CN111720100A - 一种冻土区非常规天然气联合开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种冻土区非常规天然气联合开采方法，通过将主井布置到下伏煤层或泥页岩以下，并在周边布置多口副井通过水平井与主井对接，开采多层位的非常规天然气，并通过水平压裂增产，提高钻井和经济效率，降低施工成本采用主力井产出的天然气作为循环介质，克服了常规垂直钻井降压开采时，由于可燃冰富集的不均匀性导致的出气速率慢，开采效率低，将钻孔布置到可燃冰富集层下伏的煤层段和页岩段，可以提高主力井初始的产气量，增加初始加热循环介质的供应量，提高产气量和产气效率。
Description
技术领域
本发明属于非常规油气勘探领域，尤其涉及冻土区非常规天然气联合开采。
背景技术
天然气水合物（Natural Gas Hydrate）是在低温高压下由水与小客体气体分子组成的类冰、非化学计量、笼形固体化合物，俗称“可燃冰”。可燃冰又称天然气水合物，是由具有相对较低分子质量的气体(如甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、氮气等)和水在低温高压条件(通常T为0–10℃，P>10MPa)下形成的一种内含笼形结构的固态类冰状物质，主要赋存于海底沉积物、陆域永久冻土带以及一些深水湖泊底部沉积物中。天然气水合物因其能量密度高、分布广、规模大、埋藏浅、成藏物化条件优越，被视为是21世纪最具潜力的代替煤炭、石油和天然气的新型洁净能源之一。我国曾于2008年首次在祁连山地区冻土带钻获了水合物实物样品，实现了我国陆域水合物研究的重大突破，2017年我国南海天然气水合物试采成功。在2020年3月26日我国海域天然气水合物（可燃冰）第二轮试采再次迎来历史性突破——创造了“产气总量 86.14 万立方米，日均产气量2.87万立方米”两项新的世界纪录，攻克了深海浅软地层水平井钻采核心技术，实现了“探索性试采”向“试验性试采”的重大跨越，在产业化进程中，取得重大标志性成果。在我国，除海域具有潜力巨大的天然气水合物资源外, 陆域天然气水合物资源前景亦为广阔。由于天然气水合物极有可能成为人类未来清洁型接替能源，对于像中国这样能源消耗大，能源紧张的大国，勘探开发天然气水合物新型能源具有重大的科学及战略意义。
在陆域水合物方面，中国作为第三大冻土面积的国家，具备天然气水合物形成条件。
通过研究显示，陆地天然气水合物及其异常现象主要产出在冻土层下１３０～４００ｍ之间，饱和度较低，在空间分布上具有非常强的非均质性；水合物发育地层下部地层都存在三角洲沉积环境形成的地层，即都发育有煤层，比如加拿大马更些三角洲冻土区下部发育褐煤；针对天然气水合物的成藏理论和气源来源，提出了较多观点，第一种观点认为属于煤成气，来源下伏煤系地层，包括煤层及炭质页岩；第二种观点认为属于混合型气源，下伏煤层中的煤成气和在煤层下伏地层中烃源岩的油型气组成的混合气体；第三种观点认为热解成因气为主，为典型的有机质成因烃类气体；可见下伏在可燃冰层的煤层、泥页岩层有机质含量高、热成熟度高，具备较好的天然气潜力，根据实际需求，针对各层非常规天然气赋存状态，提出一种联合开采的方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种对冻土区非常规天然气的联合开采方法，可以实现冻土区非常规天然气的联合开采，开采效率高，成本低，绿色环保。
本发明为实现上述目的采用的技术方案是：冻土区非常规天然气联合开采的方法包括以下步骤：步骤一：根据区域地质资料、物探资料和可燃冰钻井资料，综合编制出开采区内可燃冰厚度和深度的分布图、冻土带厚度分布图以及工区内断裂分布图，结合钻井采集可燃冰样品的情况评定出可燃冰甜点区和有利区；
步骤二：根据区域煤炭地质的勘探和开采资料，编制出工区内主力煤层厚度、深度和瓦斯含量分布图，泥页岩的有机碳含量、厚度、成熟度、脆性矿物、深度和含气量分布图，对于地下煤采掘过程中瓦斯突出较大的区域，需重点关注，综合评价出煤层瓦斯和页岩气的甜点区和有利区；
