CN110344788A - 一种利用深部地层热水开采可燃冰天然气的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种利用深部地层热水开采天然气的方法，包括如下步骤：（1）在勘探可燃冰储藏时，同时勘探地层深部的热水层；（2）钻井完井时，让井穿过可燃冰层，到达下部的热水层；（3）确定可燃冰天然气开采层段、热水开采层段和孔隙储层；（4）用射孔手段建立可燃冰层、热水层和孔隙储层三段地层与井眼的连通通道；（5）把开采生产管线及连接在其底部的防砂装置和注入调控装置放置到相应井下位置；（6）用减压法激发可燃冰层天然气开采；（7）开采深部地层中的热水，将热水引入到井下调控装置以规定的温度、压力和流量注入地层；（8）监控全过程，适当调整工作状态，确保安全稳定可燃冰天然气开采。该方法施工简单、成本低，开采效率高。

Description

一种利用深部地层热水开采可燃冰天然气的方法和系统

技术领域

本发明涉及能源开采技术，具体涉及一种利用深部地层热水开采可燃冰地层中天然气的方法和装置系统。

背景技术

可燃冰的开采方法以融化可燃冰水合物为目标，包括减压法、CO2置换法、井下燃烧产生CO2再注入法、活性化学剂注入法、电磁波融化法。可燃冰的融化是吸热过程，当没有热能补充时，融化过程会停止，且已融化的水气混合流体会再次结冰。这种二次结冰现象妨碍减压法的有效性，也使得其它方法效率降低。

如是，人们提出利用深层的地层热水给融化过程中的可燃冰层补充能量，典型（US8,474,519 B2、CN103510926B）做法是打二口井，一口深井打到较深的热水层，另一口井打到目标可燃冰层，再把二井用水平井或其它天然通道连通，将热水从热水井经连通通道引向开采井，热水流经过程中把热能传给可燃冰层。这种方法现场实施较为复杂，经济效益不高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种利用深部地层热水开采可燃冰地层中天然气的方法和系统，施工简单、成本低，开采效率高。

一种利用深部地层热水开采天然气的方法，包括如下步骤：

（1）在勘探可燃冰储藏时，同时勘探地层深部的热水层；

（2）钻井完井时，让井穿过可燃冰层，到达下部的热水层；

（3）确定可燃冰天然气开采层段、热水开采层段和孔隙储层；

（4）用射孔手段建立可燃冰层、热水层和孔隙储层三段地层与井眼的连通通道；

（5）把开采生产管线及连接在其底部的防砂装置和注入调控装置放置到相应井下位置；

（6）用减压法激发可燃冰层天然气开采；

（7）开采深部地层中的热水，将热水引入到井下调控装置以规定的温度、压力和流量注入地层；

（8）监控全过程，适当调整工作状态，确保安全稳定可燃冰天然气开采。

上述步骤（6）中，所述减压法为：

当可燃冰层压力偏大时，这时的压差定义为正压差；当可燃冰层压力偏小时，这时的压差定义为负压差；

所述正压差的最大极限记为、负压差的最大极限记为，设定一个小于1的安全系数，则安全目标为：

。

为维护可燃冰天然气自动产出的调控目标为：

。

可燃冰层的冰点温度记为，保证天然气正常产出的温度最大上限记为，则温度调控目标为：

；

可燃冰融化潜热记为C，单位为；可燃冰密度记为b，单位为；孔隙储层的孔隙度记为，用小数表示；孔隙储层中的可燃冰饱和度记为S，用小数表示；可燃冰融化前沿面积记为A，单位为；可燃冰融化前沿推进速度记为V，单位为；每小时消耗热能，单位为kcal；则热能公式为：

。

可燃冰储层的热传导系数记为，单位为；在温度梯度的驱动下，单位时间内可燃冰层的导热量为：

；

在可燃冰层中所需维持的温度梯度为：

；

定义，对于某一特定可燃冰储层，为常数。所以，要维持的温度梯度与可燃冰融化前沿推进速度成正比，即，

。

一种深部地层热水开采天然气的方法所用到的装置系统，包括套管3、两组用于阻止地层固体颗粒物流出的防砂筛管5、

所述套管3穿过海床面下方地层、可燃冰层和孔隙储层后向下延伸至热水层；

两组所述防砂筛管5分别设置在可燃冰层和孔隙储层处的套管3内，所述防砂筛管5外层表面设有若干流体通道孔，所述通道孔的布置范围覆盖可燃冰层和孔隙储层的目标层段；每个所述防砂筛管5的上下两端都设置有封隔装置6以阻止流体流动。

本发明的有益效果：

（1）实现可燃冰天然气持续产出。由于热能降低，可燃冰层天然气开采过程容易出现二次结冰， 通过往可燃冰层注入热水，补充热能；通过调整控制注入水温度、压力和流量，保持可燃冰有控连续地融化，从而实现可燃冰天然气持续产出。

