CN108086958B - 天然气水合物冰冻固井氢氧置换协调开采法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气水合物冰冻固井氢氧置协调换开采法，包括构建开采井、冰冻固井、向开采井中注入超临界二氧化碳定向致裂以改造储层结构并降压抽采、抽采完成后进行永久封井，抽采出的天然气就近在发电站进行能量转化，生成的二氧化碳重新制备成超临界二氧化碳，用于下一次天然气水合物的开采，生成的水用于下一次天然气水合物开采中开采井的填充，本发明操作简单，开采速率高，单井开采范围大，最大限度减小了开采对储层稳定性的影响，同时也实现了碳在原天然气水合物储层中的固定，从源头上减小了天然气水合物的开发利用对于增加大气二氧化碳含量的影响。

Description

天然气水合物冰冻固井氢氧置换协调开采法

技术领域

本发明涉及天然气水合物的开采方法，具体是指天然气水合物冰冻固井氢氧置换协调开采法。

背景技术

天然气水合物分布于海底沉积物及沉积层或陆域的永久冻土带中，是天然气与水在具有一定范围的高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称为“可燃冰”。天然气水合物能量密度高，全球分布范围广，具有极高的资源价值，因此成为油气工业界长期研究的热点。

天然气水合物赋存成藏的岩层称为储层，天然气水合物是亚稳态物质，当温度或者压力改变时易分解为以甲烷为主的天然气和水。

传统的天然气水合物的开采方法有热激发开采法、减压开采法、化学试剂开采法等，随着科技的发展，也出现了一些新型的开采方法，如固体开采法，但一般以降压法为主。

目前已有的开采方法都会在开采过程中不同程度的影响储层稳定性致使上覆岩层变形累积直至上覆层破坏造成储层中的天然气水合物泄漏，另一方面，开采天然气水合物的钻井无法实现良好的密封保压也会造成天然气水合物泄漏，造成资源浪费；大多天然气水合物储层为岩层，如不先进行岩体结构改造，则开采速率慢且开采范围小，天然气水合物的开发利用如不加控制会加重大气中的二氧化碳含量，因此，发明一种能密封保压并尽量减小因采动引起的上覆岩层变形、开采效率高、能实现碳的固定和密封保压的开采方法是相关领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：天然气水合物冰冻固井氢氧置换协调开采法，其特征在于包括以下步骤：

(1)构建开采井：使用钻机向岩层打一个大孔径钻孔，直至穿透天然气水合物储层上部的致密上覆层，并使用刮刀钻头对井壁割槽。

(2)冰冻固井：在步骤(1)构建的开采井中插入冻结密封钻杆，向冻结密封钻杆中持续输入低温酒精，利用持续循环的低温酒精进行冰冻固井，直至冻结密封钻杆外表面与周围岩体固结形成冰冻固结区，并持续保持低温。

(3)二次钻井：完成固井后，利用冻结密封钻杆的内层生产套管继续向下钻孔，直至钻至天然气水合物储层，然后使用内层生产套管中的活动工作杆进行测井。

(4)储层结构改造、降压抽采：测井工作结束后，利用活动工作杆在天然气水合物储层中造空腔，向开采井中注入二氧化碳，并根据测井结果并利用所述二氧化碳进行冲孔割缝、定向压裂以形成裂缝网来改造储层结构，并采用降压开采方式进行抽采，直至开采完规划区域的天然气水合物或者达到设备累计压裂量程，停止开采，其中上述向开采井中注入的二氧化碳为超临界二氧化碳，所述冲孔割缝介质和定向压裂介质都使用超临界二氧化碳，压裂时根据压力需要考虑配备封孔器。

(5)进行封井：开采完成后向开采井中注入水或水与二氧化碳的混合物，直至采空区被填满，收回开采设备，同时向开采井中注入冷却剂，将整个钻孔下部全部冻结，钻孔上部注入传统永久封井砂浆，进行永久封井。

(6)能量转化：抽采出的天然气就近在发电站进行能量转化，生成的二氧化碳制备成超临界二氧化碳，用于下一次天然气水合物的开采，生成的水用于下一次天然气水合物开采中采空区的填充。

