CN109854212B - 开采天然气水合物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及天然气水合物开采领域，公开了一种开采天然气水合物的方法，所述方法包括：(1)由至少一个注入井将第一流体通入天然气水合物储层，得到溶解有天然气的第二流体；(2)由至少一个采出井将第二流体引至地面或海面进行气液分离，得到天然气；(3)将第三流体由至少一个注入井引入天然气水合物储层，以置换储层中残余的第一流体和/或第二流体，其中，所述第一流体为含碳原子数为4‑30、动力粘度为1‑100mPa·s的油类，或者该油类与水的混合物。本发明所述方法简便有效地开采天然气水合物的方法，同时该方法不会不利地造成地层垮塌等地质灾难问题，也不会破坏海洋、储层的生态环境。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物开采领域，具体涉及开采天然气水合物的方法。
背景技术
天然气水合物即可燃冰，分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在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，所以又被称作“可燃冰”、“固体瓦斯”或者“气冰”，其实是一个固态块状物。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。世界上可燃冰的总含碳量约为其它化石能源总含碳量的两倍，其储量巨大，据有很大的开采潜力。可燃冰的燃烧过程仅产生水和二氧化碳，是一种理想的清洁能源，而其储量的90％都位于海洋，在开发方面仍存在许多技术难题。
目前天然气水合物的开采方式包括降压开采法、注热开采法、二氧化碳置换法以及复合开采法。降压开采法是目前最经济的水合物开采法，拥有成本低、产气速率高等优点，但是降压开采法存在分解半径小，波及范围小，产气可持续性较差，出砂严重、天然气水合物分解后地层支撑能力变弱易造成地层垮塌等地质灾难等问题。注热开采法通过不断将高温流体注入低温地层破坏天然气水合物相平衡从而使其分解。该方法要将地层的整体温度提高因而需要相当大的热量，成本较高，同时还涉及到地层、海洋环境的污染问题。二氧化碳置换法涉及气气分离，目前还相当不成熟，美国阿拉斯加冻土带水合物试采曾采用这一方法进行试采，最终因产量太小、产气周期长、气气分离困难而放弃试采。这三种方法在海洋天然气水合物的开采中都面临不同的瓶颈和挑战，难以实现海洋水合物的工业化开采。
因此，亟需一种简便有效地开采天然气水合物的方法，同时该方法不会不利地造成地层垮塌等地质灾难问题，也不会破坏海洋、储层的生态环境。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的产率低、出砂严重、成本较高、污染环境等问题，提供开采天然气水合物的方法。
本发明发现天然气水合物储层所处的高压低温的条件能大大提高甲烷气体在油相中的溶解度。而使用油类或油类与水的混合物，更特别地使用油水乳液、工业废弃油类、生活废弃油类、废弃矿物油和废弃植物油等，可以通过化学势差溶解水合物笼型结构中的甲烷分子，同时溶解地层中的自由气，携带甲烷气体运送至海面或地面，经气液分离获得天然气。
基于此，本发明第一方面提供了一种开采天然气水合物的方法，所述方法包括：
(1)由至少一个注入井将第一流体通入天然气水合物储层，得到溶解有天然气的第二流体；
(2)由至少一个采出井将第二流体引至地面或海面进行气液分离，得到天然气；
(3)将第三流体由至少一个注入井引入天然气水合物储层，以置换储层中残余的第一流体和/或第二流体，
其中，所述第一流体为含碳原子数为4-30、动力粘度为1-100mPa·s的油类，或者该油类与水的混合物。
本发明所述方法具有如下优势：
(1)所波及的储层范围广，储层波及率高。在物性良好的水合物储层中，通过合适的井网布置、井身结构设计以及合理调剖，储层波及率可以达到80％以上；
(2)可以有效保持地层压力，不破坏岩石骨架的承压能力，有效预防了水合物开采造成的地层垮塌、海底塌陷、滑坡等地质灾难；
(3)对环境友好，对地层以及海洋环境没有污染。使用废弃油类或油水乳液注采时，气液分离后可以将液相处理后循环注入地层继续开采，残余的第一流体和/或第二流体也可以通过第三流体置换从而避免对储层的污染。
(4)甲烷在第二流体中的溶解度的变化(由储层压力与采出井中的压力变化所引起的)所导致的自气举效应能够降低提升泵的能量损耗；
(5)可以与其他开采方式有机结合，弥补其他方式波及率低的问题；
(6)有效减少出砂；
(7)经济效益高；
