CN104563974B - 一种超临界二氧化碳射流喷射钻井开采水合物装置 - Google Patents

一种超临界二氧化碳射流喷射钻井开采水合物装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于水合物钻采设备及工艺技术领域，涉及一种超临界二氧化碳射流喷射钻井开采水合物装置，采用超临界二氧化碳射流喷射钻井开采水合物装置实现对水合物的开采,先将二氧化碳充入液体二氧化碳存储装置中经过储罐制冷装置持续冷却至液态，高压柱塞泵将液态的二氧化碳加压后采用现有技术泵入钻具进行喷射钻井，钻具钻进至水合物储层后，钻头喷出的高压超临界态二氧化碳射流温度降低，携带出井筒和近井地层的水合物沿环形空间上返；水合物到达井口节流装置后依次经过三相分离器和气体分离器分离出天然气和二氧化碳，完成水合物的开采；其使用的装置结构简单，操作方便，维护成本低，开采方法简便，原理科学，开采过程安全。

Description

一种超临界二氧化碳射流喷射钻井开采水合物装置
技术领域
本发明属于水合物钻采设备及工艺技术领域，涉及一种超临界二氧化碳射流喷射钻井开采水合物装置。
背景技术
天然气水合物是由水和天然气分子组成的结晶固体，大量的天然气被困在天然气水合物储层，在标准条件下，1体积的天然气水合物可以释放160～180体积的天然气。天然气水合物分布在地球上的多年冻土地区和大陆边缘的海洋沉积物中。天然气水合物的全球资源量巨大，是一种重要的潜在接替能源，对天然气水合物的高效开发对于缓解目前日益加剧的能源短缺形势、满足不断增长的能源需求，乃至于保障国家的能源安全均具有极其重要的意义。
目前，从天然气水合物中开采天然气，一般是采用常规石油和天然气开采中使用的标准技术，即采用储层降压法、热刺激法以及水合物抑制剂的注入法，导致天然气水合物的分解，但上述方法的钻井过程中所采用的钻井液均含有水相，在钻进到水合物储层时，在水合物沉积物的孔隙空间中水极易与分解的天然气再次形成水合物，阻断气体的分解途径，造成水合物储层减产，降低最终采收率。研究发现，超临界二氧化碳流体具有接近于气体的低粘度和易扩散性，极易进入水合物储层孔隙，利用不含水相的超临界二氧化碳作为钻井液，对水合物储层喷射钻井，不会伤害储层，并且在射流喷射过程中由于焦耳－汤姆逊效应导致二氧化碳射流的温度急剧降低，不会引起水合物的快速分解，有利于防止井喷，而在钻井后留存在储层中的二氧化碳可以高效置换天然气，会形成二氧化碳水合物，其热力学特征比天然气水合物更稳定。因此，在充分考虑常规钻采技术及水合物热力学稳定性的基础上，设计一种新的超临界二氧化碳射流喷射钻井开采水合物装置及方法，在高效开发天然气水合物的同时，可以作为一项减少大气中的温室气体排放量并进一步封存二氧化碳的方法，能够维持沉积物的完整性和地质力学稳定性，减少地层失稳和井喷事故的潜在风险。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，针对目前天然气水合物的开采中存在的问题，寻求设计提供一种超临界二氧化碳射流喷射钻井开采水合物装置，利用超临界二氧化碳射流喷射进行钻井和开采天然气。
为了实现上述目的，本发明所述超临界二氧化碳射流喷射钻井开采水合物装置的主体结构包括二氧化碳罐车、液体二氧化碳存储装置、储罐制冷装置、高压柱塞泵、上部钻杆、下部钻杆、钻头、水合物储层、下伏地层、上覆岩层、井筒环空、井口节流装置、三相分离器、气体分离器、天然气采出管线、二氧化碳采集装置、气体压缩机和制冷管线；二氧化碳罐车的尾部连接液体二氧化碳存储装置，液体二氧化碳存储装置的下部侧面连接有储罐制冷装置，液体二氧化碳存储装置的顶部与返回钻井液的制冷管线连通；液体二氧化碳存储装置的右端与高压柱塞泵连接，钻井的井口设有井口节流装置，由上部钻杆和下部钻杆组成的钻杆设置在井筒内，钻杆与井壁之间形成环形空间，井筒为从井口到井底开采天然气形成的通道；下部钻杆通过上覆岩层钻入水合物储层，水合物储层的下部为下伏地层；下部钻杆为直弯结构，下部钻杆的尾端连接有钻头，钻头上布置有能形成超临界二氧化碳射流喷射钻井的喷嘴；三相分离器的两端分别与井口节流装置和气体分离器连接，气体分离器分别与天然气采出管线和二氧化碳采集装置连接，气体压缩机的两端分别与二氧化碳采集装置和制冷管线连接。
本发明采用超临界二氧化碳射流喷射钻井开采水合物装置实现对水合物的开采，具体包括以下步骤：
(1)、将二氧化碳罐车中的二氧化碳充入液体二氧化碳存储装置中，二氧化碳经过储罐制冷装置持续冷却至液态，液态二氧化碳的压力高于5MPa，温度低于5℃；
