CN111550222B - 一种注蒸汽开采天然气水合物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种注蒸汽开采天然气水合物的方法。该方法使用一种有效的井网组合方式，可有效改善注入储层的蒸汽热利用率，提高储层的生产效率，提高水合物的采收率和开发效果。本发明的注蒸汽开采天然气水合物的方法与现有的开采天然气水合物的方法相比，提高了注入能力、提高了加热效率、提高了气体产量、降低了产液过程中携砂产出的风险。应用本发明提供的可燃冰注蒸汽开采方法可以改善可燃冰的开发效率，改善目前天然气水合物开发效率低和不持续的缺点。

Description

一种注蒸汽开采天然气水合物的方法
技术领域
本方法属于天然气水合物开采技术领域，具体涉及一种注蒸汽开采天然气水合物的方法。
背景技术
可燃冰，即天然气水合物(Natural Gas Hydrate)，分子结构式为CH4·H2O，是在一定条件下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时结合形成的固体笼状结晶化合物，分布于深海海底或陆域的永久冻土中。因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，所以被称作“可燃冰”。
形成可燃冰至少要满足三个基本条件：温度、压力和原材料。首先，可燃冰在0℃以下生成，一旦超过20℃便会分解，而海底温度一般保持在2～4℃左右，最适合可燃冰的形成；其次是压力要足够大，可燃冰在0℃时，只需3MPa即可生成，而以海底的300m深度即可保证，并且海底越深压力就越大，可燃冰也就越稳定；第三是要有甲烷气源，海底古浮游生物尸体的沉积物被细菌分解后会产生甲烷，因此可产生充足的气源。在温度、压力、气源三者都具备的条件下，可燃冰晶体就会在海底有利部位的空隙间生成。因此，地球上绝大部分的可燃冰分布在海洋里，据估算，海洋里可燃冰的资源量是陆地上的100倍以上。据最保守的统计，全球海底可燃冰中贮存的甲烷总量约为1.8亿亿立方米(18000×1012m3)，约合1.1万亿吨(11×1012t)，如此数量巨大的能源是人类未来动力的希望，是21世纪具有良好前景的后续能源。可燃冰被西方学者称为“21世纪能源”或“未来新能源”。1m3体积的可燃冰大概可以分解为164m3体积的甲烷气体和0.8m3淡水。迄今为止，在世界各地的海洋及大陆地层中，已探明的“可燃冰”储量已相当于全球传统化石能源(煤、石油、天然气、油页岩等)储量的两倍以上，其中海底可燃冰的储量够人类使用1000年。
但是，可燃冰的发现在给人类带来新的能源前景的同时，对人类生存环境也提出了严峻的挑战。要想对可燃冰进行利用，必须将其从海底运送至海面，在运送过程中，可燃冰所处的环境条件会发生明显的变化，压力降低、温度升高，导致甲烷气逸出，固态可燃冰便趋于崩解。不仅无法将海底可燃冰作为能源加以利用，而且如果让海底可燃冰中的甲烷气逃逸到大气中去，其强烈的温室效应会造成气候异常和海面上升，会严重威胁人类赖以生存的环境。另外，固结在海底沉积物中的可燃冰，一旦条件变化使甲烷气从可燃冰中释出，还会改变沉积物的物理性质，极大地降低海底沉积物的工程力学特性，使海底软化，会出现大规模的海底滑坡、海沟坍塌等严重事故。因此，如果开采不当，后果绝对是灾难性的。为了获取这种清洁能源，世界许多国家都在研究天然可燃冰的开采方法。目前可燃冰的开采方法有以下三种：
热激化开采法：直接对天然气水合物层进行加热，使天然气水合物层的温度超过其平衡温度，从而促使可燃冰分解为水和天然气。
减压开采法：减压开采法是一种通过降低压力促使可燃冰分解的开采方法。
