阅读说明：本技术 用于地热井中的热分布控制及能量回收的方法 (Method for heat distribution control and energy recovery in geothermal wells ) 是由 P.凯恩斯 M.特夫斯 J.雷德芬 于 2019-08-08 设计创作，主要内容包括：一种控制地热井横向部分中从脚跟到脚趾的温度最大值和最小值的方法。该方法包括在可能热接触的位置附近设置至少一对井。工作流体在一个方向上在该对中的一个井中循环,且第二井的工作流体在与第一个相反的方向上循环。以这种方式,可以获得温度平衡以缓解最大值和最小值,从而在相应的井和其间的岩石地层区域中产生工作流体的基本上更均匀的温度。公开了具体的操作方案,其涉及用于使热能回收最大化的温度控制。(A method of controlling the maximum and minimum values of temperature from heel to toe in the lateral portion of a geothermal well. The method includes positioning at least one pair of wells in proximity to a location of possible thermal contact. The working fluid circulates in one direction in one well of the pair and the working fluid of the second well circulates in the opposite direction to the first. In this manner, a temperature balance may be achieved to mitigate maxima and minima, thereby producing a substantially more uniform temperature of the working fluid in the respective wells and the rock formation zones therebetween. Specific operating schemes are disclosed that relate to temperature control for maximizing thermal energy recovery.)

用于地热井中的热分布控制及能量回收的方法

技术领域

本发明涉及在井中吸收的热能的热控制，更具体地，本发明涉及地热井中的高效的能量回收和温度耗散的控制，以及闭环地热井孔系统的设计和操作的优化。

背景技术

目前，美国是已安装地热容量的全球领导者，其在八个州中具有超过3,300兆瓦。其中大部分位于加利福尼亚州。

已知的是，在地热能中，通过放射性衰变在岩浆层内不断产生热量。据报道，地球表面的10000米范围内的热量比世界上所有的石油和天然气资源多5万倍。显然，这是能源开发者社团的兴趣点。

在这些深度处，先前报道了关于高温损坏设备的问题。在某些情况下，这些已经被缓解或已可令人满意地容忍。

地热能生产中的关键点之一是管理井内的热损失，从而管理利用用作捕获和传输介质的工作流体来开采热量的能力。

如所述文献所示，现有技术已在该领域得到发展。

Shulman在1996年5月14日授权的美国专利No.5515679中提供了一种用于地热开采和回收能量利用的方法。歧管装置接收分散在地层内的井的网络。提供各种地层或井的阵列，其中井分散在每个特定井地层内。该文献没有提及井长度上的热耗散。

在2017年1月31日授权的美国专利No.9556856中，Stewart等人提供了一种地热能系统和操作方法。在参考图15的公开内容中，专利权人陈述：

“内管304通过对中器翅片318居中在外套管302中，对中器翅片318沿管304间隔开地定位，并且在底部插塞314上方的短距离处保持“端部开放”，从而为作为热能传递介质的工作流体(水基)的循环建立有效的闭环路径。这些翅片318还充当机械“湍流器”，其在外套管302和内管304之间的孔眼热交换器环320中引起流动特性，其适度地增强地热能量到地表地层或从地表地层的转移，同时使压力损失最小化。通常，在地表控制模块的控制下，将工作流体向下泵送到环320(箭头A)和通过内管304向上提升到地表(箭头B)，但是，基于精确的应用，在某些情况下可以反转循环方向以提供最佳性能。

该段落教导了单个井内的工作流体流动反转，但没有涉及用于控制正在进行热开采的地层内的热问题的任何机制。

Guodong等人，在Energy 128(2017)第366-377页的“Geothermal exploitationfrom hot dry rocks via recycling heat transmissionin a horizontal well”中得出结论：利用特定的工作流体，通过闭合回路井的长水平段，热的周围岩石地层之间的热交换得到加强，水平井长度和热绝缘管中的流体注入速率的增加提高了开采，并且使用多分支水平段是有益的。

总的来说，现有技术中的教导是有用的，但是没有解决诸如以下问题：多个分支水平井固有的大占地面积，在给定岩石地层体积内的良好设置和配置以用于增强的热开采或沿井长度的温度最大值和最小值。

认识到这些缺点，本文所述的本技术进一步推进地热技术，并以独特的方式组合决定性单元操作，以高效地回收地热梯度内的热能，而不管梯度特性和变化、地层孔隙度、环境条件、地理位置，以及其他。

