CN112081559A - 一种降压和双管注入改性流体开采天然气水合物的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降压和双管注入改性流体开采天然气水合物的装置和方法，本发明的装置通过对双注入管柱的设计，利用内管柱对储层天然气水合物降压抽气开采，利用外井筒管柱底部布置传感器对储条件，改善储层渗透性，保障流体流通渠道顺畅和降压采气顺利。本发明的方法包括以下步骤：构筑开采井、布置双注入管柱及相关开采和监测设备；天然气水合物的降压分解；储层信息的监测和利用注入改性流体技术对储层水合物的分级及储层渗透性提供保障；天然气及水的收集产出。本发明结合了降压法和注入法的优点，对天然气水合物资源开采的同时，能及时掌握和反馈储层变化信息，根据实际需要向储层注入改性流体进行人工作业，降低水合物的分解开采目的。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物的开采技术领域，尤其是一种降压和双管注入改性流体技术开采天然气水合物的装置和方法。
背景技术
天然气水合物（可燃冰）被誉为 21 世纪的新型清洁替代能源，是一种以天然气（主要成分甲烷）与水在低温高压条件下形成的白色冰雪状晶体化合物，具有储量大、分布广、埋藏浅、能量密度高、燃烧洁净的特点。天然气水合物的开采不同于常规化石能源，它开采的基本思路是：通过改变天然气水合物稳定存在的温-压环境，即水合物相平衡条件，造成固体水合物在储层原位分解成气体和水后再将天然气采出。据此提出的几种常规天然气水合物开采方法（热激法、减压法、化学试剂法），均涉及在原位沉积物藏条件下水合物的分解开采及多相流体流动过程，与石油、天然气的开采相比，具有很大的开采难度。
迄今为止，尚未形成一种经济而有效的可以实现天然气水合物的大规模商业化开采，而已知方法中单纯采用一种开采方法很难实现真正的商业开采目的，必须综合不同方法的优点，取长补短才能达到对天然气水合物藏的经济、高效、安全化的商业开采目的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种能够经济、高效、安全的实现海洋天然气水合物商业化开采，同时也可应用于陆地永久冻土层中的天然气水合物开采的降压和双管注入改性流体开采天然气水合物的装置和方法。
为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案 ：
一种降压和双管注入改性流体开采天然气水合物的装置，包括气相检测系统、注入举升系统和分离系统，其中：注入举升系统包括空气压缩注入装置、水砂混合注入装置和生产套管、表层套管、开采平台出口、电潜泵举升系统，生产套管设置在表层套管内；分离系统包括井下分离系统和井上分离系统，井下分离系统采用膨胀悬挂器悬挂控砂除泥筛管，井上分离系统包括控砂除泥器装置、水气分离器和调节阀D电潜泵举升系统放置在生产套管内，电潜泵举升系统出口分别连接开采平台出口和控砂除泥器装置；气相监控系统设置在电潜泵举升系统与控砂除泥装置之间。
上述方案进一步包括：
空气压缩注入装置包括空气压缩机、储气罐、第二注入管和调节阀C，其中，空气压缩机通过储气罐与第二注入管连接，调节阀C设在储气罐与第二注入管之间；水砂混合注入装置包括储水罐、储砂箱、水砂混合箱、注入泵和调节阀B，其中，所述储水罐和储砂箱与控制阀A相连，水砂混合箱与第一注入管通过注入泵和调节阀B连接；第一注入管和第二注入管伸入到开采井井筒生产套管底部；控砂除泥器装置通过水气分离器的气相出口与储气罐连接，水气分离器的液相出口与储水罐连接。
所述水气分离器的气相出口和液相出口分别设置流量计。
水气分离器的气相出口设置孔板流量计，液相出口设置电磁流量计。
一种基于前述装置的降压和双管注入改性流体开采天然气水合物的方法，包括以下步骤 ：
