达35MPa。
[0021] 例如，在直径152.4mm的主井眼中，短节中使用8mm直径的分支软管，分支软管喷射后形成直径10mm的微井眼鱼骨分支，更大直径的主井眼则可以提高分支软管的直径，进而提高微井眼鱼骨分支的井眼直径。
[0022] 为了提高干热岩储层喷射破岩效果，喷射流体中可以增加
磨料，或在钻头前端或分支软管上安装一个钻井
马达，在喷射钻进的同时，带动软管前端的钻头或分支软管旋转，提高破岩效率。
[0023] 所述步骤(3)中，分支软管喷射完全进入储层后，从地面泵入水泥浆，泵入的水泥浆体积等于位于干热岩储层段的主井眼和所有微井眼鱼骨分支井眼的体积总和减去所述热交换完井装置体积。
[0024] 在水泥浆体系中添加高导热材料来提高水泥浆的导热系数，所述高导热材料选择本领域常用的高导热材料，优选
氧化
铝、氧化
硅、氧化
铜、
碳纳米管、氧化
钛等纳米粉末中的至少一种。
[0025] 水泥浆泵送完后，解封所述悬挂器，将所述微井眼分支井钻井装置提出井筒。
[0026] 所述步骤(4)中，所述微井眼分支井钻井装置提出井筒后，待水泥浆
凝固前将所述井下热交换完井装置下入井底，并浸没在高导热水泥浆中。
[0027] 所述热交换完井装置由注水腔、出水腔和金属管网组成。
[0028] 所述热交换完井装置上部连接有输水管柱，输水管柱由注水管和出水管组成，注水管与热交换完井装置的注水腔连通，出水管与热交换完井装置的出水腔连通。输水管柱与热交换装置的连接方式可以采用同轴或U型连接。所述注水管采用普通油管，所述出水管采用
隔热油管，防止出水管柱内部流体热量散失。
[0029] 所述网状金属管网由毛细金属管组成，毛细金属管直径比输水管柱的注水管直径小。换热流体通过注水腔进入金属管网，再进入出水腔。
[0030] 所述热交换完井装置由高导热金属材质制成，由于毛细金属管与高导热水泥浆直接接触，从而允许在换热流体通过毛细金属管时快速加热。
[0031] 井下热交换完井装置下入井底后，在储层上部坐封封隔器，所述封隔器具有隔热功能，使储层与上部井段隔离，防止热量散失。
[0032] 所述步骤(5)中，安装地面井口装置、换热器和工质泵，利用工质泵将冷水泵入注水管，进入热交换完井装置，冷水加热后，从出水管返回地面，利用地面换热器利用干热岩热能。
[0033] 本发明的干热岩单井闭式换热方法具有以下优点：
[0034] (1)施工简单
[0035] 采用高压水射流与钻头机械作用联合破岩大大提高了分支井钻井破岩效率，一趟钻即可完成800个微小分支的钻井，施工流程简单。
[0036] (2)换热效率高
[0037] 采用微井眼分支井、井下热传导材料和含有毛细金属管网的热交换完井装置组成的井下换热系统，能够有效提高干热岩单井闭式循环开发利用的热交换效率。
[0038] (3)成本低
[0039] 不需要钻注水井和
生产井，也不需要对干热岩热储进行水力压裂，减少钻井和压裂施工成本。
[0040] (4)管柱寿命长
[0041] 换热流体不与地层直接接触，不会造成管柱结垢堵塞，同时避免了流体对管柱的腐蚀。
[0042] 本发明涉及到一种干热岩的开采方法，特别是一种单井闭式循环开发干热岩的方法。采用微井眼分支井、井下热传导材料和热交换完井装置组成的井下换热系统，能够有效提高干热岩单井闭式循环开发利用的热交换效率，具有施工简单、换热效率高、成本低、管柱寿命长等特点，应用前景广阔。
附图说明
[0043] 图1为本发明的干热岩单井闭式开发方法原理图。
[0044] 图2为本发明的微井眼鱼骨分支结构图。
[0045] 图3为本发明的热交换完井装置结构图。
[0046] 图中标记为：1——地层；11——干热岩上部地层；12——干热岩储层；2——主井眼；3——套管；4——鱼骨状分支井；5——高导热水泥浆；6——热交换完井装置；61——注水腔；62——出水腔；63——金属管网；64——毛细金属管；7——输水管柱；71——注水管；72——出水管；8——封隔器；9——井口装置；10——换热器；20——工质泵。
具体实施方式
[0047] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。
[0048] 如图1、图2和图3所示，本发明的一种干热岩单井闭式循环换热方法包括以下步骤：
[0049] 步骤1.确定干热岩埋深，设计钻井工程方案，在地层1中钻垂直井，形成主井眼2。干热岩上部地层11的主井眼2采用套管3和普通水泥浆固井，干热岩储层12采用152.4mm直径裸眼完井。
[0050] 步骤2.利用钻杆将微井眼分支井钻井装置下入至主井眼2底部，微井眼分支井钻井装置由3个长度分别为10m的短节组成，每个短节内安装4个分支软管，每个分支软管的长度为10m。
[0051] 步骤3.坐封悬挂器固定微井眼分支井钻井装置，将35MPa，排量0.3m3/min高压流体通过钻杆泵入分支软管。在水射流作用下，分支软管伸出进入储层，形成12个直径10mm的鱼骨状分支井4，提高储层的热交换面积。
[0052] 步骤4.分支软管喷射完全进入储层后，从地面泵入含有氧化铝纳米粉末添加剂的高导热水泥浆5，泵入的水泥浆体积等于位于干热岩储层段的主井眼和所有微井眼鱼骨分支井眼的体积总和减去热交换完井装置6体积。
[0053] 步骤5.水泥浆泵送完后，解封悬挂器，将微井眼分支井钻井装置提出主井眼2。
[0054] 步骤6.在地面将输水管柱7与热交换完井装置6安装好，输水管柱由注水管71和出水管72组成。注水管71采用普通油管，出水管72采用隔热油管，防止出水管柱72内部流体热量散失。输水管柱7与热交换装置6的连接方式采用U型连接。
[0055] 步骤7.待高导热水泥浆5凝固前，将井下热交换完井装置6下入主井眼2井底，浸没在高导热水泥浆5中。
[0056] 步骤8.热交换完井装置6由注水腔61、出水腔62和金属管网63组成，其中，网状金属管网63由多个毛细金属管64组成，毛细金属管64直径比注水管71直径小。热交换完井装置6由高导热金属材质制成，由于毛细金属管64与高导热水泥浆5直接接触，从而允许在换热流体通过毛细金属管64时快速加热。
[0057] 步骤9.井下热交换完井装置6下入井底后，在储层上部坐封封隔器8，封隔器8具有隔热功能，使干热岩储层12与上部井段11隔离，防止热量散失。
[0058] 步骤10.安装地面井口装置9、换热器10和工质泵20，利用工质泵20将冷水泵入注水管71，进入热交换完井装置6，冷水加热后，从出水管72返回地面，利用地面换热器20利用干热岩热能。