(2)、高压柱塞泵将液态的二氧化碳加压至30MPa以上，采用现有技术泵入钻具进行喷射钻井；其中，在上部钻杆所处的地层中为温度低于31.1℃的液态二氧化碳射流喷射钻井；在地温梯度和传热的作用下二氧化碳的温度不断升高，在下部钻杆所处温度超过31.1℃的地层处转变为高压超临界态二氧化碳射流喷射钻井；
(3)、钻具钻进至水合物储层后，钻头喷出的高压超临界态二氧化碳射流温度降低，携带出井筒和近井地层的水合物沿环形空间上返；
(4)、水合物到达井口节流装置后，先经过三相分离器排除其中的固相和水相，再经过气体分离器分离天然气和二氧化碳，其中天然气经天然气采出管线采出；二氧化碳进入二氧化碳采集装置进行采集后，依次经过气体压缩机增压和制冷管线降温，回到液体二氧化碳存储装置，与二氧化碳罐车共同补充钻井所需的二氧化碳钻井液量，完成水合物的开采。
本发明与现有技术相比，利用不含水相的超临界二氧化碳作为钻井液，对水合物储层喷射钻井，不会引起大量天然气水合物的再次形成和造成水合物储层的减产，并且在射流喷射过程中由于焦耳－汤姆逊效应导致二氧化碳射流的温度急剧降低，不会像常规钻井液那样引起水合物的快速分解和释放，有利于防止井喷事故的发生，而在钻井后留存在储层中的二氧化碳可以高效置换天然气，会形成二氧化碳水合物，其热力学特征比天然气水合物更稳定，其使用的装置结构简单，操作方便，维护成本低，开采方法简便，原理科学，开采过程安全，既能高效开发天然气水合物，又可以作为一项减少大气中的温室气体排放量并进一步封存二氧化碳的方法，而且能够维持沉积物的完整性和地质力学稳定性，减少地层失稳和井喷事故的潜在风险。
附图说明
图1为本发明涉及的超临界二氧化碳喷射钻井开采水合物工艺流程图，其中包括二氧化碳罐车1、液体二氧化碳存储装置2、储罐制冷装置3、高压柱塞泵4、上部钻杆5、下部钻杆6、钻头7、水合物储层8、下伏地层9、上覆岩层10、井筒环空11、井口节流装置12、三相分离器13、气体分离器14、天然气采出管线15、二氧化碳采集装置16、气体压缩机17和制冷管线18。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图作进一步说明。
实施例：
本实施例所述超临界二氧化碳射流喷射钻井开采水合物装置的主体结构包括二氧化碳罐车1、液体二氧化碳存储装置2、储罐制冷装置3、高压柱塞泵4、上部钻杆5、下部钻杆6、钻头7、水合物储层8、下伏地层9、上覆岩层10、井筒环空11、井口节流装置12、三相分离器13、气体分离器14、天然气采出管线15、二氧化碳采集装置16、气体压缩机17和制冷管线18；二氧化碳罐车1的尾部连接液体二氧化碳存储装置2，液体二氧化碳存储装置2的下部侧面连接有储罐制冷装置3，液体二氧化碳存储装置2的顶部与返回钻井液的制冷管线18连通；液体二氧化碳存储装置2的右端与高压柱塞泵4连接，钻井的井口设有井口节流装置12，由上部钻杆5和下部钻杆6组成的钻杆设置在井筒内，钻杆与井壁之间形成环形空间11，井筒为从井口到井底开采天然气形成的通道；下部钻杆6通过上覆岩层10钻入水合物储层8，水合物储层8的下部为下伏地层9；下部钻杆6为直弯结构，下部钻杆6的尾端连接有钻头7，钻头7上布置有可以形成超临界二氧化碳射流喷射钻井的喷嘴(喷嘴在图中难以标识，因此在图1中未标出)；三相分离器13的两端分别与井口节流装置12和气体分离器14连接，气体分离器14分别与天然气采出管线15和二氧化碳采集装置16连接，气体压缩机17的两端分别与二氧化碳采集装置16和制冷管线18连接。
本实施例采用超临界二氧化碳射流喷射钻井开采水合物装置实现对水合物的开采，具体包括以下步骤：
(1)、将二氧化碳罐车1中的二氧化碳充入液体二氧化碳存储装置2中，二氧化碳经过储罐制冷装置3持续冷却至液态，液态二氧化碳的压力高于5MPa，温度低于5℃；
(2)、高压柱塞泵4将液态的二氧化碳加压至30MPa以上，采用现有技术泵入钻具进行喷射钻井；其中，在上部钻杆5所处的地层中为温度低于31.1℃的液态二氧化碳射流喷射钻井；在地温梯度和传热的作用下二氧化碳的温度不断升高，在下部钻杆6所处温度超过31.1℃的地层处转变为高压超临界态二氧化碳射流喷射钻井；
(3)、钻具钻进至水合物储层8后，钻头7喷出的高压超临界态二氧化碳射流温度急剧降低(温度降可达数十摄氏度)，不会像常规钻井液那样引起水合物的快速分解和释放，仅携带出少量井筒和近井地层的水合物沿环形空间11上返；
(4)、水合物到达井口节流装置12后，先经过三相分离器13排除其中的固相和水相，再经过气体分离器14分离天然气和二氧化碳，其中天然气经天然气采出管线15采出；二氧化碳进入二氧化碳采集装置16进行采集后，依次经过气体压缩机17增压和制冷管线18降温，回到液体二氧化碳存储装置2，与二氧化碳罐车1共同补充钻井所需的二氧化碳钻井液量，完成水合物的开采。