(8)同时本发明所述方法通过在开采前进行压裂造缝改造，增强了储层渗流能力，降低了注入井和采出井之间的压差，防止采出井井底压力过低造成近井地带天然气水合物的分解；使用支撑剂填充裂缝可有效防砂；有利于在近井地带天然气水合物含量过高的情况下第二流体的采出；降低了开采成本；
(9)由于甲烷气体在油相中的溶解度约为水相中的10-20倍，使用本申请所述第一流体可以缩短投产时间、增强自气举效应，降低成本；在多孔介质中由于岩石的亲水性，油相驱替水相为非自发过程，添加表面活性剂可以大幅降低毛管力，增强驱替效果，降低注入井和采出井之间的压差，进一步降低成本；
(10)在开采完成后，使用第三流体顶替出顶替储层中残余的第一流体和/或第二流体，既能实现废液回收再利用，保持良好的海洋生态环境，同时第三流体中的无机盐也能通过化学结垢作用进一步固结地层。
附图说明
图1是本发明所述开采天然气水合物方法的一种实施方式的示意图。
图2是产气量随时间的变化图。
图3是第二流体中气液比随时间的变化图。
附图标记说明
1注入井 2采出井
3第一流体 4第二流体
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明第一方面提供了一种开采天然气水合物的方法，所述方法包括：
(1)由至少一个注入井将第一流体通入天然气水合物储层，得到溶解有天然气的第二流体；
(2)由至少一个采出井将第二流体引至地面或海面进行气液分离，得到天然气；
(3)将第三流体由至少一个注入井引入天然气水合物储层，以顶替储层中残余的第一流体和/或第二流体，
其中，所述第一流体为含碳原子数为4-30、动力粘度为1-100mPa·s的油类，或者该油类与水的混合物。
在本发明所述的方法中，所述油类可以为废弃油类，例如包括但不限于工业废弃油、生活废弃油、废弃矿物油、废弃植物油，优选地所述废弃油类为废弃矿物油。
在本发明中，动力粘度为通过常压、2℃下，使用旋转粘度计测得的粘度。
在本发明所述的方法的另一种实施方式中，所述第一流体为废弃油类与水的混合物，例如所述第一流体为工业废弃油、生活废弃油、废弃矿物油、和废弃植物油中的一种或多种与水的混合物。第一流体为油与水的混合物时，油与水的体积的比可以为(1-20)：1，优选为(1-10)：1。
在本发明所述的方法的一种优选的实施方式中，所述第一流体为为含碳原子数为4-12、动力粘度为1-20mPa·s的油类，或者该油类与水的混合物。
在本发明所述的方法中，所述第一流体还含有第一添加剂，所述第一添加剂包括但不限于无机盐、醇、表面活性剂。所述无机盐例如为氯化钙、氯化镁等；所述醇例如为甲醇、乙二醇等；所述表面活性剂为非离子表面活性和/或离子型表面活性剂，例如包括但不限于山梨醇酐硬脂酸酯(司班)、聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯(吐温)、羧酸的皂类或二价金属盐、磺酸的皂盐、有机酸酯、胺盐类等，优选地所述表面活性剂为非离子表面活性剂，如山梨醇酐硬脂酸酯和/或聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯。
优选地，在第一流体中，所述表面活性剂的含量为1-5g/100mL，优选为1.5-2.5g/100mL。在此，单位“g/100mL”表示100mL第一流体中所含表面活性剂的质量。
在本发明所述方法的一种优选的实施方式中，为了能够溶解天然气水合物，同时减少表面活性剂的使用以减少对天然气水合物储层环境的破坏，优选地，所述表面活性剂为山梨醇酐硬脂酸酯，含量为1.5-2.5g/100mL。
在本发明所述的方法中，优选地，第一流体的注入方式为面积注入或者切割注入。
在本发明所述的方法中，所述第一流体在注入井口的温度为大于0℃至小于35℃，压力为3-70MPa，优选地，所述第一流体在注入井口的温度为1-3℃，压力为7-11MPa。
在本发明所述的方法中，所述第二流体中甲烷的浓度为0.85×10-5-0.85×10- 3mol/mL。
在本发明所述的方法中，在步骤(3)中，所述第三流体为净化的海水，优选地，所述第三流体还含有第三添加剂，所述第三添加剂为无机盐，例如氯化钙、氯化镁、碳酸氢盐、碳酸盐、硫酸盐、氯化物、磷酸盐、硅酸盐等，优选为氯化钙和/或氯化镁。进入储层后，第三流体中的无机盐析出，在地层中发生化学结垢作用，支撑地层，并将储层中残余的第一流体和第二流体顶替出储层。
在本发明所述方法的一种优选的实施方式中，所述方法还包括：在注入第一流体以前，对天然气水合物储层进行压裂造缝改造，所述压裂造缝用于增强储层渗流能力同时使用支撑剂填充裂缝可有效防砂。在此，压裂造缝所用的压裂液可以根据现有技术来选择。
为了扩大波及面积、体积，优选地，所述方法还包括改变井的功能，将注入井作为采出井使用，将采出井作为注入井使用。
