CN108868706B - 定向钻进超临界二氧化碳致裂置换开采天然气水合物方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了定向钻进超临界二氧化碳致裂置换开采天然气水合物方法，结合定向钻进技术和超临界二氧化碳致裂技术，用二氧化碳原位置换开采天然气水合物的方法。该方法通过在海底布置钻场对天然气水合物矿层进行定向钻进水平井，在水平井内采用二氧化碳致裂天然气水合物矿层，并提供置换所需二氧化碳，最后采用抽采设备将置换出的天然气抽采至海上开采平台进行处理。本发明属于海域天然气水合物开采工艺与技术领域，主要针对海域天然气水合物，在技术操作简单可靠的前提下，实现了适应不同水合物层地质条件、增大水合物开采面积、提高产量和采出率，同时保持地层稳定的目的。
Description
技术领域
本发明属于海域天然气水合物开采工艺与技术领域，具体是指定向钻进超临界二氧化碳致裂置换开采天然气水合物方法。
背景技术
天然气水合物是由天然气和水在低温高压下形成的似冰状的白色固体物质，迄今已在全球发现天然气水合物产地超过230处，水合物含量约是2.1×1016m3，其中的有机碳(TOC)总量是煤炭、石油和天然气总和的两倍，其中海域水合物储量巨大，预估是陆地水合物资源量的100倍，被认为是21世纪最有潜力的清洁能源。
天然气水合物对于未来新能源的拓展具有重要意义，但同时开采不当，也是一种危险的能源。开采时必须充分注意到有关的开发利用可能给人类带来的严重环境灾难。在天然气水合物开发利用的设计和实施阶段，必须有足够的防范意识和技术措施，防止或尽可能减少天然气水合物开发利用造成的环境恶劣影响。
当前天然气水合物开采方法主要包括注热开采、降压开采、注化学剂开采、置换开采及固体开采五种。但注热开采注入热量利用率低，开采效率很低；降压开采不需要昂贵的连续激发，但是随着矿层的分解，原有地层会遭到破坏，易诱发海底滑坡等灾害；注化学剂开采费用昂贵，且运用不当试剂发生泄露，产生环境污染；固体开采仅适用于海底非成岩天然气水合物开采，该方法易受地质条件限制，且存在对地层破坏大、工序复杂等缺点。二氧化碳置换开采可在开采天然气的同时封存二氧化碳，不破坏地层，有利于矿层及覆岩的稳定性，但当前存在二氧化碳置换反应缓慢、置换效率低等缺点，不易广泛应用。
因此，一种定向钻进超临界二氧化碳致裂置换开采海域天然气水合物的方法亟待研发。
发明内容
为解决上述现有难题，本发明提供了一种定向钻进超临界二氧化碳致裂置换开采天然气水合物方法，主要针对海域天然气水合物，在技术操作简单可靠的前提下，实现了适应不同水合物层地质条件、增大水合物开采面积、提高产量和采出率，同时保持地层稳定的目的。
本发明采取的技术方案如下：定向钻进超临界二氧化碳致裂置换开采天然气水合物方法，包括如下步骤：
a.在海平面上建设两个海上移动抽采平台和一个海上移动注入平台，按海上移动抽采平台、海上移动注入平台、海上移动抽采平台顺序等距直线排放；两侧海上移动抽采平台上布置有抽采设备、混合物分离设备、定向钻进控制平台和海洋地球物理探测装置，中间的海上移动注入平台上布置有定向钻进控制平台、海洋地球物理探测装置和超临界二氧化碳致裂控制平台；从海上移动抽采平台和海上移动注入平台同时向海底布置开采井和注入井；开采井直径为能够放置定向钻机并预留一定作业空间，井底与海底接触后不再向下延伸，注入井直径为能够放置定向钻机并预留一定作业空间或能够放置超临界二氧化碳致裂设备并预留一定作业空间，井底与海底接触后不再向下延伸；
b.由海上移动抽采平台、海上移动注入平台下放定向钻机及辅助设备至开采井和注入井井底，将泥浆泵和钻进监视器布置在海上移动抽采平台、海上移动注入平台上上，利用钻机向海底地层垂直钻孔，钻杆安装有测量探管和连续钻进装置，能够根据预定轨迹进行定向钻孔；
c.钻杆垂直钻入水合物层后，钻孔转为正交于三平台所在直线水平钻进，继续钻孔至设定长度，钻孔完成后，及时向钻孔内安装高强防砂筛管，保证钻孔孔壁稳定性，采用密封装置将孔口暂时密封，再向相反方向进行水平钻进至设定长度，钻孔完成后，及时向钻孔内安装高强防砂筛管，保证钻孔孔壁稳定性，采用密封装置将孔口暂时密封，之后撤出定向钻机及辅助设备完成抽采水平井和注入水平井的打设；
d.在海上移动注入平台下放超临界二氧化碳致裂设备和辅助设备，对水合物矿层进行超临界二氧化碳致裂，裂隙沟通注入水平井和抽采水平井，使二氧化碳与天然气水合物有充分的接触面积和反应空间，致裂工作一直持续至当前服务范围开采完全；
