CN121719528B

CN121719528B - 一种深部地热簇式集中探采布井方法及钻井结构

Info

Publication number: CN121719528B
Application number: CN202610221371.5A
Authority: CN
Inventors: 吴晓华; 谭现锋; 贾琛; 陈洪年; 李洪亮; 赵斌; 马哲民
Original assignee: Shandong Lunan Geological Engineering Survey Institute of Second Geological Brigade of Shandong Geological Survey Bureau
Current assignee: Shandong Lunan Geological Engineering Survey Institute of Second Geological Brigade of Shandong Geological Survey Bureau
Priority date: 2026-02-25
Filing date: 2026-02-25
Publication date: 2026-04-17
Anticipated expiration: 2046-02-25
Also published as: CN121719528A

Abstract

本发明涉及一种深部地热簇式集中探采布井方法及钻井结构，属于地热开采的技术领域。包括以下步骤：（1）依据热储分层厚度、温度及渗流场变化规律，利用等边三角形原理，确定簇式集中布设的各井底部取水点的平面坐标；（2）所有地热井首先垂直钻进、深入地下后，径向分散程箭簇式，单井轨迹为“直段‑定向增斜段一‑斜直井段一‑定向增斜段二‑斜直段二”的结构；钻井结构自上至下依次为：泵室管、井管、滤水管和沉淀管。本发明还提供了一种由上述方法探采的钻井结构。本发明分层采用等边三角形原理进行簇式集中开采地热井靶点布设，有利于确定项目地热采灌最小影响面积，有利于提高矿区地热资源利用率，实现深部地热资源的合理利用。

Description

一种深部地热簇式集中探采布井方法及钻井结构

技术领域

本发明涉及地热开采的技术领域，具体涉及一种深部地热簇式集中探采布井方法及钻井结构。

背景技术

地热作为清洁、可再生的优质能源，是冬季供暖的理想热源，能实现低碳、稳定、高效的供暖效果，也是当前冬季清洁取暖的方式之一。地热供暖相比于传统供暖的优点有以下几方面：（1）清洁低碳：无燃煤、燃气燃烧过程，几乎不产生CO₂、SO₂、粉尘等污染物，从源头减少冬季供暖的大气污染。（2）稳定可靠：地热资源不受季节、天气、昼夜变化影响，全年恒温供应，无供暖中断风险。（3）运营成本低：中深层地热供暖仅需少量电力用于抽水、换热，浅层地源热泵能效比（COP）可达4以上（消耗1度电，输出4度以上热能），长期运营成本远低于燃气、电暖。（4）资源可再生：只要遵循“采灌平衡、闭式利用”的原则，地热储层可实现持续补给，供暖系统使用寿命可达30年以上，属于长效可再生能源利用方式。

近年来，随着地热开发利用技术的发展，一批深部地热供暖替代项目在冬季寒冷地区的城市推广实施。地热清洁能源供暖替代项目以往采用分散式布井模式和钻井工艺，为满足合理井距设计要求，避免发生热突破，通常需要多个钻井作业场地，其中单个井场面积一般超过2000m²。而城区建筑密集，难以满足钻井场地要求，严重制约了地热清洁能源开发利用，现亟需一种可以集中布井的方法和施工工艺以解决地热开发布井难题，推动城区地热资源集中开发利用。

发明内容

针对现有的地热探采布井方式为分散布井的技术问题，本发明提供一种深部地热簇式集中探采布井方法及钻井结构，以解决上述问题。

本发明技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种深部地热簇式集中探采布井方法，具体如下：

（1）布设地热井地面井口：依据热储分层厚度、温度及渗流场变化规律，计算出合理井间距；利用等边三角形原理，确定簇式集中布设的各井底部取水点的平面坐标；依据确定的各井底部取水点的平面坐标及取水点热储层埋藏深度，确定簇式集中布设的各井底部取水点的地下空间坐标；

（2）依据确定的簇式集中布设的各井靶点的地下空间坐标，应用定向井空间轨迹设计方法，确定簇式集中布设地热井空间轨迹，所有地热井首先垂直钻进、深入地下后，径向分散程箭簇式，单井轨迹为“直段-定向增斜段一-斜直井段一-定向增斜段二-斜直段二”的结构；钻井结构自上至下依次为：泵室管、井管、滤水管和沉淀管。

进一步的，步骤（1）中，地面井口的布设方案具体为：地面井口布设排数为1~3排、邻近两口井间距为3~5m。

进一步优选的，地面井口数＜6时，布设为一排；6≤地面井口数≤15时，布设为两排；地面井口数＞15时，布设为2~3排。在保证表层泵室段钻井互不影响的情况下，充分利用地面空间。