Claims (1)

1.一种超临界二氧化碳射流喷射钻井开采水合物装置，其特征在于，主体结构包括二氧化碳罐车、液体二氧化碳存储装置、储罐制冷装置、高压柱塞泵、上部钻杆、下部钻杆、钻头、水合物储层、下伏地层、上覆岩层、井筒环空、井口节流装置、三相分离器、气体分离器、天然气采出管线、二氧化碳采集装置、气体压缩机和制冷管线；二氧化碳罐车的尾部连接液体二氧化碳存储装置，液体二氧化碳存储装置的下部侧面连接有储罐制冷装置，液体二氧化碳存储装置的顶部与返回钻井液的制冷管线连通；液体二氧化碳存储装置的右端与高压柱塞泵连接，钻井的井口设有井口节流装置，由上部钻杆和下部钻杆组成的钻杆设置在井筒内，钻杆与井壁之间形成环形空间；井筒为从井口到井底开采天然气形成的通道，下部钻杆通过上覆岩层钻入水合物储层，水合物储层的下部为下伏地层；下部钻杆为直弯结构，下部钻杆的尾端连接有钻头，钻头上布置有可以形成超临界二氧化碳射流喷射钻井的喷嘴；三相分离器的两端分别与井口节流装置和气体分离器连接，气体分离器分别与天然气采出管线和二氧化碳采集装置连接，气体压缩机的两端分别与二氧化碳采集装置和制冷管线连接；其中，所述二氧化碳罐车用于为所述液体二氧化碳存储装置供应二氧化碳，所述储罐制冷装置用于将所述液体二氧化碳存储装置中的二氧化碳冷却为压力高于5MPa、温度低于5℃的液态二氧化碳，所述高压柱塞泵用于将所述液态二氧化碳加压至30MPa以上；所述超临界二氧化碳射流喷射钻井开采水合物装置用于水合物储层中水合物的开采，其钻具钻进至水合物储层后，钻头喷出的高压超临界态二氧化碳携带井筒及近井地层的水合物沿所述环形空间上返；所述三相分离器用于分离经过所述井口节流装置的水合物中的固相和水相，所述气体分离器用于分离天然气和二氧化碳，所述天然气经天然气采出管线采出；所述二氧化碳采集装置用于采集所述二氧化碳，所述气体压缩机用于对所述二氧化碳采集装置采集到的所述二氧化碳进行增压，所述制冷管线用于对所述二氧化碳采集装置采集到的所述二氧化碳进行降温；所述上部钻杆所处的地层中为温度低于31.1℃的液态二氧化碳射流喷射钻井，所述下部钻杆所处温度超过31.1℃的地层处转变为高压超临界态二氧化碳射流喷射钻井。
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