CN109356556A - 一种深水浅层天然气水合物井下燃烧的开采方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深水浅层天然气水合物井下燃烧的开采方法和开采装置，首先钻井作业分别得到平行水平井组作为注入井、直井作为生产井，并进行固井及完井作业，将井下燃烧器送入注入井，控制点火器使井下燃烧器连续或间断点火燃烧，并利用集束连续管逐步回拖井下燃烧器到新的燃烧位置，水合物受热分解产生的天然气在压差作用下进入生产井井筒中并向上流动，通过输气管线输送到集输系统，完成天然气水合物的开采工作。本发明的优点在于钻探平行水平井组，可以控制大规模储量，且利用井下燃烧器连续或间断对水合物进行加热，并通过集束连续管控制井下燃烧器的燃烧位置，使热量得到直接、高效的利用，有利于实现天然气水合物的商业开采。

Description

一种深水浅层天然气水合物井下燃烧的开采方法和装置
技术领域
本发明涉及天然气水合物开采技术领域，更具体的说是涉及一种深水浅层天然气水合物井下燃烧的开采方法和装置。
背景技术
天然气水合物具有清洁、储量丰富、能量密度高等优点，被认为是继煤、石油、天然气之后的新型战略能源。深水地层中水合物储量丰富，若能将蕴藏在水合物中的天然气开采出来，将显著增加国家天然气的自给自足能力，在一定程度上缓解目前的能源压力。
天然气水合物的开采方法主要有水合物原地分解法和固体开采法，其中，水合物原地分解法包括加热开采法、降压开采法、二氧化碳置换开采法和化学试剂注入开采法。目前，应用最广泛、发展最成熟的是加热开采法，主要包括注热水、注热蒸汽、电磁生热等方法。与其他方法相比，加热开采法具有作用迅速、水合物分解效果明显等优点，但是由于效率低、沿程热量损失、需要大量外界能量、加热范围较小等原因，目前还不能应用于水合物商业化开采。
因此，如何提供一种适用于商业化开采的天然气水合物井下燃烧的开采方法和装置是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种天然气水合物井下燃烧的开采方法和开采装置，开采热效率高、热量损失小、加热效果好，适用于商业化开采。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种天然气水合物井下燃烧的开采方法，包括以下步骤：
(1)钻井：利用石油及天然气钻井技术开展钻井作业分别得到注入井和生产井，且注入井和生产井连通；
(2)注入井固井及完井：注入井水平段下入水平筛管，造斜段以上注水泥固井，水平筛管直径与造斜段以上的套管直径保持一致，并视井况下入套管外封隔器；
(3)生产井固井及完井：待生产井的导管下入设计深度后取出钻井工具，向套管中注水泥进行固井作业，并在套管中下高速携砂流体或射孔枪进行射孔完井，建立井筒与地层的流通通道；
(4)送入集束连续管和井下燃烧器：在注入井中送入集束连续管和井下燃烧器，集束连续管的一端与海上钻井平台连接，另一端与井下燃烧器连接，井下燃烧器设置于注入井的水平段；井下燃烧器燃烧散发的热量通过水平筛管传递到水合物层，使天然气水合物受热分解；
(5)开采天然气水合物：天然气水合物受热分解产生水和天然气，天然气在岩层中渗流，在压差作用下进入生产井井筒中并向上流动，生产井井筒产生的天然气通过输气管线输送到集输系统，再输送至浮式生产储油卸油装置，完成天然气的开采工作。
本发明公开的深水浅层天然气水合物的开采方法，注入井采用水平井组能控制大规模储量，有利于实现天然气水合物的商业开采；且注入井水平段下入水平筛管作为井下燃烧器的燃烧通道，热量通过水平筛管传递到水合物层，天然气水合物受热更加均匀、开采效果更好。
优选的，在步骤(1)中，在钻井作业前，利用地震勘探技术掌握天然气水合物地层的地质概况，且钻井作业时，海水段通过隔水管将钻井液和海水分开。
优选的，根据天然气水合物的分布确定钻井位置，生产井至少为两口，且至少一口须钻穿注入井水平段。
优选的，集束连续管采用耐高温低碳合金制成，在陆上预制完成，采用封闭式结构，将内置的输氧管线、输甲烷管线、点火器电缆、温压监测工具管道用承载管和保护套管集束在一起。集束连续管在陆上预制完成，可以减少海上焊接检验施工作业周期、降低海上安装费用，而且集束连续管可以对内置管道起到保护和保温的作用，避免深水低温高压的环境导致的天然气水合物二次生成的风险。
优选的，钻井工具包括钻杆和钻头。
