開採乾熱巖地熱資源的井身結構及方法與流程
2023-12-09 19:30:41 2
本發明涉及地熱資源開發領域，尤其涉及一種開採乾熱巖地熱資源的井身結構及方法。
背景技術：
地熱資源因其具有儲量大、可再生、應用清潔等特徵而受到能源開發領域的關注，作為最高品質地熱資源的乾熱巖的開發更成為關注的焦點，如何有效開採乾熱巖地熱資源是現在能源領域亟需解決的問題，也是新能源開發領域及可再生能源開發領域研究的熱點。
井眼是實現乾熱巖地熱資源熱能快速傳輸到地面的有效通道之一，建立何種特徵井眼、利用該井眼如何來傳輸乾熱巖地熱資源熱能關係著鑽井方案的實施性及熱能獲取的可行性，是關係乾熱巖地熱資源能否開發的重要問題。
現有技術對於地下熱水的開採已有文獻報導。cn102287945a公開一種多井合一水源熱能交換方法及地熱井，通過設置一定深度的地熱井，將地表劃分為地表淺水層、不透水層及地表深水層，地熱井在地表以下分成上、中、下三部分；cn105804654a提供了一種地熱井新型井身結構及完井方法，該井身結構為垂直鑽井，從地面至井底依次設置有表層套管、固井段以及生產套管，表層套管由地面至固井段，並將固井段的上端一段周向包裹，固井段由井口固井段和井身固井段組成；cn106194124a提供了一種基於基巖地質的地熱井，包括從上至下排列的固井段和過濾器井段，固井段包括9米長的井壁管，井壁管與井身之間採用水泥漿回灌；過濾器井段包括11米長的透水管，透水管與井身之間設有過濾器，且在透水管與井身之間填充鵝卵石；在過濾器井段底部設置有40米長的生產井段，該生產井段的直徑小於固井段和過濾器井段的直徑。
上述發明專利公布內容均是針對於地下熱水的開採，並無涉及乾熱巖地熱資源開採，而實際開採過程中乾熱巖溫度遠遠超過地下熱水溫度，且井內不含熱流體，這對井身結構、鑽井工藝、鑽井工具等都提出了新的挑戰。現有的乾熱巖熱量採出的方法均是借用油氣開發方法，即壓裂、注水再抽取熱水，例如cn105840146a公開了一種分支井體積壓裂自循環開採乾熱巖地熱方法，但是在高溫情況下，壓裂工藝實施較難、注水再抽水也會增加能量的損耗及增加額外成本。因此，亟需針對開採乾熱巖地熱資源的井身結構和方法，以滿足熱幹巖高效、低成本開發的要求。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種開採乾熱巖地熱資源的井身結構及方法，該井身結構可將乾熱巖鑽完井劃分為相對獨立的常規鑽完井段和超高溫地層鑽完井段兩部分，利用該井身結構的開採方法將注入液體、採出液體用一口井來完成，可以大幅度提高採熱效率、降低採熱過程的熱損失。
本發明的技術方案，一方面提供了開採乾熱巖地熱資源的井身結構，包括常規鑽完井段和超高溫地層鑽完井段；
所述常規鑽完井段從地面延伸到乾熱巖隔熱層內，包括表層套管和設置於表層套管內部的技術套管，表層套管位於井眼頂端且與井眼間封固有表層水泥環，技術套管位於乾熱巖隔熱層內的一端與表層套管間設置有技套水泥環；
所述超高溫地層鑽完井段從乾熱巖隔熱層內延伸到乾熱巖內；
所述常規鑽完井段的技術套管內部設置有上部隔熱採熱管，所屬超高溫地層鑽完井段內設置有依次連接的下部隔熱採熱管和導熱傳熱管，上部隔熱採熱管和下部隔熱採熱管通過流道變控器連接。
進一步的，所述上部隔熱採熱管延伸至地面，所述流道變控器位於技術套管底端的乾熱巖隔熱層內，所述導熱傳熱管延伸至乾熱巖內。
進一步的，所述技術套管為一層或多層，所述技術套管為多層時，相鄰的技術套管間採用技套水泥環封固。
進一步的，最後一層的技套水泥環返高高於乾熱巖隔熱層頂層。
進一步的，所述流道變控器包括與上部隔熱採熱管底端連通的左接頭，左接頭連接流道變控器主體，流道變控器主體另一側連接右接頭，右接頭與下部隔熱採熱管頂端連通；流道變控器主體包括位於兩側的左柱體、右柱體和位於左柱體、右柱體中部的圓柱體；
所述右柱體內部設置有與下部隔熱採熱管頂端連通的入流主通道，入流主通道通過入流分通道與第一環空連通，所述第一環空為上部隔熱採熱管與相鄰的技術套管構成的環空；