化学试剂注入开采法：通过向天然气水合物层中注入某些化学试剂，破坏可燃冰矿藏的相平衡条件，促使可燃冰分解。
在对海底的可燃冰进行开采时，热激化开采法的热量和化学试剂注入开采法所使用的化学试剂均会对海水造成污染，长期开采会对海洋造成严重的破坏。而减压开采法对可燃冰矿藏的性质有特殊的要求，只有当可燃冰矿藏位于温压平衡边界附近时，减压开采法才具有经济可行性。
基于以上原因，海底可燃冰至今无法投入大规模商业性开采。
现有技术中提出的注蒸汽开发天然气水合物存在以下问题：1)天然气水合物一般作为储层的胶结物存在，水分子之间致密的结合降低了储层的渗透性，从而降低了注入蒸汽的能力。2)天然气水合物热解后产生的气体和液体不能及时产出，导致储层压力升高，导致储层破坏的风险。3)排采过程中一般会出现压力降低，引起储层失稳和出砂风险。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供一种注蒸汽开采天然气水合物的方法，该方法使用一种有效的井网组合方式，可有效改善注入储层的蒸汽热利用率，提高储层的生产效率，提高水合物的采收率和开发效果。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种注蒸汽开采天然气水合物的方法，该方法包括以下步骤：
S1、按照平行于最大主应力方向，在储层底部下方第一预设距离处水平钻进一口水平井，以割缝筛管完井；水平井筒内设置长注汽管柱和短注汽管柱，在脚跟位置设置封隔器，保证蒸汽不返回进入套管；
优选地，所述第一预设距离为1-2m。
优选地，所述水平井的水平段长度为800～1000m。
S2、在水平井侧向第二预设距离平行部署5～10口直井；直井在储层内部以割缝筛管完井至储层底部下方，筛管底部与所述水平井高度一致或低于所述水平井1～2m，各直井井筒内部署注汽管柱和封隔器；
其中，水平井侧向包括水平井的两侧；水平井的两侧对称按照S2进行部署直井。
优选地，所述第二预设距离为50～150m。
优选地，所述直井至储层底部下方2m。
此外，还可以在水平井侧向部署一口8-10个分支的多分支井，各分支垂直钻穿储层至储层底部下方与所述水平井相平或低于所述水平井，各分支距离水平井30～50m。其中各分支替代了以上直井。
S3、对水平井实施分段压裂操作，形成水平裂缝，连通水平井和直井，裂缝以石英砂进行支撑；
优选地，裂缝以0.5～2mm的粗粒石英砂进行支撑。
S4、水平井以长注汽管柱注入蒸汽，短注汽管柱生产，进行循环预热；
优选地，循环预热时，注入速度以维持井底压力不超过储层初始压力1.0～1.5倍为标准。所述初始压力为原始层位压力。
优选地，循环预热时，短注汽管柱产液速度以长注汽管柱注入速度的2～3倍为准，产气速度控制在长管注入速度的1100～1440体积倍数。
S5、水平井循环预热至直井产出流体温度升高20℃以上为止；此时，短注汽管柱停止生产，转为注入蒸汽；直井开始投入生产；
直井产出流体温度出现升高现象，即可认为直井和水平井之间已经形成流畅的排液通道。温度升高20℃以上即可将短注汽管柱停止生产，转为注入蒸汽；直井开始投入生产。
优选地，直井开始投入生产后，总体注汽速度以保持不超过储层的初始压力的1.5倍为宜。
优选地，直井开始投入生产后，总体产水速度不超过水平井注汽速度的4～5倍，产气速度控制在注入速度的1900～2400体积倍数为宜。
S6、直井井筒内下入举升装置至储层底部，有效产出冷凝和融化水，套管上部直接产出释放的甲烷；
优选地，直井生产保持井底流压在储层压力的0.8～0.9倍。
S7、生产过程持续至产气量降低至预设日产量以下，生产过程停止。
优选地，所述预设日产量为500m3/d。
