CN108756829A - 欠平衡正循环条件下天然气水合物固态流开采方法及系统 - Google Patents

欠平衡正循环条件下天然气水合物固态流开采方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及欠平衡正循环条件下天然气水合物固态流开采方法及系统，用于对海洋非成岩弱胶结天然气水合物层进行固态流开采，设备主要由地面设备系统和水下设备系统两部分组成，施工流程包括前期施工过程、欠平衡固态流钻采水合物施工过程和泥沙回填过程。本发明基于固态流开采基本技术思路，采用欠平衡正循环方法对海底天然气水合物进行开采，有效解决了降压、注热、注剂、置换等天然气水合物常规开采方法面临的井筒安全、生产控制、环境风险等问题，使用本发明方法，能够实现海底弱胶结非成岩天然气水合物绿色环保、高效、安全、经济地开采，为国家提供更多的能源，进而解决我国面临的能源短缺困境。

Description

欠平衡正循环条件下天然气水合物固态流开采方法及系统
技术领域
本发明涉及非常规油气资源开发技术领域，特别是欠平衡正循环条件下天然气水合物固态流开采方法及系统。
背景技术
天然气水合物是由水和天然气在高压、低温环境下生成的非化学计量性笼状晶体，是一种高密度、高热值的非常规能源，天然气水合物（以下简称水合物）作为一种新型的清洁能源一直备受关注，全球海洋水合物储量保守估计总量达 2.83×1015 m3，约是陆地资源量的100倍，它被认为是21世纪最有潜力的接替能源。国土资源部等部门勘探我国远景资源量约为680×108 t。
针对海洋水合物的开采，常规方法采用降压、注热、注剂、置换等方式使水合物在井底释放出天然气并采出，此类方法的基本原理为：通过降压、注热、注剂、置换等技术手段使水合物分解成天然气，然后再以开采常规天然气的方式开采水合物分解的天然气。采用降压、注热、注剂、置换等方法开采水合物过程中，水合物分解产生的砂粒被天然气携带进入井筒，进而造成井底出砂的井筒安全问题。储层水合物分解后，储层原有的骨架结构发生溃散，地层应力场发生改变，从而造成井筒及储层坍塌、开采设备被埋等生产控制风险。水合物分解出大量的天然气，天然气沿地层孔隙通道透过地层，逸出海面进入大气层，造成各种环境风险。水合物常规开采方法而所面临的井筒安全、生产控制、环境风险等问题极为严重，迫切需要一种开采方法能够解决海洋天然气在开采过程中所面临的这类问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种绿色环保、高效、安全、经济的欠平衡正循环条件下天然气水合物固态流开采方法及开采系统。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
欠平衡正循环条件下天然气水合物固态流开采方法，所述欠平衡正循环条件的天然气水合物固态流开采方法，主要包括以下步骤：
S1、前期施工过程：采用常规钻井方式一开钻井，并形成一开井筒，下入导管，一开井筒与导管环空内注水泥后形成水泥环；
S2、欠平衡固态流钻采水合物施工过程：向S1中的导管下入钻柱和钻头进行钻采作业，在钻采过程中向钻柱内注入海水，海水将钻头打碎的储层水合物颗粒及泥沙从钻柱与井筒形成的环空带出，被带出的水合物颗粒、泥沙混合流经过分离得到天然气、海水和泥沙，整个过程中保持井底形成负压，钻柱和钻头持续作业，直至设计井深；
S3、泥沙回填过程：向储层内注入海水和S2中采出并收集的泥沙，在井底形成一定的超压，实现泥沙在开采储层的回填，同时向上缓慢拖到油管，最终完成整个井筒的泥沙回填。
优选地，S2中向钻柱与井筒形成的环空注入天然气，使得钻头处的液柱压力小于储层压力，在井底形成的负压。