进一步地，步骤(1)中在矿区构建的所述开采井总体布置在水平面纵向成条带分布，相邻条带的开采井在水平面横向上交错布置。

进一步地，在矿区构建的所述开采井总体的开采顺序是在水平纵向上每两个开采条带间间隔一个未开采条带作为矿柱，开采条带中的各开采井在水平横向上同步推进，对于一个矿体，在铅垂方向上先开采矿体下部矿藏再开采矿体上部矿藏，采后填充的开采井作为新矿柱替换未开采井的矿柱，并回收未开采井的矿藏。

进一步地，步骤(2)中所述冰冻固井采用持续冻结，并根据情况在冻结密封钻杆中的表层固结套管周围增加适量的水，增加冻结的容易度和冰阀的自我修复性，冰冻固结区包括天然气水合物储层的上覆岩层尽可能大的区域以增加上覆岩层的强度和表层固结套管与岩层的整体性，降低岩层变形过程中对套管的损坏。

进一步地，步骤(4)中所述活动工作杆利用刮刀钻头造腔，刮刀呈螺旋状排列，所造空腔为圆筒状，用作临时的水汽存储仓，并利用重力在仓内实现初步的气液分离。

进一步地，单井的所述冲孔割缝、定向压裂操作中单次压裂范围根据开采速率的需要进行控制，储层中的已压裂区域抽采完后再重新对储层中的新区域压裂并抽采，如此循环作业，压裂进度与抽采进度相互协调。

进一步地，步骤(4)中抽采时抽气与抽液通道分离，在临时水气存储仓上部抽气，临时水气存储仓下部抽水，抽气与抽水速率根据生产情况相互协调。

进一步地，天然气水合物冰冻固井氢氧置换协调开采法所使用的设备，包括冻结密封钻杆，所述冻结密封钻杆包括表层固结套管和内层生产套管，所述表层固结套管外侧还设有若干割槽刮刀，所述内层生产套管与表层固结套管套接且能够在表层固结套管内旋转和上下移动，所述内层生产套管包括支撑导向套管和活动工作杆，所述活动工作杆与支撑导向套管套接且能够在支撑导向套管内旋转和上下移动，所述活动工作杆可更换工作部件，所述活动工作杆的其中一种部件为刮刀钻头，刮刀展开后成螺旋形排列；

所述表层固结套管具有难导热性，所述内层生产套管具有易导热性，表层固结套管与内层生产套管相互之间不进行热传导。

进一步地，所述表层固结套管和内层生产套管内在冻结段还设有酒精循环冷却通道，所述酒精循环冷却通道为双螺旋结构。

采用以上步骤与结构后，本发明具有如下优点：

1、本发明在采用降压法对天然气水合物进行分解抽采前，先通过相对比较成熟的定向压裂技术对储层进行一定程度的结构改造，压裂一定范围的储层之后再抽采，压裂形成的裂缝网络扩大了单井的开采范围，为分解出的气体的聚集和运移提供通道，增加接触反应面积，加快了单位时间天然气水合物分解的速率，可控的压裂进度有利于控制天然气水合物整体的分解速度。

2、本发明中压裂介质和冲孔割缝介质采用超临界二氧化碳，不仅利用了超临界二氧化碳高密度、低粘度这种有利于压裂的物理特点，使用过的二氧化碳还可以在储层中与天然气水合物发生化学置换，生成二氧化碳水合物充填采空区，最大限度减小了开采对储层稳定性的影响，同时也实现了碳的固定，从源头上减小了天然气水合物的开发利用对于增加大气二氧化碳含量的影响。

3、冰冻固井法，有效利用了天然气水合物赋存区域低温的特性，密封成本低，而且冰阀密封强度高，对密封环境的要求小，持续冰冻可以使冰阀对因岩层受扰动产生的裂纹具有动态的自我修复效应，保证冰阀强度，冻结密封钻杆外侧设有若干刮刀，可以对井壁割槽，增强了钻杆与周围冻结岩体的耦合性，满足了天然气水合物开采过程中对压力的控制要求和对储层的密封要求，起到防止天然气水合物泄漏的效果，实现对分解出的天然气运移的控制。

