一種循環開採地熱資源的方法
2023-07-07 20:18:26 2
專利名稱：一種循環開採地熱資源的方法
技術領域：
本發明涉及一種循環開採地熱資源的方法。
背景技術：
「地熱」是指能夠經濟地為人類所利用的埋藏在地下的熱能資源的簡稱。地球的熱場也稱地球的溫度場、或地熱場，它與地球的電場、重力場、磁場等都是地球的物理場。地熱場表示地球內部各層中溫度的分布狀態。地球的各圈層溫度分布狀況和熱場的特徵各不相同。通常所說的熱場是指地球上層能直接測量到的部分。地熱資源作為一種新能源，早已引起世界各國的重視。地熱資源是一種寶貴的自然資源，有人曾做過如下的估計，地下熱能的總量約為全部煤儲量可能釋放的能量的I億7千萬倍。地熱資源不僅可以提供熱能，而且還可提供供水水源及礦物資源，如提取有用元素和化合物。我國的地熱資源豐富，是世界上開發最早的國家之一。目前，我國用熱主要體現在以下幾個方面，即工業加熱、工農業用熱、家庭取暖、洗浴、溫室種植、養殖等方面。而我國目前供熱主要是煤、電和部分地熱，電除了水電、風電、太陽能發電外，主要還是煤電。根據建設部2010年的統計顯示，目前全國供熱採暖耗能全年約為2.5億噸煤，佔全社會總能耗的10%。來自「清潔高效燃煤發電技術協作網」2010年會的信息顯示，目前我國發電供熱用煤佔全國煤炭生產總量的50%左右。因為，煤是高汙染能源，大約全國90%的S02排放由煤電產生，80%的C02排放量由煤電排放。在給人們生產、生活帶來便利的同時，也產生較大汙染，給人們生命健康帶來危害。同時，燒煤的鍋爐屬於高壓容器，使用不當還會產生爆炸等危險。按目前的開發利用水平估算，全國每年可開發利用地熱水總量約68.45億立方米，折合每年3284.8萬噸標準煤的發熱量。但是，現在被利用的還不到20%。即使如此，由於長期盲目開採，造成使用不合理，綜合利用低，浪費較為嚴重。有些地方，由於缺乏管理造成布井不合理、密度太大，開採過量，造成地下熱水位大幅度下降。大量的地熱水隨意排放到環境中，將造成地表水和地下淡水的汙染。我們生活的地球是一個巨大的低熱庫，僅地下10千米厚的一層，儲熱量就達
1.05X1026焦耳，相當於9.95X 1015標準煤所釋放的熱量。根據從事地熱能研究和開發的桑哈什(SEMHACH)公司介紹，地熱能的蘊藏量超過了煤炭、石油的儲量。地熱資源是礦產資源的一部分，與煤炭、石油和天然氣等傳統的化石能源相比，地熱能具有清潔、環保、可就地直接取用、成本相對低、價格穩定等優勢。由於蘊藏在地球內部的天然熱量——地熱能儲存量巨大，對環境的負面影響小，已被世界各國公認為可再生清潔能源，被各國列為重點研究開發的新能源之一。目前的地熱利用包括發電和熱利用兩種方式。地熱資源按照介質的溫度狀況可以分為三種:高溫(大於150°C)、中溫(90 150°C)、低溫(小於90°C)系統。中低溫地熱系統大部分採取直接利用的方式(如:供暖、浴療、在工農業方面的使用等)和地源熱泵供熱、製冷進行開發利用；高溫地熱系統用來發電，地熱發電裝機容量已經達到1000萬千瓦，可以說，地熱目前是僅次於風能的最為現實和最具競爭力的新能源。國土資源部數據顯示，據初步估算，全國主要沉積盆地距地表2000米以內儲藏的地熱能，相當於2500億噸標準煤的熱量。全國經正式勘查並經國土部門審批的地熱田為103處，提交的可採地熱資源量每年為33283萬立方米；經初步評價的地熱田為214處。按目前的開發利用水平估算，全國每年可開發利用地熱水總量約68.45億立方米，折合每年3284.8萬噸標準煤的發熱量。但是，現在被利用的還不到20%，開發利用前景廣闊。目前的技術面臨兩個問題:一是利用煤炭產生嚴重汙染，且成本較高，每年合計用煤(包括煤發電取暖)10億噸，保守按每噸500元計算,則是5000億元；二是利用地熱只是從地下取熱水，而地下的熱水雖然量比較大，但也是有限定的。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種節約大量煤炭資源的循環開採地熱資源的方法。本發明解決上述技術問題的技術方案如下:一種循環開採地熱資源的方法，包括以下步驟:I)確定一個地溫梯度相對高的地區；收集該地區以往地熱資料，特別是打井實際測量的溫度資料，以確定該地區的地溫梯度。在地下，如果地溫梯度為4°C /100米，通常情況下地表溫度15°C，那麼兩千米就可以達到95°C，三千米就可以達到135°C。具體為:(I)測量該地區的大地熱流值。大地熱流值為一綜合參數，是在地表能直接測得的惟一反映地殼深部熱狀況的一
