CN106545325A - 一种支撑海洋天然气水合物增产裂缝的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种支撑海洋天然气水合物增产裂缝的装置及方法，所述装置包括裂缝监测段、填料预制段、加注段、上部接头与下部接头，上部接头、裂缝监测段、填料预制段、加注段和下部接头从上至下依次连接在一起，上部接头与上部钻柱连接，定位器安装在裂缝监测段外周；本发明在裂缝中构建三维网络状骨架结构，延展支撑裂缝并改善裂缝渗流能力，提高了开采过程传热传质效率、提供分解产物的渗流通道、解决近井地带的沉积物堵塞问题。本发明减少了因开采能量与分解产物产生两向流动的能量损耗，避免了传统压裂液大量流入水合物地层，达到稳定增产裂缝结构、提高开采工程速率与开采持续时间的目的，实现海洋水合物的大规模商业化开采。
Description
技术领域
本发明涉及海洋水合物商业化开采领域，尤其涉及的是一种支撑海底天然气水合物增产裂缝的装置及方法。
背景技术
天然气水合物(Natural Gas Hydrate)是一种清洁高效的新兴能源。其储量巨大，地球上天然气水合物中总有机碳的储量约为石油、天然气和煤炭三者总和的两倍，其中海洋区域的天然气水合物资源量占其总资源量的99％。据调查显示，世界上90％海域都含有天然气水合物，我国南海、东海陆坡也表现出了巨大的天然气水合物开发潜力。
目前水合物主要开采方法有：热激法、降压法、注化学试剂法和CO2置换法。热激法水合物分解速度较快，但热流方向与产出的气水两相冷流共用同一渗流通道，且二者流动方向相反，导致加热效率低；降压法在地层中的压力传播速率决定其生产速率，压力传播途径即地层中的孔隙、裂隙，在已有降压试采工程中，降压过程使水合物层沉积物颗粒失去胶结，悬浮状态的沉积物颗粒会堵塞渗流通道，中断压力传播与分解产物流动，导致降压试采无法高效、持续的进行，因此降压法的生产速率、持续时间均受地层渗透性制约；注化学试剂与CO2置换法均需要较大的反应接触面积，而海底水合物地层处于淹没环境，为使反应顺利进行，还需有加大物理、化学反应接触面积的方法。开采速率与开采持续时间是制约水合物商业化开采的主要因素之一，现有的水合物开采方法均存在上述问题，而提高开采效率的根本途径便是扩大热激法与降压法的渗流通道、注化学试剂与CO2置换法的接触面积。
压裂技术已在低渗油气藏、页岩气、油页岩和干热岩和海洋油气开采等领域得到广泛应用，其已成为油气井增产的主要措施。将压裂工艺与海底水合物开采方式相结合，其增产裂缝的形成可增加热激法和降压法的传热传质通道、解决近井沉积物堵塞问题、加大注化学试剂与CO2置换法的反应面积、增加甲烷产出通道，从而提升水合物开采效率。
在增产裂缝的支撑方面，海洋低渗油气藏压裂作用于海底深部致密坚硬岩层，多使用坚硬的石英砂、人造陶粒作为支撑剂，且由于海水的高矿化度会干预压裂液体系的水化、增黏、交联过程，影响基液的携砂性能与破胶效果，因此海水压裂液体系仍需研究。而海底水合物主要储存于砂层、黏土沉积物和碎屑灰岩等地层中，地层胶结程度弱、抗拉强度低、沉积物颗粒排列松散，且海底水合物层通常位于海底400m以内，赋存深度浅，孔隙充满海水。若使用传统压裂液体系，则会发生①传统支撑剂硬度大于水合物赋存层，且支撑剂粒径小于沉积物颗粒间空隙，加之圆度较高，因此支撑剂极易嵌入水合物层胶结结构及颗粒空隙；②压裂液基液与海水中离子反应，粘度降低，易发生漏失，且携带支撑剂能力减弱，支撑剂积聚裂缝入口堵塞裂缝。上述两种情况裂缝将闭合，无法起到提高储层渗透性的目的，因此，亟需一种支撑海底天然气水合物增产裂缝的装置及方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种支撑海洋天然气水合物增产裂缝的装置及方法。