4、开采出的天然气选取就近的发电站进行能量转化，产生的二氧化碳与水可用于下次天然气水合物的开采，转化的能量直接输送给用户，全过程本质是以“氧”置换出天然气水合物中的“氢”，使得天然气水合物变成二氧化碳水合物，并获得能量，实现了“运输能量不运输物质”，降低了运输成本，而且实现天然气水合物开发利用过程中不向外界泄漏“碳”的效果，有利于减缓温室效应；同时也减少了矿产资源利用后产生的废物对人类生存环境的影响。

5、开采井的空间布置及开采顺序相互协调，纵向间隔条带式开采，预留矿柱减小上覆岩层变形，已开采井回填封井后，成为未开采井的新矿柱，直至井田矿藏全部开采完；开采井横向上交错布置，分散储层采动区，避免形成结构效应造成的台阶下沉。铅垂方向上先开采下部矿体后开采上部矿体，利用上部矿体的临时支承作用延缓岩体变形，同时下部矿体采动后使上部矿体产生裂隙，有利于增加上部矿体的裂隙度，减小储层结构改造的工作量。

6、在储层中造腔形成工作空间，利用重力初步分离分解产生的气体和水，沉积流沙，开采过程中气液抽采通道分开，避免开采过程中因水携砂或者水冻结而堵塞运移通道，有利于储层内的压力控制和抽采的顺利进行，外层套管与内层套管的具备温控能力同时可以隔绝储层低温的影响，保证开采过程中的天然气顺利抽采。

附图说明

图1是本发明天然气水合物冰冻固井氢氧置换协调开采法的冰冻密封过程的结构示意图。

图2是本发明天然气水合物冰冻固井氢氧置换协调开采法的钻进施工过程的结构示意图。

如图所示：1、冻结密封钻杆，101、表层固结套管，102、支撑导向套管，103、活动工作杆，2、冰冻固结区，3、致密上覆层，4、天然气水合物储层，5、裂缝网。

具体实施方式

结合附图1-2，天然气水合物冰冻固井氢氧置换协调开采法，包括以下步骤：

(1)构建开采井，使用钻机向岩层打一个大孔径钻孔，直至穿透天然气水合物储层4上部的致密上覆层3，并使用刮刀钻头对井壁割槽。

(2)冰冻固井，在步骤(1)构建的开采井中插入冻结密封钻杆1，向冻结密封钻杆1中持续输入低温酒精，利用持续循环的低温酒精进行冰冻固井，直至冻结密封钻杆1外表面与周围岩体固结形成冰冻固结区2，并持续保持低温。

(3)二次钻井，完成固井后，利用冻结密封钻杆1的内层生产套管继续向下钻孔，直至钻至天然气水合物储层4，然后使用内层生产套管中的活动工作杆103进行测井。

(4)储层结构改造、降压抽采，测井工作结束后，利用活动工作杆103在天然气水合物储层4中造空腔，向开采井中注入二氧化碳，并根据测井结果利用所述二氧化碳进行冲孔割缝、定向压裂以形成裂缝网5改造储层岩体结构，并采用降压开采方式进行抽采，直至开采完规划区域的天然气水合物或者达到设备累计压裂量程，停止开采。

(5)进行封井，开采完成后向开采井中注入水或水与二氧化碳混合物，直至采空区被填满，收回开采设备，同时向开采井中注入冷却剂，将整个钻孔下部全部冻结，钻孔上部注入传统永久封井砂浆，进行永久封井。

(6)能量转化，抽采出的天然气就近在发电站进行能量转化，生成的二氧化碳重新制备成超临界二氧化碳，用于下一次天然气水合物的开采，生成的水用于下一次天然气水合物开采中采空区的填充。