优选的，在步骤(4)中，井下燃烧器的点燃位置控制在注入井水平段井底位置，通过控制甲烷与氧气的定量燃烧实现井下燃烧器的连续或间断点火燃烧，生产井产气量稳定2小时后停止甲烷与氧气的供气，井下燃烧器停止燃烧，当生产井产气量下降到正常产量的30％后重新通入甲烷与氧气并点燃井下燃烧器，如此往复实现井下燃烧器的连续或间断点火燃烧。井下燃烧器连续或间断点火燃烧，并利用集束连续管逐步回拖井下燃烧器到新的燃烧位置，热量通过水平筛管直接传递到水合物层，热量得到直接、高效地利用。
优选的，井下燃烧器尺寸小于等于150mm，参照小型液氧甲烷燃烧器设计，技术成熟，技术迁移成功率高。
优选的，射孔完井段位于生产井的井筒底部及其中部。
本发明还公开了一种天然气水合物井下燃烧的开采装置，包括：设置在海面上的浮式生产储油卸油装置、设置在海面与地层之间的隔水管和设置于地层的注入井、生产井，所述注入井和所述生产井连通；所述注入井内设置有集束连续管和井下燃烧器，且水平段设置有水平筛管；所述生产井井口头与所述浮式生产储油卸油装置之间设置有输气管线和集输系统。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种天然气水合物井下燃烧的开采方法和开采装置，沿程热量损失少、热效率高、加热效果好、设备简单，适用于天然气水合物商业化开采。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的钻井作业的示意图。
图2附图为本发明中注入井水平筛管顶部注水泥完井的示意图。
图3附图为本发明中生产井射孔完井的示意图。
图4附图为本发明中送入井下燃烧器的示意图。
图5附图为本发明中天然气水合物开采系统的示意图。
1-海上钻井平台，2-隔水管，3-注入井，4-生产井，5-导管，6-钻杆，7-钻头，8-水泥环，9-套管，10-套管外封隔器，11-井筒，12-水平筛管，13-井口头，14-集束连续管，15-井下燃烧器，16-输气管线，17-集输系统，18-浮式生产储油卸油装置，19-地层，20-水合物层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种深水浅层天然气水合物井下燃烧的开采方法，包括以下步骤：
(1)钻井作业：参照图1所示，利用地震勘探技术掌握天然气水合物地层的地质概况，利用石油及天然气钻井技术开展钻井作业分别得到注入井3和生产井4，且注入井3和生产井4连通；且钻井作业时，海水段通过隔水管将钻井液和海水分开。根据天然气水合物的分布确定钻井位置，生产井4至少为两口，且至少一口须钻穿注入井3水平段末端，深水地层安全密度窗口窄，在钻井作业中需要严格控制钻压，避免压漏地层；
(2)注入井固井及完井：参照图2所示，注入井3水平段下入水平筛管12，造斜段以上注水泥固井，形成水泥环8，提高封固效果，其中水平筛管12直径与造斜段以上的套管9直径保持一致，并视井况下入套管外封隔器10，以封隔各向异性层位；
(3)生产井固井及完井：参照图3所示，待生产井4的导管下入设计深度后取出钻井工具，钻井工具包括钻杆6和钻头7，向套管9中注水泥进行固井作业封固产层，并在套管9中下高速携砂流体或射孔枪进行射孔将套管9、水泥环8、部分产层射穿，建立井筒11与地层的流通通道，生产井4的射孔完井段位于井筒11的底部及中部；
(4)送入集束连续管和井下燃烧器：参照图4所示，在注入井3中下入集束连续管14和井下燃烧器15，集束连续管14的一端与海上钻井平台1连接，另一端与井下燃烧器15连接，井下燃烧器15设置于注入井3的水平段；集束连续管14采用耐高温低碳合金制成，在陆上预制完成，采用封闭式结构，将内置的输氧管线、输甲烷管线、点火器电缆、温压监测工具管道用承载管和保护套管集束在一起，可以对内置管道起到保护和保温的作用，避免深水低温高压的环境导致的水合物二次生成的风险；集束连续管14为井下燃烧器15输送燃料甲烷和助燃剂氧气，将井下燃烧器15送入注入井3水平段井底，在钻井平台1通过集束连续管14内置的点火器电缆控制点火器点燃井下燃烧器，井下燃烧器15燃烧散发的热量通过水平筛管12传递到水合物层，使天然气水合物受热分解，生产井3产气量稳定2小时后停止甲烷与氧气的供气，井下燃烧器15停止燃烧，当生产井3产气量下降到正常产量30％后重新通入甲烷与氧气并点燃井下燃烧器15，通过控制甲烷与氧气的定量燃烧来实现井下燃烧器15的连续或间断点火燃烧，在井下燃烧器15燃烧的过程中利用集束连续管14以固定的速度逐步回拖井下燃烧器15到新的燃烧位置，使能量得到直接、高效的利用，回拖速度视水合物分解速度而定。
