深部地热能系统主要挑战与耦合储能的增强型创新开发模式

中国在中低温地热能直接利用方面早已领先全球,但在深部地热能发电方面却发展缓慢。深部高温高压环境下岩石渗透性降低,深部地热能开采需要建立工程型地热系统(Engineered Geothermal System,EGS),通过水力压裂对储层进行改造,以获得具有较高渗透性的人工地热储层。由于目前常用的深部地热能储层改造技术主要借鉴油气增产领域的水力压裂工艺,在热储改造效果、地震风险控制、高效取热等方面受到限制。首先总结深部地热能水力压裂的特点为：裂缝破坏主要以剪切机理为主;冷水回灌引起的温差效应产生拉应力会促使裂缝向更远处扩展;持续的注水使注入井井筒压力高于地层压力,有助于保持裂缝处于张开状态。因此,EGS水力压裂不需要使用支撑剂,与依靠支撑剂的油气井增产压裂完全不同。同时,系统剖析EGS面临的发电产能低、注采连通差、诱发破坏性地震以及无补贴难盈利4大难题与挑战。从创新压裂和循环利用层面提出耦合储能的增强型创新开发模式(Regenerative Engineered Geothermal System,REGS),通过数值模拟研究REGS的优点。结果表明,采用水平井非等距、非等面积、非等注水...     

特低渗油藏多段压裂水平井注水可行性分析

摘要：针对特低渗油藏中多段压裂水平井注水开发的可行性问题,论文采用流线模拟方法,研究了多段压裂水平井在一注一采下的生产动态特征,探讨了影响压裂水平井注水开发的主控因素。模拟结果表明：在不发生水窜的情况下,压裂水平井注水能增大单井注入量,提高采油速度和阶段采出程度。同时,交错部署裂缝,裂缝穿透比为02~04时利于注水开发。裂缝水窜增大压裂水平井注水风险,边部水窜、多条裂缝水窜,加速油井水淹,从而丧失压裂水平井注水的优势。在地质条件稳定,裂缝规模可控的条件下,可以尝试开展多段压裂水平井注水实验。研究结果可为特低渗油藏中多段压裂水平井注水提供理论支持。     

低渗透致密岩性储层注水工艺技术研究

随着鄂尔多斯盆地石油资源的开发,为提高低渗透储层的采收率,开展对低渗透致密岩性储层的注水工艺技术的研究。通过对油套分注技术、空心集成分注技术、偏心分注技术等应用于低渗透致密岩性储层的注水技术的对比研究,结果认为桥式偏心注水技术和偏心注水技术是现阶段最有效的低渗透储层分层注水技术。在延长油田永宁采油厂的三口注水井组中应用桥式偏心注水以及偏心注水技术进行试验,均见到了增液、增油的效果。     

复杂断块储层非均质性研究——以辽河油田沈84—安12块Es3^3段为例

以岩心、岩石薄片、扫描电镜、物性、压汞曲线等资料为基础,对沈84—安12块Es33段储层非均性及其对开发的影响进行了研究。结果表明:该区储层在层间、平面及层内都表现出较强的非均质性,在微观上表现为孔隙间连通程度差、配位数较低、孔喉比高的特点。利用储层各项参数对其进行了综合评价和分类,该区主要以Ⅲ类储层为主;同时针对非均质性对注水开发效果的影响,提出分层系开采、注水井多级分注等措施,实施后含水上升速度得到控制;断块注水利用率得到明显的提高,改善了水驱开发效果,提高了断块采收率,增加了可采储量。     

复杂断块储层非均质性研究——以辽河油田沈84—安12块Es33段为例

以岩心、岩石薄片、扫描电镜、物性、压汞曲线等资料为基础,对沈84--安12块Es33段储层非均性及其对开发的影响进行了研究.结果表明:该区储层在层间、平面及层内都表现出较强的非均质性,在微观上表现为孔隙间连通程度差、配位数较低、孔喉比高的特点.利用储层各项参数对其进行了综合评价和分类,该区主要以Ⅲ类储层为主;同时针对非均质性对注水开发效果的影响,提出分层系开采、注水井多级分注等措施,实施后含水上升速度得到控制;断块注水利用率得到明显的提高,改善了水驱开发效果,提高了断块采收率,增加了可采储量.     

