一种干热岩地热井液氮多级压裂系统与方法技术方案

一种干热岩地热井液氮多级压裂系统与方法，系统：高压液氮容器的氮气进气管路和液氮出液管路分别与氮气总输入管路和液氮总排出管路连接，放空管路设有放空阀；液氮总排出管路与连续油管连接；气体增压机的进气口和驱动空气入口分别与氮气瓶组的出气口和空气压缩机的出气口连接，气体增压机的出气口与氮气总输入管路的进气端连接；低温液氮泵的进口端与液氮储罐连接，其出口端与高压液氮容器的液氮进液管路连接。方法：建立系统与连续油管的连接；驱除系统内的空气和水分；填充液氮；进行液氮逐级压裂；依次完成各层段的压裂作业；关井并记录压力。该系统与方法能降低干热岩储层裂缝的起裂压力、节省耗水量，能实现对干热岩地热的绿色、高效开发。

A Multi-stage Fracturing System and Method for Liquid Nitrogen in Dry-hot Rock Geothermal Wells

【技术实现步骤摘要】
一种干热岩地热井液氮多级压裂系统与方法
本专利技术属于地热开发
，具体涉及一种干热岩地热井液氮多级压裂系统与方法。
技术介绍
干热岩地热资源是一种清洁、可再生能源，实现其规模化开发对于推动国家能源结构调整、保证能源安全具有重大意义。我国干热岩资源潜力巨大，地下3—10km范围内干热岩资源折合标准煤约有860万亿吨，属于重要的国家战略能源。由于干热岩储层渗透率极低(0.001—0.1mD)，需要对干热岩储层进行人工改造形成增强型地热系统，方能将储存在干热岩内部的热量高效开采出来。水力压裂是增强型地热系统最常用的储层改造方法，该方法通过向储层注入高压流体使热储层原有裂隙扩展沿伸从而达到增大储层换热性能的目的。由于干热岩储层岩石质地坚硬、强度高，导致其破裂压力要远高于一般油气储层，而且裂缝起裂也十分困难。此外，干热岩储层压裂周期长、规模大，需要消耗大量水资源，会引发水资源过度消耗和污染等一系列环境问题。随着油气钻采技术的快速发展，在上世纪90年代，美国的哈里伯顿公司提出了液氮压裂方法，并成功进行了现场试验。液氮压裂是一种以液氮作为压裂液的无水压裂方法，可在常规排量和压力下将低温液氮注入井底，从而在地层内形成人工裂缝。液氮无色无味，惰性极强，且不含水相，既不会伤害储层，还能从根本上解决水资源污染消耗等问题。由于液氮温度极低(约为-196℃)，在进入地层时，会导致储层岩石温度急剧降低，从而促进岩石内部初始裂隙的扩展或者是在岩石内部产生新的破裂，进而提高储层压裂改造效果。因此，采用低温液氮作为压裂液，有望为干热岩地热开发提供一条新途径。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种干热岩地热井液氮多级压裂系统与方法，该系统能保证液氮压裂过程地面的注入压力，能保证作业过程中液氮的持续供给，有利于干热岩地热的高效开发；该方法能解决干热岩储层压裂存在的裂缝起裂压力高、耗水量大等难题，能提高液氮压裂对干热岩储层的改造效果，且有利于实现干热岩地热资源的绿色、高效开发。为了实现上述目的，本专利技术提供一种干热岩地热井液氮多级压裂系统，包括氮气增压系统、液氮注入系统、氮气总输入管路、液氮总排出管路和至少3个高压液氮容器；3个高压液氮容器的上端均设置有氮气进气管路和放空管路，下端均设置有液氮出液管路和液氮进液管路，3个高压液氮容器分别为高压液氮容器A、高压液氮容器B和高压液氮容器C，高压液氮容器A、高压液氮容器B和高压液氮容器C的氮气进气管路和液氮出液管路分别与氮气总输入管路和液氮总排出管路连接，高压液氮容器A、高压液氮容器B和高压液氮容器C的氮气进气管路上分别设置有氮气进气阀A、氮气进气阀B和氮气进气阀C，高压液氮容器A、高压液氮容器B和高压液氮容器C的液氮出液管路上分别设置有液氮出液阀A、液氮出液阀B和液氮出液阀C，高压液氮容器A、高压液氮容器B和高压液氮容器C的液氮进液管路上分别设置有液氮进液阀A、液氮进液阀B和液氮进液阀C，高压液氮容器A、高压液氮容器B和高压液氮容器C的放空管路上分别设置有放空阀A、放空阀B和放空阀C；液氮总排出管路的排液端与设置在地热井中的连续油管连接；所述氮气增压系统包括由多个氮气瓶组成的氮气瓶组、空气压缩机和气体增压机，所述气体增压机的进气口和驱动空气入口分别与氮气瓶组的出气口和空气压缩机的出气口连接，气体增压机的出气口与氮气总输入管路的进气端连接；所述液氮注入系统包括低温液氮泵和液氮储罐；所述低温液氮泵的进口端通过管路与液氮储罐连接，其出口端分别与高压液氮容器A、高压液氮容器B和高压液氮容器C的液氮进液管路连接。