步骤三：根据步骤一与步骤二中编制的资料，综合评价圈定出非常规天然气的甜点区和有利区，并且选定非常规天然气开采主井A的钻井位置；
步骤四：根据上述步骤确定的主井A井位，采取三开的方式实施主井A的钻进，在钻进过程中需进行气测监测，确定气测显示层位，并以主井A为中心在其周围布置多个副井B，并对主井A和副井B下套管，并从多个副井B沿着天然气层位施工水平井与主井A连接，增大天然气储层的暴露面积；
步骤五：在主井A和副井B的孔口套管与岩壁之间进行封孔止水处理，并对上述气测显示层位进行主井A的套管射孔，使相应套管形成花管段，在孔口安装采气树、抽水降压设备、加热设备和集气装置，其中抽水降压设备包括抽水设备、排水管、输电电缆及液位传感器等；
步骤六：开启抽水降压设备对井孔内水进行抽采，收集降压释放出的初始天然气，通过加热设备和压缩设备对初始释放出的天然气进行加热，从副井B中注入，经过副井B的垂直段和水平段进入到主力井中，形成加热循环，对井下水合物层段、煤层气层段、页岩气层段等储层进行加热解析，以便释放更多的天然气，对于采出的天然气除了满足作为加热循环气体外，剩余部分储存在集气装置中，并根据井口出气量大小实时补偿气量，满足加热循环气体的最低需求量；
步骤七：对产气量进行实时监测，当出现稍微下降时，可采用适当补偿加热气量，促进储层吸附气体的解析；当出现明显降低时，从副井B中对各个水平井段进行压裂处理，并在主力井的套管各个压裂层段位置布置压力传感器，用于监测各个层段的产气速度和变化趋势；
步骤八：水平压裂后，当日产气量超过10000m3/天时，无需要再注入加热过的天然气；当日产气量逐步降低于10000m3/天，需要向井下注入高温的天然气对含气层段进行加热驱动天然气的解析，提高产能；
步骤九：重复上述步骤七-八步骤，并根据压力传感器的监测数据判断各个含气层的产气能力，对于产气能力较弱的层段，逐步终止对其的压裂改造，直至所有的采气结束。
本发明实现了对冻土区非常规天然气的联合开采，其有益效果在于：
1）本发明采用主井A产出的天然气作为循环介质，无需另外准备热传媒介质，对于资源比较紧张的冻土带地区显得尤其珍贵，且对冻土带的环境影响很小，可重复利用性高；2）本发明克服了常规垂直钻井降压开采时，由于可燃冰富集的不均匀性导致的出气速率慢，开采效率低，将钻孔布置到可燃冰富集层下伏的煤层段和页岩段，可以提高主力井初始的产气量，增加初始加热循环介质的供应量，提高产气量和产气效率；3）通过在主井A周围布置多口副井B，副井B通过水平井组与主井A对接，形成立体的抽采体系，实现了同一口主井A开采多层位的天然气，并通过水平压裂增产，提高钻井和经济效率，降低施工成本；4）当主井A产气量出现波动时，可注入加热后的天然气进行补偿，实现产气量的稳定性；5）根据压力传感器的监测数据判断各个含气层的产气能力，对于产气能力较弱的层段，逐步终止对其的压裂改造，优化采气系统，提高采气效率，降低成本；6）循环介质采用风电加热，节能环保；7）控制系统优化，PLC+CRT控制，人工远程控制；采用以微处理器为基础的可编程序控制器（PLC）进行程序控制，由集中控制运行站、PLC装置构成分层结构型式。程序控制逻辑设计符合工艺系统要求，控制系统对整个工艺系统进行集中监视、管理和自动程序控制，并可实现远方自动和本地手动操作。
附图说明
图1为本发明的非常规天然气开采示意图；
图2为一口主井与三口副井联合开采示意图；
图3为一口主井与四口副井联合开采示意图；
图4为另一实施例中一口主井与四口副井联合开采示意图；
图5为多口主井与多口副井联合开采示意图；
图6为抽水装备结构示意图。
附图标记：1,可燃冰层；2,煤层；3,泥页岩层；4,套管；5,双层钻杆；6,抽水装备；6-1,第一接箍；6-2,出水阀；6-3,外管；6-4,工作泵筒;6-5,连接管；6-6,柱塞；6-7,下游动阀；6-8,进水阀；6-9,第二接箍；6-10,进水腔室；6-11,盲堵；A,主井；B,副井。