本发明可在海底水合物沉积物松散、富海水的特殊储层条件下，监测压裂增产裂缝的位置、形态，据此进行裂缝支撑工作，在裂缝中构建三维网络状骨架结构，延展支撑裂缝并改善裂缝渗流能力，以提高开采过程传热传质效率、提供分解产物的渗流通道、解决近井地带的沉积物堵塞问题。本发明将改善开采井段的渗流环境，减少了因开采能量与分解产物产生两向流动的能量损耗，避免了传统压裂液大量流入水合物地层，达到稳定增产裂缝结构、提高开采工程速率与开采持续时间的目的，实现海洋水合物的大规模商业化开采。
本发明之一种支撑海底天然气水合物增产裂缝的装置包括裂缝监测段、填料预制段、加注段、上部接头与下部接头，上部接头、裂缝监测段、填料预制段、加注段和下部接头从上至下依次连接在一起，上部接头与上部钻柱连接，定位器安装在裂缝监测段外周；
裂缝监测段内安装有增产裂缝监测设备，所述的增产裂缝监测设备包括超声井下成像、倾斜仪和三分量检测仪，用于监测裂缝形态计算支撑工作参数，定位器保持裂缝监测段的姿态；
填料预制段由五流道输料管和静态混合器组成，五流道输料管与下方的静态混合器连接。有机泡沫、树脂及有机溶剂分别经五流道输料管的流道进入静态混合器，均匀混合提供预反应时间，提供裂缝支撑填料；
加注段由单动机构、有机泡沫喷孔、树脂喷孔、控制阀块、排空阀块组成，单动机构连接填料预制段与加注段，能使加注段独立转动，避免上部钻柱整体旋转摩擦产生的能量损耗。加注段上部具有为有机泡沫喷孔，加注段下部具有为树脂喷孔，有机泡沫喷孔下部为控制阀块，树脂喷孔下部为排空阀块。
本发明所述一种支撑海洋天然气水合物增产裂缝方法包括以下步骤：
连接上部钻柱与上部接头、下部钻柱与下部接头，将增产裂缝支撑装置随上部钻柱顺水合物开采井眼穿过上覆地层下放至位于水合物赋存层中的压裂井段，在定位器的稳定下，裂缝监测段对增产裂缝的位置、体积、形态参数进行监测并将数据反馈至上方控制系统计算支撑工作参数及填料用量，泵送设计用量的有机泡沫基质与发泡剂至填料预制段，经由五流道输料管中的流道流至静态混合器，在其中混合并预反应，预制完成的填料留至加注段，控制阀块打开，排空阀块关闭，在单动机构稳定下，有机混合液经有机泡沫喷孔进入未支撑时的裂缝，填充发泡完全后裂缝为有机泡沫网络充填时的裂缝。控制阀块与排空阀块均关闭，泵送树脂及固化剂经五流道输料管的流道流至静态混合器，在其中混合，由树脂喷孔喷出渗流入裂缝，此时裂缝为树脂充填有机泡沫网络时的裂缝。打开控制阀块，泵送有机溶剂由五流道输料管中的流道进入裂缝，溶解机泡沫网络，溶解时裂缝为溶剂溶解有机泡沫时的裂缝，充分溶解后打开排空阀块，溶解后的溶液随循环上返，裂缝中留下具有通孔流动通道的高强度树脂支撑骨架完成裂缝支撑工作，此时裂缝形成有三维网络状支撑骨架，上提钻柱至下一压裂井段进支撑行工作。
本发明为满足淹没环境下发泡、mm级大孔径开孔、50％～65％高孔隙率要求，有机泡沫选用乙烯及乙烯基醋酸盐作为泡沫基质；为避免传统高温分解发泡剂使用过程中的高温影响水合物层稳定性及氨气等有毒气体，选用低温无机发泡剂过氧化氢与过氧化氢酶；为满足抗压强度要求及海底低温环境，树脂选用高模量缩水甘油酯类环氧树脂，稀释剂选用环氧丙烷邻甲苯基醚，固化剂选用改性胺低温固化剂。
本发明的有益效果：
针对海洋水合物开采工程开采效率低、开采时长稳定性差的问题，本发明配合水合物压裂增产工艺，对孔隙度大、胶结弱、淹没环境下的水合物地层增产裂缝进行定位监测、填料配置、填料加注工作，对海底水合物增产裂缝进行支撑，达到提高水合物开采效率、提升开采稳定性以实现水合物大规模商业化开采的目的，并具有：
1、本发明通过监测数据优化支撑方案，支撑材料以无固相流态充填裂缝，与增产裂缝的形态匹配性好，适合对工程稳定性要求高的海底水合物开采工程；
