一種干熱巖地?zé)崛斯醿Φ慕ㄔ旆椒?br>【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于干熱巖地?zé)崛斯醿ㄔ祛I(lǐng)域，特別涉及一種沿火成巖相形成的天然弱面和軟弱夾層進(jìn)行超臨界二氧化碳壓裂產(chǎn)生主裂縫，進(jìn)而在主裂縫內(nèi)進(jìn)行大排量的水力壓裂產(chǎn)生二次破裂，干熱巖體在循環(huán)壓裂下發(fā)生體積破裂或者叢式破裂的形式來建造人工熱儲的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]地?zé)嶙鳛榫G色的、可再生的資源，被世界各國確定為維系社會可持續(xù)發(fā)展的新的“綠色能源”，地?zé)豳Y源可分為兩種類型:天然熱水資源和干熱巖地?zé)豳Y源(Hot Dry RockGeothermal Energy(HDR))。全世界地殼1km以內(nèi)的干熱巖地?zé)豳Y源量為40_400Mquads(Iquad=119J),是化石能源的100-1000倍，幾乎可以說是無限的資源量，而且分布相當(dāng)普遍。干熱巖地?zé)嵋话闶侵笢囟仍?00°C以上的巖體中蘊(yùn)藏的地?zé)崮苜Y源，可以經(jīng)過人工開采從巖體中直接提取出過熱水蒸氣而直接用于發(fā)電和熱水利用。在干熱巖地?zé)衢_發(fā)和利用中，在兩井或者群井之間一定深度的巖層內(nèi)形成的熱交換面積較大且裂隙發(fā)育的裂縫帶或者裂隙群就是人工熱儲。人工熱儲的建造是高溫巖體地?zé)衢_發(fā)最關(guān)鍵的步驟，人工熱儲建造的好壞，直接關(guān)系到干熱巖地?zé)衢_發(fā)的成敗。
[0003]人工熱儲建造所在的巖層具有以下特點(diǎn):(I)埋藏較深，一般在火成巖或變質(zhì)巖中，深度在地下3000m以上；(2)火成巖體具有明顯的巖相，在不同巖性的巖體交界面處容易形成天然弱面或軟弱夾層，其力學(xué)特性異于正常狀態(tài)的火成巖；(3)巖層內(nèi)溫度較高，溫度在200-650°C; (4)干熱巖體原生孔隙度極低，滲透率極差。因此，干熱巖人工熱儲的建造非常困難。目前，建造人工熱儲的技術(shù)和方法有水力壓裂法、爆炸法、熱應(yīng)力法等，但是為大家公認(rèn)的方法為巨型水壓致裂法。然而巨型水力致裂法建造人工熱儲時仍然面臨很多困難，由于巖體應(yīng)力高，所以巖體破裂壓力大，難于形成理想結(jié)構(gòu)的裂縫群或裂縫帶，建成的人工熱儲層的流量低于商業(yè)運(yùn)行的參數(shù)要求。
[0004]超臨界二氧化碳是指二氧化碳流體的溫度、壓力均超過流體臨界溫度31.1°C和臨界壓力7.4MPa的一種狀態(tài)。超臨界二氧化碳具有氣體的低粘度和易擴(kuò)散、液體的高密度和易溶解的特點(diǎn)，且二氧化碳資源充足，成本低，化學(xué)惰性，無毒無腐蝕性，臨界狀態(tài)容易實現(xiàn)，這為超臨界二氧化碳流體的應(yīng)用提供了很好的物質(zhì)保障。超臨界二氧化碳壓裂技術(shù)被越來越多的應(yīng)用于低滲透性巖體的滲透性改造方面。2013年我國首次采用純液態(tài)二氧化碳在“延頁7井”現(xiàn)場壓裂試驗成功，也為使用超臨界二氧化碳壓裂提供了現(xiàn)場的可行性案例。綜合實驗室研究結(jié)論可知:超臨界二氧化碳壓裂，巖體破裂壓力較水力壓裂低;高溫狀態(tài)火成巖遇水產(chǎn)生熱破裂，滲透性增強(qiáng)。