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。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。
如图1所示，本发明冻土区非常规天然气联合开采方法包括以下步骤：
步骤一：根据区域地质资料、物探资料和可燃冰钻井资料，综合编制出开采区内可燃冰层1厚度和深度的分布图、冻土带厚度分布图以及工区内断裂分布图，结合钻井采集可燃冰样品的情况评定出可燃冰甜点区和有利区；
步骤二：根据区域煤炭地质的勘探和开采资料，编制出工区内主力煤层2厚度、深度和瓦斯含量分布图，泥页岩层3的有机碳含量、厚度、成熟度、脆性矿物、深度和含气量分布图，对于地下煤采掘过程中瓦斯突出较大的区域，需重点关注，综合评价出煤层瓦斯和页岩气的甜点区和有利区；
步骤三：根据步骤一与步骤二中编制的资料，综合评价圈定出非常规天然气的甜点区和有利区，并且选定非常规天然气开采主井A的钻井位置；
步骤四：根据上述步骤确定的主井A井位，采取三开的方式实施主井A的钻进，在钻进过程中需进行气测监测，确定气测显示层位，并以主井A为中心在其周围布置多个副井B，并对主井A和副井B下套管，并从多个副井B沿着天然气层位施工水平井与主井A连接，增大天然气储层的暴露面积；
步骤五：在主井A和副井B的孔口套管与岩壁之间进行封孔止水处理，并对上述气测显示层位进行主井A的套管射孔，使相应套管形成花管段，在孔口安装采气树、抽水降压设备、加热设备和集气装置，其中抽水降压设备包括抽水设备、排水管、输电电缆及液位传感器等；
步骤六：开启抽水降压设备对井孔内水进行抽采，收集降压释放出的初始天然气，通过加热设备和压缩设备对初始释放出的天然气进行加热，从副井B中注入，经过副井B的垂直段和水平段进入到主力井中，形成加热循环，对井下水合物层段、煤层气层段、页岩气层段等储层进行加热解析，以便释放更多的天然气，对于采出的天然气除了满足作为加热循环气体外，剩余部分储存在集气装置中，并根据井口出气量大小实时补偿气量，满足加热循环气体的最低需求量；
步骤七：对产气量进行实时监测，当出现稍微下降时，可采用适当补偿加热气量，促进储层吸附气体的解析；当出现明显降低时，从副井B中对各个水平井段进行压裂处理，并在主力井的套管各个压裂层段位置布置压力传感器，用于监测各个层段的产气速度和变化趋势；
步骤八：水平压裂后，当日产气量超过10000m3/天时，无需要再注入加热过的天然气；当日产气量逐步降低于10000m3/天，需要向井下注入高温的天然气对含气层段进行加热驱动天然气的解析，提高产能；
步骤九：重复上述步骤七-八步骤，并根据压力传感器的监测数据判断各个含气层的产气能力，对于产气能力较弱的层段，逐步终止对其的压裂改造，直至所有的采气结束。
所述步骤三中的非常规天然气甜点区为可燃冰甜点区和/或页岩气甜点区和/或煤层气甜点区；所述非常规天然气有利区为可燃冰甜点区和/或页岩气甜点区和/或煤层气有利区；所述主井A的井位优先布置在可燃冰甜点区和页岩气甜点区和煤层气甜点区内所形成的甜点区内；
在所述步骤四中，在实施主井A时先采用安装有随钻测井装置的取心钻井工艺钻进到指定深度，终孔孔径为100mm，然后进行扩孔，并记录有气测显示层位的深度和长度，根据气测显示特征和钻出岩心判断气测段为水合物层段、页岩气层段和煤层气层段，下入相应直径的套管，其中所述钻孔的指定深度为钻进至下伏煤系地层底界以下2米；当存在多套下伏煤系地层时，需钻透最下层煤系地层；
在所述步骤四中，多个副井B也处于天然气甜点区内，采用先取心工艺钻进，再进行扩孔，水平段造斜，下套管和固井等工序，除了表层套管Φ215.9mm以外，其他各层套管都根据岩心的异常层位下入花管，便于分解的气体从地层中溢出；副井B的井位相对主井A均匀分布，比如左右对称式、等边三角形式、正方形式和菱形式等等，如图2-4所示，一口主井A与三~五口副井B配合的方式，提高主井A的利用率，降低抽采成本；
