CN103498648B - 一种联合降压和水力压裂技术开采水合物的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种联合降压和水力压裂技术的天然气水合物开采方法及装置。通过对双井筒套管管柱的设计，利用外井筒管柱对储层天然气水合物降压抽气开采，利用内井筒管柱底部布置各类传感器对储层情况进行探测监视的同时，根据实际需要向储层注入压裂液进行人工水力压裂作业，改善储层渗透性，保障流体流通渠道顺畅和降压采气顺利。该方法包括以下步骤：构筑开采井、布置双井筒套管管柱及相关开采和监测设备；天然气水合物的降压分解；储层信息的监测和利用水力压裂技术对储层渗透性的保障；天然气及水的收集产出。本发明结合了降压法和水力压裂技术的优点，对天然气水合物资源进行开采的同时，能及时掌握和反馈储层变化信息，以达到对天然气水合物藏的经济、高效、安全化的商业开采目的。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物的开采技术，尤其是一种联合降压和水力压裂技术的天然气水合物开采方法及装置。
背景技术
我国能源供应不足的问题日益突出，且随着国民经济持续快速发展，这种对国外石油、天然气资源的依赖程度将在相当长的一段时期内不断加大，国际上能源市场价格的经常性波动以及能源运输安全面临的挑战，都将对我国国民经济的发展造成巨大影响。因此，探寻其它新的清洁替代能源，确保我国今后能源供应和能源安全，保证今后我国经济社会健康发展具有重要的现实需求和战略意义。
天然气水合物(可燃冰)被誉为21世纪的新型清洁替代能源，是一种以天然气(主要成分甲烷)与水在低温高压条件下形成的白色冰雪状晶体化合物，具有储量大、分布广、埋藏浅、能量密度高、燃烧洁净等特点。天然气水合物的开采不同于常规化石能源，它开采的基本思路是：通过改变天然气水合物稳定存在的温-压环境，即水合物相平衡条件，造成固体水合物在储层原位分解成气体和水后再将天然气采出。据此提出的几种常规天然气水合物开采方法(热激法、减压法、化学试剂法)，均涉及在原位沉积物藏条件下水合物的分解开采及多相流体流动等过程。与石油、天然气的开采相比，具有很大的开采难度。
迄今为止，全球已发现的116处有可燃冰赋存的地区中，存在于海洋沉积物中的占了78处。它们一般赋存于水深为300m到4000m的海洋泥质松散型沉积物层中，储藏的渗透率较低，开采难度较大。我国南海北部神狐海域水合物储层的沉积物相对均匀细粒，以有孔虫黏土质或有孔虫粉砂质粘土为主，渗透率同样也较低。对于天然气水合物降压开采方法，它是指利用降低水合物藏的压力从而破坏水合物相平衡稳定，进而促使其分解的一种开采方法。这种开采方式的特点是可行性较高，经济且简单易行，是所有开采方法中最有发展前景的，因而可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一。2013年3月，日本在其爱知三重县外海成功从海底天然气水合物储层试验开采提取出甲烷气体，成为全球首个掌握海底天然气水合物开采技术的国家。在其总共6天的开采试验周期内，通过降压法共累计采出约12万立方米的甲烷，平均日产2万方，达到了很好的开采效果。这说明降压开采海底水合物资源的可行性，但与此同时，对于采用降压方式来开采海洋沉积物藏中的天然气水合物资源，储藏的渗透率决定着水合物降压开采的成败[KonnoY,MasudaY,HariguchiY,KuriharaM.Keyfactorsfordepressurization-inducedgasproductionfromoceanicmethanehydrates.Energy&Fuels,2010,24(3):1736-1744]。如何在开采过程中保证储层流通通道不堵塞、渗透率不降低或在低渗条件下增加储层渗透率是开采技术中不得不考虑的关键问题。水力压裂可用于增加地下储层的渗透率，以便更好地回收储层流体。而对于井眼中的水力压裂作业过程，在某压力下注射到地下储层中的流体会产生压力的累积，直到超过地下地层的应力大小，从而产生从井眼延伸一段距离的裂缝。这种压裂过程中会产生一系列小的微震，而这些不连续的局部微震出现在裂缝的生长期间，并且会产生地震式的振幅或声能，能较容易地被传感器探测捕获到。因此通过探测并记录这些振幅或声能信号，并加以处理分析，就可以确定微震的位置，进而推测出储层裂缝的位置、几何形状[US6985816,2006]及储层局部渗透率信息[LeeMW.Modelsforgashydrate-bearingsedimentsinferredfromhydraulicpermeabilityandelasticvelocities.USGSScientificInvestigationsreport2008-5219,Denver,Colorado,USA,2008.]。同时该技术工艺相对比较成熟、储层改造效果较好、成本低廉，很适合将其应用于降压法开采海底天然气水合物。