为了扩大波及面积、体积，同时实现天然气水合物的高效开采，优选地，采用一个注入井和至少两个采出井，或者采用至少两个注入井和一个采出井。
在本发明所述的方法中，在步骤(2)中，所述气液分离用于将天然气与第一流体分离，所述气液分离的方法选自但不限于重力分离、折流分离、离心分离、填料分离、丝网分离或微孔过滤分离。
在本发明所述的方法中，经气液分离后，将得到的液相可以循环至步骤(1)。
本发明所述方法具有以下优势：
(1)所波及的储层范围广，储层波及率高。在物性良好的水合物储层中，通过合适的井网布置、井身结构设计以及合理调剖，储层波及率可以达到80％以上；
(2)可以有效保持地层压力，不破坏岩石骨架的承压能力，有效预防了水合物开采造成的地层垮塌、海底塌陷、滑坡等地质灾难；
(3)对环境友好，对地层以及海洋环境没有污染。使用废弃油类或油水乳液注采时，气液分离后可以将液相处理后循环注入地层继续开采，残余的第一流体和/或第二流体也可以通过第三流体置换从而避免对储层的污染；
(4)甲烷在第二流体中的溶解度的变化(由储层压力与采出井中的压力变化所引起的)所导致的自气举效应能够降低提升泵的能量损耗；
(5)可以与其他开采方式有机结合，弥补其他方式波及率低的问题；
(6)有效减少出砂；
(7)经济效益高；
(8)同时本发明所述方法通过在开采前进行压裂造缝改造，增强了储层渗流能力，降低了注入井和采出井之间的压差，防止采出井井底压力过低造成近井地带天然气水合物的分解；使用支撑剂填充裂缝可有效防砂；有利于在近井地带天然气水合物含量过高的情况下第二流体的采出；降低了开采成本；
(9)由于甲烷气体在油相中的溶解度约为水相中的10-20倍，使用本申请所述第一流体可以缩短投产时间、增强自气举效应，降低成本；在多孔介质中由于岩石的亲水性，油相驱替水相为非自发过程，添加表面活性剂可以大幅降低毛管力，增强驱替效果，降低注入井和采出井之间的压差，进一步降低成本；
(10)在开采完成后，使用第三流体顶替出储层中残余的第一流体和/或第二流体，既能实现废液回收再利用，保持良好的海洋生态环境，同时第三流体中的无机盐类也能通过化学结垢作用进一步固结地层。
本发明第二方面提供了一种用于开采天然气水合物的系统，所述系统包括：
至少一个注入井，用于向天然气水合物储层通入第一流体；
至少一个采出井，用于将第二流体引至地面或海面；
气液分离系统，用于从第二流体中分离出天然气；
所述至少一个采出井中设置有防砂装置。
在本发明所述系统中，所述注入井和所述采出井为直井或水平井，井进入天然气水合物储层内或位于储层外。
在本发明所述系统的一种实施方式中，所述系统还包括海水提升及控制系统、输气系统等。
根据本发明所述系统，优选地，所述注入井和所述采出井的下端设置有防砂筛管，所述防砂筛管进入天然气水合物储层内。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下为实施例中所用的原料：
矿物油购自摩杰佐石油化工(上海)有限公司，牌号为MOROKE(摩润克)；
司班购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；
吐温购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；
实施例中所述天然气水合物储层为使用甲烷与水人工制得的模拟储层，其中甲烷的含量为1250mL。
实施例1
如图1所示，所述系统具有注入井1和采出井2。所述采出井和采出井进行压裂完井，采出井2具备一整套完善的防砂系统，泥线处配备安全阀。生产管线连接井口安全阀和平台。平台具备第二流体提升单元及控制系统、气液分离系统、气体预处理系统以及输气系统。注水井具备电力供应系统、控制系统、注入及控制单元、过滤系统和电潜泵。
在开采过程中，将由过滤系统预处理后的第一流体(含有司班的矿物油，矿物油所含碳原子数4-12，动力粘度为1-20mPa·s，司班的含量为2g/100mL)由水下电泵泵入储层，第一流体(温度为2℃，压力为8MPa)在压差作用下在储层中运移，运移过程中驱替并溶解地层中的自由气，产生的化学势差溶解水合物笼型结构中的甲烷气体分子，得到含有天然气的第二流体，再经由防砂筛管进入采出井。由于采出井井底压力较低，甲烷在矿物油中溶解度下降，从第二流体中析出，向上流动过程中会产生一定自气举效应，同时通过泵压抽取将第二流体(气油混合物)举升至海平面的气液分离装置中。气油混合物由气液分离系统进行处理，所得气体经预处理后由输气管线运输至陆地处理系统；液相(矿物油)可回收循环再利用。
