CN117053426B - 一种深部人工热储二氧化碳溶解控制建造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种深部人工热储二氧化碳溶解控制建造方法，属于二氧化碳地质封存和地热开发技术领域；所述方法包括选择干热岩地热建造的目标区域、在基性/超基性岩脉分布带内布置地热井，在地热井中布置第一传输管和第二传输管、通过反复向第一传输管和第二传输管输入水和二氧化碳对基性/超基性岩脉分布带进行二氧化碳溶解控制建造；本发明方法可实现对区域内基性/超基性岩全部蚀变改造，完成二氧化碳永久封存，同时改造了基性/超基性岩的渗透性，使其成为干热岩储层中换热渗流通道，封存二氧化碳的同时为后续的地热开采创造了基础条件。

Description

一种深部人工热储二氧化碳溶解控制建造方法

技术领域

本发明属于二氧化碳地质封存和地热开发技术领域，具体为一种深部人工热储二氧化碳溶解控制建造方法。

背景技术

地热是新能源家族中的重要种类，对于改善能源结构意义重大。与石油、煤炭和天然气相比，地热资源释放出的温室效应气体很少，具有清洁、可直接利用和可再生等优点。地热能资源可分为浅层地热、水热型和干热岩型。干热岩作为优质的、暂未大规模开发的地热资源，在中国乃至世界范围内有着丰富的储量，干热岩一般位于深部的火成岩体中，以花岗岩为主，具有高密度、低渗透且不含水、温度在200℃~650℃之间的地热资源。如何提高低渗透干热岩体的渗透率、建造较大范围的人工热储从而提高经济效益，是干热岩开发与利用的难点。基性/超基性岩体作为干热岩里重要的一类，在地球上分布广泛，包括大陆溢流玄武岩、洋底玄武岩和地幔橄榄岩等。由于其既具有高温，又可以在水和二氧化碳的存在下进行反应，从而可以在实现长久固碳的同时，进行地热开采。

对于地热开采包括地热储层的建造和开采两个方面，对于地热储层的建造，目前，国内外对干热岩地热能普遍利用增强型地热系统（简称EGS），而在利用EGS开采干热岩地热能时，人们需要对干热岩热储层进行水力压裂、分段压裂等技术改造，以便提高储层渗透率和连通性。其基本原理是利用水的不可压缩性质，能量传播损失小、冲击波的作用、爆炸气体膨胀由此形成的高压、高速水流作用而导致较好的破岩效果。但是如果对压裂的水压控制不好，又会出现渗层的结构出现断层或微渗透结构构建不充分的问题，同样会导致地热储层渗透率下降的问题。而且此类工程也存在难度大、工程成本高昂、换热效果差等问题。

相关技术中，地热资源的开采是向地热资源的储层打入一口或几口竖直方向的地热井，其中一口或几口作为回灌井注入较低温度的水，另一口或几口作为抽水井提取出较高温度的水，地热水回灌即将地热尾水通过人工加压或自然回灌的方式注入到开采中的热储层。但是，在中深部水热型地热资源的开采和回灌中，由于深度热储层的渗透率，导致垂直井开采和回灌的效率低下，尤其是在中深部的砂岩地热资源中，使得抽取和回灌的流量特别低，这使得地热资源的利用率较差，经济效益低。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提出一种深部人工热储二氧化碳溶解控制建造方法，以有效提高干热岩热储层的渗透率。

一种深部人工热储二氧化碳溶解控制建造方法，包括以下步骤：

1）选择干热岩地热建造的目标区域：所述目标区域为分布在高温干热岩储层中的基性/超基性岩脉分布带；

2）在基性/超基性岩脉分布带内布置两口地热井，两口地热井中均布置有第一传输管和第二传输管；

3）二氧化碳溶解控制建造：通过第一传输管向基性/超基性岩脉分布带上部注入水，通过第二传输管向基性/超基性岩脉分布带底部加压注入二氧化碳，监测并保持注入压力P在时间t内不变并保持；P≥8 Mpa，t为10-30天；重复多次所述的二氧化碳溶解控制建造过程，直至两口地热井在基性/超基性岩脉分布带内实现相互之间的对溶连通，完成热储层建造；

该过程实现将超临界态二氧化碳与水的混合物注入基性/超基性岩脉分布带，水和超临界二氧化碳进入基性/超基性岩脉分布带并利用岩层内部的成分进行反应，此过程中，不断的发育出复杂的热储层裂缝体系，同时也将二氧化碳进行了封存。

优选的，基性/超基性岩脉分布带的温度＞100℃。

优选的，将基性/超基性岩脉分布带划分为多个开采单元进行分区建造，每个开采单元内布置两口地热井；当前开采单元钻井完成后，进行二氧化碳溶解控制建造，同时进行下一个开采单元的钻井工作，依次完成目标区域内所有开采单元的热储改造工作。