e.在海上移动抽采平台下的抽采水平井井口安装抽采管道，连接海上移动抽采平台上的抽采设备，抽采到海上移动抽采平台的是气、水掺杂少量细砂的混合物，混合物进入分离设备后将天然气、水、细砂分离开来，分别从天然气出口和砂、水出口排出完成抽采工作，所述的抽采管道下端钻入到水合物层；
f.抽采过程中，采用海洋地球物理探测装置观测水合物层变化情况，达到一定的抽采限度后，将海上移动注入平台和其中一个海上移动抽采平台下抽采水平井、注入水平井永久封闭，撤出相关设备，封闭开采井和注入井，完成此区域天然气水合物置换开采工作，移设相关海上移动抽采平台、海上移动注入平台至合适位置进行下一区域的开采。
作为优选地，步骤a中所述的开采井为定向钻进水平井，直径为0.25m。
进一步地，步骤d中所述的裂隙沟通注入水平井和抽采水平井，使二氧化碳与天然气水合物有充分的接触面积和反应空间同时阻止二氧化碳直接进入抽采水平井。
进一步地，步骤d中所述的超临界二氧化碳介于液态和气态之间，临界温度31.26℃，压力高于7.4Mpa。临界条件容易达到，超临界二氧化碳密度接近液体，粘度接近气体，致裂效果好。
进一步地，步骤e中所述的抽采管道下端钻入到水合物层。
作为优选地，步骤e中所述的抽采设备、天然气出口和砂、水出口均设置有泵装置。
采用上述方案本发明取得有益效果如下：
本发明通过定向钻孔进入和圈定天然气水合物矿层，再由超临界二氧化碳致裂增大二氧化碳和水合物接触面积，形成甲烷运移通道，增大水合物矿层渗透性，同时供给二氧化碳，扩大置换反应区域，提高置换效率；致裂形成的裂隙作为置换出的天然气的运移通道，再借助水平井通道将气、水、细砂混合物抽采出来进行分离，达到开采天然气水合物的目的。与传统开采法相比，开采井和注入井定向钻进有利于扩大服务范围和提高抽采服务时间；由于防砂筛管的存在，既能够保证天然气的持续开采，又能够避免因出砂过多导致的堵管现象；超临界二氧化碳致裂有利于提高二氧化碳置换效率，生成的固态二氧化碳水合物形态稳定，有利于矿层与覆岩结构稳定性控制，同时将二氧化碳以固态水合物形式封存，减少温室气体排放，有利于生态环境保护，实现资源开发与环境保护协调发展的绿色开采。
该方法技术操作简单可靠，能够适应不同水合物层地质条件，增大了二氧化碳和天然气水合物的接触面积，同时增大了天然气水合物矿层的渗透性，有利于提高原位置换效率，扩大服务范围和单井抽采时间，增大天然气水合物的开采面积，提高产量和采出率，而且生成的二氧化碳水合物形态稳定，既减少了温室气体排放，又有利于天然气水合物矿层与覆岩结构的稳定性控制，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的整体布井图；
图2为本发明的致裂示意图。
图中：1、海上移动抽采平台，2、海上移动注入平台，3、开采井，4、注入井，5、抽采水平井，6、注入水平井，7、上覆岩层，8、天然气水合物矿层，9、下伏岩层，10、抽采设备，11、混合物分离设备，12、定向钻进控制平台，13、海洋地球物理探测装置，14、超临界二氧化碳致裂控制平台，15、裂隙。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明定向钻进超临界二氧化碳致裂置换开采天然气水合物方法，具体包括以下步骤：
a.在海平面上建设两个海上移动抽采平台和一个海上移动注入平台，按海上移动抽采平台、海上移动注入平台、海上移动抽采平台顺序等距直线排放；两侧海上移动抽采平台上布置有抽采设备、混合物分离设备、定向钻进控制平台和海洋地球物理探测装置，中间的海上移动注入平台上布置有定向钻进控制平台、海洋地球物理探测装置和超临界二氧化碳致裂控制平台；从海上移动抽采平台和海上移动注入平台同时向海底布置开采井和注入井；开采井直径为能够放置定向钻机并预留一定作业空间，井底与海底接触后不再向下延伸，注入井直径为能够放置定向钻机并预留一定作业空间或能够放置超临界二氧化碳致裂设备并预留一定作业空间，井底与海底接触后不再向下延伸；
b.由海上移动抽采平台、海上移动注入平台下放定向钻机及辅助设备至开采井和注入井井底，将泥浆泵和钻进监视器布置在海上移动抽采平台、海上移动注入平台上上，利用钻机向海底地层垂直钻孔，钻杆安装有测量探管和连续钻进装置，能够根据预定轨迹进行定向钻孔；
c.钻杆垂直钻入水合物层后，钻孔转为正交于三平台所在直线水平钻进，继续钻孔至设定长度，钻孔完成后，及时向钻孔内安装高强防砂筛管，保证钻孔孔壁稳定性，采用密封装置将孔口暂时密封，再向相反方向进行水平钻进至设定长度，钻孔完成后，及时向钻孔内安装高强防砂筛管，保证钻孔孔壁稳定性，采用密封装置将孔口暂时密封，之后撤出定向钻机及辅助设备完成抽采水平井和注入水平井的打设；