步骤一，在开采井井眼内布置注液和抽气用的双井筒管柱，同时配置压力、流量、声能传感器用于探测和监视；设置初始参数，包括水、气、砂三相流体的流量、气液比、砂的配比、注入速度；
步骤二，启动注入举升系统，储气罐中的压缩空气通过第二注入管注入人工井底，储水罐中的水和储砂箱内的砂按比例进入水砂混合箱混合，经注入泵增压后通过第一注入管注入人工井底；同时利用压力、声能传感器对储层信息进行实时监控，根据开采进程需要，开启水力增压设备对储层渗透性进行改善，保障流体流通渠道顺畅和降压采气顺利；
步骤三：随着大面积天然气水合物发生分解而产生更多的气态天然气和液态水，采用在开采井井口定出口流量或定出口压力的方式将储层的天然气抽取出来，气态天然气和液态水先经滤砂装置过滤，再通过多级气液分离器分离收集，对产生的流体一部分通过的水气分离器将水回流到注入举升系统内，而大部分则通过泵吸方式随气体一起被采至陆上气-水收集系统后进行分离再利用；采气完井管柱采用控砂除泥筛管，采用分级控砂，通过正反循环洗井的方式进行除泥；电潜泵举升系统将人工井底的水、气、砂三相混合物举升至井口，通过管线流入控砂除泥装置进行除砂，经过除砂除泥后的流体流入水气分离器进行水、气两相分离，并采集气相流量数据和水相流量数据，气体返回储气罐，水返回储水罐，砂进入沉砂罐，测定出砂量，评价电潜泵的举升效率、气液分离效率和携砂能力；
最后通过改变试采模拟装置的操作参数，重复上述步骤，通过监测系统监测并分析不同参数影响下的历史工作曲线变化规律。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：本发明的特点在于控砂除泥筛管做到了有效的控砂，不至于因为砂堵影响正常生产。对海底天然气水合物资源进行降压-注入法复合开采的同时，能及时掌握储层内压力以及渗透率变化情况，原位给出相应改善处理，避免开采过程中储层流体孔道堵塞、压力剧增影响水合物储层结构安全性和稳定性的危险发生。本发明能够有效实现海底水合物的开采；开采成本低、易实现且经济性高；开采技术简单、相关应用设备技术成熟，能较快实现工业开采应用；能够有效控制开采速度及储层渗透率变化；同时能够对储层相关信息做到及时收集反馈和处理。
附图说明
附图1为本发明的降压和双管注入改性流体开采天然气水合物的装置结构示意图。
图中标记：1、空气压缩机；2、储气罐；3、控砂除泥装置；4、水气分离器；5、孔板流量计；6、电磁流量计；7、沉砂罐；8、储水罐；9、储砂箱；10、水砂混合箱；11、注入泵；12、表层套管；13、第一注入管；14、生产套管；15、第二注入管；16、电潜泵举升系统；17、开采平台出口；18、人工井底；19、监测系统；20、调节阀A；21、调节阀B；22、调节阀C；23、调节阀D；24天然气水合物储层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例1
一种实施例装置包括采气检测系统、注入举升系统、分离系统。
注入举升系统包括空气压缩注入装置、水砂混合注入装置和电潜泵举升系统16。空气压缩注入装置包括空气压缩机1、储气罐2、第二注入管15和调节阀C22。空气压缩机1与储气罐2连接，储气罐2与第二注入15连接，且储气罐2与第二注入管15之间设置调节阀C22。水砂混合注入装置包括储水罐8、储砂箱9、水砂混合箱10、注入泵11和调节阀B21，储水罐8和储砂箱9分别与控制阀A20相连。水砂混合箱10与第一注入管13连接，混合箱10与第一注入管13之间设置注入泵11，注入泵11与第一注入管13之间设置调节阀B21。生产套管14放置在表层套管12内，第一注入管13和第二注入管15伸入到开采井井筒生产套管14底部。电潜泵举升系统16放置在生产套管14内，电潜泵举升系统16出口分别连接开采平台出口17和控砂除泥器装置3。