作为本实施例较佳实施方案的是，步骤(1)中在矿区构件的所述开采井总体布置在水平面纵向成条带分布，相邻条带开采井在水平面横向上交错布置。

作为本实施例较佳实施方案的是，在矿区构件的所述开采井总体的开采顺序是在水平纵向上每两个开采条带间间隔一个未开采条带作为矿柱，开采条带中的各开采井在水平横向上同步推进，对于一个矿体，在铅垂方向上先开采矿体下部矿藏再开采矿体上部矿藏，采后填充的开采井作为新矿柱替换未开采井的矿柱，并回收未开采井的矿藏，直至所有资源得到开采。

作为本实施例较佳实施方案的是，步骤(2)中所述冰冻固井采用持续冻结，并可根据情况在冻结密封钻杆中的表层固结套管101周围增加适量的水，增加冻结的容易度和冰阀的自我修复性，冰冻固结区2包括天然气水合物储层4的上覆岩层尽可能大的区域以增加上覆岩层强度和表层固结套管101与岩层的整体性，降低岩层变形过程中对套管的损坏。

作为本实施例较佳实施方案的是，步骤(4)中所述活动工作杆103利用刮刀钻头造腔，刮刀呈螺旋状排列，所造空腔为圆筒状，用作临时的水汽存储仓，并利用重力在仓内实现初步的气液分离。

作为本实施例较佳实施方案的是，步骤(4)中向开采井中注入的二氧化碳为超临界二氧化碳，所述冲孔割缝介质和压裂介质都使用超临界二氧化碳，压裂时可根据压力需要考虑配备封孔器。

作为本实施例较佳实施方案的是，单井的所述冲孔割缝、定向压裂操作中单次压裂范围根据开采速率的需要进行控制，储层中的已压裂区域抽采完后再重新对储层中的新区域压裂并抽采，如此循环作业，压裂进度与抽采进度相互协调。

作为本实施例较佳实施方案的是，步骤(4)中抽采时抽气与抽液通道分离，在临时水气存储仓上部抽气，临时水气存储仓下部抽水，抽气与抽水速率根据生产情况相互协调。

作为本实施例较佳实施方案的是，天然气水合物冰冻固井氢氧置换协调开采法的设备，包括冻结密封钻杆，所述冻结密封钻杆1包括表层固结套管101和内层生产套管，所述表层固结套管101外侧还设有若干割槽刮刀，所述内层生产套管与表层固结套管101套接且能够在表层固结套管101内旋转和上下移动，所述内层生产套管包括支撑导向套管102和活动工作杆103，所述活动工作杆103与支撑导向套管102套接且能够在支撑导向套管102内旋转和上下移动，所述活动工作杆103可更换工作部件，所述活动工作杆103的其中一种部件为刮刀钻头，刮刀展开后成螺旋形排列；

所述表层固结套管101具有难导热性，所述内层生产套管具有易导热性，表层固结套管101与内层生产套管相互之间不进行热传导。

作为本实施例较佳实施方案的是，所述表层固结套管101和内层生产套管内在冻结段还设有酒精循环冷却通道，所述酒精循环冷却通道为双螺旋结构。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.天然气水合物冰冻固井氢氧置换协调开采法，其特征在于包括以下步骤：

(1)构建开采井：使用钻机向岩层打一个大孔径钻孔，直至穿透天然气水合物储层上部的致密上覆层，并使用刮刀钻头对井壁割槽；

(2)冰冻固井：在步骤(1)构建的开采井中插入冻结密封钻杆，向冻结密封钻杆中持续输入低温酒精，利用持续循环的低温酒精进行冰冻固井，直至冻结密封钻杆外表面与周围岩体固结形成冰冻固结区，并持续保持低温；

(3)二次钻井：完成固井后，利用冻结密封钻杆的内层生产套管继续向下钻孔，直至钻至天然气水合物储层，然后使用内层生产套管中的活动工作杆进行测井；

(4)储层结构改造、降压抽采：测井工作结束后，利用活动工作杆在天然气水合物储层中造空腔，向开采井中注入二氧化碳，并根据测井结果并利用所述二氧化碳进行冲孔割缝、定向压裂以形成裂缝网来改造储层结构，并采用降压开采方式进行抽采，直至开采完规划区域的天然气水合物或者达到设备累计压裂量程，停止开采，其中上述向开采井中注入的二氧化碳为超临界二氧化碳，所述冲孔割缝介质和定向压裂介质都使用超临界二氧化碳，压裂时根据压力需要考虑配备封孔器；