优选地，S3中海水和S2中采处并收集的泥沙经过钻柱和钻头进入储层，钻头处的液压大于储层压力，实现泥沙回填。
一种基于权利要求1所述的欠平衡正循环条件下天然气水合物固态流开采方法的开采系统，所述开采系统包括地面设备系统及水下系统；
所述地面设备系统包括钻机、地面分离系统、液化系统、天然气液化气罐、海洋平台、填砂罐、天然气稳压罐、天然气增压泵、海水吸入管线、海水注入管线和海水注入泵；
所述水下设备系统包括井筒、钻头和钻柱，所述井筒包括一开井筒和裸眼井筒，所述一开井筒内设置有导管，所一开井筒下方连接有裸眼井筒，所述钻柱依次穿过导管、一开井筒和裸眼井筒；
所述钻机安装在海洋平台上，所述天然气液化气罐、液化系统和地面分离系统依次连接，所述地面分离系统通过管道接入导管内，所述海水吸入管线连接海水注入泵，所述海水注入泵接入海水注入管线，所述海水吸入管线上还设置有填砂罐，所述海水注入管线接入钻柱，所述天然气稳压罐连接有天然气增压泵，所述天然气增压泵通过管线接入导管内。
优选地，所述天然气液化气罐通过液化系统与天然气液化气罐连接管线与所述液化系统连接，阀门C安装在所述液化系统与天然气液化罐连接管线上，液化系统与地面分离系统通过分离系统与液化系统连接管相连接，阀门B安装在分离系统与液化系统连接管上。
优选地，所述地面分离系统通过海水回收管线与一海水环空出口连接，所述海水环空出口与导管连接，阀门A安装在海水回收管线上。
优选地，所述海水注入泵出口通过海水注入管线与海水注入口连接，海水注入口与钻杆连接，阀门E安装在海水注入管线上。
优选地，所述海水管线通过泥沙注入管线与填砂罐连接，所述泥沙注入管线中间安装阀门D。
优选地，所述天然气增压泵与天然气稳压罐通过天然气增压泵与天然气稳压罐连接管线连接，阀门F安装在天然气增压泵与天然气稳压罐连接管线上，天然气稳压罐通过注气管线与天然气注气口连接，天然气注气口与导管连接，注气管线上安装有阀门G。
优选地，所述导管与一开井筒之间通过水泥环固结。
优选地，所述钻头为大尺寸钻头。
本发明具有以下优点：本发明的欠平衡正循环固态流开采方法及系统，利用固态流开采、地面分离储存和泥沙回填的方式，有效地解决了降压、注热、注剂、置换等天然气水合物常规开采方法等容易造成井筒及储层坍塌、开采设备被埋等生产风险，也解决了控制住水合物分解出的天然气逸出污染环境问题，使用本发明方法，能够实现海底弱胶结非成岩天然气水合物绿色环保、高效、安全、经济的开采。
附图说明
图1 为基于欠平衡正循环条件下的天然气水合物固态流开采方法及系统示意图；
图中：1-钻机,2-注气管线，3-海水注入口，4-海水环空出口，5-海水回收管线，6-阀门A，7-地面分离系统，8-阀门B，9-地面分离系统与液化系统连接管线，10-液化系统，11-液化系统与天然气液化气罐连接管线，12-阀门C，13-天然气液化气罐，14-海面，15-海洋平台，16-导管，17-水泥环，18-一开井筒，19-地层，20-水合物储层，21-大尺寸钻头，22-裸眼井筒，23-钻柱，24-海水注入管线，25-海水注入泵，26-海水吸入管线，27-阀门D，28-泥沙注入管线，29-填砂罐，30-阀门E，31-天然气增压泵，32-阀门F，33-天然气稳压罐，34-阀门G，35-天然气注气口，36-天然气增压泵与天然气稳压罐连接管线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，欠平衡正循环条件下天然气水合物固态流开采方法的开采系统，该开采系统主要由地面设备及水下系统组成。