基岩水井水力分段压裂增水技术研究与应用

随着我国社会、经济的快速发展和人民生活水平的不断提高,水资源供需矛盾日益突出。特别近几年,我国西南、西北、华北等许多地区发生持续干旱,当地的人畜用水极度困难。抗旱找水打井工作十分迫切。针对我国基岩水井取水存在部分水井出水量偏低的状况,从基于水井压裂机理、压裂液、压裂工艺等方面开展了分段压裂增水技术研究工作,并进行了试验。成功探索出一套适合我国国情的水文水井用水力压裂技术,为我国合理开发和利用地下水资源,缓解基岩山区水资源紧张提供了技术支撑。     

砂岩油田注采结构优化调整方法

砂岩油田开发过程中注采结构优化调整是一项非常复杂的工程,采液速度和采油速度是其中两个重要的指标,依照其变化可以把油田不同开采阶段划分为3种模式:提液稳产模式、稳液降产模式和降液控水模式。注采结构直接关系到油田的开发效果,在油气田不同的开发阶段,注采结构中存在的问题也是不同的。为了达到注采结构优化调整目的,针对沉积微相、沉积构造和剩余油分布进行精细的研究,根据构造特点调整注采结构,根据微构造、沉积微相特征进行注采井网的适应性调整,从而提高注水结构面横纵向调整和注水井整体调整以及油田分区、油井分类及单井结构调整等注采结构优化调整的切实效果。     

基于TOPSIS法的油水井酸化效果综合评价

油水井酸化措施的决策过程是一个多因素共同作用的过程,选井、选层在一定程度上决定着酸化措施效果的好坏。以鄯善油田三间房组储层油水井酸化选井为例,选取渗透率、孔隙度、表皮系数、注水层厚度、连通系数、实注系数、吸水指数减少幅度等7个参数,运用熵权逼近理想排序法(TOPSIS法)进行了油水井酸化选层选井研究。研究结果表明,渗透率、注水层厚度、连通系数对酸化效果影响较大,在影响酸化效果中起主要作用。TOPSIS法评价结果与模糊物元法基本一致,但是其计算简便、权重的确定受主观因素影响小,为储层酸化效果的综合评价提供了一种新的方法、途径。     

不同水力加载条件下非均质储层缝网扩展规律研究

水力压裂可显著提高页岩气等致密储层岩体的渗透性以增加油气产量,然而受多因素影响,水力压裂形成缝网结构的机理和压裂优化设计一直是研究的焦点和难点。本研究基于渗流-应力-破坏耦合计算模拟方法,对不同水力加载条件下的非均质储层水力压裂过程进行了模拟和对比研究。研究结果表明:水力压裂过程中起始注水压力和增量大小对水力压裂缝网扩展和改造区域形态有着显著的影响。当起始注水压力小于等于模型材料体抗拉强度,并缓慢增压致裂时,压裂过程可近似视为稳态应力-破坏-渗流耦合作用过程的不同阶段,这种情况下仅在压裂井孔周围形成两组对称式的伞状水力裂缝带。当对模型体施加高于模型材料体破裂压力的注水压力时,相当于对压裂孔快速施加高动水压力,水力裂缝沿压裂孔全方位迅速萌生并快速扩展,当注水压力值高于破裂压力一定幅值时,压裂改造可形成围绕压裂井全方位的放射状裂缝网络,使压裂储层得以最大范围改造。在拟静力和拟动力两种加载条件下,不同水岩相互作用机理是造成不同水力加载条件出现不同缝网结构的力学机制,而对于实际的页岩气储层改造,压裂产生围绕压裂井全方位放射状的缝网结构则是一种最优的体积压裂改造。     