2、与传统圆粒型支撑方案相比，本发明三维网络状骨架支撑结构与水合物沉积层接触面积大，作用力分布均匀不产生应力集中，不会发生支撑物料嵌入地层的情况，可有效支撑增产裂缝；
3、本发明所用有机泡沫与树脂均可在富海水环境中保持粘度，填料扩散区域可控，避免了传统基液粘度下降，携砂能力降低，流入地层而与分解气产生两相流动，支撑剂堵塞井口等不利情况；
4、进行支撑后的增产裂缝可沟通沉积物颗粒喉道与生成井，解决近井地带的有机物堵塞问题，改善近井处的渗流环境，提高热、压力、CO2置换气体、化学试剂、水合物分解水气的传递交换，达到提高水合物开采效率与开采稳定性的目的。
附图说明
图1为本发明支撑海洋天然气水合物增产裂缝工作示意图。
图2为海洋水合物增产裂缝支撑装置示意图。
图3为填料预制段与加注段的剖视图。
图4为五流道输料管俯视图。
图5为增产裂缝的充填过程图。
其中：1-上覆地层，2-水合物赋存层，3-增产裂缝，4-生产井眼，5-下部钻柱，6-上部钻柱，7-上部接头，8-定位器，9-裂缝监测段，10-填料预制段，11-单动机构，12-加注段，13-有机泡沫喷孔，14-树脂喷孔，15-下部接头，16-五流道输料管，17-静态混合器，18-控制阀块，19-排空阀块，20-未支撑时的裂缝，21-有机泡沫网络充填时的裂缝，22-树脂充填有机泡沫网络时的裂缝，23-溶剂溶解有机泡沫时的裂缝，24-三维网络状支撑骨架。
A-有机泡沫基质与发泡剂流道，B-树脂与固化剂流道，C-有机溶剂流道。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明之一种支撑海底天然气水合物增产裂缝的装置包括裂缝监测段9、填料预制段10、加注段12、上部接头7与下部接头15，上部接头7、裂缝监测段9、填料预制段10、加注段12和下部接头15从上至下依次连接在一起，上部接头7与上部钻柱6连接，定位器8安装在裂缝监测段9外周；
裂缝监测段9内安装有增产裂缝监测设备，所述的增产裂缝监测设备包括超声井下成像、倾斜仪和三分量检测仪，用于监测裂缝形态计算支撑工作参数，定位器8保持裂缝监测段9的姿态；
填料预制段10由五流道输料管16和静态混合器17组成，五流道输料管16与下方的静态混合器17连接。有机泡沫、树脂及有机溶剂分别经五流道输料管16的流道进入静态混合器17，均匀混合提供预反应时间，提供裂缝支撑填料；
加注段12由单动机构11、有机泡沫喷孔13、树脂喷孔14、控制阀块18、排空阀块19组成，单动机构11连接填料预制段10与加注段12，能使加注段12独立转动，避免上部钻柱6整体旋转摩擦产生的能量损耗。加注段12上部具有为有机泡沫喷孔13，加注段12下部具有为树脂喷孔14，有机泡沫喷孔13下部为控制阀块18，树脂喷孔14下部为排空阀块19。
本发明所述一种支撑海洋天然气水合物增产裂缝方法包括以下步骤：
连接上部钻柱6与上部接头7、下部钻柱5与下部接头15，将增产裂缝支撑装置随上部钻柱6顺水合物开采井眼4穿过上覆地层1下放至位于水合物赋存层2中的压裂井段，在定位器8的稳定下，裂缝监测段9对增产裂缝3的位置、体积、形态参数进行监测并将数据反馈至上方控制系统计算支撑工作参数及填料用量，泵送设计用量的有机泡沫基质与发泡剂至填料预制段10，经由五流道输料管16中的流道A流至静态混合器17，在其中混合并预反应，预制完成的填料留至加注段12，控制阀块18打开，排空阀块19关闭，在单动机构11稳定下，有机混合液经有机泡沫喷孔13进入未支撑时的裂缝20，填充发泡完全后裂缝为有机泡沫网络充填时的裂缝21。控制阀块18与排空阀块19均关闭，泵送树脂及固化剂经五流道输料管16的流道B流至静态混合器17，在其中混合，由树脂喷孔14喷出渗流入裂缝，此时裂缝为树脂充填有机泡沫网络时的裂缝22。打开控制阀块18，泵送有机溶剂由五流道输料管16中的流道C进入裂缝，溶解机泡沫网络，溶解时裂缝为溶剂溶解有机泡沫时的裂缝23，充分溶解后打开排空阀块19，溶解后的溶液随循环上返，裂缝中留下具有通孔流动通道的高强度树脂支撑骨架完成裂缝支撑工作，此时裂缝形成有三维网络状支撑骨架24，上提钻柱6至下一压裂井段进支撑行工作。