地面设备系统包括钻机、地面分离系统、液化系统、天然气液化气罐、海洋平台、填砂罐、天然气稳压罐、天然气增压泵、海水吸入管线、海水注入管线和海水注入泵。
所述水下设备系统包括井筒、钻头和钻柱，所述井筒包括一开井筒和裸眼井筒，所述一开井筒内设置有导管，所一开井筒下方连接有裸眼井筒，所述钻柱依次穿过导管、一开井筒和裸眼井筒。
钻机1安装在海洋平台15上，海洋平台15浮在海面14上。天然气液化气罐13通过液化系统与天然气液化气罐连接管线11与液化系统10连接，阀门C12安装在液化系统与天然气液化气罐连接管线11中间。液化系统10通过地面分离系统与液化系统连接管线9与地面分离系统7连接，阀门B8安装在地面分离系统与液化系统连接管线9的中间。地面分离系统7通过海水回收管线5与海水环空出口4连接，阀门A6安装在海水回收管线5的中间。海水吸入管线26一端浸没于海面14下一定深度，另一端与海水注入泵25连接，海水吸入管线26中间通过泥砂注入管线28与填砂罐29连接，泥砂注入管线28中间安装阀门D27。海水注入泵25出口通过海水注入管线24与海水注入口3连接，海水注入口3与钻柱23连接，阀门E30安装在海水注入管线24中间。天然气增压泵31与天然气稳压罐33通过天然气增压泵与天然气稳压罐连接管线36连接，阀门F32安装在天然气增压泵与天然气稳压罐连接管线36中间，天然气稳压罐33通过注气管线2与天然气注气口35连接，天然气注气口35与导管16连接，且天然气注气口35位于海面14以下一定深度，注气管线2中间安装阀门G34。一开井筒18位于地层19内，导管16位于一开井筒18内，且导管16下端位于地层19的底部，导管16与一开井筒18之间通过水泥环17固结，水合物储层20位于地层19的底部。钻柱23的下端安装大尺寸钻头21，在水合物储层20里，通过大尺寸钻头21旋转破碎形成裸眼井筒22。
一种欠平衡正循环条件的天然气水合物固态流开采方法，主要包括以下步骤：
S1、前期施工过程：采用常规钻井方式一开钻井，并形成一开井筒，下入导管，一开井筒与导管环空内注水泥后形成水泥环；
S2、欠平衡固态流钻采水合物施工工程：向S1中的导管下入钻柱和钻头进行钻采作业，在钻采过程中向钻柱内注入海水，海水将钻头打碎的储层水合物颗粒及泥沙从钻柱与井筒形成的环空带出，被带出的水合物颗粒、泥沙混合流经过分离得到天然气、海水和泥沙，整个过程中保持井底形成负压，钻柱和钻头持续作业，直至设计井深；
S3、泥沙回填过程：向储层内注入海水和S2中采出并收集的泥沙，在井底形成一定的超压，实现泥沙在开采储层的回填，同时向上缓慢拖到油管，最终完成整个井筒的泥沙回填。
优选地，S2中向钻柱与井筒形成的环空注入天然气，使得钻头处的液柱压力小于储层压力，在井底形成的负压。
优选地，S3中海水和S2中采处并收集的泥沙经过钻柱和钻头进入储层，钻头处的液压大于储层压力，实现泥沙回填。
其具体实施过程如下：
前期施工过程：采用常规钻井方法进行一开钻井形成一开井筒18，然后下入导管16，一开井筒18与导管16环空内注水泥后形成水泥环17。
欠平衡固态流钻采水合物施工过程：导管16固结完成后，下入连接有大尺寸钻头21的钻柱23，当大尺寸钻头21位于导管16底部时停止下钻。分别开启阀门A6、阀门B8、3号阀门C12、阀门E30、阀门F32及阀门G34，并启动地面分离系统7、液化系统10、海水注入泵25、天然气增压泵31及钻机1，钻机1驱动钻柱23及大尺寸钻头21转动的同时，海水沿海水吸入管线26进入海水注入泵25，在海水注入泵25加压后沿海水注入管线24进入海水注入口3，然后沿钻柱23的内孔穿过大尺寸钻头21，同时，天然气增压泵31把天然气增压后经天然气增压泵与天然气稳压罐连接管线36进入天然气稳压罐33，然后经注气管线2注入天然气注气口35，注气量的大小由井底欠压值的大小决定。