CN105545273A - 一种陆域天然气水合物co2压裂置换开采的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陆域天然气水合物CO2压裂置换开采的装置及方法，其装置是由CO2控制系统、天然气水合物控制系统和发电控制系统组成，发电控制系统分别连接在CO2控制系统、天然气水合物控制系统上，CO2控制系统与天然气水合物控制系统相连接；本发明联合CO2干法压裂与CO2置换，解决了单独采用CO2置换开采水合物存在的速度慢和效率低等问题，物开采与温室气体埋存集于一体，同时保证了开采过程中水合物层的稳定。开采过程中能够实时采集到压裂和开采过程中水合物层的压力，温度和渗透性等信息，以此来调整控制水合物分解气的开采速度和储层渗透率的改善处理，达到高效安全开采的目的。
Description
技术领域
本发明涉及能源技术领域，特别涉及一种陆域天然气水合物CO2压裂置换开采的装置及方法。
背景技术
随着传统化石能源的枯竭，寻找新的替代能源已迫在眉睫，天然气水合物是在特定条件下由水分子和烃类分子组成的类冰状笼形化合物，广泛分布在大陆永久冻土层和海洋陆坡沉积层，据估算，全球天然气水合物中碳的含量相当于石油、天然气、煤等化石能源中碳含量的两倍，因而被认为是最有前景的新能源之一。
20世纪90年代以来，天然气水合物的开采利用逐渐成为国内外的研究热点，传统的水合物开采主要分为三种：(1)降压法，在地层温度条件下，通过降低水合物层的压力至相平衡压力之下；(2)加热法，通过向水合物层注入热水、热盐水、蒸汽，提高水合物层环境温度至水合物相平衡温度之上；(3)注化学剂法，向水合物层注入水合物形成抑制剂(比如盐类、酒精类试剂等)改变水合物形成相平衡条件。以上三种方法都是通过改变水合物层的环境，使水合物处于热力学不稳定状态后分解并释放出天然气(CH4)，然而，由于气体水合物的分解，容易破坏水合物地层结构，从而导致地层失稳，引发地质灾害。
1986年，Ebinuma及ohgaki等首次提出利用CO2置换开采天然气水合物的设想，这种方法是通过向天然气水合物中引入另一种客体分子CO2，降低水合物相中CH4分子的分压而将其从水合物中置换出来，达到开采的目的，由于置换过程中，水合物结构不发生改变，因此不存在地层失稳问题，此外，置换反应中CO2形成水合物存储在地下，也为解决温室效应问题提供新思路。
尽管理论上置换法具有可行性，但因置换过程中CO2水合物的不断生成并形成盖层，阻碍CO2气体的扩散和CH4水合物的分解，导致置换反应效率低、速度慢，[YoonJH,KawamuraT,YamamotoY,etal.TransformationofMethanehydratetocarbondioxidehydrate:InSituRamanSpectroscopicObservations.J.Phys.Chem.A,2004,l08(23):5057-5059]。因此，对水合物层压裂改善渗流条件是改善置换效果的有效方法，然而，冻土区水合物赋存的泥页岩层水敏、水锁严重，且置换过程中存在CO2气体与游离水直接生成CO2水合物或溶解在游离水中的现象，常规水力压裂存在水资源浪费、地层伤害大、返排不完全造成地下水污染和阻碍CO2置换等缺点，且现有的压裂与CO2置换联合的开采装置及方法通常需要分步单独进行，设备和工艺复杂；CO2产生的温室效应给环境造成严重的破坏，如何利用CO2也是现在科学的一个难题。
发明内容
本发明的目的是要解决上述现有天然气水合物开采方法容易破坏水合物地层结构，从而导致地层失稳，引发地质灾害，而利用CO2置换开采天然气水合物时，置换反应效率低、速度慢，常规水力压裂存在水资源浪费、地层伤害大、返排不完全造成地下水污染和阻碍CO2置换，压裂与CO2置换联合的设备和工艺复杂等问题，而提供一种陆域天然气水合物CO2压裂置换开采的装置及方法。
本发明之一种陆域天然气水合物CO2压裂置换开采的装置是由CO2控制系统、天然气水合物控制系统和发电控制系统组成，发电控制系统分别连接在CO2控制系统、天然气水合物控制系统上，CO2控制系统与天然气水合物控制系统相连接；
CO2控制系统包括监测仪器、压裂泵车、密闭混砂车、CO2增压泵、数个CO2储罐、CO2制备车、数据采集与处理系统和第一井口密封装置，监测仪器设置在注入井内，监测仪器通过数据线连接在数据采集与处理系统上，第一井口密封装置固定设置在注入井上端，第一井口密封装置通过管线连接在压裂泵车上，压裂泵车、密闭混砂车、CO2增压泵、CO2储罐和CO2制备车通过数个管线依次连接，数个CO2储罐并联设置，管线上具有流通阀门，监测仪器内具有温度传感器，压力传感器，流量传感器和声能传感器；
