CN106761589A - 一种海域天然气水合物储层改造开采的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种海域天然气水合物储层改造开采的方法。该方法包括：在天然气水合物储层部署生产井，在天然气水合物储层的上部盖层部署注入井；向注入井中注入CO2，当CO2覆盖天然气水合物储层的上部盖层时，停止注入CO2；当上部盖层沉积物内CO2水合物生长停止，或当CO2水合物平均饱和度大于30％后，采用降压开采方式进行开采；当采出气体组成中CO2摩尔含量大于90％时，停止开采，关闭生产井，完成对海域天然气水合物储层的改造开采。该方法可以防止天然气非可控逸散以及开采过程中海水对储层的侵淹，降低水束缚效应，提高产气率，同时维持地层力学稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种储层改造开采的方法，尤其涉及一种海域天然气水合物储层改造开采的方法，属于天然气水合物开采领域。
背景技术
天然气水合物是由天然气和水分子组成的类似冰状的固态结晶体，天然气主要由甲烷组成，故也称为甲烷水合物。天然气水合物的能量密度很高，据理论计算1立方米的饱和天然气水合物在标准条件下可释放出164立方米的甲烷气体，是其它非常规气源岩(诸如煤层气、黑色页岩)能量密度的10倍，为常规天然气能量密度的2-5倍。
虽然水合物资源前景诱人，但是，由于天然气水合物资源环境的复杂性以及开发过程中可能带来的环境安全问题，世界范围内针对天然气水合物大规模商业开发仍持谨慎态度。目前该领域研究工作仍处于机理探讨、开采技术论证以及小规模试验开采的阶段，天然气水合物资源的安全高效利用将依赖理论以及工程技术的创新和突破。
与常规油气资源不同，自然界中尤其是海底环境下的天然水合物储层通常没有发育成熟的上覆盖层或封闭岩层。天然气水合物开采过程中可能出现甲烷气的大面积逸散导致严重的环境灾害。水合物以固态形式与沉积物颗粒相互作用维持沉积物的稳定性，所以开采过程中水合物相态的转变将破坏这种稳定性，引发坍塌、滑坡、海啸等地质灾害。此外，多数水合物储层存在渗透率低的特点，分解过程产生大量的水，会进一步降低气体的相对渗透率，影响采气效率和稳定性。水合物分解常需要一些激发措施，如降压、注热水、注抑制剂等，这些作业同样受制于水合物储层的低渗透性和没有封闭的盖层的影响。因此，为应对可能的环境和地质风险以及提高水合物开采效率，水合物开采前及开采过程中需要进行储层改造和保护作业。
虽然储层改造在常规油气以及页岩气开采中是一项常见的作业，但在水合物开采方面中还没有明确提出这一概念。在天然气水合物开采前后及开采过程中进行储层改造和保护的主要目标是降低水合物开采导致的环境和地质风险，提高产气速度、延长高效产气的周期。真正意义上的天然气水合物储层改造和保护相关研究在国际上尚处于空白状态。国际上已有的现场开采试验均未进行储层改造和保护作业，其结果是试开采获得的单井产气量和产气周期均很不理想，完全达不到商业开采的要求。
所以要实现水合物的商业开采，储层改造和保护是必经之路。而目前国内外缺乏专门相关的研究。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种海域天然气水合物储层改造开采方法，该方法可以防止天然气非可控逸散以及开采过程中海水对储层的侵淹，降低水束缚效应，提高产气率，同时维持地层力学稳定性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种海域天然气水合物储层改造开采的方法，该海域天然气水合物储层改造开采的方法包括以下步骤：
在天然气水合物储层部署生产井，在天然气水合物储层的上部盖层部署注入井；
向注入井中注入CO2，当CO2覆盖天然气水合物储层的上部盖层，且厚度达到上部盖层内二氧化碳水合物稳定区厚度的50％-90％时，停止注入CO2；
当上部盖层沉积物内CO2水合物生长停止，或当CO2水合物平均饱和度大于30％后，采用降压开采方式进行开采；
当采出气体组成中CO2摩尔含量大于90％时，或当储层压力降到开采压力时，停止开采，关闭生产井，完成对海域天然气水合物储层的改造开采。
在本发明提供的海域天然气水合物储层改造开采的方法中，优选地，向注入井中注入的CO2包括液态二氧化碳或超临界二氧化碳。
在本发明提供的海域天然气水合物储层改造开采的方法中，优选地，向注入井中注入CO2时，CO2的注入温度为高于上部盖层压力下CO2水合物的生成温度。
在本发明提供的海域天然气水合物储层改造开采的方法中，向注入井中注入CO2时，CO2的注入温度为高于上部盖层压力下CO2水合物的生成温度，目的是防止注入过程中水合物生成而堵塞注入通道。