分离系统包括井下分离系统和井上分离系统，井下分离系统采用膨胀悬挂器悬挂控砂除泥筛管。井上分离系统包括控砂除泥装置3、水气分离器4、流量计5和调节阀D23。控砂除泥器装置3与水气分离器4连接，水气分离器4的气相出口与储气罐2连接，水气分离器4的液相出口与储水罐8连接。
水气分离器4的水相出口设置电磁流量计6，液相出口设置孔板流量计5。
井上分离系统是在流体举升至井口后，对水、气、砂三相流体进行分离，返回储罐。具体的：三相流体（水、气、砂）流入控砂除泥装置3，进行除砂除泥处理；经过除砂后的流体流入下一级的水气分离器4进行水、气两相分离，经气液分离后的液体会直接进入储水罐8。
电潜泵举升系统16与控砂除泥装置3之间设有气相监控系统19。
整个天然气水合物降压开采产气过程，首先是通过双管柱的外井筒对地下水合物储层进行泵吸作用或利用中心井筒往地下储层注入热流体或者改性流体，使得水合物在压力下降或温度升高的情况下发生分解，进而触发储层水合物的更大面积的分解。对于水合物分解产气的气液流体，在经过控砂除泥装置3对其泥沙过滤之后，在开采井外井筒泵吸和储层内部压力差双重作用下由底层向开采平台出口17运输产出。在这个过程中根据实际需要来决定对水气分离器 4 的打开和关闭，当开启水气分离器 4的情况下，产出的流体经气液分离后的液体会直接进入水砂混合注入装置的储水罐8，气体部分则经由双井筒套管管柱至储气罐2收集并采出；而当水气分离器 4处于关闭状态下时，储层产出的气液流体直接通过双井筒套管管柱至开采平台出口17产出。在产气过程中根据实时的储层数据信息来调整和控制井口出口压力和出口流量大小，从而达到对水合物开采产气速度的有效控制，更好开采天然气的目的。
实施例2
对开采井井壁布置固定套管部件及隔封设备后，天然气水合物试采方法程序为：
步骤一，在开采井井眼内布置注液和抽气用的双井筒管柱第二注入管15和第一注入管13，同时配置压力、流量、声能传感器用于探测和监视；检查天然气水合物开采装置的所有管线、电路连接、调节阀是否正常，设置初始参数，如水、气、砂三相流体的流量、气液比、砂的配比、注入速度。
步骤二，启动注入举升系统，使储层压力下降，触发天然气水合物失稳而分解为液态水和气态天然气，同时利用压力、声能传感器对储层信息进行实时监控，根据开采进程需要，开启水力增压设备对储层渗透性进行改善，保障流体流通渠道顺畅和降压采气顺利。具体为：储气罐2中的压缩空气通过第二注入管15注入人工井底18，储水罐8中的水和储砂箱9内的砂按比例进入水砂混合箱10混合，经注入泵11增压后通过第一注入管13注入人工井底18。
步骤三：随着大面积天然气水合物发生分解而产生更多的气态天然气和液态水，采用在开采井井口定出口流量或定出口压力的方式将储层的天然气抽取出来，气态天然气和液态水先经滤砂装置过滤，再通过多级气液分离器分离收集，对产生的流体一部分通过水气分离器4将水回流到注入举升系统内，而大部分则通过泵吸方式随气体一起被采至陆上气-水收集系统后进行分离再利用。采气完井管柱采用控砂除泥筛管，采用分级控砂，通过正反循环洗井的方式进行除泥。具体为：电潜泵举升系统16将人工井底的水、气、砂三相混合物举升至井口，通过管线流入控砂除泥装置3进行除砂，经过除砂除泥后的流体流入水气分离器4进行水、气两相分离，并采集气相流量数据和水相流量数据，气体返回储气罐2，水返回储水罐8，砂进入沉砂罐7，测定出砂量，评价电潜泵的举升效率、气液分离效率和携砂能力。
最后通过改变试采模拟装置的操作参数，重复上述步骤，通过监测系统19监测并分析不同参数影响下的历史工作曲线变化规律。
实施例3