所述CO2增压泵车的排量≥2m3/min，耐压＞2.2MPa以上，容积大于5m3，输砂速度＞500kg/min，输出功率≥1471kW，CO2增压泵车的柱塞泵密封圈为金属密封圈；
天然气水合物控制系统包括气体采集装置、气液分离装置、气体分离装置、天然气储罐和第二井口密封装置，第二井口密封装置固定设置在开采井上端，第二井口密封装置通过管线连接在气体采集装置上，气体采集装置、气液分离装置、气体分离装置和天然气储罐通过管线依次连接，气体分离装置通过管线连接在CO2储罐与CO2制备车之间的管线上；
发电控制系统包括风力发电机、太阳能电板、控制器、蓄电池和DC/AC逆变器，风力发电机、太阳能电板、控制器、蓄电池和DC/AC逆变器通过电线依次连接。
本发明之一种陆域天然气水合物CO2压裂置换开采的方法如下：
一、节能发电，将风力发电机和太阳能电板安装到地面场地中，分别利用风能和太阳能产生直流电并存储到蓄电池中，经DC/AC逆变器变换为交流电后供CO2控制系统和天然气水合物控制系统的用电设备使用；
二、钻出两口竖井，分别是注入井和开采井，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，分别进行固井和完井；完井后下方监测仪器和辅助设备，所述数据采集和处理系统接收并处理监测仪器传递的储层信息及压裂信息，可以及时了解储层内水合物分解情况，渗透率变化，以此来调整控制水合物分解气的开采速度和储层渗透率的改善处理，达到高效安全开采；
三、降压开采，水合物层因环境压力降低而发生降压分解，分解的气体由地表气体采集装置采集，并经气液分离装置和气体分离装置分离提纯后存储在天然气储罐中；
四、CO2干法压裂，降压开采速率较低时，利用堵头封闭开采井，CO2制备车制备CO2，CO2并在温度为-34～-40℃，压力为1.4～1.6MPa的条件下以液态的形式存储在CO2储罐中，数个CO2储罐并联，并依次与CO2增压泵车、密闭混砂车、压裂泵车和第一井口密封装置连通，将支撑剂装入密闭混砂车中，并注入液态CO2预冷，然后对管线和井口试泵、试压，若试压结果符合要求则继续进行工作，液态CO2以-25～-15℃温度注入到注入井内，通过桥塞实现分段压裂，压开地层并使裂缝延伸，然后打开密闭混砂车注入支撑剂，支撑剂注完后进行顶替，直到支撑剂刚好完全进入地层，然后停止注入支撑剂；
五、压裂施工结束后，关井1.5～2.5h，当开始返排后，既要控制返排速度以防吐砂，又要最大限度地利用CO2能量快速返排，可以先使用小口径油嘴控制放喷速度，随后逐渐加大油嘴口径，当孔内压力下降到CO2置换开采合理的温压区域内时，焖井憋压，并开始进行置换反应；
六、置换反应结束后，利用地表气体采集装置采集开采井中的气体，并经气液分离装置和气体分离装置分离提纯，将混合的水蒸汽和CO2分离出来，然后将天然气存储在天然气储罐中，装满后的天然气储罐等待运输，分离出的CO2气体存储在数个CO2储罐中，CO2气体使循环利用。
本发明的有益效果：
1、本发明联合CO2干法压裂与CO2置换，在CO2干法压裂反排过程中直接开始水合物的CO2置换开采，解决了单独采用CO2置换开采水合物存在的速度慢和效率低，以及压裂与CO2置换联合的设备和工艺复杂的问题，将水合物开采与温室气体埋存集于一体，同时保证了开采过程中水合物层的稳定；
2、开采过程中能够实时采集到压裂和开采过程中水合物层的压力，温度和渗透性等信息，以此来调整控制水合物分解气的开采速度和储层渗透率的改善处理，达到高效安全开采的目的；
3、将高原区域丰富的可再生清洁能源的风能和太阳能收集转换为电能，用于满足开采系统的电力需求，清洁环保，充分利用CO2，封存了CO2，缓解温室效应。
附图说明
图1是本发明的工作原理示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明之一种陆域天然气水合物CO2压裂置换开采的装置是由CO2控制系统1、天然气水合物控制系统2和发电控制系统3组成，发电控制系统3分别连接在CO2控制系统1、天然气水合物控制系统2上，CO2控制系统1与天然气水合物控制系统2相连接；
