CN103216219A - 一种co2/n2地下置换开采天然气水合物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CO₂/N₂地下置换开采天然气水合物的方法，该方法是通过向水合物层注入CO₂/N₂，控制井内温度和压力，进行置换反应获得甲烷和CO₂/N₂水合物，实现天然气水合物的开采，并通过水平对接井技术和压裂技术，增大反应接触面积，提高开采效率；首先进行水平对接井钻井、固井和完井，根据水合物层厚和范围确定水平井段的长度和层数；然后针对拟开采层实施压裂工艺，采用分段压裂方式；排除压裂液，进行降压开采，一段时间后开采速率明显降低，注入CO₂/N₂，控制井内压力，进行置换开采；本发明实现了高效置换开采天然气水合物，环境和经济效益显著，可用于大规模的冻土区天然气水合物和天然气水合物的开采。

Description

一种CO2/N2地下置换开采天然气水合物的方法

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物开采方法，尤其是涉及一种CO₂/N₂地下置换开采天然气水合物的方法，属于能源技术领域。

背景技术

天然气水合物是指天然气与水在特定温度和压力（低温高压）下生成的一种笼型晶体物质，似冰雪状，因其可以点燃，故俗称为“可燃冰”。研究初期，主要是为了抑制输气管道中天然气水合物的生成，但随着经济不断发展，能源需求日益增加，能源短缺日趋加剧，因此天然气水合物逐步引起了国内外科学家的关注，并进行了相关的勘探、开采与实验研究。作为一种高密度能源，天然气水合物分布广、储量大和埋藏浅，成为21世纪理想的替代能源。另一方面，近年来全球变暖引起了世界各国的重视，利用气体水合物方法来回收和储存CO₂的技术受到研究者的关注。1986年，Ebinuma及 Ohgaki 等提出了 CO₂置换开采天然气水合物的设想后，随着CH₄水合物开采技术和CO₂水合物储存技术的研究逐步深入，CO₂置换法开发CH₄水合物的构想受到众多学者追捧。

天然气水合物主要分布在海洋、湖泊与冻土区，基于水合物的特点，它与常规能源的开发不同，当温压条件发生变化时，天然气水合物可能会发生相变，从固体变为气体，如何经济、安全、高效和环境友好开采天然气水合物，这是在天然气水合物开采中遇到的一个难题。目前，天然气水合物的开采方法主要有降压法、热激发、化学试剂法以及这三种方法的综合应用，其基本思路是人为的打破天然气水合物存在的温压平衡条件，使天然气水合物发生分解，然后将天然气采至地面，但是这些方案会有可能导致海底滑坡或者沉降等问题。前苏联、加拿大、美国和日本均进行过试采工程，并获得了成功，但还没有达到商业化开采的程度。最近基于置换原理的二氧化碳置换开采天然气水合物的技术越来越引起人们的重视，陈朝阳等在专利CN102213090中提出了通过井下燃烧加热生成的CO₂置换开采天然气水合物，范勇等在专利CN101915075中提出利用CO₂置换开采出的CH₄通入到低温固体氧化物燃料电池发生电化学反应，产生电能，然后将产生的CO₂通入水合物储层，置换出CH₄，持续循环运转开采天然气水合物。通过二氧化碳将天然气水合物中的天然气置换出来，得到二氧化碳水合物与天然气，这样既可以实现天然气水合物的开采，又可以实现二氧化碳地下封存，减小温室效应。由于纯甲烷和二氧化碳水合物均为I型水合物，因此其理论置换率最高为75%。为了尽可能提高甲烷开采率，Huen Lee 等在专利US7988750B2中提出采用CO₂/N₂混合气体置换CH₄水合物，并给出了不同气体比例下的置换率，但其并没有给出将该方法用于实际开采上的相关工艺。

由于天然气水合物的传热传质效率较低，且水合物储层的导流渗透性较差，采用上述的方法开采天然气水合物并不能取得较为理想的效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种CO₂/N₂地下置换开采天然气水合物的方法，该方法可以提高置换开采效果，为天然气水合物的大规模、高效开采提供一种新方法。该方法具有经济、环保和安全的优点，开采天然气的同时还封存了二氧化碳，还解决了由于水合物层低传热传质和低渗透性带来的开采效率的问题。