一种降压和双管注入改性流体技术开采天然气水合物的装置，包括贯穿海水层、天然气水合物上伏沉积物层以及天然气水合物储层的开采井，开采井置于天然气水合物下伏沉积物地层上方，在开采井下部抽气部位布置控砂除泥装置和储层原位气液分离器，在储层原位气液分离器上设有流通阀门，在开采井井壁布置固定套管部件及隔封设备，开采井井眼内布置用于注流体和抽气功能的双注入管柱；在管柱的天然气水合物储层段设置注入改性流体法，注入改性流体。相应的还布置有通过数据线联入信号处理器的压力传感器、流量传感器以及声能传感器。通过对布置于开采井井眼中的套管管柱的设计，利用管柱其内井筒对储层天然气水合物降压开采，利用外管柱底部布置相应传感器对储层情况进行探测监视，根据需要开启注入改性流体装置向储层进行人工注入改性流体作业。该装置还设有控砂除泥装置、多级气液分离器和注水泵，不同级的气液分离器分别与压增压器和海上平台上的注水泵相连，以提供注入改性流体系统中的流体供应需要；井筒底部监测用的传感器与信号处理器相连，以供及时收集与反馈需要。海上平台设有气体综合处理和利用端。通过这个信号处理器收集得到的储层压力信息、注入流体流量信息和声能传感器收集得到的注入改性流体信息分析和处理，可以对储层内水合物分解情况、渗透率变化得到及时掌握，并以此来调整控制水合物分解产气的开采速度和储层渗透率的改善处理，以达到经济高效稳健的开采目的。
一种降压和双管注入改性流体技术开采天然气水合物的方法，包括以下步骤 ：
（1）开采井及其相关开采设备布置 ：在天然气水合物成矿区地层构筑贯穿海水层、天然气水合物上伏沉积物层和天然气水合物储层的开采井，对开采井井壁布置固定套管部件及隔封设备；
（2）在开采井井眼内布置注液和抽气用的双管柱，并在其入水合物储层段布置注入改性流体，同时配置压力、流量、声能传感器用于探测和监视；储层内压力以及渗透率变化情况，通过布置于储层原位的传感器对其实时监控得到，可避免开采过程中储层流体孔道堵塞、压力剧增影响水合物储层结构安全性和稳定性的危险发生，同时也能根据监控得到的储层信息，对储层渗透性和天然气水合物开采产气速度得到有效调制；
（3）天然气水合物的降压分解及其储层渗透性的保持和提高：启动水合物降压开采装置，使储层压力下降，触发天然气水合物失稳而分解为液态水和气态天然气，同时利用压力、声能传感器对储层信息进行实时监控，根据开采进程需要，开启注入改性流体法设备对储层渗透性进行改善，保障流体流通渠道顺畅和降压采气顺利；对水合物储层，直接在陆上平台通过泵吸储层内自由气 / 水，使得水合物相平衡因为压力下降而发生破坏，进而导致水合物分解，产生自由气和水；同时，在水合物降压开采的过程中根据生产的需要，启用注入改性流体系统对水合物储层可能存在的堵塞和渗透率下降现象做出及时反馈，再根据反馈信息对储层的渗透情况做出相应改善处理；
（4）对从天然气水合物储层中分解游离出来的天然气及水进行及时导出：随着大面积天然气水合物发生分解而产生更多的气态天然气和液态水，采用在开采井井口定出口流量或定出口压力的方式将储层的天然气抽取出来，气液先经控砂除泥装置过滤，再通过多级气液分离器分离收集，对产生的液态水一部分通过布置于原位的气-水分离装置将水回流到储层井筒管柱内的注入改性流体增压系统内，而大部分则通过泵吸方式随气体一起被采至陆上气 水收集系统后进行分离再利用。
开采井贯穿海水层、天然气水合物上伏沉积物层以及天然气水合物储层，开采井井壁布置固定套管部件及隔封设备。开采井井筒底部还包括压裂增压器和朝向开采井井壁的喷射喷嘴，并相应布置有压力传感器，流量传感器以及声能传感器，他们通过数据线联入信号处理器。通过这个信号处理器收集的储层压力信息、注入流体流量信息和声能传感器收集的注入改性流体信息同时进行分析和处理，可以对储层内水合物分解情况、渗透率变化得到及时掌握，本发明通过双管柱注入改性流体来调整控制水合物分解产气速率，改性流体为加入化学试剂的流体或者热流体。