在该技术方案中，采用连续油管作为压裂管柱，能便于施工过程中压裂工具的拖动，从而有利于干热岩地热的高效开发。在本专利技术中，高压液氮容器不仅是临时贮存液氮的中间容器，也是对液氮进行增压的装置，通过氮气增压系统输出的高压氮气可以对液氮高压容器内的液氮进行增压，以满足液氮压裂施工的压力要求。通过设置多个高压液氮容器，并使多个高压液氮容器采用并联的方式连接在氮气总输入管路和液氮总排出管路之间，可以向储层内持续、反复地施加多种不同压力的液氮流体，从而能在单个层段的施工过程中施加多种不同压力的液氮流体。当液氮注入压力较低时，液氮可以有效促进储层岩石内部微裂纹的扩展。随着液氮注入压力不断升高，储层岩石裂纹扩展的方式逐渐会演变为大尺度裂缝的延伸。因此，在多级压力体系的作用下，不同尺度的裂缝都会充分扩展，从而在储层内形成多尺度共存的复杂裂缝体系，能够有效增加储层裂缝体积和换热面积。该系统能保证液氮压裂过程地面的注入压力，能保证作业过程中液氮的持续供给。作为一种优选，所述高压液氮容器的数量小于等于7个。作为一种优选，所述高压液氮容器的数量为4个，其中，第4个高压液氮容器为高压液氮容器D，高压液氮容器D的氮气进气管路、液氮出液管路和液氮进液管路分别与氮气总输入管路、液氮总排出管路和低温液氮泵的出口端连接。高压液氮容器D的氮气进气管路、液氮出液管路、液氮进液管路和放空管路上分别设置有氮气进气阀D、液氮出液阀D、液氮进液阀D和放空阀D。进一步，所述氮气增压系统的最大增压能力为100MPa。进一步，还包括连续油管作业车，所述液氮总排出管路通过连续油管作业车与连续油管连接；为了便于液氮储罐的移动和运输，所述液氮储罐设置在液氮作业车上。作为一种优选，高压液氮容器内部的容积为2～4m3。本专利技术还提供了一种干热岩地热井液氮多级压裂方法，包括如权利要求4所述的干热岩地热井液氮多级压裂系统，包括以下步骤：步骤1：通过连续油管作业车控制连续油管移动以将位于地热井中的压裂工具下放到预定作业层段，然后安装压裂井口装置，再将液氮总排出管路通过连续油管作业车与连续油管连接；步骤2：使用干燥氮气对干热岩地热井液氮多级压裂系统进行循环排空处理，以驱除其内部的水分和空气；步骤3：打开所有高压液氮容器上的放空阀和液氮进液阀，使用低温液氮泵向高压液氮容器内注入液氮，直至所有的高压液氮容器均充满液氮，然后关闭低温液氮泵；步骤4：进行第一级液氮压裂，关闭放空阀A和液氮进液阀A，依次开启空气压缩机和气体增压机，将氮气瓶组内流出的氮气增压到压力P1，然后打开氮气进气阀A和液氮出液阀A，利用高压氮气对高压液氮容器A内的液氮进行增压，使高压液氮容器A内液氮以压力值P1泵注到地热井内，进行液氮压裂，当高压液氮容器A内的液氮泵注完成后关闭氮气进气阀A和液氮出液阀A，并打开放空阀A；步骤5：进行第二级液氮压裂，关闭放空阀B和液氮进液阀B，将氮气瓶组内流出的氮气增压到压力P2，然后打开氮气进气阀B和液氮出液阀B，对高压液氮容器B内的液氮进行增压，使高压液氮容器B内液氮以大于P1的压力值P2泵注到地热井内，进行液氮压裂，当高压液氮容器B内的液氮泵注完成后关闭氮气进气阀B和液氮出液阀B，并打开放空阀B；步骤6：参照步骤4和步骤5，依次对剩余高压液氮容器内的液氮进行逐级增压，继续进行后续的液氮压裂作业，直至将所有高压液氮容器内的液氮泵注到地热井底，进行液氮压裂；步骤7：当预定层段压裂结束后，通过回收连续油管的方式将压裂工具拖动到下一压裂层段；步骤8：重复步骤3至步骤7，直至完成所有层段的压裂作业；步骤9：关井1～2h，记录关井压力。进一步，为了提高对干热岩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种干热岩地热井液氮多级压裂系统，包括氮气增压系统和液氮注入系统，其特征在于，还包括氮气总输入管路(32)、液氮总排出管路(33)和至少3个高压液氮容器；3个高压液氮容器的上端均设置有氮气进气管路(34)和放空管路(35)，下端均设置有液氮出液管路(36)和液氮进液管路(37)，3个高压液氮容器分别为高压液氮容器A(6)、高压液氮容器B(7)和高压液氮容器C(8)，高压液氮容器A(6)、高压液氮容器B(7)和高压液氮容器C(8)的氮气进气管路(34)和液氮出液管路(36)分别与氮气总输入管路(32)和液氮总排出管路(33)连接，高压液氮容器A(6)、高压液氮容器B(7)和高压液氮容器C(8)的氮气进气管