[0005]因此，利用火成巖巖相處容易形成軟弱面或夾層的特點(diǎn)，結(jié)合超臨界二氧化碳壓裂巖體破裂壓力低，高溫狀態(tài)火成巖遇水容易產(chǎn)生熱破裂，運(yùn)用超臨界二氧化碳壓裂可誘使干熱巖體產(chǎn)生主裂縫，沿著形成的主裂縫進(jìn)行水力壓裂可使干熱巖體產(chǎn)生二次破裂，反復(fù)循環(huán)進(jìn)行，干熱巖體在溫度差和壓裂壓力共同作用下形成體積破裂或叢式破裂，可保證載熱流體和干熱巖之間有足夠大的熱交換面積，所建人工熱儲具有較長的使用壽命與較大的出力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于克服水力壓裂在干熱巖地?zé)崛斯醿ㄔ熘写嬖诘娜秉c(diǎn)與不足，根據(jù)火成巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在由巖相形成的天然弱面和軟弱夾層的結(jié)構(gòu)特征，公開一種充分利用該地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征來建造干熱巖地?zé)崛斯醿Φ姆椒ā?br>[0007]本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種干熱巖地?zé)崛斯醿Φ慕ㄔ旆椒?在圈定的地?zé)岙惓^(qū)選定干熱巖地?zé)衢_發(fā)區(qū)域，利用鉆井施工所獲得的巖層地質(zhì)結(jié)構(gòu)資料，通過地質(zhì)識別和分析，確定火成巖相形成的天然弱面和軟弱夾層結(jié)構(gòu)的位置，并繪制地質(zhì)剖面圖，然后沿著火成巖相形成的天然軟弱面結(jié)構(gòu)進(jìn)行超臨界二氧化碳壓裂產(chǎn)生主裂縫，待群井間的主裂縫貫通后，應(yīng)用大排量的水力致裂方式在群井間的主裂縫內(nèi)進(jìn)行二次壓裂，高溫巖層在溫度差和水壓的共同作用下，產(chǎn)生體積破裂或者叢式破裂，火成巖層內(nèi)或火成巖層間裂縫互相搭接形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，形成一個滲透性較強(qiáng)、熱交換面積較大的裂縫群或裂縫帶，實現(xiàn)高溫巖體地?zé)崛斯醿Φ慕ㄔ臁?br>[0008]其具體實施的步驟為:
[0009](I)在圈定的地?zé)岙惓^(qū)選定干熱巖地?zé)衢_發(fā)區(qū)域進(jìn)行井組布置，井組的布置方式呈四邊形、五邊形或六邊形，一般由5到7 口鉆井組成；
[0010](2)首先施工中心位置的注入井，當(dāng)鉆井施工到溫度為180°C以上的巖層時，開始取巖芯，繼而依次施工生產(chǎn)井，測試溫度并鉆取巖芯；
[0011](3)對取得的巖芯進(jìn)行地質(zhì)識別和分析，確定由巖相形成的軟弱結(jié)構(gòu)面或軟弱層在巖層中的位置和厚度，并繪制其地質(zhì)剖面圖；
[0012](4)根據(jù)所繪制的地質(zhì)剖面圖，沿井組間的軟弱結(jié)構(gòu)面或軟弱層進(jìn)行超臨界二氧化碳分段壓裂，直到群井內(nèi)所有鉆井之間都產(chǎn)生主裂縫；
[0013](5)采用大排量的水力壓裂方式在群井間主裂縫內(nèi)進(jìn)行二次壓裂，由于流量大，會在主裂縫周圍的巖體內(nèi)形成溫度差，主裂縫在溫度差和水壓共同作用下產(chǎn)生二次破裂區(qū)，巖體內(nèi)逐步形成體積破裂或者叢式破裂；
[0014](6)對群井內(nèi)所有鉆井進(jìn)行超臨界二氧化碳壓裂和水力壓裂反復(fù)循環(huán)壓裂，直到巖層內(nèi)的主裂縫和二次破裂產(chǎn)生的裂隙互相搭接連通，形成一個滲透性較強(qiáng)、熱交換面積較大的裂縫群或裂縫帶；
[0015](7)從注入井注入大量的低溫水，經(jīng)過裂縫群或裂縫帶熱交換后，從生產(chǎn)井得到源源不斷的過熱水蒸氣或高溫水用于發(fā)電。
[0016]上述一種干熱巖地?zé)崛斯醿Φ慕ㄔ旆椒?，所述步驟(I)中，井組中心為注入井，生產(chǎn)井均等的布置在以注入井為圓心、L為半徑的圓周上，注入井至生產(chǎn)井的距離L = 500_100m0
[0017]上述一種干熱巖人工熱儲的建造方法，所述步驟(3)中，在對取得的巖芯進(jìn)行地質(zhì)識別和分析，確定巖層的種類、軟弱結(jié)構(gòu)面或軟弱層的位置及其厚度，并繪制地質(zhì)剖面圖后，通過巖石力學(xué)實驗，測定壓裂段巖石的垂向抗拉強(qiáng)度ot。