迄今为止，尚未形成一种经济而有效的可以实现天然气水合物的大规模商业化开采，而已知方法中单纯采用一种开采方法很难实现真正的商业开采目的，必须综合不同方法的优点，取长补短才能达到对天然气水合物藏的经济、高效、安全化的商业开采目的，造福人类。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经济、高效、安全的降压联合水力压裂技术的天然气水合物开采方法及装置，实现海洋天然气水合物大规模商业化开采，同时本发明也可应用于陆地永久冻土层中的天然气水合物开采。
为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：一种联合降压和水力压裂技术开采天然气水合物的装置，包括贯穿海水层、天然气水合物上伏沉积物层以及天然气水合物储层的开采井，开采井置于天然气水合物下伏沉积物地层上方，在所述开采井下部抽气部位布置滤砂装置和储层原位气液分离器，在储层原位气液分离器上设有流通阀门，在开采井井壁布置固定套管部件及隔封设备，开采井井眼内布置用于注液/抽气功能的双井筒套管管柱；在双井筒套管管柱的天然气水合物储层段设置水力压裂及射孔设备，水力压裂及射孔设备包括压裂增压器和朝向开采井井壁的喷射喷嘴，以及开设在开采井井壁上与喷射喷嘴相对应的射孔通道，相应的还布置有通过数据线联入信号处理器的压力传感器、流量传感器以及声能传感器。通过对布置于开采井井眼中的双井筒套管管柱的设计，利用管柱其外井筒对储层天然气水合物降压开采，利用管柱内井筒底部布置相应传感器对储层情况进行探测监视的同时，根据需要开启水力压裂装置向储层注入压裂液进行人工水力压裂作业。该装置还设有滤砂装置、多级气液分离器和注水泵等，不同级的气液分离器分别与压裂增压器和海上平台上的注水泵相连，以提供水力压裂系统中的流体供应需要；井筒底部监测用的传感器与信号处理器相连，以供及时收集与反馈需要。海上平台设有气体综合处理和利用端。通过这个信号处理器收集得到的储层压力信息、注入流体流量信息和声能传感器收集得到的水力压裂信息的分析和处理，可以对储层内水合物分解情况、渗透率变化得到及时掌握，并以此来调整控制水合物分解产气的开采速度和储层渗透率的改善处理，以达到经济高效稳健的开采目的。
还包括有海上或陆上开采平台，其包括相互连接的陆上气液分离器和注水泵，所述注水泵包括两个入口和一个出口，其出口一端与双井筒套管管柱的内管注液口相连，并与压裂增压器相连通，一个入口端则连入的是气液分离器的液体出口，另一个入口端连入的是用于压裂地层目的而注入的其他流体注入端。水力压裂系统中含有两级增压，并根据实际开采情况需要，单独采用压裂增压器的单级增压，或联合外围注水泵加压裂增压器的两级增压来满足人工水力压裂的压力需要。
一种联合降压和水力压裂技术开采天然气水合物的方法，包括以下步骤：
步骤(1)开采井及其相关开采设备布置：在天然气水合物成矿区地层构筑贯穿海水层、天然气水合物上伏沉积物层和天然气水合物储层的开采井，对开采井井壁布置固定套管部件及隔封设备；
步骤(2)在开采井井眼内布置注液和抽气用的双井筒管柱，并在其入水合物储层段布置水力压裂及射孔设备，同时配置压力、流量、声能等传感器用于探测和监视；储层内压力以及渗透率变化等情况，通过布置于储层原位的传感器对其实时监控得到，可避免开采过程中储层流体孔道堵塞、压力剧增等影响水合物储层结构安全性和稳定性的危险发生，同时也能根据监控得到的储层信息，对储层渗透性和天然气水合物开采产气速度得到有效调制；
步骤(3)天然气水合物的降压分解及其储层渗透性的保持和提高：启动水合物降压开采装置，使储层压力下降，触发天然气水合物失稳而分解为液态水和气态天然气，同时利用压力、声能等传感器对储层信息进行实时监控，根据开采进程需要，开启水力压裂设备对储层渗透性进行改善，保障流体流通渠道顺畅和降压采气顺利；对水合物储层，直接在陆上平台通过泵吸储层内自由气/水，使得水合物相平衡因为压力下降而发生破坏，进而导致水合物分解，产生自由气和水；同时，在水合物降压开采的过程中根据生产的需要，启用水力压裂系统对水合物储层可能存在的堵塞和渗透率下降现象做出及时反馈，再根据反馈信息对储层的渗透情况做出相应改善处理；
