Способ разработки геотермального месторождения

 

Изобретение относится к области извлечения геотермальных ресурсов с возвратом отработанной пластовой воды в разрабатываемый горизонт. Определяют взаимодействующие скважины. Фильтрационные каналы между ними промывают водными растворами кислотных составов и поверхностно-активных веществ, улучшающими их водопроводимость. Теплоотбор осуществляют циркуляцией пластовой воды между взаимодействующими скважинами путем регулирования режимов их работы и закачки воды в соответствии с изменением интенсивности гидродинамического и термодинамического взаимодействия скважин. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к методам разработки геотермальных месторождений, а более конкретно к способам создания геотермальных циркуляционных систем (ГЦС) для извлечения тепла глубинных пластовых вод и разогретых пород скелета пласта.

В условиях резкого удорожания традиционных видов ископаемого топлива (нефти, газа, угля) существенно возрастает конкурентоспособность геотермальной энергии.

Выявленные бурением к настоящему времени извлекаемые запасы геотермальных ресурсов способны заменить значительную часть дорогостоящего органического топлива не только для отопления теплиц, парников, животноводческих комплексов и жилых зданий, но и в некоторых регионах (например на Кавказе, в зоне БАМа, на Камчатке и др.), для создания геотермальных электростанций (ГеоТЭС).

С учетом возможности извлечения термальных и перегретых пластовых вод из огромного фонда обводненных глубоких нефтяных и газовых скважин (а также из ликвидированных и бездействующих глубоких геолого- разведочных поисковых, параметрических и других скважин) использование альтернативной геотермальной энергии имеет большие перспективы.

Радикальным методом защиты окружающей среды (суши, воды и воздуха) от вредных ингредиентов (и теплового воздействия) минерализованных пластовых вод является разработка геотермальных месторождений с созданием геоциркуляционных систем (ГЦС), предусматривающих добычу пластового теплоносителя (термальной или перегретой воды, пара) через добывающие скважины, съем с него тепла (в теплообменниках) и обратную закачку охлажденной пластовой воды в разрабатываемый горизонт через нагнетательные (инжекционные) скважины. Создание ГЦС обеспечивает не только наиболее рациональное решение экологозащитных проблем геотермального производства, но и значительное повышение извлекаемых запасов тепла геотермальных месторождений за счет поддержания пластовых давлений (ППД) и съема тепла скелета пород пластов.

Аналогом геоциркуляционной технологии разработки геотермальных месторождений является широко применяемый в нефтедобыче метод разработки нефтяных месторождений с ППД закачкой воды и казалось бы, что создание ГЦС не представляет особых технических трудностей (Справочная книга по добыче нефти, под ред. Ш.К. Гиматудинова, М. Недра, 1974, с.84).

Однако вследствие относительно низкого удельного теплового потенциала геотермального теплоносителя (воды, пара) по сравнению с традиционными концентрированными формами ископаемого топлива (нефтью, газом, углем) экономическая эффективность разработки геотермальных месторождений с созданием ГЦС достигается при существенно высоких дебитах добывающих скважин и соответственно высокой стабильной приемистости нагнетательных (инжекционных) скважин в ГЦС (не менее 1000 м³/сут в каждую скважину при давлении на ее устье не более 6,0 МПа), в то время как режимы закачки воды в нагнетательные скважины для ППД нефтеносного пласта (объемы и давления закачки) лимитируются лишь требованиями более полного и равномерного вытеснения нефти из пласта к добывающим скважинам, причем величина давления нагнетания воды в нефтеносный пласт практически не ограничивается (например проектные режимы разработки с ППД многих нефтяных месторождений обеспечиваются даже при закачке 200 300 м³/сут воды в каждую нагнетательную скважину с давлением закачки 8,0 12,0 МПа, а иногда до 30,0 МПа).

Это связано с тем, что критический уровень экономически рентабельных капитальных и эксплуатационных затрат на добычу нефти (газа, угля) многократно выше, чем для добычи геотермального теплоносителя (термальной воды, пара).