個物理量。(2)測量該地區的地溫梯度。地下的溫度狀況是通過鑽孔和礦井的地溫直接測量求得的，打完井後，用地球物理測井中的地溫測井，測得不同深度對應的溫度，每100米增加的溫度就是地溫梯度。地溫梯度又稱「地熱梯度」。表示地球內部溫度不均勻分布程度的參數。一般埋深越深處的溫度值越高，以每百米垂直深度上增加的。C數表示。不同地點地溫梯度值不同，通常為(I 3) °C/百米，火山活動區較高。2)在所述地溫梯度相對高的地區確定儲集層。3)在所述儲集層的王要延伸方向確定兩口井的井位並進彳丁鑽井，一 口井在儲集層相對低的部位，為進水井；另一口井在儲集層相對聞的部位，為出水井；4)將所述進水井及出水井均鑽到儲集層處，然後再在同一儲集層段進行射孔，得到儲集層通道，使得所述進水井通過儲集層通道與所述出水井相通；5)在地面，從所述進水井注入地表淡水，地表淡水經過儲集層通道，得到加熱後的熱水，所述加熱後的熱水流入出水井，然後再送到出水井口即可。本發明的有益效果是:1、把地下當作熱庫，即加熱爐，使其把涼水加熱，而不是簡單地抽取其熱水。
1、解決了可在任何地方打井的問題，只不過地溫高的地方，井打的可以淺一些，地溫低的地方,井要打的深一些。3、進入地層多少水，取出來多少水，一點也不多取，保持了地下水位的平衡。4、節約大量煤炭資源，每年可節約煤炭2.5億噸,保守按每噸500元計算,則是1250億元；同時極大降低了 C02的排放，減少許多環境汙染。因為每噸標煤燃燒產生的C02量，工業鍋爐大概2.6噸C02，那麼節約2.5億噸煤，就可減少6.5億噸C02排放。 5、可以在有沉積盆地的地方實施，而我國有沉積盆地的面積將近600萬平方千米，避免了目前開採地熱的局限性。6、節約地下水資源，防止過量開採造成水位的下降。我國19個省份50多個城市發生了不同程度的地面沉降，且主要集中在長三角地區。7、從地下出來的熱水含有較多礦物質。這些礦物質和微量元素具有一定的美容護膚功效，能夠改善皮膚，促進血液循環，而這些水中的鈣、鎂、鈉、碳酸氫、硫化氫等礦物質又能改變皮膚酸鹼值，從而軟化皮膚角質。因此，常用其洗澡可以利於人們健康。8、可以在工、農業、居民、溫室等多地使用。已廣泛用於工農業生產及醫療衛生領域。在工業上主要用於發電、紡織、印染、造紙、釀造、皮革加工處理等；農業上主要用於保溫育苗、溫室栽培、人工孵化及調劑灌溉水溫度等。在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。進一步，在步驟2)中，所述儲集層在陸相地層為砂巖層，在海相地層為碳酸鹽溶洞和/或裂縫。進一步，在步驟2)中，所述確定儲集層的具體步驟為:2.1)選擇在地質歷史上是沉積盆地的地方；由於能源地質(石油、天然氣、煤炭以及非常規天然氣)的勘探、開發，沉積盆地的分布範圍，已經基本清楚。如果，尚不清楚，可以採用非地震物化探技術象重力、磁力、電法、化探等技術方法，進行識別和圈定。2.2)在沉積盆地內，用地震方法預測出儲集層的位置；地震主要用反射波法，來識別儲集層，因為，儲集層通常含水，可以導致它的振幅、頻率、波長等發生變化。另外，地震波在不同巖石中傳播的速度不同，這樣就可以在陸相地層中區分出泥、頁巖和砂、礫巖；在海相地層中區分出石灰巖和白雲巖。2.3)根據地震方法預測出來的儲集層，對所述儲集層的厚度、範圍、空隙及滲透率進行識別，選擇出符合要求的儲集層；一般情況下，選擇儲集層的厚度為20 50米；分布穩定，一般面積要大於100平方千米；滲透性要好，一般孔隙度大於25%，滲透率大於200毫達西；連通性要好；頂底板封閉性要好。在此前提下，地溫梯度越高越好；因為，地溫梯度高，在獲得同樣水溫條件下，井就打的淺，就節約成本。進一步，在步驟3)中，所述鑽井的具體步驟為:用311mm鑽頭，鑽開表層，然後再用215mm鑽頭，接著往下鑽進，鑽到儲集層處，再下入套管，然後用水泥漿進行固井。進一步，所述鑽開的表層深度為300 500米。進一步，在鑽開表層和接著往下鑽進的步驟之間還包括如下步驟:為防止表層垮塌，下入表層套管，然後用水泥漿進行固井。
