【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于干热岩热储建造，涉及一种基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法及装置。
技术介绍
1、干热岩地热资源具有温度高、储量丰富、分布广泛等优点。目前，国际上普遍利用增强型地热系统（enhanced geothermal system，简称egs）进行干热岩地热开采，其核心机理为利用巨型水力压裂技术建造人工热储用以热提取。干热岩地层岩性以花岗岩为主，由于其极低渗性和高强度等特点，加上深部干热岩地层地应力对水力裂缝扩展的影响，导致巨型水力压裂施工难度大、工程成本高，所建造裂缝系统多为单一裂缝、裂缝系统复杂程度低、换热效果差，难以实现干热岩地热商业化利用。此外，水力压裂过程中的高注入压力还有可能诱发地震，造成安全隐患。
技术实现思路
1、本专利技术克服现有技术的不足，提出一种基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法及装置。解决目前干热岩地热egs开采过程中，水力压裂施工压力大、成本高，所建造人工热储裂缝系统复杂程度低、换热效果差的技术问题。
2、为了达到上述目的，本专利技术是通过如下技术方案实现的。
3、基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，包括以下步骤：
4、1）选取含裂缝充填带的深部非均质粗粒母岩作为干热岩热储建造的目标地层；
5、2）建造主裂缝：将水注入至目标地层内并覆盖所有裂缝充填带；水注入岩体产生的温度差产生热应力，当热冲击下晶体交界面处的热应力达到岩体抗拉强度与法向地应力之和时产生热破裂，从而在裂缝充填
6、
7、
8、式中：
9、 p-流体压力，mpa；-流体（水）密度，1000kg/m3；g-重力加速度，10n/kg；h-流体高度，m；-晶体交界面处的热应力，mpa；-法向地应力，mpa； kic-断裂韧性，；-裂缝半长，m；
10、3）建造次级裂缝：将常温水注入目标地层，并且通过提水泵形成地面与井内的水循环，在热冲击作用和水动力作用下，目标地层沿裂缝充填带围岩内非均质粗矿物晶体边界形成多层次裂缝；各层次裂缝相互贯通，完成含复杂裂缝网络的干热岩热储建造。
11、优选的，所述热破裂裂缝的制造方法为：在地面施工注水井至目标地层底部，下入提水泵至目标地层底部；在地面设地面水泵，打开地面水泵，将水经注入井内的提水泵管与井筒套管间的环空注入井筒并覆盖目标地层内所有裂缝充填带；待水温稳定后，利用提水泵将井筒内水全部抽出，等待热储温度恢复；重复注水和抽水操作进而在裂缝充填带与母岩的胶结界面处形成热破裂裂缝。
12、更优的，注水和抽水操作的重复次数由目标地层的裂缝充填带与母岩的物理性质、力学及矿物性质决定，经实验室试验获得，以在裂缝充填带与母岩的胶结界面处形成裂缝半长≥0.01m的热破裂裂缝。
13、优选的，热冲击下晶体交界面处的热应力满足公式：
14、
15、步骤2）中注入水的温度=目标地层的温度—δt；所述δt满足公式（ⅱ）：
16、
17、式中：
18、-热冲击下晶体交界面处的热应力，mpa；
19、-法向地应力，mpa；
20、-抗拉强度，mpa；
21、e1，e2-两相邻矿物颗粒的弹性模量，mpa；
22、-两相邻矿物颗粒的热膨胀系数，℃-1；
23、δt-温度差，℃。
24、更优的，步骤3）是将20℃常温水注满注水井井筒，随后同步开启提水泵，促使水形成地面-环空-提水泵管-地面的循环；在热冲击作用和水动力作用下，目标地层沿裂缝充填带围岩内非均质粗矿物晶体边界形成次级裂缝；与此同时，主裂缝、次级裂缝相互贯通，完成含复杂裂缝网络的干热岩热储建造。
25、优选的，当目标地层与常温水的温度差δt带入式（v）得到的热应力达到岩体抗拉强度与法向地应力之和时，表明裂缝充填带与母岩的胶结界面由于热膨胀产生了原生裂缝，所述原生裂缝可直接作为主裂缝使用；则省略步骤2），直接建造次级裂缝；所述的式（v）为：
26、；
27、式中：
28、-热膨胀作用下晶体交界面处的热应力，mpa；
29、e1，e2-两相邻矿物颗粒的弹性模量，mpa；
30、-两相邻矿物颗粒的热膨胀系数，℃-1；
31、δt-温度差，℃。
32、更优的，所述深部非均质粗粒岩层为花岗岩母岩，当目标地层的温度≥400℃时，将裂缝充填带与母岩的胶结界面具有的原生裂缝作为主裂缝。
33、用于所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法的干热岩热储建造装置，在地面施工注水井至目标地层底部；目标地层之上的地层全部套管固井，目标地层全段裸孔完井；在目标地层的底部设置提水泵，在地面设置地面水泵；在注水井内下入提水泵管；打开地面水泵，将水经提水泵管与井筒套管间的环空注入目标地层并覆盖目标地层内所有裂缝充填带。
34、优选的，地面水泵大流量工作时，地面水泵的流量≥160m3/h；地面水泵与提水泵同步小流量工作时，二者的流量为10-30m3/h，实现低成本水循环。
35、优选的，提水泵距目标地层底部的距离≤40cm。
36、本专利技术相对于现有技术所产生的有益效果为：
37、（1）本专利技术通过在注水过程中产生的热冲击作用和水动力作用，诱发干热岩目标地层沿母岩与裂缝充填带间胶结界面处形成主裂缝，同时沿裂缝充填带围岩内非均质粗矿物晶体边界及裂缝充填带内部溶蚀孔隙形成次级裂缝。上述区域的孔隙、裂隙的扩展会摆脱地应力的控制，相互贯通，最终形成复杂裂缝系统。
38、（2）地质构造运动以及深部良好的成岩环境保证了裂缝充填带和母岩内非均质粗矿物晶体赋存的普遍性和复杂性。因此，形成的主裂缝和次级裂缝系统足以满足干热岩热储体积要求。
39、（3）本专利技术省略了巨型水力压裂步骤，规避了巨型水力压裂的附属技术问题，大幅简化了干热岩热储建造流程，降低了施工成本，可规模、高效建造干热岩高渗热储。
40、（4）本专利技术适用于含裂缝充填带和非均质粗矿物晶体的中高温干热岩热储建造，同时可对含裂缝充填带和非均质粗矿物晶体的页岩气、天然气、石油等储层建造提供参考。