Накопленный опыт освоения геотермальных ресурсов, выявленных в различных горно-геологических условиях, позволяет утверждать, что основным условием обеспечения экономичности ГЦС в геотермальных горизонтах является высокая приемистость нагнетательных (инжекционных) скважин для возврата отработанной воды (после теплосъема) в разрабатываемые горизонты.

Известен также способ разработки геотермального месторождения, включающий извлечение пластового флюида из разрабатываемого горизонта, обратную закачку в него охлажденной пластовой воды и проведение гидродинамических исследований (авт. св. СССР N 1201493, кл. Е 21 В 43/24, опубл. 1985).

Вместе с тем, опыт разработки геотермальных месторождений показывает, что для создания эффективных ГЦС во многих термоводовмещающих коллекторах с высокой водоотдачей, сложенных терригенными паровопроницаемыми неоднородными пластами глинизированных песчаников, не удается обеспечить удовлетворительную приемистость скважин при закачке своей же пластовой воды (геотермальные месторождения Мостовское, Казьминское, Вознесенское, Новоярославское, Майкопское, Центрально-Бурунное и другие).

Многочисленные мероприятия, выполненный в таких скважинах с целью повышения их стабильной приемистости (воздействия на пласты методами переменных давлений, повторные перфорации обсадных колонн в интервалах залегания водоносных пластов, неоднократные глинокислотные воздействия на них, обработки поверхностно-активными веществами и др.) не дали удовлетворительных результатов. Предпринятые попытки разорвать термоводоносные песчаники (например в скважине N 16 Мостовская) повышением давления в скважинах до 0,8 Р_гор. (где Р_гор. вертикальное горное давление на глубине залегания песчаников) также не увенчались успехом (по-видимому, неудачи объясняются текучестью гидравлически сообщаемых со скважиной глинистых водоупоров, между которыми залегают песчаники, и сжатием последних водоупорами в околоствольной зоне скважины).

Очевидно, что в условиях неоднородных (по толщине и по простиранию) терригенных пластов в термоводоносных глинизированных песчаников при отсутствии в породах развитой сети естественных трещин необходимо разработать новые экономичные методы создания ГЦС.

Целью настоящего изобретения является разработка экономичного способа создания ГЦС в неоднородных по толщине и по простиранию терригенных горизонтах термоводоносных песчаников с глинистыми включениями при отсутствии естественной трещиноватости пород.

Поставленная цель достигается тем, что комплексом одиночных и групповых гидродинамических исследований скважин выпусками и закачками воды определяют взаимодействующие скважины, величины и скорости их взаимодействия, между этими скважинами в разрабатываемом горизонте создают циркуляцию пластовой воды и промывают фильтрационные каналы между взаимодействующими скважинами поверхностно-активными веществами и растворителями пород, улучшающими их водопроводимость, а регулирование режимов работы взаимодействующих скважин в геоциркуляционной системе в процессе ее эксплуатации осуществляют в соответствии с изменением интенсивности гидродинамического и термодинамического взаимодействий скважин, причем перед существенным изменением направлений и расходов циркулирующих потоков в ГЦС обеспечивают стабилизацию температурного режима и давления в разрабатываемом горизонте.

Предлагаемый способ создания ГЦС отличается от известного тем, что теплоотбор из геотермального горизонта осуществляют не фронтальным вытеснением вмещающейся в нем термальной воды к эксплуатационным скважинам и замещением ее закачиваемой в водонагнетательные скважины охлажденной пластовой водой, а целенаправленным исследованием, выбором взаимодействующих скважин и циркуляцией закачиваемой в геотермальный горизонт воды между взаимодействующими скважинами в соответствии с интенсивностью их взаимодействия.

Другое отличие состоит в том, что водопроводимость существующих естественных (природных) каналов фильтрации между взаимодействующими скважинами (например, по древним погребенным руслам промытых песков в терригенных глинисто-песчаных отложениях) улучшают многократной циркуляцией в них слабоконцентрированных (до 10%) в пластовой воде кислотных композиций, содержащих стабилизаторы и замедлители реакции с породами (например глинокислот смесь ингибированной соляной кислоты НСL и плавиковой кислоты НF, с добавлением уксусной кислоты CH₃СООН в качестве катализатора-замедлителя реакции глинокислоты с песчаниками и глинистыми породами) и водных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) например ОП-10, Е-30, превоцелл W -OF- 100 и др. а также смеси ПАВ с 1 2% соляной кислотой, ингибиторами солеотложений и коррозии.