步骤(4)对从天然气水合物储层中分解游离出来的天然气及水进行及时导出：随着大面积天然气水合物发生分解而产生更多的气态天然气和液态水，采用在开采井井口定出口流量或定出口压力的方式将储层的天然气抽取出来，气液先经滤砂装置过滤，再通过多级气液分离器分离收集，对产生的液态水一部分通过布置于原位的气-水分离装置将水回流到储层井筒管柱内的水力压裂增压系统内，而大部分则通过泵吸方式随气体一起被采至陆上气-水收集系统后进行分离再利用。
开采井井壁的射孔孔眼和水合物储层中的射孔通道的形成可以在布置开采井之前在陆上通过射孔枪进行射孔，以在井壁形成相应的射孔孔眼和相应的射孔通道，也可以采用喷射喷嘴代替射孔枪对井壁进行射孔并形成射孔孔眼和相应的射孔通道。
水力压裂系统中的流体可以采用储层原位气液分离装置对储层流体中分离出来的液态水和海上平台/陆上气液分离器分离出来的液态水，也可以直接采用海水等作为压裂液的组成部分。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：本发明的特点在于对海底天然气水合物资源进行降压开采的同时，能及时掌握储层内压力以及渗透率变化等情况，原位给出相应改善处理，避免开采过程中储层流体孔道堵塞、压力剧增等影响水合物储层结构安全性和稳定性的危险发生。本发明具有的优点包括：能够有效实现海底水合物的开采；开采成本低、易实现且经济性高；开采技术简单、相关应用设备技术成熟，能较快实现工业开采应用；能够有效控制开采速度及储层渗透率变化等；同时能够对储层相关信息做到及时收集反馈和处理。
附图说明
附图1为本发明开采工艺及设备装置简图；
附图2为本发明双井筒开采井开采天然气流程示意图；
图1、2中序号说明：1天然气水合物下伏沉积物地层；2天然气水合物储层；3射孔通道；4压力传感器；5压裂增压器；6喷射喷嘴；7流量传感器；8储层原位气液分离器；9流通阀门；10封隔设备；11天然气水合物上伏沉积物地层；12开采井；13海水层；14双井筒套管管柱；15信号处理器；16声能传感器；17滤砂装置；18海上或陆上开采平台；19陆上气液分离器；20注水泵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例一
如附图1所示，首先在天然气水合物的下伏沉积物地层1之上构筑开采井12，使其贯穿天然气水合物储层2、天然气水合物上伏沉积物层11和海水层13，在开采井12下部抽气部位布置滤砂装置17和储层原位气液分离器8，在储层原位气液分离器8上设有流通阀门9，同时对开采井12井壁布置固定套管部件及隔封设备10，在开采井12井眼内布置用于注液/抽气等功能的双井筒套管管柱14，在双井筒套管管柱14的天然气水合物储层2段设置水力压裂及射孔设备，包括压裂增压器5和朝向开采井12井壁的喷射喷嘴6，以及开设在开采井12井壁上与喷射喷嘴6相对应的射孔通道3，并相应布置有压力传感器4，流量传感器7以及声能传感器16等，他们通过数据线联入信号处理器15。通过这个信号处理器收集得到的储层压力信息、注入流体流量信息和声能传感器收集得到的水力压裂信息的分析和处理，可以对储层内水合物分解情况、渗透率变化得到及时掌握，并以此来调整控制水合物分解产气的开采速度和储层渗透率的改善处理，以达到经济高效稳健的开采目的。
如图1所示的情况下，在入水合物层段井壁及其周边地层上射孔，开射孔通道3。对于射孔及开射孔通道的方法，一种是开采井在贯穿地层构筑之前先通过射孔枪对其进行射孔，以在井壁形成相应的射孔孔眼和相应的射孔通道3，射孔通道延伸至目标地层2中。当然，另一种是喷射喷嘴6也可以代替射孔枪对开采井井壁进行射孔并形成射孔通道3。在这方面，就是在开采井布井完成的基础上将研磨流体利用注水泵20通过双井筒套管管柱14的中心通道输送到井底部的压裂增压器5中，之后增压了的研磨流体被喷射喷嘴6射向开采井井壁，得到射穿开采井井壁并在井壁形成相应的射孔孔眼和进入周围地层的射孔通道3。