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种降压和双管注入改性流体开采天然气水合物的装置，包括气相检测系统、注入举升系统和分离系统，其特征在于：注入举升系统包括空气压缩注入装置、水砂混合注入装置和生产套管（14）、表层套管（12）、开采平台出口（17）、电潜泵举升系统（16），生产套管（14）设置在表层套管（12）内；分离系统包括井下分离系统和井上分离系统，井下分离系统采用膨胀悬挂器悬挂控砂除泥筛管，井上分离系统包括控砂除泥器装置（3）、水气分离器（4）和调节阀D（23）电潜泵举升系统（16）放置在生产套管（14）内，电潜泵举升系统（16）出口分别连接开采平台出口（17）和控砂除泥器装置（3）；气相监控系统（19）设置在电潜泵举升系统（16）与控砂除泥装置（3）之间。
2.根据权利要求1所述的降压和双管注入改性流体开采天然气水合物的装置，其特征在于：空气压缩注入装置包括空气压缩机（1）、储气罐（2）、第二注入管（15）和调节阀C（22），其中，空气压缩机（1）通过储气罐（2）与第二注入管（15）连接，调节阀C（22）设在储气罐（2）与第二注入管（15）之间；水砂混合注入装置包括储水罐（8）、储砂箱（9）、水砂混合箱（10）、注入泵（11）和调节阀B（21），其中，所述储水罐（8）和储砂箱（9）与控制阀A（20）相连，水砂混合箱（10）与第一注入管（13）通过注入泵（11）和调节阀B（21）连接；第一注入管（13）和第二注入管（15）伸入到开采井井筒生产套管（14）底部；控砂除泥器装置（3）通过水气分离器（4）的气相出口与储气罐（2）连接，水气分离器（4）的液相出口与储水罐（8）连接。
3.根据权利要求2所述的降压和双管注入改性流体开采天然气水合物的装置，其特征在于：所述水气分离器（4）的气相出口和液相出口分别设置流量计。
4.根据权利要求3所述的降压和双管注入改性流体开采天然气水合物的装置，其特征在于：水气分离器（4）的气相出口设置孔板流量计（5），液相出口设置电磁流量计（6）。
5.一种基于权利要求 2-4所述装置的降压和双管注入改性流体开采天然气水合物的方法，其特征在于，包括以下步骤 ：
步骤一，在开采井井眼内布置注液和抽气用的双井筒管柱，同时配置压力、流量、声能传感器用于探测和监视；设置初始参数，包括水、气、砂三相流体的流量、气液比、砂的配比、注入速度；
步骤二，启动注入举升系统，储气罐（2）中的压缩空气通过第二注入管（15）注入人工井底（18），储水罐（8）中的水和储砂箱（9）内的砂按比例进入水砂混合箱（10）混合，经注入泵（11）增压后通过第一注入管（13）注入人工井底（18）；同时利用压力、声能传感器对储层信息进行实时监控，根据开采进程需要，开启水力增压设备对储层渗透性进行改善，保障流体流通渠道顺畅和降压采气顺利；
步骤三：随着大面积天然气水合物发生分解而产生更多的气态天然气和液态水，采用在开采井井口定出口流量或定出口压力的方式将储层的天然气抽取出来，气态天然气和液态水先经滤砂装置过滤，再通过多级气液分离器分离收集，对产生的流体一部分通过的水气分离器（4）将水回流到注入举升系统内，而大部分则通过泵吸方式随气体一起被采至陆上气-水收集系统后进行分离再利用；采气完井管柱采用控砂除泥筛管，采用分级控砂，通过正反循环洗井的方式进行除泥；电潜泵举升系统（16）将人工井底的水、气、砂三相混合物举升至井口，通过管线流入控砂除泥装置（3）进行除砂，经过除砂除泥后的流体流入水气分离器（4）进行水、气两相分离，并采集气相流量数据和水相流量数据，气体返回储气罐（2），水返回储水罐（8），砂进入沉砂罐（7），测定出砂量，评价电潜泵的举升效率、气液分离效率和携砂能力；
最后通过改变试采模拟装置的操作参数，重复上述步骤，通过监测系统（19）监测并分析不同参数影响下的历史工作曲线变化规律。
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