在所述步骤四中，当副井B处于天然气甜点区时，需在可燃冰层、煤层和泥页岩层都施工水平井；当副井B处于天然气有利区时，只需从相应的天然气富集层实施水平井段，比如只实施可燃冰富集层水平井；
如图5所示，在所述步骤四中，在同一口副井B中可造斜打多个水平井段与周围多个主井A对接，实现一口井多用，降低了开采成本，提高产气率；一口副井B可与二~六口主井A对接；
在所述步骤九中，对于产气能力较弱的层段，可对相应层位注砂封堵储层，提高其他层位的产气效率，减小能耗损失；
在图1中示出了在煤层2和泥页岩层3中各个单独层位分别施工水平井段，在另一实施例中，当存在多层煤层、煤层与泥页岩互层和多套泥页岩聚集发育时，在评价各个层的含气性后，可对多层煤层和/或泥页岩层施工一口水平井段，通过增加压裂效果，提高水平井的辐射范围，降低施工成本，比如：在图1中的中间煤系地层、底部的两套泥页岩层各自只施工一口水平井段。
如图1和图6所示，在主井A孔底布置抽水设备进行抽水降压抽采，当副井B中水量也较大时，根据实际需要，也可布置抽水设备；抽水设备包括第一接箍6-1，出水阀6-2，外管6-3，工作泵筒6-4，连接管6-5，柱塞6-6，下游动阀6-7，进水阀6-8，第二接箍6-9，进水腔室6-10和盲堵6-11，底孔抽水设备抽采过程中，井内液体通过桥式进水阀总成的侧向进水孔进入泵内，由柱塞泵排至泵上，具有设备简单，可用天然气和电作动力，易于实现自动控制；设计方法简单、成熟；投资少，并可使装备多井重复使用；不受采出程度影响，能把气采至枯竭等优点。
为了降低开采成本，充分利用当地日照时间长和风力强的特点，决定采取低成本的清洁的动力源，制定了由太阳能和风力发电给加热系统提供电源的方式。其中太阳能设计额定功率为10KW，风力发电机额定功率为30KW，并通过30块大容量蓄电池和逆变器将产生的电能转化380/220V交流电。
其中，太阳能电池板性能参数：
（1）设计功率10KW，输出电压为37V DC；
（2）采用高效率晶体硅太阳能电池板，转换效率大于14%；
（3）共计40块太阳能电池板，每块电池板面积为1.5㎡，支架倾角30°，使用寿命不小于20年，衰减小；
（4）采用无螺钉紧固铝合金边框，便于安装，机械强度高；
（5）采用密封防水的多功能接线盒，电池板表面使用高强度钢化玻璃封装，透光性好，机械强度高。
其中，风力发电机性能参数：
（1）额定功率30KW，额定电压380V；
（2）风叶直径12m，安装高度21m，启动风速2.5m/s，额定风速12.5m/s，安全风速45m/s，额定转速75r/min；
（3）风叶材料：玻璃钢，风叶数量：3；
（4）蓄电池容量：12V ，900AH
此外，为了整个开采系统的优化，采用PLC+CRT控制对各项设备进行控制和管理，实现人工远程控制。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种冻土区非常规天然气联合开采方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：根据区域地质资料、物探资料和可燃冰钻井资料，综合编制出开采区内可燃冰层厚度和深度的分布图、冻土带厚度分布图以及工区内断裂分布图，结合钻井采集可燃冰样品的情况评定出可燃冰甜点区和有利区；
步骤二：根据区域煤炭地质的勘探和开采资料，编制出工区内主力煤层厚度、深度和瓦斯含量分布图，泥页岩层的有机碳含量、厚度、成熟度、脆性矿物、深度和含气量分布图，对于地下煤采掘过程中瓦斯突出较大的区域，需重点关注，综合评价出煤层瓦斯和页岩气的甜点区和有利区；
步骤三：根据步骤一与步骤二中编制的资料，综合评价圈定出非常规天然气的甜点区和有利区，并且选定非常规天然气开采主井A的钻井位置；
步骤四：根据上述步骤确定的主井A井位，采取三开的方式实施主井A的钻进，在钻进过程中需进行气测监测，确定气测显示层位，并以主井A为中心在其周围布置多个副井B，并对主井A和副井B下套管，并从多个副井B沿着天然气层位施工水平井与主井A连接，增大天然气储层的暴露面积；