進一步，所述表層套管的厚度為240mm。進一步,所述套管的厚度為140mm。進一步，在鑽井到儲集層處後，下套管之前還包括以下步驟:進行地球物理測井。一方面是測量儲集層的厚度、滲透性；另一方面是測量井溫，確定地溫梯度。目的是看與打井前測得的結果是(是指確定一個好的儲集層過程時，得到的測量結果)否相同，是高了還是低了。這決定今後在該區打井的深度，和打井的成本。進一步，在步驟4)中，所述進行射孔的工藝條件為:選擇102型槍裝127彈聚能射 L，60°相位角螺旋布孔，孔密24孔/米，發射率不低於98%。射孔前，套管、水泥環(水泥漿進行固井的一層成為水泥環)把地層與煤層是包起來的，只有射孔後，射孔彈先後把套管、水泥環身穿成孔，射到儲集層，儲集層才能夠與進水井和出水井連通。進一步，所述進水井 及出水井的深度均為2000 3000米。進一步，所述進水井到出水井的距離為300 500米。進一步，所述儲集層通道的寬度為20 50米。進一步，所述加熱後的熱水的溫度為95 135°C。進一步，所述出水井內安裝有抽水泵，可將熱水抽到出水井口。進一步，地表淡水經過儲集層通道時，還包括壓裂的步驟，所述壓裂是從地表加壓，通過射開的孔將壓裂液、支撐劑壓入儲集層，儲集層破裂即產生主裂縫，壓裂液攜帶支撐劑進入地層，順著主裂縫方向可以達到200 300米範圍；其中，所述壓裂液的用量為1200 1500方，支撐劑的用量為60 80方。進一步，所述進行壓裂的壓裂設備為1000型以上性能良好的壓裂機組。進一步，所述壓裂液為活性水或清水，所述支撐劑為石英砂。進一步，所述清水中還加入體積百分比為I 3%的KCL，加KCL目的是提高壓裂液粘度，便於攜帶石英砂。進一步，所述從地表加壓的壓力為30 40兆帕。進一步，所述將壓裂液、支撐劑壓入儲集層的排量為每分鐘3 5方。通過上述方法得到的熱水，先驗證水的物理化學性質。打井出水，每天要取水樣進行化驗分析。如果是用於取暖，看有沒有腐蝕管線的成分，比如含硫高；如果是用於洗澡，則看有無對人體危害的元素。驗證完畢後，再通過管線或水罐車，運往目的地。
圖1為本發明循環開採地熱資源的方法中的打兩口直井的結構示意圖；附圖中，各標號所代表的部件列表如下:1、進水井，2、出水井，3、儲集層，4、抽水泵。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的原理和特徵進行描述，所舉實例只用於解釋本發明，並非用於限定本發明的範圍。首先確定找到了好的儲集層
找到了好的儲集層，具體步驟為:在符合要求的儲集層上確定一個井位，一般參考盆地周邊露頭資料，結合非地震物化探資料，特別是地震及該區以往打井資料，並經過綜合地質條件分析井位確定後，進行鑽探，一般採用煤田或石油鑽機，進行鑽探。目的是，確認以地震為主要方法確定的儲集層存不存在，如果存在，再確定儲集層的好壞。鑽出一個井後，在所述井中出水，且每天出水量在100方以上，連續出水在3個月以上，即確定為一個好的儲集層。然後打兩口直井，如圖1所示，即一 口井在儲集層相對低的部位，用於進水；另一口井在相對高的部位，用於出水。經過鑽井，證實了地震資料的可靠性。那麼，可在儲集層的主要延伸方向部署兩口井。其中，一口在低部位，為進水井I ;另一口在稍高部位，為出水井2。因為，根據地下壓力系統和勢能分布，通常是水往高部位運移。所打兩口井，需在同一儲集層3段進行射孔，射開20 50米厚的儲集層通道，地表淡水從進水井I射孔處，經過地面加壓，將水進入地層。進入地層，經過300 500米的儲集層3通道(即進水井I與出水井之2間的距離)，在95 135°C溫度下，自身就很快會被加熱。待到出水井2射孔處，溫度基本上可以達到95 135°C，經過出水井安裝的抽水泵4，將水抽到井口。然後，通過管線或水罐車，運往目的地。如果水流不暢，則需要進行壓裂。採用清水作為壓裂液，石英砂作為支撐劑，一定的排量、一定的砂比。壓裂設備選擇1000型以上性能良好的壓裂機組，壓裂液選擇活性水或清水(加質量百分比為I 3%的KCL)。