在来自石油和天然气工业的并行现有技术中，用于多横向部井(multilateralwell)的钻井技术、特定的钻井流体等是成熟的，但是对地热勘探和回收的简单转用是不现实或不可行的；地热能量回收呈现出自己的复杂性。必须考虑许多因素以合成可行的回收方案。这需要能够在能量回收期间动态调整热力学参数，缓解任何井完整性或性能问题，反转、变更路线或停止工作流体流动，改变工作流体成分等。按照正确顺序进行整合需要根据对大量技术的广泛了解进行分析；如果没有这一点，解决方案就变得曲折复杂。

这在无数的地热现有技术中得到证实，现有技术一直在努力解决钻井问题、工作流体配方、具有底部孔和地表定位的复杂热交换器布置、梯度特性和位置、连续和不连续环、井孔套管及其变体。

由于地热现有技术的前景，通过特别的复杂性以绕过它们来进行以获得通用解决方案的技术将是有益的。

本发明提供了对当前限制的有效解决方案，其达到以下程度：地热能生产可以经济地成为首要的能源生产方法。

发明内容

本发明的一个目的是提供对地热井周围岩石中温度分布的控制。

本发明的一个实施例的另一个目的是提供一种用于在具有地热梯度的地层内最大化地热能量回收的方法，包括：

确定所述地层的岩石体积内的地热梯度；

形成井孔配置，用于所述岩石体积内的位置和定位，所述井孔的配置基于确定的地热梯度以获得最大热回收，所述井孔配置包括具有流体连通的入口井和出口井以及横向互连部分的闭合回路，所述配置的所述横向部分定位在所述岩石体积内；

基于以下内容选择至少一种工作流体以在所述配置内以预定顺序循环：

井孔配置；

地热梯度变化；以及

地层地质情况；

从所述井孔配置内的顺序循环确定工作流体温度；以及

选择以下内容中的至少一个：

所述配置内的工作流体变更路线和分布；

工作流体成分；

所述配置内的工作流体流速；

工作流体流动方向；以及

它们的组合，使得用所述工作流体从所述岩石体积的能量回收最大化。

来自岩石的热传递与井孔内的工作流体温度成反比。传热最大值发生在入口井的“脚部”处，在此处，井内工作流体的温度处于最小值。工作流体在穿过井的水平部分朝向井的“脚趾”时被加热。热分布数据表明了这一点。通常观察到传热分布从脚跟到脚趾渐缩，在出口井处具有最小值。

已经发现，组合井的各种配置对分布具有有益的影响，允许从给定体积的岩石中提取更高的热量，并且降低井建造成本和“死点”，在所述“死点”处热提取效率低。

已经发现，靠近的井的水平部分的交错式布置或网格化可以补偿井中的温度最大值和最小值。通过足够用于井之间的热接触的接近度来实现该效果。在工作流体在靠近的井之间相反地流动的情况下，可以在地热地层中引发温度平衡，使得一个井的最大值抵消或缓解靠近的井的最小值。

为了进一步增强从地层内提取热能，可以通过在在井孔的横向部分中钻取缺失套管(absent casing)期间密封井孔来形成井孔配置网络。这显然具有显著的成本效益以及有利的热力学。这有助于方案的普遍适用性；该配置可用于高温度梯度、低温度梯度、梯度内的传导区、梯度内的对流区、地层内的高渗透区、地层内的低渗透区及其组合中的任何一个。

密封成分还可包括增强密封的热导率的材料。合适的成分通常可以在已知技术中见于哈里伯顿公司(Halliburton)、贝克休斯公司(Baker Hughes)等。

此外，工作流体成分可以包括添加剂以维持配置中的井孔完全性和流体密度，以获得配置中的井孔的压缩强度。

可以包括辅助机械或化学单元操作及其组合以维持井孔完整性。这可以包括根据需要使用化学密封剂和致密剂，其在单次操作和顺序分阶段操作中的至少一个中在预定位置处引入井孔配置。

关于机械操作，套管/多边接头可以根据需要结合在预定位置上。

可以将减阻剂或其他添加剂添加到工作流体中以改善热力学性能，减少或消除寄生泵负载，并且能够在保持最佳水力性能的同时钻取更大的井孔网络。

此外，方法还包括以下步骤：在每个横向部分中提供足够的液压摩擦压力损失，以在所述配置内被动地控制横向部分内的流动分布。

关于井孔配置，其可以在岩石体积内分别间隔、成角度、堆叠、聚集、交错和互连以及它们的组合，以最大化能量提取。定向还将缓解任何热干扰或“死点”，以及对单个井孔的热再充的潜在需要，所述单个井孔可能需要静止的工作流体流动不活动一段预定的时间范围。