进一步的，步骤（2）中，开采与回灌井交叉布设、采灌井比例为1:1.2~1.6。

进一步的，步骤（2）中，单井轨迹具体结构为：地热井表层段设计为直井段，所述表层段深度≤600m；直井段以下为定向增斜段，段长为300~500m、定向增斜段斜角≤45°；定向增斜段以下至距目的热储层顶板埋深200m段为斜直井段；距目的热储层顶板埋深200m再次设置定向增斜段，定向增斜段斜角为60°~65°；进入目标热储层后为斜直井段二、直至设计完钻深度。

本发明采用的“直段-定向增斜段一-斜直井段一-定向增斜段二-斜直段二”的井身轨迹，一方面满足了热储开采回灌相关要求，同时尽量减少了井斜角45°~60°井段长度、且将井斜角45°~60°井段设置在热储上的盖层段，该段通常为泥岩，钻进破碎的岩屑不易沉淀、易于携带，解决了井斜角45°~60°井段岩屑易于沉淀成床，影响钻进效率和井下安全的难题。

第二方面，本发明提供一种使用上述深部地热簇式集中探采的钻井结构，自上至下依次包括泵室管；所述泵室管与斜向下延伸的井管连通；所述井管的底端与滤水管连通；所述井管的底端与滤水管之间安装有封隔器；所述封隔器安装于井管外侧；所述封隔器上方、井管的外侧安装有橡胶伞，起到止水的作用；滤水管的下方安装有沉淀管。

本发明提供的钻井结构中，采用了封隔器+橡胶伞止水的结构，实现了对各热储层的精准分隔。封隔器可以快速实现封隔止水，橡胶伞耐磨网发生竖向收缩后使伞开口端向外翻，使橡胶伞的伞筒紧贴孔壁，可以有效地托住孔壁随时间推移坍塌的掉落物，形成岩块塞而达到永久止水的效果，预防长时间后封隔器可能失效而带来的止水失效问题。同时封隔器+橡胶伞止水的结构相较于以往封隔器+水泥固井的结构，避免了水泥浆固井止水可控性较差、可能对热储层造成影响的问题，保护了热储层。

进一步的，所述泵室管与井管重叠30m，并且使用水泥浆进行固井止水。

进一步的，所述泵室管与井管重叠的部分为直段；所述井管自上至下依次为定向增斜段一、斜直井段一和定向增斜段二；所述滤水管和沉淀管为斜直段二。

进一步的，所述橡胶伞的长度为300mm；所述橡胶伞的最小内径比井管的外径小2mm；所述橡胶伞的最大外径比钻孔大10mm。

进一步的，所述橡胶伞的伞筒外壁敷有一层高耐磨网，所述高耐磨网为具有遇水收缩特性的橡胶外包尼绒网。

本发明的有益效果在于：

本发明提供深部地热簇式集中探采布井方法，地面井口布设排数为1~3排、邻近两口井间距为3~5m，在保障地热钻井项目顺利实施的情况下有利于节约地面空间；开采与回灌井交叉布设、采灌井比例为1:1.2~1.6，有利于实现采灌均衡。同时，本发明分层采用等边三角形原理进行簇式集中开采地热井底部取水点的布设，有利于确定项目地热采灌最小影响面积，有利于提高矿区地热资源利用率，实现深部地热资源的合理利用。

本发明还分层设计井组目标靶层、大斜度揭露优质目标热储层，优选靶点热储层可以有效避免后期采水井出砂、回灌井回灌量低等问题，大斜度揭露目标热储层，相当于增加井与目标热储层的接触长度、增加了过流面积，从而增加采水量及回灌量，实现了对深部热储的高质量、高效利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中簇式集中开采地热井底部取水点的布设示意图。图中，1-1至1-15为取水点1-1~取水点1-15；其中取水点1-2与取水点1-4的直线距离为450m；取水点1-4与取水点1-5的直线距离为450m。A为簇式集中开采地热井地面井口区域。

图2是图1中A部分的放大图，即本发明实施例1中簇式集中开采地热井井口的排布示意图。其中，1’-1至1’-15为井口1’-1~井口1’-15；井口1’-1对应的取水点为1-1，1’-2对应的取水点为1-2，以此类推，1’-15对应的取水点为1-15。

图3是本发明簇式集中开采地热井空间展布示意图。

图4是本发明簇式集中开采地热井单井结构示意图。图中，1-泵室管，2-井管，3-橡胶伞，4-封隔器，5-滤水管，6-沉淀管。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1

一种深部地热簇式集中探采布井方法，具体如下：

（1）在平原县西部城区清洁热源替代工程EPC项目北部区块二号平台布设地热井地面井口，项目设计的14口探采井设计为6采8灌（6口开采井搭配8口回灌井）、采灌为1:1.33，采用簇式集中布井方式，14口地热探采井地面井口两排布置、井口间距4.5m。井口排布方式详见图2。图2中，井口1’-3设计为直井，井口1’-1、井口1’-2、井口1’-4至井口1’-15为探采井。