所述左柱體內部設置有與上部隔熱採熱管底端連通的回流主通道，回流主通道通過回流分通道與第二環空連通，所述第二環空包括超高溫地層鑽完井段的井眼與下部隔熱採熱管構成的環空以及超高溫地層鑽完井井段的井眼與導熱傳熱管構成的環空。
進一步的，所述入流分通道和回流分通道均位於圓柱體內部，且所述入流分通道和回流分通道沿圓柱體中心軸周向交替分布，且互不相交。
進一步的，所述左柱體直徑大於上部隔熱採熱管外徑；所述右柱體直徑大於下部隔熱採熱管外徑；所述圓柱體直徑大於所述左柱體或所述右柱體的直徑；所述圓柱體直徑小於最外層技術套管的內徑。
進一步的，所述圓柱體內部設置有隔熱密封安裝槽，隔熱密封安裝槽內安裝有隔熱密封總成。
進一步的，所述超高溫地層鑽完井段的井眼為裸眼或下入支撐管柱的井眼。
本發明的技術方案另一方面還提供了利用上述井身結構開採乾熱巖地熱資源的方法,包括如下步驟:
開採時，攜熱流體進入第一環空，流至流道變控器,經入流分通道進入入流主通道,經入流主通道進入下部隔熱採熱管內，再流經導熱傳熱管；
攜熱流體流經導熱傳熱管後進入第二環空進行熱交換，返流至流道變控器,經回流分通道進入回流主通道,經回流主通道進入上部隔熱採熱管內，返至地面。
本發明的有益效果在於：
1、開採乾熱巖地熱資源的井身結構，可將乾熱巖鑽完井劃分為常規鑽完井段和超高溫地層鑽完井段兩部分，實現兩種鑽完井過程的相對獨立，兩種鑽完井施工中間環節有效銜接；
2、開採乾熱巖地熱資源的井身結構，內部採熱管柱可時時更換，有利於採熱工藝的隨時調整及損壞管柱的隨時更換；
3、開採乾熱巖地熱資源的井身結構，內部採熱管柱可以有效降低採熱過程的熱損失，大幅度提高採熱效率；
4、開採乾熱巖地熱資源的方法可實現單個井眼內注液、出液的採熱過程，顯著降低了作業成本。
附圖說明
圖1為本發明實施例所提供的開採乾熱巖地熱資源的井身結構示意圖；
圖2為流道變控器沿鉛垂面剖面圖；
圖3為流道變控器沿水平面剖面圖；
圖4為流道變控器橫截面示意圖；
圖5為入流流道示意圖；
圖6為回流流道示意圖；
其中：1、表層套管，2、表層水泥環，3、技術套管，4、技套水泥環，5、上部隔熱採熱管，6、流道變控器，7、下部隔熱採熱管，8、導熱傳熱管，9、超高溫地層鑽完井段的井眼，10-第一環空，11-第二環空；
a、常溫梯度地層，b、乾熱巖隔熱層，c、乾熱巖；
601、流道變控器左接頭，602、流道變控器左柱體，603、圓柱體，604、隔熱密封總成，605、流道變控器右柱體，606、流道變控器右接頭，607、入流主通道，608、入流分通道，609、回流主通道，610、回流分通道。
具體實施方式
下面，通過示例性的實施方式對本發明進行具體描述。然而應當理解，在沒有進一步敘述的情況下，一個實施方式中的元件、結構和特徵也可以有益地結合到其他實施方式中。
在本發明的描述中，需要說明的是，術語「上」、「下」、「頂部」、「底部」等指示的方位或位置關係為基於圖1所示的位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
參見圖1，圖1是本發明所提供的開採乾熱巖地熱資源的井身結構示意圖。開採乾熱巖地熱資源的井身結構，包括常規鑽完井段和超高溫地層鑽完井段，從圖1可以看出，常規鑽完井段大部分位於常溫梯度地層a內，超高溫地層鑽完井段大部分位於乾熱巖c內，兩段井身結構交匯於乾熱巖隔熱層b內部。將開採乾熱巖地熱資源的井身結構劃分為上述的常規鑽完井段和超高溫地層鑽完井段兩部分，可實現兩種鑽完井過程的相對獨立，兩種鑽完井施工中間環節有效銜接。
參見圖1，常規鑽完井段從地面延伸到乾熱巖隔熱層b，包括表層套管1和設置於表層套管1內部的技術套管3，表層套管1位於井眼頂端且與井眼間封固有表層水泥環2，技術套管3位於乾熱巖隔熱層b內的一端與表層套管1間設置有技套水泥環4；
超高溫地層鑽完井段從乾熱巖隔熱層b內延伸到乾熱巖c內部；
常規鑽完井段的技術套管3內部設置有上部隔熱採熱管5，超高溫地層鑽完井段內設置有依次連接的下部隔熱採熱管7和導熱傳熱管8，上部隔熱採熱管5和下部隔熱採熱管7通過流道變控器6連接。