[0018]上述一種干熱巖人工熱儲的建造方法，所述步驟(4)中，在沿著軟弱結(jié)構(gòu)面或軟弱層處進(jìn)行超臨界二氧化碳分段壓裂時，分段高度根據(jù)其巖層厚度來確定，一般為2-4m。
[0019]上述一種干熱巖人工熱儲的建造方法，所述步驟(4)(5)(6)中，進(jìn)行超臨界二氧化碳壓裂和水力壓裂時，注入的二氧化碳的溫度為常溫，水的溫度為常溫或常溫以下，壓裂壓力P控制在壓裂地層垂直地應(yīng)力σν和壓裂地層垂直地應(yīng)力σν與巖石的垂向抗拉強(qiáng)度σt之和之間，即ov<P<ov+ot，本領(lǐng)域中常溫一般指20°C。
[0020]上述一種干熱巖人工熱儲的建造方法，所述步驟(6)中，所建成的滲透性較強(qiáng)、熱交換面積較大的裂縫群或裂縫帶的體積V = JiL2H,形成的人工熱儲的有效體積為V = IiJiL2H,式中H為壓裂段高度，η為人工熱儲的有效系數(shù)，L為生產(chǎn)井與注入井之間的距離。
[0021]本發(fā)明一種干熱巖人工熱儲的建造方法的優(yōu)點(diǎn)在于:充分利用超臨界二氧化碳的低粘度和易擴(kuò)散，以及火成巖在超臨界二氧化碳壓裂下破裂壓力低，易于形成裂縫的特征，結(jié)合火成巖具有明顯的巖相結(jié)構(gòu)，易于產(chǎn)生熱破裂的特點(diǎn)，解決目前水力壓裂在深部巖體人工熱儲建造中不宜實施，破裂壓力大，難于形成理想結(jié)構(gòu)的裂縫群或裂縫帶，人工熱儲層特別難于建造的問題。
【附圖說明】
[0022]圖1為群井井組“四邊形”布置方式圖。
[0023]圖2為群井井組“五邊形”布置方式圖。
[0024]圖3為群井井組“六邊形”布置方式圖。
[0025]圖4為超臨界二氧化碳壓裂與大排量的水力壓裂循環(huán)壓裂下人工熱儲形成過程示意圖。
[0026]圖中:1-注入井，2-生產(chǎn)井，3-巖相處軟弱結(jié)構(gòu)面或軟弱層，4-主裂縫，5-二次破裂區(qū)。
【具體實施方式】
[0027]實施方式1:如圖1、4所示，在一個圈定的地?zé)岙惓^(qū)，采用本發(fā)明方法，欲想在深度2000m處的干熱巖層內(nèi)建造人工熱儲，井組布置如圖1所示，注入井I到生產(chǎn)井2的距離為1000m，人工熱儲層建成投入使用后，從注入井I注入大量的常溫水，經(jīng)過人工熱儲層熱交換后，從生產(chǎn)井2得到200°C以上過熱水蒸氣或高溫水用于發(fā)電。
[0028]具體步驟如下:
[0029](I)在圈定的地?zé)岙惓^(qū)選定干熱巖地?zé)衢_發(fā)區(qū)域進(jìn)行“四邊形”井組布置，如圖1，井組由5口鉆井組成，注入井I位于中心，4口生產(chǎn)井2均勻分布在以注入井I為圓心的圓周上，生產(chǎn)井I和注入井2之間的距離為1000m;
[0030](2)首先施工注入井I，當(dāng)鉆井施工到2000m深度時，經(jīng)精確測量，確定干熱巖層溫度為2500C，滿足要求，開始鉆孔取芯，繼而依次施工生產(chǎn)井2，測試溫度并鉆取巖芯；
[0031](3)對取得的巖芯進(jìn)行地質(zhì)識別和分析，發(fā)現(xiàn)在2010m處存在花崗巖和玄武巖形成的巖相結(jié)構(gòu)，并繪制其地質(zhì)剖面圖，對從此鉆孔段取得的巖芯進(jìn)行巖石力學(xué)試驗，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)明顯不同于其他段，巖石的抗拉強(qiáng)度ot = 8-10MPa，厚度有1m;
[0032](4)根據(jù)所繪制的地質(zhì)剖面圖，在2010m深度處軟弱結(jié)構(gòu)面或軟弱層3進(jìn)行超臨界二氧化碳分段壓裂，壓裂壓力為P = 50.25-60.25MPa，分段高度為2m，分5段，自下而上進(jìn)行壓裂，直到群井內(nèi)所有鉆井之間都產(chǎn)生主裂縫4;
[0033](5)采用大排量的水力壓裂方式在群井間主裂縫4內(nèi)進(jìn)行二次壓裂，壓裂壓力P =50.25-60.25MPa，待群井間水力壓裂貫通后，在群井內(nèi)繼續(xù)循環(huán)5_10天，主