Claims (6)
1.一种支撑海洋天然气水合物增产裂缝的装置，其特征在于：包括裂缝监测段(9)、填料预制段(10)、加注段(12)、上部接头(7)与下部接头(15)，上部接头(7)、裂缝监测段(9)、填料预制段(10)、加注段(12)和下部接头(15)从上至下依次连接在一起，上部接头(7)与上部钻柱(6)连接，定位器(8)安装在裂缝监测段(9)外周；
裂缝监测段(9)内安装有增产裂缝监测设备；
填料预制段(10)由五流道输料管(16)和静态混合器(17)组成，五流道输料管(16)与下方的静态混合器(17)连接；
加注段(12)由单动机构(11)、有机泡沫喷孔(13)、树脂喷孔(14)、控制阀块(18)、排空阀块(19)组成，单动机构(11)连接填料预制段(10)与加注段(12)，能使加注段(12)独立转动，避免上部钻柱(6)整体旋转摩擦产生的能量损耗。加注段(12)上部具有为有机泡沫喷孔(13)，加注段(12)下部具有为树脂喷孔(14)，有机泡沫喷孔(13)下部为控制阀块(18)，树脂喷孔(14)下部为排空阀块(19)。
2.根据权利要求1所述的一种支撑海洋天然气水合物增产裂缝的装置，其特征在于：所述的增产裂缝监测设备包括超声井下成像、倾斜仪和三分量检测仪。
3.一种支撑海洋天然气水合物增产裂缝的方法，其特征在于：包括以下步骤：
连接上部钻柱(6)与上部接头(7)、下部钻柱5与下部接头(15)，将增产裂缝支撑装置随上部钻柱(6)顺水合物开采井眼(4)穿过上覆地(1)下放至位于水合物赋存层(2)中的压裂井段，在定位器(8)的稳定下，裂缝监测段(9)对增产裂缝(3)的位置、体积、形态参数进行监测并将数据反馈至上方控制系统计算支撑工作参数及填料用量，泵送设计用量的有机泡沫基质与发泡剂至填料预制段(10)，经由五流道输料管(16)中的流道(A)流至静态混合器(17)，在其中混合并预反应，预制完成的填料留至加注段(12)，控制阀块(18)打开，排空阀块(19)关闭，在单动机构(11)稳定下，有机混合液经有机泡沫喷孔(13)进入未支撑时的裂缝(20)，填充发泡完全后裂缝为有机泡沫网络充填时的裂缝(21)；控制阀块(18)与排空阀块(19)均关闭，泵送树脂及固化剂经五流道输料管(16)的流道(B)流至静态混合器(17)，在其中混合，由树脂喷孔(14)喷出渗流入裂缝，此时裂缝为树脂充填有机泡沫网络时的裂缝(22)；打开控制阀块(18)，泵送有机溶剂由五流道输料管(16)中的流道(C)进入裂缝，溶解机泡沫网络，溶解时裂缝为溶剂溶解有机泡沫时的裂缝(23)，充分溶解后打开排空阀块(19)，溶解后的溶液随循环上返，裂缝中留下具有通孔流动通道的高强度树脂支撑骨架完成裂缝支撑工作，此时裂缝形成有三维网络状支撑骨架(24)，上提钻柱(6)至下一压裂井段进支撑行工作。
4.根据权利要求3所述的一种支撑海洋天然气水合物增产裂缝的方法，其特征在于：所述的有机泡沫基质选用乙烯及乙烯基醋酸盐。
5.根据权利要求3所述的一种支撑海洋天然气水合物增产裂缝的方法，其特征在于：所述的发泡剂选用过氧化氢与过氧化氢酶。
6.根据权利要求3所述的一种支撑海洋天然气水合物增产裂缝的方法，其特征在于：所述的树脂选用高模量缩水甘油酯类环氧树脂，稀释剂选用环氧丙烷邻甲苯基醚，固化剂选用改性胺低温固化剂。
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