(5)进行封井：开采完成后向开采井中注入水或水与二氧化碳的混合物，直至采空区被填满，收回开采设备，同时向开采井中注入冷却剂，将整个钻孔下部全部冻结，钻孔上部注入传统永久封井砂浆，进行永久封井；

(6)能量转化：抽采出的天然气就近在发电站进行能量转化，生成的二氧化碳制备成超临界二氧化碳，用于下一次天然气水合物的开采，生成的水用于下一次天然气水合物开采中采空区的填充。

2.根据权利要求1所述的天然气水合物冰冻固井氢氧置换协调开采法，其特征在于：步骤(1)中在矿区构建的所述开采井总体布置在水平面纵向成条带分布，相邻条带的开采井在水平面横向上交错布置。

3.根据权利要求2所述的天然气水合物冰冻固井氢氧置换协调开采法，其特征在于：在矿区构建的所述开采井总体的开采顺序是在水平纵向上每两个开采条带间间隔一个未开采条带作为矿柱，开采条带中的各开采井在水平横向上同步推进，对于一个矿体，在铅垂方向上先开采矿体下部矿藏再开采矿体上部矿藏，采后填充的开采井作为新矿柱替换未开采井的矿柱，并回收未开采井的矿藏。

4.根据权利要求1所述的天然气水合物冰冻固井氢氧置换协调开采法，其特征在于：步骤(2)中所述冰冻固井采用持续冻结，并根据情况在冻结密封钻杆中的表层固结套管周围增加适量的水，增加冻结的容易度和冰阀的自我修复性，冰冻固结区包括天然气水合物储层的上覆岩层尽可能大的区域以增加上覆岩层的强度和表层固结套管与岩层的整体性，降低岩层变形过程中对套管的损坏。

5.根据权利要求1所述的天然气水合物冰冻固井氢氧置换协调开采法，其特征在于：步骤(4)中所述活动工作杆利用刮刀钻头造腔，刮刀呈螺旋状排列，所造空腔为圆筒状，用作临时的水汽存储仓，并利用重力在仓内实现初步的气液分离。

6.根据权利要求1所述的天然气水合物冰冻固井氢氧置换协调开采法，其特征在于：单井的所述冲孔割缝、定向压裂操作中单次压裂范围根据开采速率的需要进行控制，储层中的已压裂区域抽采完后再重新对储层中的新区域压裂并抽采，如此循环作业，压裂进度与抽采进度相互协调。

7.根据权利要求1所述的天然气水合物冰冻固井氢氧置换协调开采法，其特征在于：步骤(4)中抽采时抽气与抽液通道分离，在临时水气存储仓上部抽气，临时水气存储仓下部抽水，抽气与抽水速率根据生产情况相互协调。

8.根据权利要求1所述的天然气水合物冰冻固井氢氧置换协调开采法所使用的设备，包括冻结密封钻杆，其特征在于：所述冻结密封钻杆包括表层固结套管和内层生产套管，所述表层固结套管外侧还设有若干割槽刮刀，所述内层生产套管与表层固结套管套接且能够在表层固结套管内旋转和上下移动，所述内层生产套管包括支撑导向套管和活动工作杆，所述活动工作杆与支撑导向套管套接且能够在支撑导向套管内旋转和上下移动，所述活动工作杆可更换工作部件，所述活动工作杆的其中一种部件为刮刀钻头，刮刀展开后成螺旋形排列；

所述表层固结套管具有难导热性，所述内层生产套管具有易导热性，表层固结套管与内层生产套管相互之间不进行热传导。

9.根据权利要求8所述的天然气水合物冰冻固井氢氧置换协调开采法所使用的设备，其特征在于：所述表层固结套管和内层生产套管内在冻结段还设有酒精循环冷却通道，所述酒精循环冷却通道为双螺旋结构。

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