通常壓裂液用量1200 1500方，石英砂60 80方，排量每分鐘3 5方，壓力加到30 40兆帕。如果找到了儲集層，但是儲集層不是很好的情況下，也可用一水平井代替儲集層。即打兩口井，一 口直井，一口水平井，兩口井對接。具體步驟為:先在較高部位鑽一 口垂深2500m左右的直井，直井井口距離水平井井口 900m。然後在較低部位鑽一 口水平井，水平井由31 Imm鑽頭開眼，至井深約250m的位置下入240mm套管，水泥漿返至地面。二開鑽水泥塞及進入新地層至井深1800m開始造斜，組合動力鑽具，設計造斜段狗腿度4.5° /30m，剖面設計為單圓弧剖面，鑽進至3800m (井斜角60°，水平位移500m，垂深2800m)。下140mm套管，下到儲集層頂部。使用時，在水平井處對注入的自來水加熱，加熱後的自來水從直井取出。以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種循環開採地熱資源的方法，其特徵在於，包括以下步驟: 1)確定一個地溫梯度相對高的地區； 2)在所述地溫梯度相對高的地區確定儲集層； 3)在所述儲集層的主要延伸方向確定兩口井的井位並進行鑽井，一口井在儲集層相對低的部位，為進水井；另一口井在儲集層相對高的部位，為出水井； 4)將所述進水井及出水井均鑽到儲集層處，然後再在同一儲集層段進行射孔，得到儲集層通道，使得所述進水井通過儲集層通道與所述出水井相通； 5)在地面，從所述進水井注入地表淡水，地表淡水經過儲集層通道，得到加熱後的熱水，所述加熱後的熱水流入出水井，然後再送到出水井口即可。
2.根據權利要求1所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:在步驟2)中，所述儲集層在陸相地層為砂巖層，在海相地層為碳酸鹽溶洞和/或裂縫。
3.根據權利要求1所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:在步驟2)中，所述確定儲集層的具體步驟為: 2.1)選擇在地質歷史上是沉 積盆地的地方； 2.2)在沉積盆地內，用地震方法預測出儲集層的位置； 2.3)根據地震方法預測出來的儲集層，對所述儲集層的厚度、範圍、空隙及滲透率進行識別，確定出符合要求的儲集層。
4.根據權利要求3所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:所述地震方法為反射波法。
5.根據權利要求3所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:所述符合要求的儲集層的儲集層厚度為20 50米，儲集層範圍大於100平方米，儲集層的孔隙度大於25%，儲集層的滲透率大於200毫達西。
6.根據權利要求1所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:在步驟3)中，所述鑽井的具體步驟為:用311mm鑽頭，鑽開表層，然後再用215_鑽頭，接著往下鑽進，鑽到儲集層處，再下入套管，然後用水泥漿進行固井。
7.根據權利要求6所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:所述鑽開的表層深度為300 500米。
8.根據權利要求6所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:在鑽開表層和接著往下鑽進的步驟之間還包括如下步驟:為防止表層垮塌，下入表層套管，然後用水泥漿進行固井。
9.根據權利要求8所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:所述表層套管的厚度為240mm。
10.根據權利要求6所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:所述套管的厚度為140mmo
11.根據權利要求6所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:在鑽井到儲集層處後，下套管之前還包括以下步驟:進行地球物理測井。