CO2控制系统1包括监测仪器11、压裂泵车12、密闭混砂车13、CO2增压泵14、数个CO2储罐15、CO2制备车16、数据采集与处理系统17和第一井口密封装置18，监测仪器11设置在注入井41内，监测仪器11通过数据线111连接在数据采集与处理系统17上，第一井口密封装置18固定设置在注入井41上端，第一井口密封装置18通过管线19连接在压裂泵车12上，压裂泵车12、密闭混砂车13、CO2增压泵14、CO2储罐15和CO2制备车16通过数个管线19依次连接，数个CO2储罐15并联设置，管线19上具有流通阀门191，监测仪器1内具有温度传感器，压力传感器，流量传感器和声能传感器；
所述CO2增压泵车14的排量≥2m3/min，耐压＞2.2MPa以上，容积大于5m3，输砂速度＞500kg/min，输出功率≥1471kW，CO2增压泵车14的柱塞泵密封圈为金属密封圈；
天然气水合物控制系统2包括气体采集装置21、气液分离装置22、气体分离装置23、天然气储罐24和第二井口密封装置25，第二井口密封装置25固定设置在开采井42上端，第二井口密封装置25通过管线19连接在气体采集装置21上，气体采集装置21、气液分离装置22、气体分离装置23和天然气储罐24通过管线19依次连接，气体分离装置23通过管线19连接在CO2储罐15与CO2制备车16之间的管线19上；
发电控制系统3包括风力发电机31、太阳能电板32、控制器33、蓄电池34和DC/AC逆变器35，风力发电机31、太阳能电板32、控制器33、蓄电池34和DC/AC逆变器35通过电线36依次连接。
本发明之一种陆域天然气水合物CO2压裂置换开采的方法如下：
一、节能发电，将风力发电机31和太阳能电板32安装到地面场地中，分别利用风能和太阳能产生直流电并存储到蓄电池34中，经DC/AC逆变器35变换为交流电后供CO2控制系统1和天然气水合物控制系统2的用电设备使用；
二、钻出两口竖井，分别是注入井41和开采井42，通过定向钻进技术在水合物层52实施水平对接井，水合物层52在上覆地层53与下覆地层54之间，钻井完成后，分别进行固井和完井；完井后下方监测仪器11和辅助设备，所述数据采集和处理系统7接收并处理监测仪器1传递的储层信息及压裂信息，可以及时了解储层内水合物分解情况，渗透率变化，以此来调整控制水合物分解气的开采速度和储层渗透率的改善处理，达到高效安全开采；
三、降压开采，水合物层因环境压力降低而发生降压分解，分解的气体由地表气体采集装置21采集，并经气液分离装置22和气体分离装置23分离提纯后存储在天然气储罐24中；
四、CO2干法压裂，降压开采速率较低时，利用堵头43封闭开采井42，CO2制备车16制备CO2，CO2并在温度为-34.4℃，压力为1.406MPa的条件下以液态的形式存储在CO2储罐5中，数个CO2储罐5并联，并依次与CO2增压泵车14、密闭混砂车13、压裂泵车12和第一井口密封装置18连通，将支撑剂装入密闭混砂车13中，并注入液态CO2预冷，然后对管线和井口试泵、试压，若试压结果符合要求则继续进行工作，液态CO2以-20℃温度注入到注入井41内，通过桥塞实现分段压裂，压开地层并使裂缝51延伸，然后打开密闭混砂车13注入支撑剂，支撑剂注完后进行顶替，直到支撑剂刚好完全进入地层，然后停止注入支撑剂；
五、压裂施工结束后，关井2h，当开始返排后，既要控制返排速度以防吐砂，又要最大限度地利用CO2能量快速返排，可以先使用小口径油嘴控制放喷速度，随后逐渐加大油嘴口径，当孔内压力下降到CO2置换开采合理的温压区域内时，焖井憋压，并开始进行置换反应；
六、置换反应结束后，利用地表气体采集装置21采集开采井42中的气体，并经气液分离装置22和气体分离装置23分离提纯，将混合的水蒸汽和CO2分离出来，然后将天然气存储在天然气储罐24中，装满后的天然气储罐24等待运输，分离出的CO2气体存储在数个CO2储罐5中，CO2气体使循环利用。
Claims (3)
1.一种陆域天然气水合物CO2压裂置换开采的装置，其特征在于：是由CO2控制系统(1)、天然气水合物控制系统(2)和发电控制系统(3)组成，发电控制系统(3)分别连接在CO2控制系统(1)、天然气水合物控制系统(2)上，CO2控制系统(1)与天然气水合物控制系统(2)相连接；