在本发明提供的海域天然气水合物储层改造开采的方法中，优选地，向注入井中注入CO2时，CO2的注入压力小于注入温度下CO2水合物的生成压力，不超过天然气水合物储层的上部盖层的破裂压力。
在本发明提供的海域天然气水合物储层改造开采的方法中，优选地，降压开采时的开采压力为高于天然气水合物储层的上部盖层处CO2水合物的稳定压力，低于天然气水合物的稳定压力。
在本发明提供的海域天然气水合物储层改造开采的方法中，CO2覆盖天然气水合物储层的上部盖层是指CO2全面覆盖天然气水合物储层的上部盖层。
在本发明提供的海域天然气水合物储层改造开采的方法中，对降压开采的开采温度没有要求，本领域常规温度即可。
在本发明提供的海域天然气水合物储层改造开采的方法中，优选地，注入井和生产井均为直井。
在本发明提供的海域天然气水合物储层改造开采的方法中，优选地，注入井为水平井，生产井为直井。
在本发明提供的海域天然气水合物储层改造开采的方法中，优选地，注入井和生产井均为水平井。
在本发明提供的海域天然气水合物储层改造开采的方法中，优选地，海域天然气水合物储层为上方存在CO2水合物热力学稳定区域的海域天然气水合物储层。
本发明的海域天然气水合物储层改造开采的方法中，CO2水合物的转化量、范围、渗透性，CO2气体迁移以及降压生产开始时间点均根据地球物理测量方法确定。
本发明的海域天然气水合物储层改造开采的方法中，采用降压开采方法，降压可以诱导形成的CO2盖层向下迁移，随着开采的进行盖层处释放出CO2气体并向下运移至天然气水合物采空区重新形成水合物。
本发明的海域天然气水合物储层改造开采的方法，针对海底天然气水合物储层的低渗透、盖层高渗的特点，基于CO2水合物原理的储层改造思路，天然气水合物储层上部区域存在着广泛的CO2水合物热力学稳定区域，将天然气水合物储层改造/保护与CO2海底封存结合起来，即向天然气水合物储层上方盖层CO2水合物稳定区域内注入CO2并使之转化为低渗透性且具有一定强度的人造CO2水合物封盖层包围天然气水合物储层，然后进行开采作业。
本发明的海域天然气水合物储层改造开采的方法，具有如下优点：
利用人造盖层，防止天然气非可控逸散以及开采过程中海水对储层的侵淹，利于对储层进行排水减压作业，降低水束缚效应，提高气体渗透率，同时维持地层的胶结状态，即力学稳定性；
人造CO2水合物盖层可以引出另一种更高效的置换开采技术。目前采用的将CO2直接注入甲烷水合物储层的置换开采方法，采出气中甲烷浓度很低，储层中甲烷的置换百分率也较低。而如果采用CO2水合物盖层+降压联合模式来开采，CO2水合物盖层随着天然气水合物的分解而向下迁移。因为天然气水合物的降压开采，会引起分解波及的储层温度降低，压力的降低导致CO2水合物盖层的下边界不稳定而分解，产生的CO2向下迁移到低温区(天然气水合物采空区)再次形成水合物，分解-再生成的连续进行将导致CO2盖层的下移，不仅保护了天然气水合物采空区的地质稳定性，而且保证采出气中甲烷的高浓度和高的置换分率。
本发明的海域天然气水合物储层改造开采的方法基于CO2水合物原理进行天然气水合物储层改造与保护，是一种原创性的技术思想。它能够强化海底CO2封存效果以及提高天然气水合物开采的效率和安全系数，符合我国目前碳减排和封存、以及未来大规模商业开发天然气水合物资源的近期和长远需求。
附图说明
图1是实施例1中海域天然气水合物储层改造开采示意图。
图2是实施例1中天然气水合物储层内压力变化图。
图3是实施例1中改造后与不改造的汽水比对比图。
主要附图符号说明
1上层海水层 2上覆盖层 3天然气水合物储层 4下覆盖层 5二氧化碳水合物盖层6新二氧化碳水合物层 7甲烷水合物采空区 8注入井 9生产井
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种海域天然气水合物储层改造开采的方法，该方法具体包括以下步骤：
在一定温度条件下，CO2水合物的生成压力小于甲烷水合物的生成压力，自然环境中，天然气水合物储层上部区域存在着广泛的CO2水合物热力学稳定区域。海域天然气水合物赋存的环境如图1所示，从上至下分为：上层海水层1，上覆盖层2，天然气水合物储层3，下覆盖层4。
穿过上层海水层1以及上覆盖层2，在天然气水合物储层3中部署一生产井9；穿过上层海水层1，在上覆盖层2中围绕生产井9钻一系列注入井8。