d.在海上移动注入平台下放超临界二氧化碳致裂设备和辅助设备，对水合物矿层进行超临界二氧化碳致裂，裂隙沟通注入水平井和抽采水平井，使二氧化碳与天然气水合物有充分的接触面积和反应空间，致裂工作一直持续至当前服务范围开采完全；
e.在海上移动抽采平台下的抽采水平井井口安装抽采管道，连接海上移动抽采平台上的抽采设备，抽采到海上移动抽采平台的是气、水掺杂少量细砂的混合物，混合物进入分离设备后将天然气、水、细砂分离开来，分别从天然气出口和砂、水出口排出完成抽采工作，所述的抽采管道下端钻入到水合物层；
f.抽采过程中，采用海洋地球物理探测装置观测水合物层变化情况，达到一定的抽采限度后，将海上移动注入平台和其中一个海上移动抽采平台下抽采水平井、注入水平井永久封闭，撤出相关设备，封闭开采井和注入井，完成此区域天然气水合物置换开采工作，移设相关海上移动抽采平台、海上移动注入平台至合适位置进行下一区域的开采。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.定向钻进超临界二氧化碳致裂置换开采天然气水合物方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.在海平面上建设两个海上移动抽采平台和一个海上移动注入平台，按海上移动抽采平台、海上移动注入平台、海上移动抽采平台顺序等距直线排放；两侧海上移动抽采平台上布置有抽采设备、混合物分离设备、定向钻进控制平台和海洋地球物理探测装置，中间的海上移动注入平台上布置有定向钻进控制平台、海洋地球物理探测装置和超临界二氧化碳致裂控制平台；从海上移动抽采平台和海上移动注入平台同时向海底布置开采井和注入井；开采井直径为能够放置定向钻机并预留一定作业空间，井底与海底接触后不再向下延伸，注入井直径为能够放置定向钻机并预留一定作业空间或能够放置超临界二氧化碳致裂设备并预留一定作业空间，井底与海底接触后不再向下延伸；
b.由海上移动抽采平台、海上移动注入平台下放定向钻机及辅助设备至开采井和注入井井底，将泥浆泵和钻进监视器布置在海上移动抽采平台、海上移动注入平台上，利用钻机向海底地层垂直钻孔，钻杆安装有测量探管和连续钻进装置，能够根据预定轨迹进行定向钻孔；
c.钻杆垂直钻入水合物层后，钻孔转为正交于三平台所在直线水平钻进，继续钻孔至设定长度，钻孔完成后，及时向钻孔内安装高强防砂筛管，保证钻孔孔壁稳定性，采用密封装置将孔口暂时密封，再向相反方向进行水平钻进至设定长度，钻孔完成后，及时向钻孔内安装高强防砂筛管，保证钻孔孔壁稳定性，采用密封装置将孔口暂时密封，之后撤出定向钻机及辅助设备完成抽采水平井和注入水平井的打设；
d.在海上移动注入平台下放超临界二氧化碳致裂设备和辅助设备，对水合物矿层进行超临界二氧化碳致裂，裂隙沟通注入水平井和抽采水平井，使二氧化碳与天然气水合物有充分的接触面积和反应空间，致裂工作一直持续至当前服务范围开采完全；
e.在海上移动抽采平台下的抽采水平井井口安装抽采管道，连接海上移动抽采平台上的抽采设备，抽采到海上移动抽采平台的是气、水掺杂少量细砂的混合物，混合物进入分离设备后将天然气、水、细砂分离开来，分别从天然气出口和砂、水出口排出完成抽采工作，所述的抽采管道下端钻入到水合物层；
f.抽采过程中，采用海洋地球物理探测装置观测水合物层变化情况，达到一定的抽采限度后，将海上移动注入平台和其中一个海上移动抽采平台下抽采水平井、注入水平井永久封闭，撤出相关设备，封闭开采井和注入井，完成此区域天然气水合物置换开采工作，移设相关海上移动抽采平台、海上移动注入平台至合适位置进行下一区域的开采。
2.根据权利要求1所述的定向钻进超临界二氧化碳致裂置换开采天然气水合物方法，其特征在于，步骤a中所述的开采井为定向钻进水平井，直径为0.25m。
3.根据权利要求1所述的定向钻进超临界二氧化碳致裂置换开采天然气水合物方法，其特征在于，步骤d中所述的裂隙沟通注入水平井和抽采水平井，使二氧化碳与天然气水合物有充分的接触面积和反应空间同时阻止二氧化碳直接进入抽采水平井。
4.根据权利要求1所述的定向钻进超临界二氧化碳致裂置换开采天然气水合物方法，其特征在于，步骤d中所述的超临界二氧化碳介于液态和气态之间，临界温度31.26℃，压力高于7.4Mpa。
5.根据权利要求1所述的定向钻进超临界二氧化碳致裂置换开采天然气水合物方法，其特征在于，步骤e中所述的抽采设备、天然气出口和砂、水出口均设置有泵装置。
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