大型化综放开采煤层注水方案及参数确定

强调在大型化综放开采煤层中开设抬高中间巷进行煤层注水，其注水效率高，可一巷多用，防灾效果全面。结合算例，用有限元数值模拟方法模拟了在厚煤层中注水的过程，得到最小湿润范围准则为煤层厚度的1．5倍。分析了综放开采煤层注水工艺参数中注水压力、时间和钻孔间距与湿润范围的动态变化关系，给出了选取合理的注水工艺参数的方法。指出在大型化综放开采进行煤层注水，湿润时间充裕，同时，考虑到压裂并软化煤体，应采用较高的压力注水，此时，钻孔间距可扩大至35m。     

鄂尔多斯盆地南缘延安地区中深层地热能特征研究

近年来水热型、浅层地热能发展产生的缺点问题日益突出,以取热不取水为原则,中深层U型水平对接换热技术成为新的技术方向。通过对鄂尔多斯盆地南缘延安地区地层岩性、地温梯度特征、热储层特征等特征研究,分析了研究区中深层地热资源潜力,研究结果表明鄂尔多斯盆地南缘奥陶系马家沟组为良好的热传导型热储,深部地温梯度为3.05℃/100m。当马家沟组深度在3157m时,对应温度达到110.67℃。测井及注水试验结果表明,奥陶系马家沟组为极弱含水层,几乎没有流体,属于良好的干热岩型地热资源,具有较高的开采价值。充分确定了该区地热地质条件良好、地热资源潜力巨大。为合理、高效开发利用该区地热资源提供了科学依据,对进一步开发利用该区的地热能具有重要意义。     

水力压裂技术在豫西基岩地热井增产中的应用研究

地热资源是清洁能源,其开发利用主要通过钻井工程来实现。地热资源量（水量）大小决定着开发利用的价值。实际中,因地层等条件的复杂和不确定性,导致地热井出水量和温度不能达到预期的目标。特别是在山区基岩缺水地区地热资源开发,由于水量和温度指标偏低,严重影响了清洁能源的开发利用。本文结合工程实例,首次在豫西基岩严重缺水地区通过压裂车和钻井泵分段水力压裂技术,使低产地热井出水量增加3倍,达到了预期的目的。为今后基岩地区地热和地下水资源开发利用增产提供了借鉴。     

Numerical analysis of thermal fracturing in subsurface cold water injection by finite element methods

Integration of poromechanics and fracture mechanics plays an important role in understanding a series of thermal fracturing phenomena in subsurface porous media such as cold water flooding for enhanced oil recovery, produced‐water reinjection for waste disposal, cold water injection for geothermal energy extraction, and CO₂ injection for geosequestration. Thermal fracturing modeling is important to prevent the potential risks when fractures propagate into undesired zones, and it involves the coupling of heat transfer, mass transport, and stress change as well as the fracture propagation. Analytical method, finite element method, and finite difference method as well as boundary element method have been used to perform the thermal fracturing modeling considering different degrees and combinations of coupling. In this paper, extended finite element method is employed for the thermal fracturing modeling in a fully coupled fashion with remeshing avoided, and the stabilized finite element method is employed to account for the convection‐dominated heat transfer in the fracturing process with numerical oscillation circumvented. With the thermal fracturing model, a hypothetical numerical experiment on cold water injection into a deep warm aquifer is conducted. Results show that parameters such as injection rate, injection temperature, aquifer stiffness, and permeability can affect the fracture development in different ways and extended finite element method and stabilized finite element method provide effective tools for thermal fracturing simulation. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