更优的，每个开采单元为矩形结构；每个开采单元内布置两口地热井的间距为1km。

优选的，在两口地热井中位于基性/超基性岩脉分布带上部设置一个通孔封隔器，阻断可反应性地层段与上方邻近层段的水力联系。

更优的，通孔封隔器在工作时，内压P_f高于所封层段水压P_w1MPa以上，即P_f≥P_w+1；通孔封隔器可耐温大于100℃，耐压大于30 MPa。

优选的，在每次二氧化碳溶解控制建造过程完成之后进行洗井。

更优的，所述的洗井是在时间t之后，停止注入二氧化碳；然后利用第一传输管向基性/超基性岩脉分布带内注入清洗液，通过单井井底循环方式，将反应后的混合杂质溶液驱替，在这个过程中，在形成的热储层裂缝体系的基础上进一步形成末端的微结构，提高热储层的渗透率，这些杂质溶液通过同一地热井内的第二传输管被排至地面。

更优的，待所述的驱替完成后，关闭第一传输管，再通过第二传输管将CO₂注入可反应性地层，监测并保持注入压力P在时间t内不变，完成一个反应循环。

本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：

本发明方法可实现对区域内基性/超基性岩全部蚀变改造，完成二氧化碳永久封存，同时改造了基性/超基性岩的渗透性，使其成为干热岩储层中换热渗流通道，封存二氧化碳的同时为后续的地热开采创造了基础条件。

附图说明

图1是基性/超基性岩脉分布带热储层建造结构纵向剖面图；其中（1a）为具有单层的基性/超基性岩脉，（1b）为具有多层的基性/超基性岩脉。

图2是焖井和洗井工艺示意图。

图3是井场在高温干热岩储层布局的横向剖面图。

图4是开采单元局部放大图。

图中各标号为：1-粘土与沙砾层，2-基性/超基性岩脉分布带，3-高温干热岩储层，4-基岩，5-流体工作介质，6-地热井，7-花管，8-地面泵站，9-第一钢管，10-通孔封隔器，11-第二钢管，12-水-二氧化碳-岩反应区。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

参见图1-4，本实施例提出一种深部人工热储二氧化碳溶解控制建造方法，具体为以下步骤：

步骤1、通过地质勘查，选择一处含有基性/超基性岩脉分布带2的高温干热岩储层3，高温干热岩储层3的温度高于100℃，内部的基性/超基性岩体呈脉状层理展布，单条岩脉层段厚度尺寸宜不小于0.5m。在高温干热岩储层3的上方为粘土与沙砾层1，在高温干热岩储层3的下方为基岩4。

步骤2、将基性/超基性岩脉分布带2划分为多个开采单元进行分区建造，每个开采单元大致呈边长为1×2 km的矩形；每个开采单元内布置两口地热井6，相距1 km；地热井6用于注入流体工作介质5。选择一个开采单元进行地热井作业，钻井至基性/超基性岩体分布带2中，提钻后，在开采层段下入开孔垂直间距小于10 cm的花管7。需要说明的是，对于具有单层或多层的基性/超基性岩脉分布带2的高温干热岩储层3；花管7需要伸入单层或多层的基性/超基性岩脉分布带2内。

步骤3、在井筒内水平位置高于地热储层处设置封隔段，封隔段内放置通孔封隔器10，隔绝下方液体上流。封隔器在工作时，内压P_f高于所封层段水压P_w1 MPa以上，即P_f≥P_w+1。通孔封隔器10可耐温大于100℃，耐压大于30 MPa。

步骤4、通孔封隔器10可允许两根钢管，即第一钢管9和第二钢管11通过，第一钢管9位于基性/超基性岩脉分布带2上部，第二钢管11位于基性/超基性岩脉分布带2下部。通过第一钢管9同时向地热井6中注入清水，待清水充满整个第一钢管9后，关闭第一钢管9，停止清水注入。接着通过第二钢管11向基性/超基性岩脉分布带2底部加压注入二氧化碳，监测并保持注入压力P在时间t内不变并保持；P≥8 Mpa，t为10-30天；此过程为焖井作业，焖井作业过程中始终监测并保持注入压力达到8 MPa以上。

在焖井期间，二氧化碳溶于水形成pH值为3～5的酸性溶液，在高温下与基性/超基性岩体发生化学反应，形成稳定的碳酸盐矿物，达到二氧化碳地质封存的目的。同时在此过程中，不断的发育出复杂的热储层裂缝体系，提高了二氧化碳在改造层段内的扩散效果。

步骤5、洗井工艺：焖井作业按10天一个周期进行，焖井周期结束后，停止注入二氧化碳；然后再次利用第一钢管9向地热井6中注入清水或具有一定粘度的钻井液进行洗井作业，液体在井筒底部循环后携带基性/超基性岩脉分布带2中反应生成的碳酸盐矿物等杂质从第二钢管11中排入地面泵站8，在地面上进行气、液、固三相分离。在这个过程中，在形成的热储层裂缝体系的基础上进一步形成末端的微结构，提高热储层的渗透率。