12.根據權利要求11所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:所述進行地球物理測井，一方面是測量儲集層的厚度、滲透性；另一方面是測量井溫，確定地溫梯度。
13.根據權利要求1至12任一項所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:在步驟4)中，所述進行射孔的工藝條件為:選擇102型槍裝127彈聚能射孔，60°相位角螺旋布孔，孔密24孔/米，發射率不低於98%。
14.根據權利要求1至12任一項所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:所述進水井及出水井的深度均為2000 3000米。
15.根據權利要求1至12任一項所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:所述進水井到出水井的距離為300 500米。
16.根據權利要求1至12任一項所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:所述儲集層通道的厚度為20 50米。
17.根據權利要求1至12任一項所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:所述加熱後的熱水的溫度為95 135°C。
18.根據權利要求1至12任一項所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:所述出水井內安裝有抽水泵，可將熱水抽到出水井口。
19.根據權利要求1至12任一項所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:地表淡水經過儲集層通道時，還包括壓裂的步驟，所述壓裂是從地表加壓，通過射開的孔將壓裂液、支撐劑壓入儲集層，儲集層破裂即產生主裂縫，壓裂液攜帶支撐劑進入地層，順著主裂縫方向可以達到200 300米範圍； 其中，所述壓裂液的用量為1200 1500方，支撐劑的用量為60 80方。
20.根據權利要求19所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:所述進行壓裂的壓裂設備為1000型以上 性能良好的壓裂機組。
21.根據權利要求19所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:所述壓裂液為活性水或清水，所述支撐劑為石英砂。
22.根據權利要求21所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:所述清水中還加入體積百分比為I 3%的KCL。
23.根據權利要求19所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:所述從地表加壓的壓力為30 40兆帕。
24.根據權利要求19所述的循環開採地熱資源的方法，其特徵在於:所述將壓裂液、支撐劑壓入儲集層的排量為每分鐘3 5方。
全文摘要
本發明涉及一種循環開採地熱資源的方法，包括以下步驟1)確定一個地溫梯度相對高的地區；2)在所述地溫梯度相對高的地區確定儲集層；3)在所述儲集層的主要延伸方向確定兩口井的井位並進行鑽井，一口井在儲集層相對低的部位，為進水井；另一口井在儲集層相對高的部位，為出水井；4)將所述進水井及出水井均鑽到儲集層處，然後再在同一儲集層段進行射孔，得到儲集層通道，使得所述進水井通過儲集層通道與所述出水井相通；5)在地面，從所述進水井注入地表淡水，地表淡水經過儲集層通道，得到加熱後的熱水，所述加熱後的熱水流入出水井，然後再送到出水井口即可。
文檔編號F24J3/08GK103090571SQ201310003948
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月6日 優先權日2013年1月6日
發明者姚亞明, 楊梓琪 申請人:姚亞明