（2）避免可燃冰层天然气采出而产生局部垮塌。可燃冰层天然气产出后，注入的水填补亏空的物质，保持住可燃冰地层的压力，防止因物质亏空、压力变化而出现局部垮塌。

附图说明

图1为本发明实施例一，在直井中实施的结构示意图；

图2为本发明实施例二，在直井中实施的结构示意图；

图3为本发明实施例三，在斜井或水平井中实施的井下结构示意图；

图4为本发明的井下调控装置的工作原理图。

图中：1为温水调控系统、2为工作管、3为套管、4为堵头、5为防砂筛管、6为封隔装置、7为井下调控装置、8为分离提升系统、9为气水通道、11为可燃冰层、12为孔隙储层、13为热水层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步解释说明。

本发明的开采方法为：

（1）在勘探可燃冰储藏时，同时勘探地层深部的热水层。

（2）钻井完井时，让井穿过可燃冰层11到达下部的热水层。

（3）确定可燃冰天然气开采层段、热水开采层段和孔隙储层段。

（4）用射孔等手段建立可燃冰天然气开采层段、热水开采层段和孔隙储层段三段地层与井眼的连通通道。

（5）把开采生产管线及连接在其底部的防砂系统和注入调控系统放置到相应井下位置。

（6）初始激发可燃冰层11天然气开采，可用减压法。

（7）开采深部地层中的热水，将热水引入到热水注入调控系统，该系统以最优的温度、压力和流量注入地层。

（8）监控全过程，适当调整工作状态，确保安全稳定可燃冰天然气开采。

以安全稳定可燃冰天然气开采为目标，上述步骤可以适当增减和调整顺序。可燃冰层11天然气产出与热水注入两个过程可以同时连续进行，也可以交替间歇，也可以无关联各自连续或间歇进行。

实施例一

参照图1，本实施例是完全利用热水层进行开采作业：

对裸井进行完井作业，下套管3并注水泥固定。套管3逐次穿过目标可燃冰层11、孔隙储层12向下延伸至热水层13。一般情况下，热水层13的温度和压力都高于可燃冰层11的温度和压力。

套管3中可以有电缆通过，防砂筛管5用于防砂、堵砂，阻止地层固体颗粒物流出。在可燃冰层11和孔隙储层12处的套管3上均设置有防砂筛管5，所述防砂筛管5外层设有许多流体通道孔，通道孔的布置范围覆盖可燃冰层11和孔隙储层12的目标层段。防砂筛管5的上下两端都设置有封隔装置6用于阻止流体流动。

图1中热水层13一般是具有一定孔隙空间的含水地层，其中热水可能自喷，或在负压差下流出。孔隙储层12中的水和天然气形成了可燃冰，该储层的压力和温度正处于可燃冰（天然气水合物）的形成和保存条件。

可燃冰可能占据整个储层，也可能只占据一部分。不管哪种情况，一般选择偏底部的储层段作为温水进入的孔隙储层12。孔隙储层12要与其上方的可燃冰层11具有连通性，以便热能和物质能够传送到可燃冰层11。为了保证注入热能最佳地到达可燃冰融化前沿，井下调控装置7通过关闭一部分注水通道孔或者打开一部分注水通道孔，也就是说井下调控装置7能够控制通道孔通断，从而实现调整注水口的深度位置，随着可燃冰融化前沿向地层径向深部推进，温水通道孔到可燃冰采出口之间的距离逐步增大。可燃冰层11得到了热能补充后，可燃冰的融化过程得以持续进行。融化后的可燃冰水气混合液在压差驱动下流入工作管2中，继而向上流向海床面，经分离提升系统8产出天然气。分离提升系统8最常见的是重力分异，分子筛也是一种很好选择。堵头4一般置于海床面位置，分离提升系统8可以放置于海床面，也可以放置于海面。套管3可采用传统的石油井套管。

为使可燃冰天然气安全、平稳地产出，可燃冰融化液产出时发生的热损耗速率需要与传入的热量达到平衡，可燃冰融化液产出时造成的物质亏空和补充的物质量需要达到平衡。

参考图4，物质平衡的重要表象是压力平衡。当可燃冰层11压力偏大时，这时的压差定义为正压差。当可燃冰层11压力偏小时，这时的压差定义为负压差。可燃冰层11及其上覆地层所构成的机械系统可以承受一定量的压力不平衡。正压差的最大极限记为，负压差的最大极限记为。如果压差大于就会发生喷涌，如果压差小于-就会发生坍塌。设定一个小于1的安全系数，则安全目标为：