步骤6、洗井作业结束后，继续按照步骤4和5进行下一个焖井和洗井作业周期，直至两口地热井6对溶连通。地层中基性/超基性岩反应区域大致呈圆形的水-二氧化碳-岩反应区12，完成该开采单元的热储层建造；

步骤7、在对当前开采单元进行热储改造作业的同时，可对下一个开采单元进行地热井钻井工作。当前开采单元完成热储融通改造后，按照步骤3-6进行下一个开采单元的热储改造工作。

步骤8、在当前开采单元内选择一口井为注液井，另外一口井为生产井，向注液井中注入清水，液体经过注液井的花管7流入储层中的脉状基性/超基性岩渗流网络进行热交换，完成换热后的携热流体经花管7流入生产井，并沿生产井流回地面，通过热交换设备，形成“一注一采”的地热开采模式。

对冷却后的携热流体施加1～5 MPa压力并注二氧化碳后进行回灌，流体在注液井→岩脉网络储层→生产井→地面换热系统→注液井这样一个闭循环系统内循环，实现取热不取水，地热尾水100%回灌。

根据地面出水温度和流速等情况，可实行每个开采单元为一个地热开发单元，或多个开采单元为一个地热开发单元共用一套地面换热设备进行地热开发，利用高温流体进行发电或供热，多级利用地热能。

该方法可实现对区域内基性/超基性岩全部蚀变改造，完成二氧化碳永久封存，同时改造了基性/超基性岩的渗透性，使其成为干热岩储层中换热渗流通道，可以在封存二氧化碳的同时建造地热开采结构，便于之后进行地热开采。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.一种深部人工热储二氧化碳溶解控制建造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）选择干热岩地热建造的目标区域：所述目标区域为分布在高温干热岩储层（3）中的基性/超基性岩脉分布带（2）；

2）在基性/超基性岩脉分布带（2）内布置两口地热井（6），两口地热井（6）中均布置有第一传输管和第二传输管；

3）二氧化碳溶解控制建造：通过第一传输管向基性/超基性岩脉分布带（2）上部注入水，通过第二传输管向基性/超基性岩脉分布带（2）底部加压注入二氧化碳，监测并保持注入压力P在时间t内不变并保持；P≥8 Mpa，t为10-30天；重复多次所述的二氧化碳溶解控制建造过程，直至两口地热井（6）在基性/超基性岩脉分布带（2）内实现相互之间的对溶连通，完成热储层建造；

该过程实现将超临界态二氧化碳与水的混合物注入基性/超基性岩脉分布带（2），水和超临界二氧化碳进入基性/超基性岩脉分布带（2）并利用岩层内部的成分进行反应，此过程中，不断的发育出复杂的热储层裂缝体系，同时也将二氧化碳进行了封存；

在每次二氧化碳溶解控制建造过程完成之后进行洗井；所述的洗井是在时间t之后，停止注入二氧化碳；然后利用第一传输管向基性/超基性岩脉分布带（2）内注入清洗液，通过单井井底循环方式，将反应后的混合杂质溶液驱替，在这个过程中，在形成的热储层裂缝体系的基础上进一步形成末端的微结构，提高热储层的渗透率，这些杂质溶液通过同一地热井（6）内的第二传输管被排至地面；待所述的驱替完成后，关闭第一传输管，再通过第二传输管将CO₂注入可反应性地层，监测并保持注入压力P在时间t内不变，完成一个反应循环。

2.根据权利要求1所述的一种深部人工热储二氧化碳溶解控制建造方法，其特征在于，基性/超基性岩脉分布带（2）的温度＞100℃。

3.根据权利要求1所述的一种深部人工热储二氧化碳溶解控制建造方法，其特征在于，将基性/超基性岩脉分布带（2）划分为多个开采单元进行分区建造，每个开采单元内布置两口地热井（6）；当前开采单元钻井完成后，进行二氧化碳溶解控制建造，同时进行下一个开采单元的钻井工作，依次完成目标区域内所有开采单元的热储改造工作。

4.根据权利要求3所述的一种深部人工热储二氧化碳溶解控制建造方法，其特征在于，每个开采单元为矩形结构；每个开采单元内布置两口地热井（6）的间距为1 km。

5.根据权利要求1所述的一种深部人工热储二氧化碳溶解控制建造方法，其特征在于，在两口地热井（6）中位于基性/超基性岩脉分布带（2）上部设置一个通孔封隔器（10），阻断可反应性地层段与上方邻近层段的水力联系。

6.根据权利要求5所述的一种深部人工热储二氧化碳溶解控制建造方法，其特征在于，通孔封隔器（10）在工作时，内压P_f高于所封层段水压P_w 1 MPa以上，即P_f≥P_w+1；通孔封隔器（10）可耐温大于100℃，耐压大于30 MPa。