步骤五：在主井A和副井B的孔口套管与岩壁之间进行封孔止水处理，并对上述气测显示层位进行主井A的套管射孔，使相应套管形成花管段，在孔口安装采气树、抽水降压设备、加热设备和集气装置，其中所述抽水降压设备包括抽水设备、排水管、输电电缆及液位传感器等；
步骤六：开启所述抽水降压设备对井孔内水进行抽采，收集降压释放出的初始天然气，通过加热设备和压缩设备对初始释放出的天然气进行加热，从副井B中注入，经过副井B的垂直段和水平井段进入到主力井中，形成加热循环，对井下水合物层段、煤层气层段、页岩气层段等储层进行加热解析，以便释放更多的天然气，对于采出的天然气除了满足作为加热循环气体外，剩余部分储存在集气装置中，并根据井口出气量大小实时补偿气量，满足加热循环气体的最低需求量；
步骤七：对产气量进行实时监测，当出现稍微下降时，可采用适当补偿加热气量，促进储层吸附气体的解析；当出现明显降低时，从副井B中对各个水平井段进行压裂处理，并在主力井的套管各个压裂层段位置布置压力传感器，用于监测各个层段的产气速度和变化趋势；
步骤八：水平压裂后，当日产气量超过10000m3/天时，无需要再注入加热过的天然气；当日产气量逐步降低于10000m3/天，需要向井下注入高温的天然气对含气层段进行加热驱动天然气的解析，提高产能；
步骤九：重复上述步骤七-八步骤，并根据压力传感器的监测数据判断各个含气层的产气能力，对于产气能力较弱的层段，逐步终止对其的压裂改造，直至所有的采气进程结束。
2.根据权利要求1所述的一种冻土区非常规天然气联合开采方法，其特征在于：所述步骤三中的非常规天然气甜点区为可燃冰甜点区和/或页岩气甜点区和/或煤层气甜点区；所述非常规天然气有利区为可燃冰甜点区和/或页岩气甜点区和/或煤层气有利区；所述主井A的井位优先布置在可燃冰甜点区和页岩气甜点区和煤层气甜点区内所形成的甜点区内。
3.根据权利要求1所述的一种冻土区非常规天然气联合开采方法，其特征在于：在实施主井A时先采用安装有随钻测井装置的取心钻井工艺钻进到指定深度，终孔孔径为100mm，然后进行扩孔，并记录有气测显示层位的深度和长度，根据气测显示特征和钻出岩心判断气测段为水合物层段、页岩气层段和煤层气层段，下入相应直径的套管，其中所述钻孔的指定深度为钻进至下伏煤系地层底界以下2米；当存在多套下伏煤系地层时，需钻透最下层煤系地层。
4.根据权利要求1所述的一种冻土区非常规天然气联合开采方法，其特征在于：多个副井B也处于天然气甜点区内，采用先取心工艺钻进，再进行扩孔，水平段造斜，下套管和固井等工序，除了表层套管Φ215.9mm以外，其他各层套管都根据岩心的异常层位下入花管，便于分解的气体从地层中溢出。
5.根据权利要求1所述的一种冻土区非常规天然气联合开采方法，其特征在于：副井B的井位相对主井A均匀分布，采用左右对称式、等边三角形式、正方形式和菱形式等，一口主井A与三~五口副井B配合，提高主井A的利用率。
6.根据权利要求1所述的一种冻土区非常规天然气联合开采方法，其特征在于：当副井B处于天然气甜点区时，需在可燃冰层、煤层和泥页岩层都施工水平井；当副井B处于天然气有利区时，只需从相应的天然气富集层实施水平井段。
7.根据权利要求1所述的一种冻土区非常规天然气联合开采方法，其特征在于：在所述步骤四中，在同一口副井B中可造斜打多个水平井段与周围多个主井A对接，实现一口井多用，降低了开采成本，提高产气率；一口副井B可与二~六口主井A对接。
8.根据权利要求1所述的一种冻土区非常规天然气联合开采方法，其特征在于：当存在多层煤层、煤层与泥页岩互层和多套泥页岩聚集发育时，在评价各个层的含气性后，可对多层煤层和/或泥页岩层施工一口水平井段，通过增加压裂效果，提高水平井的辐射范围。
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