（2）依据确定的簇式集中布设的各井靶点的地下空间坐标，地热井底部取水点布设示意图详见图1。应用定向井空间轨迹设计方法，确定簇式集中布设地热井空间轨迹，目标为垂直深度在1290~1530m内的3个主要热储层。首先钻入垂直深度350~450m的直井段，然后进行定向钻进定向增斜段一，段长为350~450m、定向增斜段斜角40°~42°；然后继续钻进斜直井段一，直至距目的热储层顶板埋深200m处停止；再次定向钻进定向增斜段二，定向增斜段斜角为60°~61°；进入目标热储层后续钻进斜直井段二，直至设计完钻深度，目标热储层井段各井相互间距＞400m。

深部地热簇式集中探采钻井结构，自上至下依次包括泵室管1；所述泵室管1与斜向下延伸的井管2连通；泵室管1与井管2重叠30m，并且使用水泥浆进行固井止水，泵室管1位于直井段；所述井管2的底端与滤水管5连通；所述井管2的底端与滤水管5之间安装有封隔器4；所述封隔器4安装于井管2外侧；所述封隔器4上方、井管2的外侧安装有橡胶伞3，所述橡胶伞3的长度为300mm，所述橡胶伞3的长度为300mm；所述橡胶伞3的最小内径比井管的外径小2mm；所述橡胶伞3的最大外径比钻孔大10mm，起到止水的作用；所述橡胶伞3的伞筒外壁敷有一层高耐磨网，耐磨网具有在水中浸泡6h后发生竖向收缩的特性。滤水管5的下方安装有沉淀管6。所述滤水管5和沉淀管6位于斜直段二。

开采井单井采水80~90m³/小时、回灌井单井采水60~70m³/小时，地热尾水100%回灌。

实施例2

一种深部地热簇式集中探采布井方法，具体如下：

（1）在夏津县地热清洁能源供暖项目现场布设地热井地面井口，项目设计的8口探采井设计为3采5灌（3口开采井搭配5口回灌井）、采灌井比为1:1.6，采用簇式集中布井方式，8口地热探采井地面井口单排布置，井口间距6m；

（2）依据确定的簇式集中布设的各井靶点的地下空间坐标，应用定向井空间轨迹设计方法，确定簇式集中布设地热井空间轨迹，目标为垂直深度在1150~1600m内的6个主要热储层。首先钻入垂直深度350~450m的直井段，然后进行定向钻进定向增斜段一，段长为300~400m、定向增斜段斜角33°~40°；然后继续钻进斜直井段一，直至距目的热储层顶板埋深200m处停止；再次定向钻进定向增斜段二，定向增斜段斜角为60°~62°；进入目标热储层后续钻进斜直井段二，直至设计完钻深度，目标热储层井段各井相互间距＞400m。

深部地热簇式集中探采钻井结构与实施例1相同。

开采井单井采水90~120m³/小时、回灌井单井采水50~70m³/小时，地热尾水100%回灌。

实施例3

一种深部地热簇式集中探采布井方法，具体如下：

（1）在德州财金智慧农业能源改造项目现场布设地热井地面井口，项目设计的10口探采井设计为4采6灌（4口开采井搭配6口回灌井），采灌为1:1.5，采用簇式集中布井方式，10口地热探采井地面井口单排布置、井口间距5m；

（2）依据确定的簇式集中布设的各井靶点的地下空间坐标，应用定向井空间轨迹设计方法，确定簇式集中布设地热井空间轨迹，目标为垂直深度在1200~1500m内的3个主要热储层。首先钻入垂直深度350~450m的直井段，然后进行定向钻进定向增斜段一，段长为350~450m、定向增斜段斜角38°~40°；然后继续钻进斜直井段一，直至距目的热储层顶板埋深200m处停止；再次定向钻进定向增斜段二，定向增斜段斜角为60°~61°；进入目标热储层后续钻进斜直井段二，直至设计完钻深度，目标热储层井段各井相互间距＞400m。

深部地热簇式集中探采钻井结构与实施例1相同。

开采井单井采水80~100m³/小时、回灌井单井采水50~70m³/小时，地热尾水100%回灌。

实施例4

一种深部地热簇式集中探采布井方法，具体如下：

（1）在东营经济技术开发区地热清洁供暖项目工程一号能源站现场布设地热井地面井口，项目设计的20口探采井设计为8采12灌（8口开采井搭配12口回灌井），采灌为1:1.5，采用簇式集中布井方式，20口地热探采井地面井口两排布置、井口间距4.5m；