井筒自循环技术开采干热岩地热的试验研究

井筒自循环技术是开发干热岩地热的一种新技术,它采用油管和套管组成的U形通道作为换热器,目前对该项技术的现场和室内试验研究尚不够。文章建立了一个实验室规模的模拟装置来模拟干热岩局部井筒自循环的热交换过程,以水作为换热介质,进行一系列室内试验,对换热的影响因素及换热参数进行研究。试验结果表明:具有较大采热能力和热容量的花岗岩在高温下具有较高的采热速率;较高的注水速率会产生较高的采热速率,但出口温度会降低,因此,应慎重选择较高出口温度和较高采热量之间的平衡。相似性分析表明,876 m长的垂直井在602.8 m3/d的注入速率下,可从150 ℃的干热岩中获取的采热量高达565 kW,该结果与现场实测数据很接近,可以证明相似性分析结果的合理性。建立的模拟装置及试验原理也同样适用于“取热不取水”的中深层同轴套管式地埋管换热技术,可以为中深层地热开发研究和实际应用提供一定的参考。     

The status quo and prospect of geothermal resources exploration and development in Beijing-Tianj in-Hebei region in China

The Beijing-Tianjin-Hebei region boasts rich geothermal resources and new achievements have been made in the exploration and development of geothermal resources in this region based on previous regional investigation. In detail, geothermal reservoirs of Gaoyuzhuang Formation of Jixian System and Changcheng System in Xiongan New Area have been recently discovered, opening up the second space of geothermal resources; the calculation method of the recoverable resources of geothermal fluid with reinjection being considered has been improved in Beijing-Tianjin-Hebei region, and uniform comprehensive assessment of shallow geothermal energy, hydrothermal geothermal resources, and hot dry rocks (HDR) geothermal resources in the whole Beijing-Tianjin-Shijiazhuang region has been completed. The scientific research base for cascade development and utilization of geothermal resources in Beijing-Tianjin-Hebei region has applied hydraulic fracturing technology to the geothermal reservoirs in Gaoyuzhuang Formation. As a result, the production capacity doubled and two-stage cascade utilization composed of geothermal power generation and geothermal heating were realized, with the first-phase installed capacity of 280 kW and the geothermal hearing is 30000 m². In this way, a model of the exploration, development, and utilization of geothermal resources formed. Large-scale utilization has become the future trend of geothermal resource development in Beijing-Tianjin-Hebei region, and great efforts shall be made to achieve breakthroughs in reinjection technology, geothermal reservoir reconstruction technology, thermoelectric technology and underground heat exchange technology.     

基于工程开发原则的干热岩目标区分类与优选

干热岩(HDR)是指不含或仅含少量流体,温度高于180 ℃,其热能在当前技术经济条件下可以利用的岩体。作为一种重要的非常规地热资源,干热岩的开发利用可以借鉴页岩油气的成功经验,采用相似的技术发展路径,找到“地热甜点”,开发出低成本且高效的钻完井技术,逐步形成和完善技术体系,建立与对象相适应的生产运行模式,以期实现对这种巨大资源的有效开发利用。增强型地热系统(EGS)被认为是干热岩资源开采的一种重要方式。EGS最初被称为工程型地热系统,后来才统称为增强型地热系统,是指通过实施特殊的工程工艺,改善地层储集性能或(和)向地层中注入流体,以实现对地热资源的有效开发。其基本方法原理为在干热岩体内钻两口或多口井,将低温流体通过注入井注入干热岩体的天然裂缝系统,或注入通过压裂技术在钻井之间建立的具有水力联系的人工裂缝中加热,通过吸收干热岩内所蕴含的热能,将流体温度提高到一定程度后从生产井采出至地表或近地表进行利用,形成人工热交换系统,用于发电或取暖等。采用EGS技术开发干热岩地热资源,选区选址恰当与否是能否取得成功的最关键环节之一。中深层地热资源可分为水热型和干热岩型两大类、五亚类。其中,干热岩根据其热储孔渗条件差异又可分为无水优储、无水差储和无水无储三亚类,适合作为EGS开发对象的干热岩资源为其中的无水优储和无水差储两种类型。五类地热资源规模呈金字塔形,开发技术难度逐渐增加。基于由热储埋深、热储温度、热储岩性、热储物性、盖层厚度、盖层断裂发育条件等组成的地质资源条件,由钻探成井技术、储层改造技术、管理运营技术组成的工程技术条件,以及由地热需求和资源经济性组成的经济市场条件三个因素,本文建立了三因素分析与多层次指标分解法相结合的干热岩EGS选区评价方法和关键指标,在国内干热岩资源条件较好的17个候选区中,优选出西藏羊八井高温地热区和渤海湾盆地济阳坳陷潜山分布带作为EGS试验有利区。     