配置的入口井和出口井可以对靠近的井配置中的至少一些是公共的。还设想了单个或多个站点。此外，井孔配置的闭合回路可以在地表站点的上方或下方。这将取决于具体情况。

如此，已经一般性地描述了本发明，现在将对附图进行参考。

附图说明

图1是温度分布，其相对于沿着水平井孔的轴向位置示出了距井孔中心线的径向距离处的温度；

图2是对于一对间隔开的水平井孔的被开采以获得热量的岩石的径向体积的热图示；

图3是类似于图2的视图，其中工作流体流动被反转以用于一对水平井孔；

图4是具有多个水平井的井系统的示意图，所述多个水平井共同地连接到入口井和出口井；

图5是类似于图4的视图，示出了根据本发明的一个实施例的交错式井系统；

图6是本发明的替代实施例的俯视平面图；

图7是井布置的截面图；

图8是另一井布置的截面图；

图9是本发明的替代实施例的俯视平面图；

图10是沿着图9的线9-9的截面图；

图11是岩石地层内的井孔配置网络的示意图；

图12是配置网络中的井孔系统内的循环顺序的示意图；

图13是方案中涉及的事件的流程图；并且

图14是置于地层温度分布图上的闭环井孔网络。

附图中使用的类似的数字表示类似的元件。

具体实施方式

现在参照图1，示出了热图示，其描绘了对于给定的周围岩石体积，沿着水平井的轴向位置的温度逐渐减少。值得注意的是以下事实，存在从井的脚跟到脚趾的工作流体的加热。来自岩石的热传递与该工作流体温度成反比。因此，大部分热能以脚跟的最大值和在脚趾的最小值被捕获。这显然具有效率限制，因为创建了最大值和最小值。

现在参考图2，示出了设置在地热地层14内的两个间隔开的水平井孔10和12的平面图。井10和12间隔开但保持热接触。在该示例中，每个井孔10和12具有与图中所示方向相同的工作流体流动。针对每个井孔10和12描绘了如参考图1所讨论的热分布，其中分布彼此发散，从而留下区域16，即在相关时间段内没有从其提取热能的“死点”。

图3示出了关于图2提出的提取问题的第一解决方案。在该图中，水平井孔10和12之间的流动方向如图所示被反转。以这种方式，对于每个井孔10和12，温度最大值和最小值被平衡，并且两个井孔10和12之间的岩石体积没有“死点”或“未开采”区域，即，区域16。因此，对于井孔10和12所在的给定的岩石体积，可以开采更大径向体积的岩石以获得热量，或用白话来说，每单位面积可以回收更多的热量。井孔也间隔地更近，从而大大降低了钻井/建造成本。

图4是现有技术的多个横向或水平井系统的示意图，通常用数字18表示。在该实施例中，水平井孔20至32呈大致径向间隔开的关系，全部共用公共入口井孔36和出口井孔38。在该实施例中，水平井孔的长度例如在2000m和8000m之间。

图5示出了两个井系统18的交错或网状布置。已经发现，由于关于图3所讨论的布置的有效性，在将两个井系统18设置成间隔开的情况下，热接触具有如图3所示的益处。第二井系统18包括水平井孔38和50，并且类似于图4，具有公共入口井孔52和公共出口井孔54。通过这种布置，靠近的井孔，例如，20,38；22,40；24,42等，每个都相对于彼此具有相反的工作流体流动方向，从而实现如关于图3所述的结果。

可以理解，这大大增加了地热地层内给定体积的岩石的井密度，因此增加了提取到工作流体中的热能的量。

现在转到图6，示出了本发明的替代实施例，其中井系统18以倒置的方式并排布置。在这种布置中，第一井系统18包括多个井孔56、58和60，它们共同地连接到入口井孔62和公共出口井孔64。从入口62到出口64，多个井孔56、58和60会聚并因此在它们之间的间隔从62到64变化。工作流体流动方向如图所示为从62至64。与多个井孔56、58和60协同工作的是第二组多个井孔66、68和70。后者共用公共入口72和公共出口74。该布置与井孔56、58和60的布置相同，不同之处在于会聚与第一井系统18的会聚相反，即流体流动为从72至74。另外，多个井孔66与多个井孔60间隔开，但与其热靠近。每个井系统18在76和78处联接，用于在它们之间进行流体交换。如上所述，这是一种缓解岩石体积中诱发的最大和最小温度分布的替代布置。