图1上的黑色箭头所示，在穿过大尺寸钻头21的海水把大尺寸钻头21破碎的水合物颗粒及泥砂沿钻柱23与裸眼井筒22之间的环空向上运移，然后经钻柱23与导管16之间的环空在天然气注气口35和注入的天然气汇合，由于天然气进入直至分布于钻柱23与导管16之间的整个环空中，大尺寸钻头21处的液柱压力小于大尺寸钻头21处的水合物储层20的储层压力，因此，钻进过程中不会发生井漏，混合流体能够顺利返出。水合物颗粒在环空内向上运移的过程中，由于环空压力降低及温度升高，水合物颗粒会不断分解成天然气，天然气注气口35汇合后形成的混合流体运移至海水环空出口4后经海水回收管线5进入地面分离系统7，地面分离系统7把混合物中的天然气、泥砂分离出来，天然气沿地面分离系统与液化系统连接管线9进入液化系统10，液化系统10把天然气液化后经液化系统与天然气液化气罐连接管线11注入到天然气液化气罐13内，地面分离系统7分离出的泥砂装入填砂罐29内。随着施工的不断进行，钻柱23及大尺寸钻头21持续向前运移，裸眼井筒22的深度也持续增加，重复进行欠平衡固态流钻采水合物施工过程，直至设计井深。
泥砂回填过程：欠平衡固态流钻采水合物施工过程完成后，地面分离系统7分离出的大量泥砂放入填砂罐29内，然后，关闭阀门G34、阀门F32后停止运行天然气增压泵31，打开阀门D27，在虹吸效应及重力作用下，填砂罐29内泥砂经泥砂注入管线28进入海水吸入管线26内，进入海水吸入管线26内的泥砂随海水依次经海水注入泵25、海水注入管线24、海水注入口3、钻柱23内孔及大尺寸钻头21进入裸眼井筒22，由于天然气停止注入，大尺寸钻头21处的液柱压力大于大尺寸钻头21处水合物储层20的储层压力，因此会发生井漏，流体不会返至地面，从而实现泥砂在裸眼井筒22内的成功回填，在向裸眼井筒22回填泥砂的过程中，同时向上缓慢拖动钻柱23，最终实现整个裸眼井筒22的回填。
本发明的欠平衡正循环固态流开采方法及系统，利用固态流开采、地面分离储存和泥沙回填的方式，有效地解决了降压、注热、注剂、置换等天然气水合物常规开采方法等容易造成井筒及储层坍塌、开采设备被埋等生产风险，也解决了控制住水合物分解出的天然气逸出污染环境问题，使用本发明方法，能够实现海底弱胶结非成岩天然气水合物绿色环保、高效、安全、经济的开采。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不同脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.欠平衡正循环条件下天然气水合物固态流开采方法，其特征在于：所述欠平衡正循环条件的天然气水合物固态流开采方法，主要包括以下步骤：
S1、前期施工过程：采用常规钻井方式一开钻井，并形成一开井筒（18），下入导管（16），一开井筒（18）与导管（16）环空内注水泥后形成水泥环（17）；
S2、欠平衡固态流钻采水合物施工过程：向S1中的导管下入钻柱（23）和钻头进行钻采作业，在钻采过程中向钻柱（23）内注入海水，海水将钻头打碎的储层水合物颗粒及泥沙从钻柱（23）与井筒形成的环空带出，被带出的水合物颗粒、泥沙混合流经过分离得到天然气、海水和泥沙，整个过程中保持井底形成负压，钻柱和钻头持续作业，直至设计井深；
S3、泥沙回填过程：向储层内注入海水和S2中采出并收集的泥沙，在井底形成一定的超压，实现泥沙在开采储层的回填，同时向上缓慢拖到油管，最终完成整个井筒的泥沙回填。
2.根据权利要求1所述的欠平衡正循环条件下天然气水合物固态流开采方法，其特征在于：S2中向钻柱（23）与井筒形成的环空注入天然气，使得钻头处的液柱压力小于储层压力，在井底形成的负压。