基于开挖的增强型地热系统概述

地热能赋存于地球内部岩土体、流体和岩浆体中,是一种永久的、可再生的、储量丰富的清洁能源。地热能的开发,尤其是干热岩的开发利用,有可能成为解决人类未来能源危机的重要途径。目前采用的干热岩开采方法被称为增强型地热系统(EGS)。热储地质环境的复杂性和水力化措施对天然裂隙的依赖性,造成多数的EGS项目存在热储体积和换热面积不足、工质流量小、终端温度低,以及诱发地震风险等局限性,致使干热岩开发始终未能大规模商业化。基于开挖的增强型地热系统(EGS-E)的提出为突破传统EGS的技术弊端和规模局限提供了新思路。文章在其概念模型的基础上,从系统原理、工程构想、技术优势等方面对EGS-E进行了更详尽的阐述。EGS-E采用开挖、爆破、崩落等采矿技术,形成了独特的热储致裂系统和热能交换系统,能够大幅度降低地质环境对热储质量的限制,具备构建定制的热储空间、形成充足的换热面积,维持稳定的工质流量与温度及减少诱发地震风险等优势,为干热岩开发的商业化提供了新的解决方案。     

华北地区碳酸盐岩热储层酸化压裂模拟方法与应用

碳酸盐岩地层是我国华北地区最重要的热储岩层之一,不同次级构造单元的碳酸盐岩地热井产量和回灌量存在较大差异,严重制约了碳酸盐岩热储的规模化开发。酸化压裂是碳酸盐岩热储增产稳产的有效手段,其涉及溶质运移、酸岩反应、渗流传热、反应放热等一系列复杂过程。本文提出了一种模拟工程尺度碳酸盐岩热储酸化压裂过程的数值方法,可考虑碳酸盐岩热储酸化压裂过程中热、水、力、化四场之间的耦合作用。通过与前人试验和模拟结果的对比,验证了该方法的正确性,并建立了碳酸盐岩热储非均质裂隙模型,对其酸化压裂效果进行了模拟。     

测斜仪监测技术在共和盆地干热岩井压裂中的应用研究

我国地热能源丰富,开发地热能对缓解我国能源对外依存度大的局面很有必要,地热能开发利用前景广阔。测斜仪压裂监测技术,目前在油气开发中获得了广泛的应用,可以监测裂缝发育形态,尤其擅长监测裂缝延伸方向,对指导井网布置、压裂工艺及施工规模具有重要的指导作用。青海共和盆地的X1井岩性致密坚硬、施工不确定因素多、施工排量小是监测难点,同时X1是国内干热岩井首次压裂,利用测斜仪压裂监测技术监测地热井改造施工也是全世界范围内首次,X1井压裂监测的成功实施探索了丰富了地热井压裂监测方法,拓宽了测斜仪监测的应用范围,监测施工获取了X1井压裂裂缝的重要参数,为该区井网布置提供了基础数据,为测斜仪监测施工提供了重要借鉴实例。     

关中盆地主要城市浅层地热能资源量赋存规律研究

具有无污染、可再生、分布广、能量大以及可就近利用等诸多优势的浅层地温能是一种建筑节能的洁净能源,具有广泛的应用前景。根据关中盆地主要城市工程地质、水文地质、环境地质条件等因素,分别建立了每个城市地下水热泵和地埋管热泵系统的适宜分区评价体系,并进行了适宜性综合分区。基于适宜性分区评价结果,对主要城市进行了浅层地热能资源量评价,包括热容量计算、换热功率计算和热能潜力计算,旨在有效地丰富浅层地温能勘察评价与开发利用的理论、奠定浅层地温能广泛开发利用的基础,为改善我国现有能源结构、构建环境友好型社会和节能减排的目标服务。