图7示出了在出口井附近、在结合图6讨论的会聚点处的7个多个井孔的截面图，其中多个井孔82至92之间的间隔关系被示出为类似于用距离“X”表示，示例距离为20m到80m。井孔从页面出来。图8示出了在入口井附近的发散点处的7个多孔井82至92的截面图，示例性间距“Y”在80m和120m之间是等距的。

该布置是关于图5所讨论的布置的替代方案，然而，由于多个井孔的流体流动方向和热接近，它实现了相同的热益处。

参考图9，示出了图6的布置的替代实施例。在该实施例中，提供了交错连接。在该示例中，多个井孔96、98和100具有公共入口井100和公共出口井102，并且从100到102发散。多个井孔96、98和100与多个井孔104、106和108交错。后者共用公共井孔入口110和公共井孔出口112。井模式从112到110发散。间距关系与前面的实施例一样，以实现热捕获结果。每个井系统在114和116处联接用于流体交换。

图10是井118、120和122的系统的截面的示意图，其具有相似的间隔关系并且与井124、126和128热接触。118、120和122的工作流体流动与井124、126和128的工作流体流动相反。井内间距取决于许多因素。

现在参考图11，示出了具有可变地热梯度的岩石地层内的计划的井孔配置网络的示意图，由数字130表示。如示例中所示，横向井系统由数字18表示，如先前描述的附图所引用的，并且可以订阅先前在此讨论的任何配置或配置的组合。数字标记仅是为了清楚起见。

关于井系统的布置，其可以在岩石体积内间隔开、成角度、堆叠、聚集，交错、互连及其组合，以最大化能量提取。一旦确定了地热梯度，连同岩石热导率，就会实现这种配置。通过可以在密封井孔缺失套管(absent casing)的同时完成井孔钻取的这一事实，可以进一步提高方法的灵活性。在一些特定场景中，套管可以在网络内的预定位置使用。

配置可以包括离散的闭合回路井孔配置，其具有入口36和出口38以及设置在梯度130内的侧向部分20至32(在图3中更清楚地示出)和/或其可以与网络中的配置之间的入口36和出口38的公共连接互连。公共入口连接用数字132表示，公共出口用数字134表示。此外，公共出口134或各个出口38可以联网到由数字136表示的邻近或靠近的井孔配置。这由虚线和数字138表示。

梯度可包括高温度梯度、低温度梯度、所述梯度内的传导区、所述梯度内的对流区、地层内的高渗透性区、地下层内的低渗透性区及其组合。

图12示意性地描绘了网络内的工作流体的交叉交换。以这种方式，在井的网络中避免了热变化或生产不足。因此，工作流体可以在配置内变更布线和分布，工作流体成分完全改变或用添加剂改变，流体流速改变，方向改变及其组合，以使用工作流体从地热梯度的能量回收最大化。另外，取决于性能和/或热问题,工作流体流动可以完全停止在网络内的预定位置。该过程还有利于井孔或其系统的热再充。

回到图11，如图所示，闭合回路井18可以在地表S的上方或下方封闭。这将取决于环境条件和技术人员的范围内的其他变量。操作控制，例如流体供应、温度监测、流体采样、方向、速率等，可以使用本领域公知的任何合适的机构和仪器在140处在地表S上进行，以实现期望的结果。回收的热能可以被传递到合适的能量转换器142，以便分配和/或存储在存储装置144中，以便延迟使用。有利地，回收的能量可用于产生蒸汽以用于工业过程。根据具体情况，井孔网络可以设置为邻近或靠近现有工业项目。

图13示出了具有描绘的各个阶段的整体方案。在阶段2到4中，事件顺序可能根据环境条件、地质、梯度、岩石类型和可变性等而变化。目的是通过将热回收最大化所需的关键操作来阐明方案的益处，而无论条件如何，这是本技术的明显特征。

图14示出了如何将所呈现的先前概念置于目标地层内的可变温度分布的背景下，其由等温线轮廓示出。最佳井孔网络配置、横向部分之间的间距、流动方向和流速根据目标区域的地热梯度和温度分布而变化。

现在将参考方案的示例。

通常，优化闭环系统的第一步骤是确定区域中的地热温度梯度。梯度在沉积盆地中通常在28-35℃/km之间，但在具有浅的居里点深度(薄壳)的沉积盆地中可以增加到50℃，且在具有高热流的区域中可以达到150℃/km。

识别目标区域以放置地热井孔。与传统的地热技术不同，对于闭环系统，任何岩石都是可用区域，因为不需要渗透率、孔隙度或稀有地质特征。目标区域可以是砂岩、页岩、粉砂岩、泥岩、白云岩、碳酸盐岩或结晶基岩。