（2）依据确定的簇式集中布设的各井靶点的地下空间坐标，应用定向井空间轨迹设计方法，确定簇式集中布设地热井空间轨迹，目标为垂直深度在1320~2200m内的9个主要热储层。首先钻入垂直深度350~450m的直井段，然后进行定向钻进定向增斜段一，段长为300~400m、定向增斜段斜角41°~42°；然后继续钻进斜直井段一，直至距目的热储层顶板埋深200m处停止；再次定向钻进定向增斜段二，定向增斜段斜角为60°~62°；进入目标热储层后续钻进斜直井段二，直至设计完钻深度，目标热储层井段各井相互间距＞400m。

深部地热簇式集中探采钻井结构与实施例1相同。

实施例5

一种深部地热簇式集中探采布井方法，具体如下：

（1）在滨州市沾化区清洁能源综合利用项目北站现场布设地热井地面井口，项目设计的8口探采井设计为3采5灌（3口开采井搭配5口回灌井），采灌为1:1.6，采用簇式集中布井方式，8口地热探采井地面井口单排布置、井口间距4.5m；

（2）依据确定的簇式集中布设的各井靶点的地下空间坐标，应用定向井空间轨迹设计方法，确定簇式集中布设地热井空间轨迹，目标为垂直深度在1020~1260m内的4个主要热储层。首先钻入垂直深度350~450m的直井段，然后进行定向钻进定向增斜段一，段长为300~400m、定向增斜段斜角36°~38°；然后继续钻进斜直井段一，直至距目的热储层顶板埋深200m处停止；再次定向钻进定向增斜段二，定向增斜段斜角为60°~61°；进入目标热储层后续钻进斜直井段二，直至设计完钻深度，目标热储层井段各井相互间距＞400m。

深部地热簇式集中探采钻井结构与实施例1相同。

开采井单井采水80~90m³/小时、回灌井单井采水50~60m³/小时，地热尾水100%回灌。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种深部地热簇式集中探采布井方法，其特征在于，具体如下：

（1）布设地热井地面井口：依据热储分层厚度、温度及渗流场变化规律，计算出合理井间距，利用等边三角形原理，确定簇式集中布设的各井底部取水点的平面坐标；依据确定的靶点平面坐标及利用热储层埋藏深部，确定簇式集中布设的各井靶点的地下空间坐标；

2.如权利要求1所述的一种深部地热簇式集中探采布井方法，其特征在于，步骤（1）中，地面井口的布设方案具体为：地面井口布设排数为1~3排、邻近两口井间距为3~5m。

3.如权利要求2所述的一种深部地热簇式集中探采布井方法，其特征在于，地面井口数＜6时，布设为一排；6≤地面井口数≤15时，布设为两排；地面井口数＞15时，布设为2~3排。

4.如权利要求1所述的一种深部地热簇式集中探采布井方法，其特征在于，步骤（2）中，开采与回灌井交叉布设、采灌井比例为1:1.2~1.6。

5.如权利要求1所述的一种深部地热簇式集中探采布井方法，其特征在于，步骤（2）中，单井轨迹具体结构为：地热井表层段设计为直井段，所述表层段深度≤600m；直井段以下为定向增斜段，段长为300~500m、定向增斜段斜角≤45°；定向增斜段以下至距目的热储层顶板埋深200m段为斜直井段；距目的热储层顶板埋深200m再次设置定向增斜段，定向增斜段斜角为60°~65°；进入目标热储层后为斜直井段二、直至设计完钻深度。

6.一种使用如权利要求1所述的深部地热簇式集中探采布井方法探采的钻井结构，其特征在于，自上至下依次包括泵室管；所述泵室管与斜向下延伸的井管连通；所述井管的底端与滤水管连通；所述井管的底端与滤水管之间安装有封隔器；所述封隔器安装于井管外侧；所述封隔器上方、井管的外侧安装有橡胶伞；滤水管的下方安装有沉淀管。

7.如权利要求6所述的钻井结构，其特征在于，所述泵室管与井管重叠30m，并且使用水泥浆进行固井止水。

8.如权利要求6所述的钻井结构，其特征在于，所述泵室管与井管重叠的部分为直段；所述井管自上至下依次为定向增斜段一、斜直井段一和定向增斜段二；所述滤水管和沉淀管为斜直段二。

9.如权利要求6所述的钻井结构，其特征在于，所述橡胶伞的长度为300mm；所述橡胶伞的最小内径比井管的外径小2mm；所述橡胶伞的最大外径比钻孔大10mm。

10.如权利要求6所述的钻井结构，其特征在于，所述橡胶伞的伞筒外壁敷有一层高耐磨网，所述高耐磨网为具有遇水收缩特性的橡胶外包尼绒网。