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1.基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，其特征在于，所述热破裂裂缝的制造方法为：在地面施工注水井（7）至目标地层（1）底部，下入提水泵（11）至目标地层（1）底部；在地面设地面水泵（12），打开地面水泵（12），将水经注入井（7）内的提水泵管（13）与井筒套管间的环空（14）注入井筒并覆盖目标地层（1）内所有裂缝充填带（3）；待水温稳定后，利用提水泵（11）将井筒内水全部抽出，等待热储温度恢复；重复注水和抽水操作进而在裂缝充填带（3）与母岩的胶结界面（15）处形成热破裂裂缝。
3.根据权利要求2所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，其特征在于，注水和抽水操作的重复次数由目标地层（1）的裂缝充填带（3）与母岩的物理性质、力学及矿物性质决定，经实验室试验获得，以在裂缝充填带（3）与母岩的胶结界面（15）处形成裂缝半长≥0.01m的热破裂裂缝。
4.根据权利要求1所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，其特征在于，热冲
5.根据权利要求2所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，其特征在于，步骤3）是将20℃常温水注满注水井（7）井筒，随后同步开启提水泵（11），促使水形成地面-环空-提水泵管（13）-地面的循环；在热冲击作用和水动力作用下，目标地层（1）沿裂缝充填带（3）围岩内非均质粗矿物晶体边界形成次级裂缝；与此同时，主裂缝（16）、次级裂缝相互贯通，完成含复杂裂缝网络的干热岩热储建造。
6.根据权利要求1所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，其特征在于，当目标地层（1）与常温水的温度差ΔT带入式V得到的热应力达到岩体抗拉强度与法向地应力之和时，表明裂缝充填带（3）与母岩的胶结界面（15）由于热膨胀产生了原生裂缝（22），所述原生裂缝（22）可直接作为主裂缝（16）使用；则省略步骤2），直接建造次级裂缝；所述的式V为：
7.根据权利要求6所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，其特征在于，所述深部非均质粗粒母岩为花岗岩母岩（2），当目标地层（1）的温度≥400℃时，将裂缝充填带（3）与母岩的胶结界面（15）具有的原生裂缝（22）作为主裂缝（16）。
8.用于如权利要求2-7任意一项所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法的干热岩热储建造装置，其特征在于，在地面施工注水井（7）至目标地层（1）底部；目标地层（1）之上的地层全部套管固井，目标地层（1）全段裸孔完井；在目标地层（1）的底部设置提水泵（11），在地面设置地面水泵（12）；在注水井（7）内下入提水泵管（13）；打开地面水泵（12），将水经提水泵管（13）与井筒套管间的环空（14）注入目标地层（1）并覆盖目标地层（1）内所有裂缝充填带（3）。
9.根据权利要求8所述的用于基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法的干热岩热储建造装置，其特征在于，地面水泵（12）大流量工作时，地面水泵（12）的流量≥160m3/h；地面水泵（12）与提水泵（11）同步小流量工作时，二者的流量为10-30m3/h，实现低成本水循环。
10.根据权利要求8所述的用于基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法的干热岩热储建造装置，其特征在于，提水泵（11）距目标地层（1）底部的距离≤40cm。
...【技术特征摘要】
1.基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，其特征在于，所述热破裂裂缝的制造方法为：在地面施工注水井（7）至目标地层（1）底部，下入提水泵（11）至目标地层（1）底部；在地面设地面水泵（12），打开地面水泵（12），将水经注入井（7）内的提水泵管（13）与井筒套管间的环空（14）注入井筒并覆盖目标地层（1）内所有裂缝充填带（3）；待水温稳定后，利用提水泵（11）将井筒内水全部抽出，等待热储温度恢复；重复注水和抽水操作进而在裂缝充填带（3）与母岩的胶结界面（15）处形成热破裂裂缝。
3.根据权利要求2所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，其特征在于，注水和抽水操作的重复次数由目标地层（1）的裂缝充填带（3）与母岩的物理性质、力学及矿物性质决定，经实验室试验获得，以在裂缝充填带（3）与母岩的胶结界面（15）处形成裂缝半长≥0.01m的热破裂裂缝。
4.根据权利要求1所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，其特征在于，热冲击下晶体交界面处的热应力满足公式：
5.根据权利要求2所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热岩热储建造方法，其特征在于，步骤3）是将20℃常温水注满注水井（7）井筒，随后同步开启提水泵（11），促使水形成地面-环空-提水泵管（13）-地面的循环；在热冲击作用和水动力作用下，目标地层（1）沿裂缝充填带（3）围岩内非均质粗矿物晶体边界形成次级裂缝；与此同时，主裂缝（16）、次级裂缝相互贯通，完成含复杂裂缝网络的干热岩热储建造。
6.根据权利要求1所述的基于裂缝充填带及粗矿物晶体干热...
【专利技术属性】
技术研发人员：阴伟涛，冯子军，靳佩桦，赵阳升，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：
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