由于温度分布、热导率和钻孔穿透速率的组合，一些目标区域是优选的。因此，下一步骤是使用地热梯度来确定岩石体积的温度分布，如图14所示，其示出了给定地层的温度等高线(等温线)的俯视图。合适的温度可以是85℃至250℃或高达350℃。

估计岩石体积内的热导率分布。这可以基于直接测量、外推实验室数据，或根据间接数据计算，例如声速、矿物学或岩石类型。热导率的范围从软页岩的1.7W/m K到富含石英的砂岩的大于4W/m K。

下一个步骤是确定目标区域的无限压缩强度(UCS)，然后估计穿透的钻取速率，其是无限压缩强度的强函数。

传统的地热技术涉及搜索热液区，然后优化资源的规划和开发。相反，由于任何地质地层适用于闭环系统，目标区域选择可部分基于最佳的穿透的钻取速率。UCS控制穿透的速率，范围通常为对于弱页岩为40MPa，对于结晶基岩高至300MPa。钻取时的穿透的速率对于硬岩而言通常为5m/h，对于软岩而言为300m/h以上。

考虑所有机械和化学单元操作以保持闭环系统的井孔完整性。岩石类型和无限压缩强度将在很大程度上决定最佳解决方案。确定密封剂和/或工作流体添加剂是否足够，或者是否需要套管和/或机械连接，或这些的任何组合。

在大量识别地下设计输入的情况下，下一步骤是分析最终用户所需的与温度相关的能量分布。这可以是热能、冷却功率或电功率的组合、或其组合的分布。通常，分布在一天中和整个季节中变化。同样地，地表站点的环境条件和基于时间的定价可以在整个一天和季节中变化，并且可选地可以进行分析。

三维的井孔网络配置被设计为最大化从岩石体积的有用能量提取。该设计的一部分涉及确定网络中井孔之间的相对间距，以最小化热干扰和“死点”，或岩石体积中无法有效提取能量的区域。最佳间距是目标区域中的温度分布、热导率、以及工作流体特性和流速的函数。还必须考虑钻取成本。井孔之间的间距通常在20米到120米之间。网络中邻近的井孔之间的间距可以沿着井孔的长度变化，以最大化性能，最小化干扰，并最小化“死点”。

井孔网络配置还被设计成在每个横向部分中提供足够的液压摩擦压力损失，以被动地控制配置内的各个横向部分之间的流动分布。

地表设备应该集成到系统设计中，因为来自地表基础设施的出口仅仅是地下闭环系统的输入。因此，地表设施设备的设计和性能会对地下设计和性能产生影响，反之亦然。例如，出口温度为70℃的热机与具有出口温度为90℃的热机相比，将具有不同的最佳地下井孔网络设计。

井孔网络内的工作流体成分随着时间与最佳流速一起被确定。选择工作流体成分以获得最佳的热力学性能以及保持井孔完整性。工作流体可以是水、超临界流体、碳氢化合物、制冷剂或任何其他流体。井孔完整性添加剂可包括密封剂、反应物、固体颗粒、桥接剂、堵漏材料、保持井孔上足够的压缩强度的致密剂成分，或任何组合。减阻剂可以添加到工作流体中以实现更大的井孔网络配置，而不会达到水力极限或影响整体热力学效率。

工作流体在网络中循环。通过串联的井孔的网络，流速通常在40L/s和200L/s水当量之间。如果井网络布置有平行井环或者串联或并联的井环的组合，则总流速相应地缩放。

从通过闭环井孔网络循环的工作流体回收热能。可选地，可以在网络内重新分配流量以最大化性能。

回收的能量被分配、存储和/或转换成电力。各种形式的能量之间的转换和存储可以由最终用户要求和/或动态定价来确定。

在操作期间，监测流体温度和成分异常，可选地监测和/或估计网络中的井孔的热分布，并且可选地监测和/或估计网络中的井孔的井孔完整性。

基于实时监测和估计，可以实施操作以优化热力学性能。例如，这些包括网络中的井孔之间的流速、流动方向和流量分布的变化。例如，网络的一部分中的出口流体温度可能高于预期，而网络的另一部分中的流体温度可能低；流速可以相应地调整。

可经由井孔网络上的测量的压降、测量的工作流体体积平衡(体积的泄漏或增加)、成分变化、以及产生的固体体积和特性来监测井孔完整性。可以启动井孔的动态修复，例如使用工作流体添加剂、反应物、或通过循环含有密封剂、桥接剂或堵漏材料的流体剂(fluid slug)。

应当理解，上述单元操作可以串联进行、或者在集成的迭代过程中并行进行、或组合。