本發明的上述井身結構可以看出，內部的隔熱採熱管以及導熱傳熱管可及時的更換，利於整個乾熱巖地熱資源的開採施工進程的隨時調整，能夠及時更換損壞的管柱，保證開採的效率。
作為優選的實施例，參見圖1，所述上部隔熱採熱管5延伸至地面，所述流道變控器6位於技術套管底端的乾熱巖隔熱層b內，所述導熱傳熱管8延伸至乾熱巖c內部。上部隔熱採熱管5延伸至地面利於攜熱流體的注液和出液，導熱傳熱管8延伸入乾熱巖c內部可以保證充分進行熱量的交換。流道變控器6位於乾熱巖隔熱層b內部作為兩個鑽完井的樞紐利於乾熱地熱資源的採集。具體的導熱傳熱管8的延伸長度根據乾熱巖長度和傳熱的需求可以進行調整。
在實際的施工過程中，所述技術套管3為一層或多層，所述技術套管3為多層時，相鄰的技術套管3間採用技套水泥環4封固，具體的技術套管的應用層數根據地下的實際工況而定。作為優選的實施例，最後一層的技套水泥環4返高高於乾熱巖隔熱層b頂層。具體的返高程度也是根據地下工況確定的。
參見圖2和圖3，本發明的流道變控器6包括與上部隔熱採熱管5底端連通的左接頭601，與下部隔熱採熱管頂端連通的右接頭606；流道變控器主體包括位於兩側的左柱體602、右柱體605和位於左柱體602、右柱體605中部的圓柱體603；
具體的，參見圖3，所述右柱體605內部設置有與下部隔熱採熱管7頂端連通的入流主通道607，入流主通道607通過入流分通道608與第一環空10連通，所述第一環空10為上部隔熱採熱管5與相鄰的技術套管3構成的環空；
具體的，參見圖2，所述左柱體602內部設置有與上部隔熱採熱管5底端連通的回流主通道609，回流主通道609通過回流分通道610與第二環空11連通，所述第二環空11包括超高溫地層鑽完井段的井眼9與下部隔熱採熱管7構成的環空以及超高溫地層鑽完井段的井眼9與導熱傳熱管8構成的環空。流道變控器6與上部隔熱採熱管5和下部隔熱採熱管7以及導熱傳熱管8構成採熱管系進行熱量的採集，並且採熱管和導熱傳熱管都是位於內部，有效降低了採熱過程中的熱損失，流道變控器控制，大幅度提高了採熱效率。在流道變控器6中，入流主通道607和回流主通道609不貫通，保障熱循環的順利進行。
參見圖4，所述入流分通道608和回流分通道610均位於圓柱體內部，且所述入流分通道608和回流分通道610沿圓柱體中心軸周向交替分布，分通道充分與環空相連通，提升攜熱流體的流速，同時，入流分通道608和回流分通道均勻分布與圓柱體周向，二者不交叉，有利於熱量的傳遞。此外，分通道與環空連通不會衝蝕上部和下部的隔熱採熱管。
參見圖5和圖6，所述左柱體602直徑大於上部隔熱採熱管5外徑；所述右柱體605直徑大於下部隔熱採熱管7外徑；所述圓柱體603直徑大於所述左柱體602或所述右柱體605的直徑；所述圓柱體603直徑小於最外層技術套管3的內徑，上述設置可以利於攜熱流體的通入和通出。
作為優選的實施例，參見圖2-4，所述圓柱體603內部設置有隔熱密封安裝槽，隔熱密封安裝槽內安裝有隔熱密封總成604，隔熱密封總成的設計可以最大限度的防止熱量流失，最大限度的保證熱能傳遞到地面。
作為可選的實施例，參見圖1，所述超高溫地層鑽完井段的井眼為裸眼或下入支撐管柱的井眼，減少成本，提高採熱效率。
本發明實施例的另一方面還提供了利用上述井身結構開採乾熱巖地熱資源的方法，具體的,包括如下步驟:
開採時，攜熱流體進入第一環空，流至流道變控器,經入流分通道進入入流主通道,經入流主通道進入下部隔熱採熱管內，再流經導熱傳熱管；
攜熱流體流經導熱傳熱管後進入第二環空進行熱交換，返流至流道變控器,經回流分通道進入回流主通道,經回流主通道進入上部隔熱採熱管內，返至地面。
上述開採方法結合圖5和圖6的流道示意圖，攜熱流體從第一環空進入後通過入流分通道進入超高溫地層鑽完井段內部的採熱管道，即圖5的流向，通過乾熱巖進行採熱的同時從導熱傳熱管進入第二環空返流，返流的流體進入回流主通道後進入常規鑽完井段內部的採熱管道，即圖6的流向，返至地面。通過本發明的開採乾熱巖的井身結構以及開採方法，僅通過單個井眼即可完成採熱的注液和出液過程，顯著降低了作業的成本，提高了採熱的效率。