在上述注蒸汽开采天然气水合物的方法中，优选地，在生产过程中，S6中还可以包括将其中一口或者几口直井调整为注汽井，以提高直井之间的驱替效率。
在上述注蒸汽开发天然气水合物的方法中，优选地，该方法还包括，当储层底部存在高渗透层时，可以省略S3的压裂操作。
本发明提供的注蒸汽开采天然气水合物的方法与现有的开采天然气水合物的方法相比具有以下较大改进：形成了注采通道，有效改善蒸汽注入量，提高注入能力；利用水平井和直井之间较大的加热的面积，提高了加热效率，提高气体产量；直井生产有效利用重力分异，在加热位置上部采出释放的气体；直井数量多，分摊控制了产水速度和并保持了井底流压，因而降低了产液过程中携砂产出的风险。应用本发明提供的可燃冰注蒸汽开采方法可以改善可燃冰的开发效率，改善目前天然气水合物开发效率低和不持续的缺点。
附图说明
图1为实施例1中注蒸汽开采天然气水合物井网部署示意图。
图2为实施例中水平井井筒结构示意图。
图3为实施例1中注蒸汽开采天然气水合物的井网部署剖面图。
附图标记说明：
1-水平井，2-直井，101-长注汽管住，102-短注汽管住，103-封隔器，3-储层底部，4-储层顶部，5-水平裂缝。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种优选的注蒸汽开采天然气水合物的方法。
储层性质介绍：
模拟储层I油藏埋深在330m，储层有效厚度为50.0m，净总厚度比为0.92，储层为松散砂岩，靠水合物结晶胶结。储层内部无纯泥岩隔夹层，储层上部有较好盖层；底部有粗砂岩层，渗透率达到10达西以上，地层压力3.3MPa。
注蒸汽开采天然气水合物的方法生产的过程为：
1)根据储层地质特征与开发现状，进行初评价：
该油藏满足以下条件：储层较浅为330m，储层厚度>20.0m，储层胶结差，为松散砂岩。储层下部不存在连续分布高渗透砂岩层，储层顶部盖层发育，可以有效阻止气体逃逸。
2)按照图1和图3方式在储层中部署井网，水平井1长度1000m，直井2之间井距d1为150m，直井2与水平井1井距d2为100米；水平井位于储层下方2m处，所有直井2穿过储层顶部4，在储层内部以割缝筛管完井至储层底部3下方低于水平井1。举升泵下入储层底部上方2m位置，举升泵下设置气锚，分离进入泵的气体。
如图3所示，对水平井1实施分段压裂操作，形成水平裂缝5，连通水平井1和直井2，裂缝以0.5～2mm的粗粒石英砂进行支撑。
水平井1井筒结构如图2所示，水平井筒内设置长注汽管柱101和短注汽管柱102，在脚跟位置设置封隔器103。
3)在水平井进行循环预热试注，长注汽管柱101注入压力保持3.5MPa，注入速度50t/d，注蒸汽干度0.40，短注汽管柱102生产井初期排液速度80m3/d，10天后提高到100t/d。发现直井2井筒附近压力很快上升至3.4MPa，短注汽管柱102位置有少量气体产出，循环预热45天之后直井2附近出现产出流体温度上升现象，至60天时，温度上升20°，认为直井和水平井之间已经形成流畅的排液通道。
4)水平井长注汽管柱101和短注汽管柱102连续注汽，注汽速度总计150t/d，14口直井2以单井30m3/d速度产出流体，气体从套管产出，产气速度大概为5000m3/d。
5)持续生产时间2年，发现水合物的产出只存在于水平井1和直井2之间的通道附近，因而调整部分垂直生产井(直井)第1、3、5、7口为注入井，注入速度40m3/d，降低水平井注入量至50m3/d，同时增加生产井(直井)第2、4、6口产量至60m3/d，单井产气速度增加到10000方左右。
6)继续生产2～3年，至单井产气量低于500m3/d。
预计该方法可以保证天然气水合物的稳定连续开采，大幅度提高现有技术的开发效率。