Для каждого конкретного химико-минералогического состава пород и насыщающей эти породы пластовой воды следует подбирать свой оптимальный состав и концентрацию кислотной композиции и ПАВ с учетом пластовой температуры, а также оптимальный режим их закачки (давление и расход) в нагнетательные скважины, обеспечивающий воздействие на фильтрационные каналы на всем их протяжении между взаимодействующими скважинами.

Улучшение водопроводимости фильтрационных каналов между взаимодействующими скважинами в разрабатываемом горизонте позволяет сократить энергетические затраты на закачку воды в него в процессе эксплуатации ГЦС, а прогрев циркулирующей в ней воды до пластовой обеспечивается за счет ее теплообмена с насыщающей породы пластовой водой и скелетом пород на пути ее фильтрации между взаимодействующими скважинами и и ругулированием работы скважин в соответствии с интенсивностью их взаимодействия.

Естественно, за период эксплуатации геотермального горизонта в систему взаимодействующих скважин будут вовлекаться и другие, ранее изолированные от них, скважины, вскрывшие этот горизонт, в частности за счет появления термобарических градиентов по его мощности и простиранию.

В отличие от известного способа создания ГЦС по предлагаемому способу направления и расходы циркулирующих потоков в геотермальном горизонте в процессе его разработки корректируют в зависимости от изменения количества взаимодействующих скважин и интенсивности их взаимодействия, а также при снижении температурного потенциала извлекаемого теплоносителя, что позволяет повысить суммарные извлекаемые запасы геотермальных ресурсов, так как при этом обеспечивается не только перераспределение циркуляционных потоков в фильтрационных каналах между взаимодействующими скважинами, но и вовлечение в процесс теплоотбора новых участков геотермального горизонта. Однако, существенное изменение направлений и расходов циркулирующих потоков в ГЦС осуществляют после стабилизации его температурного режима и давления (например, после сезонных остановок ГЦС).

Кроме того, в отличие от известного способа теплоотбора в ГЦС предлагаемый способ позволяет обрабатывать фильтрационные каналы между скважинами ингибиторами солеотложений и дезинфецирующими жидкостями (против сульфатредуцирующих бактерий), промывая эти каналы после их обработки кислотой, ПАВ, а также периодически в процессе эксплуатации ГЦС.

Для иллюстрации предлагаемого способа создания циркуляционной системы разработки геотермального месторождения Мостовское приведена часть структурной карты по кровле термоводоносного горизонта альбских песчаников нижнемелового возраста с нанесенными на карту скважинами, обеспечивающими термоводозабор из этого горизонта с 1970 г.

Основным эксплуатационным объектом Мостовского термоводозабора (ТВЗ) является верхняя водообильная песчаная толща (пачка а) нижне-альбского яруса нижнемеловых отложений. Песчаники кварцевоглауконитовые, средне- и мелкозернистые с преобладанием глинистой фазы у кровли и подошвы, причем толща песчаников разделена на две пачки (пачки а₁ и а₂) глинистым пластом мощностью 7 12 м, имеющие одинаковые фильтрационные параметры и качество воды, что свидетельствует о их хорошей гидравлической связи друг с другом в пределах ТВЗ.

За период эксплуатации ТВЗ пластовое давление термоводоносного горизонта существенно упало за счет интенсивного отбора термальной воды без искусственного восполнения ее запасов обратной закачкой пластовой воды после теплосъема. Так, если в начале эксплуатации ТВЗ устьевое статическое давление Р у. ст. в скважинах составляло в среднем 0,8 МПа, то в настоящее время оно составляет 0,35 МПа в начале отопительного сезона и 0,2 МПа в конце этого сезона. Дебиты эксплуатационных скважин составляют 1000 ^oC 1200 м³/сут (из каждой скважины) и обусловлены, главным образом, эффектом термолифта (средняя температура термальной воды в скважинах Т_cр. ≈ 75^oС, а соответствующая этой температуре расчетная плотность термальной воды ρ_cp ≈ 986 кг/м³.