本发明之方法是在含水合物区实施两口竖井，通过水平井连通，水平井设置在水合物层；然后针对拟开采层实施压裂工艺；排除压裂液，进行降压开采；一段时间后开采速率明显降低，注入CO₂/N₂，控制井内压力，进行置换开采；开采气体通过气液分离设备和气体分离设备，获取天然气。

本发明之方法的具体步骤如下：

钻出两口竖井，通过定向钻进技术在水合物层实施水平对接井，钻井完成后进行固井和完井；完井后下入监测仪器和辅助设备，将所述监测仪器连接到地表的数据采集与处理系统；所述的监测仪器包括温度传感器、压力传感器和流量计；

使用压裂泵车将密闭泥砂装置中的压裂液和砂泵入到孔中，通过桥塞实现分段压裂，所述压裂液可采用常规压裂液，也可采用液态CO₂；

降压开采，当采用常规压裂液时，需将压裂液排除，井内压力降低，实现降压开采；当采用压裂液为液态CO₂时，就无需降压开采，直接通过压力控制，实现CO₂置换开采；

降压开采或者二氧化碳置换开采的产气速度较低时，向井内泵入一定温度的CO₂/N₂混合气体，所需CO₂气体和N₂气体可由CO₂制备车和N₂制备车从大气中制取，也可通过分离工厂尾气获得，通过控制水平井段的压力实现置换开采；

将开采出的气体通过气液分离设备和气体分离设备获得天然气，并将分离出的CO₂和N₂分别返回至CO₂制备车和N₂制备车。

本发明的有益效果：

附图说明

图1为本发明的原理图。

其中：1-监测仪器，2-数据采集与处理系统，3-密闭泥砂装置车，4-压裂泵车，5-压裂裂缝，6-CO₂制备车，7-N₂制备车，8-气液分离装置，9-气体分离装置，10-注入井，11-开采井，12-水合物层，13-水平井，14-堵头，15-下覆地层，16-上覆地层（海水）。

具体实施方式

本发明之方法包括以下步骤：

钻出两口竖井，通过定向钻进技术在水合物层实施水平对接井，钻井完成后进行固井和完井；完井后下入监测仪器和辅助设备，将所述监测仪器连接到地表的数据采集与处理系统；所述的监测仪器包括温度传感器、压力传感器和流量计；

使用压裂泵车将密闭泥砂装置中的压裂液和砂泵入到孔中，通过桥塞实现分段压裂，所述压裂液可采用常规压裂液，也可采用液态CO₂；

降压开采，当采用常规压裂液时，需将压裂液排除，井内压力降低，实现降压开采；当采用压裂液为液态CO₂时，就无需降压开采，直接通过压力控制，实现CO₂置换开采；

降压开采或者二氧化碳置换开采的产气速度较低时，向井内泵入一定温度的CO₂/N₂混合气体，所需CO₂气体和N₂气体可由CO₂制备车和N₂制备车从大气中制取，也可通过分离工厂尾气获得，通过控制水平井段的压力实现置换开采；

将开采出的气体通过气液分离设备和气体分离设备获得天然气，并将分离出的CO₂和N₂分别返回至CO₂制备车6和N₂制备车7。

实施例1：降压开采结合 CO₂/N₂置换开采，参阅图1所示：

步骤1：实施两口竖直井——注入井10和开采井11，两口竖井穿过水合物上覆地层16直至水合物层12，所述水平井13设置在水合物层12中，水平井13的长度和层数根据水合物藏范围和层厚确定；钻井完成后进行固井和完井，并下入一些温度传感器、压力传感器和流量计等监测仪器1，对井下的温度、压力和流量等参数进行监测，所述监测仪器1连接到地表的数据采集与处理系统2上，对数据进行采集和处理，用于分析开采过程和下一步工作指导。水合物层12位于下覆地层15之上。

步骤2：首先将压裂泵车4和密闭泥砂装置车3上的高压管线连接好，连接至注入井10，并用堵头14堵住开采井11；将压裂液和砂泵入到孔中，通过桥塞实现分段压裂，形成压裂裂缝5，所述压裂液采用常规压裂液。