通过实施例1可知，本发明提供的注蒸汽开采天然气水合物的方法和目前现有的天然气水合物的开发方法相比，较大改善了天然气水合物的生产效果，提高了开发效率，和稳产时间。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (12)

1.一种注蒸汽开采天然气水合物的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、按照平行于最大主应力方向，在储层底部下方第一预设距离处水平钻进一口水平井，以割缝筛管完井；水平井筒内设置长注汽管柱和短注汽管柱，在脚跟位置设置封隔器；所述第一预设距离为1-2 m；
S2、在水平井侧向第二预设距离平行部署5~10口直井；直井在储层内部以割缝筛管完井至储层底部下方，筛管底部与所述水平井高度一致或低于所述水平井1~2 m，各直井井筒内部署注汽管柱和封隔器；
S3、对水平井实施分段压裂操作，形成水平裂缝，连通水平井和直井，裂缝以石英砂进行支撑；
S4、水平井以长注汽管柱注入蒸汽，短注汽管柱生产，进行循环预热；
注入速度以维持井底压力不超过储层初始压力1.0~1.5倍为标准；短注汽管柱产液速度以长注汽管柱注入速度的2~3倍为准，产气速度控制在长管注入速度的1100~1440体积倍数；
S5、水平井循环预热至直井产出流体温度升高20℃为止；此时，短注汽管柱停止生产，转为注入蒸汽；直井开始投入生产；
S6、直井井筒内下入举升装置至储层底部，有效产出冷凝和融化水，套管上部直接产出释放的甲烷；
S7、生产过程持续至产气量降低至预设日产量以下，生产过程停止；
该方法利用水平井和直井之间较大的加热的面积，提高了加热效率，提高气体产量；直井生产有效利用重力分异，在加热位置上部采出释放的气体；直井数量多，分摊控制了产水速度和并保持了井底流压，因而降低了产液过程中携砂产出的风险。
2.根据权利要求1所述的注蒸汽开采天然气水合物的方法，其特征在于，水平井的水平段长度为800~1000 m。
3.根据权利要求1所述的注蒸汽开采天然气水合物的方法，其特征在于，所述第二预设距离为50~150 m。
4.根据权利要求1所述的注蒸汽开采天然气水合物的方法，其特征在于，所述直井至储层底部下方2 m。
5.根据权利要求1所述的注蒸汽开采天然气水合物的方法，其特征在于，S2中在水平井侧向部署一口8-10个分支的多分支井，各分支垂直钻穿储层至储层底部下方与所述水平井相平或低于所述水平井，各分支距离水平井30~50 m；其中各分支替代了所述直井。
6.根据权利要求1所述的注蒸汽开采天然气水合物的方法，其特征在于，S3中裂缝以0.5~2 mm的粗粒石英砂进行支撑。
7.根据权利要求1所述的注蒸汽开采天然气水合物的方法，其特征在于，S5中直井开始投入生产后，总体注汽速度以保持不超过储层的初始压力的1.5倍。
8.根据权利要求7所述的注蒸汽开采天然气水合物的方法，其特征在于，S5中直井开始投入生产后，总体产水速度不超过水平井注汽速度的4~5倍，产气速度控制在注入速度的1900~2400体积倍数。
9.根据权利要求1所述的注蒸汽开采天然气水合物的方法，其特征在于，S6中直井生产保持井底流压在储层压力的0.8~0.9倍。
10.根据权利要求1所述的注蒸汽开采天然气水合物的方法，其特征在于，所述预设日产量为500 m3/d。
11.根据权利要求1所述的注蒸汽开采天然气水合物的方法，其特征在于，S6中还包括将其中一口或者几口直井调整为注汽井，以提高直井之间的驱替效率。
12.根据权利要求1所述的注蒸汽开采天然气水合物的方法，其特征在于，当储层底部存在高渗透层时，省略S3的压裂操作。
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