В связи с падением пластового давления ТВЗ за период его эксплуатации и с целью внедрения экологозащитной технологии его разработки созданием ГЦС был выполнен большой объем аналитических, теоретических и промысловых исследований, однако они не дали практических результатов вследствие низкой стабильной приемистости скважин при закачке в них пластовой воды (не более 350 м³/cут.).

Оценочные расчеты показывают, что для обеспечения рентабельности функционирования ГЦС в условиях Мостовского ТВЗ стабильная приемистость каждой нагнетательной скважины должна быть не ниже 1000 м³/сут при давлении закачки не более 4,0 МПа.

Для обеспечения таких режимов закачки отработанной пластовой воды предлагаемый способ предусматривает выявление взаимодействующих скважин и интенсификацию водопроводимости фильтрационных каналов термоводоносного горизонта между этими скважинами циркуляцией водных растворов ПАВ и слабоконцентрированных кислотных композиций, причем для снижения давления их закачки закачку целесообразно вести в скважины, вскрывшие термоводоносный горизонт на более высоких гипсометрических отметках.

Например, если гидродинамическими исследованиями выявлено взаимодействие скважин 1т, 2т, 3т, 7т, 9т и 11т, то для закачки ПАВ и кислотных композиций целесообразно использовать скважины 1т, 3т и 9 т, с подъемом этих составов по остальным взаимодействующим с ними скважинам 2т, 7т, 11т.

По мере разработки ТВЗ в геоциркуляционную систему указанных взаимодействующих скважин будут вовлекаться (за счет изменения термобарических условий) другие скважины (например 8т, 10т, 13т, 14т и другие), что позволяет обеспечить больший охват теплоотбором термоводоносного горизонта, путем регулирования в нем направлений и расходов циркуляционных потоков между всеми взаимодействующими скважинами, при необходимости обрабатывая фильтрационные каналы между отдельными скважинами ПАВ и кислотными составами.

Технико-экономические преимущества использования предлагаемого способа создания циркуляционной системы разработки геотермального месторождения заключаются в том, что он позволяет существенно сократить капитальные и энергетические затраты на обеспечение экологически чистого процесса теплоотбора из геотермальных горизонтов, сложенных неоднородными терригенными поровопроницаемыми пластами глинизированных песчаников. Способ может быть использован и для интенсификации ГЦС, создаваемых в трещиноватых, высокотемпературных толщах карбонатных пород.

Формула изобретения

1. Способ разработки геотермального месторождения, включающий извлечение пластового флюида из разрабатываемого горизонта, обратную закачку в него охлажденной пластовой воды и проведение гидродинамических исследований, отличающийся тем, что при разработке неоднородных терригенных пластов, сложенных термоводоносными глинизированными песчаниками, в процессе гидродинамических исследований определяют взаимодействующие скважины и интенсивность их взаимодействия в пределах единой подземной гидродинамической системы поровопроницаемого коллектора, между отобранными скважинами создают циркуляцию пластовой воды и промывают его фильтрационные каналы растворителями пород пласта и поверхностно-активными веществами, повышающими их водопроводимость, после чего регулируют режимы работы скважин в соответствии с изменениями интенсивности их гидродинамического взаимодействия, причем направления и расходы циркулирующих потоков корректируют в зависимости от изменения количества взаимодействующих скважин и величины их взаимодействия и/или при снижении температурного потенциала извлекаемого флюида.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение направлений и расходов циркулирующих потоков в разрабатываемом горизонте осуществляют после стабилизации его температурного режима и давления.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в фильтрационные каналы геоциркуляционной системы между взаимодействующими скважинами периодически вводят ингибиторы солеотложений и дезинфицирующие составы.

РИСУНКИ

Рисунок 1