CO2控制系统(1)包括监测仪器(11)、压裂泵车(12)、密闭混砂车(13)、CO2增压泵(14)、数个CO2储罐(15)、CO2制备车(16)、数据采集与处理系统(17)和第一井口密封装置(18)，监测仪器(11)设置在注入井(41)内，监测仪器(11)通过数据线(111)连接在数据采集与处理系统(17)上，第一井口密封装置(18)固定设置在注入井(41)上端，第一井口密封装置(18)通过管线(19)连接在压裂泵车(12)上，压裂泵车(12)、密闭混砂车(13)、CO2增压泵(14)、CO2储罐(15)和CO2制备车(16)通过数个管线(19)依次连接，数个CO2储罐(15)并联设置，管线(19)上具有流通阀门(191)；
天然气水合物控制系统(2)包括气体采集装置(21)、气液分离装置(22)、气体分离装置(23)、天然气储罐(24)和第二井口密封装置(25)，第二井口密封装置(25)固定设置在开采井(42)上端，第二井口密封装置(25)通过管线(19)连接在气体采集装置(21)上，气体采集装置(21)、气液分离装置(22)、气体分离装置(23)和天然气储罐(24)通过管线(19)依次连接，气体分离装置(23)通过管线(19)连接在CO2储罐(15)与CO2制备车(16)之间的管线(19)上；
发电控制系统(3)包括风力发电机(31)、太阳能电板(32)、控制器(33)、蓄电池(34)和DC/AC逆变器(35)，风力发电机(31)、太阳能电板(32)、控制器(33)、蓄电池(34)和DC/AC逆变器(35)通过电线(36)依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种陆域天然气水合物CO2压裂置换开采的装置，其特征在于：所述CO2增压泵车(14)的排量≥2m3/min，耐压＞2.2MPa以上，容积大于5m3，输砂速度＞500kg/min，输出功率≥1471kW，CO2增压泵车(14)的柱塞泵密封圈为金属密封圈。
3.一种陆域天然气水合物CO2压裂置换开采的方法，其特征在于：包括以下步骤：
一、节能发电，将风力发电机(31)和太阳能电板(32)安装到地面场地中，分别利用风能和太阳能产生直流电并存储到蓄电池(34)中，经DC/AC逆变器(35)变换为交流电后供CO2控制系统(1)和天然气水合物控制系统(2)的用电设备使用；
二、钻出两口竖井，分别是注入井(41)和开采井(42)，通过定向钻进技术在水合物层(52)实施水平对接井，水合物层(52)在上覆地层(53)与下覆地层(54)之间，钻井完成后，分别进行固井和完井；完井后下方监测仪器(11)和辅助设备，所述数据采集和处理系统(7)接收并处理监测仪器(1)传递的储层信息及压裂信息，可以及时了解储层内水合物分解情况，渗透率变化，以此来调整控制水合物分解气的开采速度和储层渗透率的改善处理，达到高效安全开采；
三、降压开采，水合物层因环境压力降低而发生降压分解，分解的气体由地表气体采集装置(21)采集，并经气液分离装置(22)和气体分离装置(23)分离提纯后存储在天然气储罐(24)中；
四、CO2干法压裂，降压开采速率较低时，利用堵头(43)封闭开采井(42)，CO2制备车(16)制备CO2，CO2并在温度为-34～-40℃，压力为1.4～1.6MPa的条件下以液态的形式存储在CO2储罐(5)中，数个CO2储罐(5)并联，并依次与CO2增压泵车(14)、密闭混砂车(13)、压裂泵车(12)和第一井口密封装置(18)连通，将支撑剂装入密闭混砂车(13)中，并注入液态CO2预冷，然后对管线和井口试泵、试压，若试压结果符合要求则继续进行工作，液态CO2以-25～-20℃温度注入到注入井(41)内，通过桥塞实现分段压裂，压开地层并使裂缝(51)延伸，然后打开密闭混砂车(13)注入支撑剂，支撑剂注完后进行顶替，直到支撑剂刚好完全进入地层，然后停止注入支撑剂；
五、压裂施工结束后，关井1.5～2.5h，当开始返排后，既要控制返排速度以防吐砂，又要最大限度地利用CO2能量快速返排，可以先使用小口径油嘴控制放喷速度，随后逐渐加大油嘴口径，当孔内压力下降到CO2置换开采合理的温压区域内时，焖井憋压，并开始进行置换反应；
六、置换反应结束后，利用地表气体采集装置(21)采集开采井(42)中的气体，并经气液分离装置(22)和气体分离装置(23)分离提纯，将混合的水蒸汽和CO2分离出来，然后将天然气存储在天然气储罐(24)中，装满后的天然气储罐(24)等待运输，分离出的CO2气体存储在数个CO2储罐(5)中，CO2气体使循环利用。
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