3.根据权利要求1所述的欠平衡正循环条件下天然气水合物固态流开采方法，其特征在于：S3中海水和S2中采处并收集的泥沙经过钻柱（23）和钻头进入储层，钻头处的液压大于储层压力，实现泥沙回填。
4.一种基于权利要求1所述的欠平衡正循环条件下天然气水合物固态流开采方法的开采系统，其特征在于：所述开采系统包括地面设备系统及水下系统；
所述地面设备系统包括钻机（1）、地面分离系统（7）、液化系统（10）、天然气液化气罐（13）、海洋平台（15）、填砂罐（29）、天然气稳压罐（33）、天然气增压泵（31）、海水吸入管线（26）、海水注入管线（24）和海水注入泵（25）；
所述水下设备系统包括井筒、钻头和钻柱（23），所述井筒包括一开井筒（18）和裸眼井筒（22），所述一开井筒（18）内设置有导管（16），所一开井筒（18）下方连接有裸眼井筒（22），所述钻柱（23）依次穿过导管（16）、一开井筒（18）和裸眼井筒（22），所述钻柱（23）的底端连接有钻头；
所述钻机（1）安装在海洋平台（15）上，所述天然气液化气罐（13）、液化系统（10）和地面分离系统（7）依次连接，所述地面分离系统（7）通过管道接入导管（16）内，所述海水吸入管线（26）连接海水注入泵（25），所述海水注入泵（25）接入海水注入管线（24），所述海水吸入管线（26）上还设置有填砂罐（29），所述海水注入管线（24）接入钻柱（23），所述天然气稳压罐（33）连接有天然气增压泵（31），所述天然气增压泵（31）通过管线接入导管（16）内。
5.根据权利要求4所述的欠平衡正循环条件下天然气水合物固态流开采方法的开采系统，其特征在于：所述天然气液化气罐（13）通过液化系统与天然气液化气罐连接管线（11）与所述液化系统（10）连接，阀门C（12）安装在所述液化系统与天然气液化罐连接管线（11）上，液化系统（10）与地面分离系统（7）通过分离系统与液化系统连接管线（9）相连接，阀门B（8）安装在分离系统与液化系统连接管线（9）上。
6.根据权利要求4所述的欠平衡正循环条件下天然气水合物固态流开采方法的开采系统，其特征在于：所述地面分离系统（7）通过海水回收管线（5）与海水环空出口（4）连接，所述海水环空出口（4）与导管（16）连接，阀门A（6）安装在海水回收管线（5）上。
7.根据权利要求4所述的欠平衡正循环条件下天然气水合物固态流开采方法的开采系统，其特征在于：所述海水注入泵（25）出口通过海水注入管线（25）与海水注入口（3）连接，海水注入口（3）与钻杆（23）连接，阀门E（30）安装在海水注入管线（24）上。
8.根据权利要求4所述的欠平衡正循环条件下天然气水合物固态流开采方法的开采系统，其特征在于：所述海水吸入管线（26）通过泥沙注入管线（28）与填砂罐（29）连接，所述泥沙注入管线（28）中间安装阀门D（27）。
9.根据权利要求4所述的欠平衡正循环条件下天然气水合物固态流开采方法的开采系统，其特征在于：所述天然气增压泵（31）与天然气稳压罐（33）通过天然气增压泵与天然气稳压罐连接管线（36）连接，阀门F（32）安装在天然气增压泵与天然气稳压罐连接管线（36）上，天然气稳压罐（33）通过注气管线（2）与天然气注气口（35）连接，天然气注气口（35）与导管（16）连接，注气管线（2）上安装有阀门G（34）。
10.根据权利要求4所述的欠平衡正循环条件下天然气水合物固态流开采方法的开采系统，其特征在于：所述钻头为大尺寸钻头（21）。
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