。

为维护可燃冰天然气自动产出，我们将压差控制在正压差范围，此时，调控目标为：

。 （1）

热平衡的重要表象是可燃冰融化前沿处的温度T。可燃冰的冰点温度随压力而变化。对于一具体层位，其冰点温度记为。为维护可燃冰融化前沿不结冰，我们保持其温度大于冰点温度。为了安全可控产出天然气，我们也不能让温度高于上限。此时，温度调控目标为：

。

可燃冰融化潜热记为C，单位为；可燃冰密度记为b，单位为；可燃冰孔隙储层12的孔隙度度记为，用小数表示；孔隙储层12中的可燃冰饱和度记为S，用小数表示；可燃冰融化前沿面积记为A，单位为；可燃冰融化前沿推进速度记为V，单位为。这时，每小时消耗热能（单位为kcal）可用下式表示：

。

可燃冰储层的热传导系数记为，单位为。假定可燃冰融化前沿面积不变，则在温度梯度的驱动下，单位时间（1小时）内，可燃冰储层的导热量为：

。

如果只考虑可燃冰融化潜热，忽略可燃冰地层温升，则在可燃冰地层中所需维持的温度梯度为：

。

定义。对于某一特定可燃冰储层，为常数。所以，要维持的温度梯度与可燃冰融化前沿推进速度成正比，即，

。 （2）

式（1）和（2）构成了注入调控系统的算法核心。

实施例二

参考图2，该实施例与上述实施例一的区别在于，本实施例利用了表层温水和深部地层热水共同作用，开采天然气。

在结构上，本实施例的上端连接温水调控系统1，表层海水通过工作管2进入到井下调控装置7，井下调控装置7也连通深部地层上来的热水，同时利用表层温水和深部地层热水经调节后注入到孔隙储层12中。可燃冰层11融化后穿过防砂筛管5进入工作管2中，继续上行通过环形气水通道9，进入分离提升系统8。温水调控系统1中可以添加活性剂和对温水进行加热等。

实施例三

参考图3，本实施例是本发明在斜井或水平井中应用，利用深部地层的温水进行开采天然气。其原理同实施例一。

Claims (3)

1.一种利用深部地层热水开采天然气的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）在勘探可燃冰储藏时，同时勘探地层深部的热水层；

（2）钻井完井时，让井穿过可燃冰层，到达下部的热水层；

（3）确定可燃冰天然气开采层段、热水开采层段和孔隙储层；

（4）用射孔手段建立可燃冰层、热水层和孔隙储层三段地层与井眼的连通通道；

（5）把开采生产管线及连接在其底部的防砂装置和注入调控装置放置到相应井下位置；

（6）用减压法激发可燃冰层天然气开采；

（7）开采深部地层中的热水，将热水引入到井下调控装置以规定的温度、压力和流量注入地层；

（8）监控全过程，适当调整工作状态，确保安全稳定可燃冰天然气开采。

2.根据权利要求1所述利用深部地层热水开采天然气的方法，其特征在于，上述步骤（6）中，所述减压法为：

当可燃冰层压力偏大时，这时的压差定义为正压差；当可燃冰层压力偏小时，这时的压差定义为负压差；

所述正压差的最大极限记为、负压差的最大极限记为，设定一个小于1的安全系数，则安全目标为：

;

为维护可燃冰天然气自动产出的调控目标为：

;

可燃冰层的冰点温度记为，保证天然气正常产出的温度最大上限记为，则温度调控目标为：

；

可燃冰融化潜热记为C，单位为；可燃冰密度记为b，单位为；孔隙储层的孔隙度记为，用小数表示；孔隙储层中的可燃冰饱和度记为S，用小数表示；可燃冰融化前沿面积记为A，单位为；可燃冰融化前沿推进速度记为V，单位为；每小时消耗热能，单位为kcal；则热能公式为：

;

可燃冰储层的热传导系数记为，单位为；在温度梯度的驱动下，单位时间内可燃冰层的导热量为：

；

在可燃冰层中所需维持的温度梯度为：

；

定义，对于某一特定可燃冰储层，为常数;

所以，要维持的温度梯度与可燃冰融化前沿推进速度成正比，即，

。

3.一种如权1所述利用深部地层热水开采天然气方法所用到的装置系统，其特征在于：包括套管(3)和两组用于阻止地层固体颗粒物流出的防砂筛管(5),

所述套管(3)穿过海床面下方地层、可燃冰层和孔隙储层后向下延伸至热水层；

两组所述防砂筛管(5)分别设置在可燃冰层和孔隙储层处的套管(3)内，所述防砂筛管(5)外层表面设有若干流体通道孔，所述通道孔的布置范围覆盖可燃冰层和孔隙储层的目标层段；每个所述防砂筛管(5)的上下两端都设置有封隔装置(6)以阻止流体流动。