在降压开始前，封闭生产井9，将液态CO2通过注入井8注入到天然气水合物上覆盖层2中，通过地球物理测量监测注入的CO2的覆盖面、各处的平均厚度以及上覆盖层2内二氧化碳水合物的饱和度。液态CO2的注入温度为10℃，高于上覆盖层2压力8MPa时CO2水合物生成温度8.2℃，注入压力为9MPa小于注入温度下CO2水合物的生成压力26.2MPa，但小于上部盖层2的破裂压力。当地球物理测量结果显示注入的液态CO2覆盖整个上覆盖层2后，并且厚度达到上覆盖层2内二氧化碳热力学稳定区厚度的90％时，停止注入。注入的液态CO2到达低温盖层处后温度逐渐降低到CO2水合物生成温度，CO2水合物开始生成，堵塞盖层沉积物的孔道，降低盖层的渗透性，同时水合物胶结沉积物颗粒增强了上覆盖层2的力学稳定性。盖层处CO2水合物的饱和度变化可以通过地球物理手段监测。注入的二氧化碳水合物后当盖层孔隙内的CO2水合物饱和度达到30％到一定转化率后，上覆盖层2处水合物生长停止，二氧化碳水合物盖层5形成，改造过程结束。
形成的二氧化碳水合物盖层5完全将上层海水层1与天然气水合物储层3分隔开来。
开启生产井9通过井下泵抽汲水合物储层内的流体，通过控制抽汲速率来控制井底生产压力使其保持在CO2水合物稳定压力之上。这样既能满足天然气水合物的有效分解又能够维持上覆盖层2稳定性和封闭性。随着甲烷水合物采空区7中的压力降低，天然气水合物不断分解，产生汽水混合物向生产井9运移并随储层流体采出并收集于生产平台。压力的降低导致二氧化碳水合物盖层5的下边界不稳定而释放出二氧化碳气体，并向下迁移到甲烷水合物采空区7形成新二氧化碳水合物层6，胶结甲烷水合物采空区7的沉积物颗粒并维持其力学稳定性。由于CO2的向下迁移，生产平台上要不断监测采出气体组成。当采出气体组成中CO2摩尔含量大于90％停止开采，关闭生产井9。若采出气体组成未达到上述标准，但储层压力已经降到设定开采压力时也要停止生产。
本实施例的海域天然气水合物储层改造开采的方法利于对储层进行排水减压作业，降低水束缚效应，提高气体渗透率，同时维持地层的胶结状态，即力学稳定性。如图2中，降压过程中上层海水层1的压力一直保持8MPa，而天然气水合物储层内的压力逐渐降低到3MPa，CO2水合物盖层始终承受着上端和下端5MPa的压差，保护天然气水合物储层不受外部海水侵入。如图3所示，在二氧化碳水合物盖层的保护下，产出的气水比随着水量的减少快速上升。而无二氧化碳水合物盖层保护时，产出的气水比极低没有任何经济价值。
本发明的实施例中，注入井8和生产井9为直井，但本发明的方法不仅适用于直井，也适用于注入井8是水平井、生产井9为直井的情况；或者注入井8和生产井9均为水平井的情况。
以上实施例说明，本发明的海域天然气水合物储层改造开采的方法能够强化海底CO2封存效果以及提高天然气水合物开采的效率和安全系数，符合我国碳减排和封存、以及未来大规模商业开发天然气水合物资源的近期和长远需求。
Claims (9)
1.一种海域天然气水合物储层改造开采的方法，其特征在于，该海域天然气水合物储层改造开采的方法包括以下步骤：
在天然气水合物储层部署生产井，在天然气水合物储层的上部盖层部署注入井；
向所述注入井中注入CO2，当CO2覆盖天然气水合物储层的上部盖层，且厚度达到上部盖层内二氧化碳水合物稳定区厚度的50％-90％时，停止注入CO2；
当上部盖层沉积物内CO2水合物生长停止，或当CO2水合物平均饱和度大于30％后，采用降压开采方式进行开采；
当采出气体组成中CO2的摩尔含量大于90％时，或当储层压力降到开采压力时，停止开采，关闭生产井，完成所述的对海域天然气水合物储层的改造开采。
2.根据权利要求1所述的海域天然气水合物储层改造开采的方法，其特征在于，向所述注入井中注入的CO2包括液态二氧化碳或超临界二氧化碳。
3.根据权利要求1所述的海域天然气水合物储层改造开采的方法，其特征在于，向所述注入井中注入CO2时，CO2的注入温度为高于上部盖层压力下CO2水合物的生成温度。
4.根据权利要求1所述的海域天然气水合物储层改造开采的方法，其特征在于，向所述注入井中注入CO2时，CO2的注入压力小于注入温度下CO2水合物的生成压力，不超过天然气水合物储层的上部盖层的破裂压力。
5.根据权利要求1所述的海域天然气水合物储层改造开采的方法，其特征在于，降压开采时的开采压力高于天然气水合物储层的上部盖层处CO2水合物的稳定压力，低于天然气水合物的稳定压力。
6.根据权利要求1所述的海域天然气水合物储层改造开采的方法，其特征在于，所述注入井和所述生产井均为直井。
7.根据权利要求1所述的海域天然气水合物储层改造开采的方法，其特征在于，所述注入井为水平井，所述生产井为直井。
8.根据权利要求1所述的海域天然气水合物储层改造开采的方法，其特征在于，所述注入井和所述生产井均为水平井。
9.根据权利要求1所述的海域天然气水合物储层改造开采的方法，其特征在于，所述海域天然气水合物储层为上方存在CO2水合物热力学稳定区域的海域天然气水合物储层。
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