当第二流体中甲烷的浓度低至0.85×10-5mol/mL以下时，停止开采。将第三流体(含有氯化钙的净化海水)注入地层顶替出第一流体以及第二流体，第三流体在地层中运移时，由于温度下降，无机盐的溶解度下降，无机盐从流体中析出，附着在基岩上发生化学结垢作用，胶结基岩颗粒同时提高地层强度。获得的产气量随时间的变化图如图2所示；第二流体中气液比随时间的变化图如图3所示。在此，所述第二流体中气液比应理解为第二流体中经气液分离后所得气相与液相的体积比。
对比例1
参照实施例1所述方法开采天然气水合物，不同的是，使用净化后的海水作为第一流体。获得的产气量随时间的变化图如图2所示；第二流体中气液比随时间的变化图如图3所示。
实施例2
参照实施例1所述方法开采天然气水合物，不同的是，只使用实施例1所述矿物油作为第一流体。其余与实施例1相同。开采结果如表1所示。
实施例3
参照实施例1所述方法开采天然气水合物，不同的是，使用实施例1所述矿物油与水的混合溶液(矿物油与水的体积比为8：2，司班的含量为4g/100mL)作为第一流体。其余与实施例1相同。开采结果如表1所示。
实施例4
参照实施例1所述方法开采天然气水合物，不同的是，使用含有吐温的生活废弃油(生活废弃油所含碳原子数14-25，动力粘度为30-50mPa·s，吐温的含量为1.5g/100mL)作为第一流体。其余与实施例1相同。开采结果如表1所示。
表1
| 实施例 | 第一流体 | 总产气量/mL | 最高气液比 |
| 实施例1 | 含有司班的矿物油 | 1020 | 21 |
| 对比例1 | 净化后的海水 | 170 | 2.5 |
| 实施例2 | 矿物油 | 960 | 18.5 |
| 实施例3 | 矿物油、水、司班的混合溶液 | 1050 | 16 |
| 实施例4 | 含有吐温的生活废弃油 | 900 | 16 |
由实施例1-4所得结果可知，本发明所述方法可以有效地开采天然气水合物，且与使用净化后的海水作为第一流体的开采方法相比，本申请所述方法具有明显更高的产气量，和明显更高的气液比。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种开采天然气水合物的方法，所述方法包括：
(1)由至少一个注入井将第一流体通入天然气水合物储层，得到溶解有天然气的第二流体；
(2)由至少一个采出井将第二流体引至地面或海面进行气液分离，得到天然气；
(3)将第三流体由至少一个注入井引入天然气水合物储层，以置换储层中残余的第一流体和/或第二流体，
其中，所述第一流体为含碳原子数为4-12、动力粘度为1-20mPa·s的油类，或者该油类与水的混合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一流体还含有第一添加剂，所述第一添加剂包括无机盐、醇和表面活性剂。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述表面活性剂 为非离子型表面活性剂。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述第一流体中，表面活性剂的含量为1-5g/100mL。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述第一流体中，表面活性剂的含量为1.5-2.5g/100mL。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一流体的温度为大于0℃至小于35℃，压力为3-70MPa。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第二流体中甲烷的浓度为0.85×10-5-0.85×10-3mol/mL。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤(3)中，所述第三流体为净化的海水。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第三流体还含有第三添加剂，所述第三添加剂为氯化钙和/或氯化镁。
10.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括在步骤(1)之前，对天然气水合物储层进行压裂造缝改造。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，采用一个注入井和至少两个采出井，或者采用至少两个注入井和一个采出井。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤(2)中，经气液分离后，将得到的液相循环至步骤(1)。
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