对于整个天然气水合物降压开采产气过程，首先是通过双井筒套管管柱14的外井筒对地下水合物储层进行泵吸作用或利用中心井筒往地下储层注入热流体，使得水合物在压力下降或温度升高的情况下发生分解，进而触发储层水合物的更大面积的分解。对于水合物分解产气的气液流体，在经过滤砂装置17对其泥沙过滤之后，在开采井外井筒泵吸和储层内部压力差双重作用下由底层向开采平台出口运输产出，在这个过程中根据实际需要来决定对储层原位气液分离器8的打开和关闭，当开启原位气液分离器8的情况下，同时开启流通阀门9，储层产出的流体经气液分离后液体会直接进入地下储层水力压裂系统，气体部分则经由双井筒套管管柱至开采平台产出；而当原位气液分离器8处于关闭状态下时，储层产出的气液流体直接通过双井筒套管管柱至开采平台产出。在产气过程中根据实时的储层数据信息来调整和控制井口出口压力/出口流量大小，从而达到对水合物开采产气速度的有效控制。
请结合参阅图2所示，在海上或陆上开采平台18上安装陆上气液分离器19，以及注水泵20等设备。陆上气液分离器19对来自储层的流体进行再次分离，以便于对气体现场加工利用。在这需要说明的是，注水泵20有两个入口一个出口，其出口一端是与双井筒套管管柱14的内管注液口相连，而第一入口端则连入的是气液分离器19的液体出口，第二入口端连入的是用于压裂地层目的而注入的其他流体注入端，这些流体包括但不限于研磨流体、含支撑剂流体等。当整个水力压力系统开启利用的情况下，海上或陆地平台上的用于地层水力压裂的流体首先在通过注水泵20时被第一次加压，此时将流通阀门9打开，压裂流体然后经由双井筒套管管柱14的内井筒通道输送到地下目标水合物地层，进入压裂增压器5，流体在压裂增压器内被二次加压，根据信号处理器15收集到来自压力传感器4反馈的压力信息和声能传感器16反映的储层渗透性情况，由喷射喷嘴6调整压裂流体向射孔通道3射出的流量、速度大小，同时由流量传感器7进行监视和探测，达到改善储层渗透性和更好开采天然气的目的。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。
Claims (3)
1.一种联合降压和水力压裂技术开采天然气水合物的装置，其特征在于：包括贯穿海水层(13)、天然气水合物上伏沉积物层(11)以及天然气水合物储层(2)的开采井(12)，开采井(12)置于天然气水合物下伏沉积物地层(1)上方，在所述开采井(12)下部抽气部位布置滤砂装置(17)和储层原位气液分离器(8)，在储层原位气液分离器(8)上设有流通阀门(9)，在开采井(12)井壁布置固定套管部件及隔封设备(10)，开采井(12)井眼内布置用于注液/抽气功能的双井筒套管管柱(14)；在双井筒套管管柱(14)的天然气水合物储层(2)段设置水力压裂及射孔设备，水力压裂及射孔设备包括压裂增压器(5)和朝向开采井(12)井壁的喷射喷嘴(6)，以及开设在开采井(12)井壁上与喷射喷嘴(6)相对应的射孔通道(3)，相应的还布置有通过数据线联入信号处理器(15)的压力传感器(4)、流量传感器(7)以及声能传感器(16)。
2.如权利要求1所述的联合降压和水力压裂技术开采天然气水合物的装置，其特征在于：还包括有海上或陆上开采平台(18)，其包括相互连接的陆上气液分离器(19)和注水泵(20)，所述注水泵(20)包括两个入口和一个出口，其出口一端与双井筒套管管柱(14)的内管注液口相连，并与压裂增压器(5)相连通，一个入口端则连入的是陆上气液分离器(19)的液体出口，另一个入口端连入的是用于压裂地层目的而注入的其他流体注入端。
3.一种联合降压和水力压裂技术开采天然气水合物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)在天然气水合物成矿区地层构筑贯穿海水层、天然气水合物上伏沉积物层和天然气水合物储层的开采井，对开采井井壁布置固定套管部件及隔封设备；
步骤(2)在开采井井眼内布置注液和抽气用的双井筒管柱，并在其入水合物储层段布置水力压裂及射孔设备，同时配置压力、流量、声能传感器用于探测和监视；
步骤(3)启动水合物降压开采装置，使储层压力下降，触发天然气水合物失稳而分解为液态水和气态天然气，同时利用压力、声能传感器对储层信息进行实时监控，根据开采进程需要，开启水力压裂设备对储层渗透性进行改善，保障流体流通渠道顺畅和降压采气顺利；
步骤(4)随着大面积天然气水合物发生分解而产生更多的气态天然气和液态水，采用在开采井井口定出口流量或定出口压力的方式将储层的天然气抽取出来，气态天然气和液态水先经滤砂装置过滤，再通过多级气液分离器分离收集，对产生的液态水一部分通过布置于原位的储层原位气液分离器将水回流到储层井筒管柱内的水力压裂增压系统内，而大部分则通过泵吸方式随气体一起被采至陆上气-水收集系统后进行分离再利用。
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