路(34)上分别设置有氮气进气阀A(22)、氮气进气阀B(23)和氮气进气阀C(24)，高压液氮容器A(6)、高压液氮容器B(7)和高压液氮容器C(8)的液氮出液管路(36)上分别设置有液氮出液阀A(26)、液氮出液阀B(27)和液氮出液阀C(28)，高压液氮容器A(6)、高压液氮容器B(7)和高压液氮容器C(8)的液氮进液管路(37)上分别设置有液氮进液阀A(18)、液氮进液阀B(19)和液氮进液阀C(20)，高压液氮容器A(6)、高压液氮容器B(7)和高压液氮容器C(8)的放空管路(35)上分别设置有放空阀A(14)、放空阀B(15)和放空阀C(16)；液氮总排出管路(33)的排液端与设置在地热井(10)中的连续油管(11)连接；所述氮气增压系统包括由多个氮气瓶组成的氮气瓶组(1)、空气压缩机(2)和气体增压机(3)，所述气体增压机(3)的进气口和驱动空气入口分别与氮气瓶组(1)的出气口和空气压缩机(2)的出气口连接，气体增压机(3)的出气口与氮气总输入管路(32)的进气端连接；所述液氮注入系统包括低温液氮泵(4)和液氮储罐(5)；所述低温液氮泵(4)的进口端通过管路与液氮储罐(5)连接，其出口端分别与高压液氮容器A(6)、高压液氮容器B(7)和高压液氮容器C(8)的液氮进液管路(37)连接。...

【技术特征摘要】
1.一种干热岩地热井液氮多级压裂系统，包括氮气增压系统和液氮注入系统，其特征在于，还包括氮气总输入管路(32)、液氮总排出管路(33)和至少3个高压液氮容器；3个高压液氮容器的上端均设置有氮气进气管路(34)和放空管路(35)，下端均设置有液氮出液管路(36)和液氮进液管路(37)，3个高压液氮容器分别为高压液氮容器A(6)、高压液氮容器B(7)和高压液氮容器C(8)，高压液氮容器A(6)、高压液氮容器B(7)和高压液氮容器C(8)的氮气进气管路(34)和液氮出液管路(36)分别与氮气总输入管路(32)和液氮总排出管路(33)连接，高压液氮容器A(6)、高压液氮容器B(7)和高压液氮容器C(8)的氮气进气管路(34)上分别设置有氮气进气阀A(22)、氮气进气阀B(23)和氮气进气阀C(24)，高压液氮容器A(6)、高压液氮容器B(7)和高压液氮容器C(8)的液氮出液管路(36)上分别设置有液氮出液阀A(26)、液氮出液阀B(27)和液氮出液阀C(28)，高压液氮容器A(6)、高压液氮容器B(7)和高压液氮容器C(8)的液氮进液管路(37)上分别设置有液氮进液阀A(18)、液氮进液阀B(19)和液氮进液阀C(20)，高压液氮容器A(6)、高压液氮容器B(7)和高压液氮容器C(8)的放空管路(35)上分别设置有放空阀A(14)、放空阀B(15)和放空阀C(16)；液氮总排出管路(33)的排液端与设置在地热井(10)中的连续油管(11)连接；所述氮气增压系统包括由多个氮气瓶组成的氮气瓶组(1)、空气压缩机(2)和气体增压机(3)，所述气体增压机(3)的进气口和驱动空气入口分别与氮气瓶组(1)的出气口和空气压缩机(2)的出气口连接，气体增压机(3)的出气口与氮气总输入管路(32)的进气端连接；所述液氮注入系统包括低温液氮泵(4)和液氮储罐(5)；所述低温液氮泵(4)的进口端通过管路与液氮储罐(5)连接，其出口端分别与高压液氮容器A(6)、高压液氮容器B(7)和高压液氮容器C(8)的液氮进液管路(37)连接。2.根据权利要求1所述的一种干热岩地热井液氮多级压裂系统，其特征在于，所述高压液氮容器的数量小于等于7个。3.根据权利要求2所述的一种干热岩地热井液氮多级压裂系统，其特征在于，所述高压液氮容器的数量为4个，其中，第4个高压液氮容器为高压液氮容器D(9)，高压液氮容器D(9)的氮气进气管路(34)、液氮出液管路(36)和液氮进液管路(37)分别与氮气总输入管路(32)、液氮总排出管路(33)和低温液氮泵(4)的出口端连接，高压液氮容器D(9)的氮气进气管路(34)、液氮出液管路(36)、液氮进液管路(37)和放空管路(35)上分别设置有氮气进气阀D(25)、液氮出液阀D(29)、液氮进液阀D(21)和放空阀D(17)。4.根据权利要求1至3任一项所述的一种干热岩地热井液氮多级压裂系统，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡承政，任科达，杨玉贵，高峰，陈培见，张志镇，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32