(5)开采天然气水合物：参照图5所述，天然气水合物受热分解产生水和天然气，天然气在岩层中渗流，在压差作用下进入生产井4的井筒11中并向上流动，生产井4的井筒11产生的天然气通过输气管线16输送到集输系统17，再输送至浮式生产储油卸油装置18，完成天然气的开采工作。
井下燃烧器尺寸小于等于150mm，可送入水平筛管12。
本发明还公开了一种天然气水合物井下燃烧的开采装置，包括：设置在海面上的浮式生产储油卸油装置、设置在海面与地层之间的隔水管和设置于地层的注入井、生产井，所述注入井和所述生产井连通；所述注入井内设置有集束连续管和井下燃烧器，且水平段设置有水平筛管；所述生产井井口头与所述浮式生产储油卸油装置之间设置有输气管线和集输系统。
通过天然气水合物井下燃烧的开采装置对天然气水合物进行开采，沿途热量损失小、热效率高、加热效果好，适用于水合物商业化开采。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种天然气水合物井下燃烧的开采方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)钻井：利用石油及天然气钻井技术开展钻井作业分别得到注入井和生产井，且注入井和生产井连通；
(2)注入井固井及完井：注入井水平段下入水平筛管，造斜段以上注水泥固井，水平筛管直径与造斜段以上的套管直径保持一致，并视井况下入套管外封隔器；
(3)生产井固井及完井：待生产井的导管下入设计深度后取出钻井工具，向套管中注水泥进行固井作业，并在套管中下高速携砂流体或射孔枪进行射孔完井，建立井筒与地层的流通通道；
(4)送入集束连续管和井下燃烧器：在注入井中送入集束连续管和井下燃烧器，集束连续管的一端与海上钻井平台连接，另一端与井下燃烧器连接，井下燃烧器设置于注入井的水平段；井下燃烧器燃烧散发的热量通过水平筛管传递到水合物层，使天然气水合物受热分解；
(5)开采天然气水合物：天然气水合物受热分解产生水和天然气，天然气在岩层中渗流，在压差作用下进入生产井井筒中并向上流动，生产井井筒产生的天然气通过输气管线输送到集输系统，再输送至浮式生产储油卸油装置，完成天然气的开采工作。
2.根据权利要求1所述的一种天然气水合物井下燃烧的开采方法，其特征在于，在步骤(1)中，在钻井作业前，利用地震勘探技术掌握天然气水合物地层的地质概况，且钻井作业时，海水段通过隔水管将钻井液和海水分开。
3.根据权利要求1所述的一种天然气水合物井下燃烧的开采方法，其特征在于，根据天然气水合物的分布确定钻井位置，生产井至少为两口，且至少一口须钻穿注入井水平段。
4.根据权利要求1所述的一种天然气水合物井下燃烧的开采方法，其特征在于，集束连续管采用耐高温低碳合金制成，在陆上预制完成，采用封闭式结构，将内置的输氧管线、输甲烷管线、点火器电缆、温压监测工具管道用承载管和保护套管集束在一起。
5.根据权利要求1所述的一种天然气水合物井下燃烧的开采方法，其特征在于，钻井工具包括钻杆和钻头。
6.根据权利要求1所述的一种天然气水合物井下燃烧的开采方法，其特征在于，在步骤(4)中，井下燃烧器的点燃位置控制在注入井水平段井底位置，通过控制甲烷与氧气的定量燃烧实现井下燃烧器的连续或间断点火燃烧，生产井产气量稳定2小时后停止甲烷与氧气的供气，井下燃烧器停止燃烧，当生产井产气量下降到正常产量的30％后重新通入甲烷与氧气并点燃井下燃烧器，如此往复实现井下燃烧器的连续或间断点火燃烧。
7.根据权利要求1所述的一种天然气水合物井下燃烧的开采方法，其特征在于，井下燃烧器尺寸小于等于150mm。
8.根据权利要求1所述的一种天然气水合物井下燃烧的开采方法，其特征在于，射孔完井段位于生产井的井筒底部及其中部。
9.一种天然气水合物井下燃烧的开采装置，其特征在于，包括：设置在海面上的浮式生产储油卸油装置、设置在海面与地层之间的隔水管和设置于地层的注入井、生产井，所述注入井和所述生产井连通；
所述注入井内设置有集束连续管和井下燃烧器，且水平段设置有水平筛管；
所述生产井井口头与所述浮式生产储油卸油装置之间设置有输气管线和集输系统。
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