步骤3：压裂结束后进行降压开采，将井内的压裂液和水抽出，水合物藏压力降低，达到降压开采促进天然气水合物分解的目的，可以通过堵头14上的压力控制器控制采气压力，从开采井11收集的气体通过气液分离装置8进行气水分离，储放天然气。

步骤4：当降压开采效果不明显时，向井内泵入一定温度的CO₂/N₂混合气体。所需CO₂、N₂气体由CO₂制备车6和N₂制备车7从大气中制取，也可通过分离工厂尾气获得，在泵入之前按照一定比例进行混合（推荐比例为CO₂：N₂=2：8），并对注入气体的温度进行控制，也可将将通过乳状的形式将两种气体注入。根据水平井段的温度，通过控制压力实现置换开采。

步骤5：开采井11开采出的气体通过气液分离装置8和气体分离装置9获得天然气，进行储存；并将气体分离器分离出的CO₂和N₂分别返回至CO₂制备车6和N₂制备车7，以备下个循环使用。至此完成一个开采循环。

实施例2：液态CO₂置换结合 CO₂/N₂置换开采，参阅图1所示：

步骤1：同实施例1中的步骤1。

步骤2：过程大致同实施例1中的步骤2，所不同的为采用液态CO₂做为压裂液，将CO₂制备车6中的CO₂进行液化，泵入到密闭泥砂装置车3，然后通过压裂泵车4泵入井内，实施压裂工艺。

步骤3：压裂结束后，调节压力至置换反应的压力范围，进行CO2置换开采；置换一段时间后，通过堵头14上的压力控制器控制采气压力，从开采井11收集的气体通过气液分离装置8进行气水分离，然后通过气体分离装置9进行气体分离，将天然气储存，CO₂回收至CO₂制备车6。

步骤4：请参见图1，当CO₂置换开采效果不明显时，向井内泵入一定温度的CO₂/N₂混合气体。所需CO₂、N₂气体由CO₂制备车6和N₂制备车7从大气中制取，也可通过分离工厂尾气获得，在泵入之前按照一定比例进行混合（所采用比例需根据之前CO₂注入量和置换消耗量确定），并对注入气体的温度进行控制，也可将将通过乳状的形式将两种气体注入。根据水平井段的温度，通过控制压力实现置换开采。

步骤5：同实施例1中的步骤5。

Claims (2)

1.一种CO₂/N₂地下置换开采天然气水合物的方法，该方法是：在含水合物区实施两口竖井，通过水平井连通，水平井设置在水合物层；然后针对拟开采层实施压裂工艺；排除压裂液，进行降压开采；一段时间后开采速率明显降低，注入CO₂/N₂，控制井内压力，进行置换开采；开采气体通过气液分离设备和气体分离设备，获取天然气。

2.根据权利要求1所述的一种CO₂/N₂地下置换开采天然气水合物的方法，该方法的具体步骤如下：

钻出两口竖井，通过定向钻进技术在水合物层实施水平对接井，钻井完成后进行固井和完井；完井后下入监测仪器和辅助设备，将所述监测仪器连接到地表的数据采集与处理系统；所述的监测仪器包括温度传感器、压力传感器和流量计；

使用压裂泵车将密闭泥砂装置中的压裂液和砂泵入到孔中，通过桥塞实现分段压裂，所述压裂液可采用常规压裂液，也可采用液态CO₂；

降压开采，当采用常规压裂液时，需将压裂液排除，井内压力降低，实现降压开采；当采用压裂液为液态CO₂时，就无需降压开采，直接通过压力控制，实现CO₂置换开采；

降压开采或者二氧化碳置换开采的产气速度较低时，向井内泵入一定温度的CO₂/N₂混合气体，所需CO₂气体和N₂气体可由CO₂制备车和N₂制备车从大气中制取，也可通过分离工厂尾气获得，通过控制水平井段的压力实现置换开采；

将开采出的气体通过气液分离设备和气体分离设备获得天然气，并将分离出的CO₂和N₂分别返回至CO₂制备车和N₂制备车。

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