CN112160732A - 一种开采成岩水合物的方法及气水分离器 - Google Patents
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Abstract
一种开采成岩水合物的方法及气水分离器。所述方法包括如下步骤：根据目标措施区域地质构造条件，选择目标区域措施为地层下部存在天然气水合物藏且天然气水合物藏下部发育有高温高压含水气藏；水平井射孔打开天然气水合物藏，降压开采天然气水合物藏，天然气水合物藏中水平井开采出的天然气沿着水平井井壁向地面举升；直井在天然气水合物段射孔打开天然气水合物藏，并用高压泵注入甲醇；待天然气水合物藏形成空腔后，射孔打开直井底部的天然气水合物藏下方的高温高压含水气藏，开采高温高压含水天然气藏；直井底部开采出的混合物经气水分离器分离，分离出的高温水通过注入泵泵入天然气水合物藏，分离出的天然气仍沿直井开采至地面。
Description
技术领域：
本发明涉及一种应用于天然气水合物藏开采应用领域中的方法以及装置。
背景技术：
地热能和水合物作为储量丰富的清洁能源，已经引起了各国的广泛关注。其中地热能泛指地球释放出来的能量，按热储体的属性可将地热能分为水热型、增强型和浅层地温能资源。水合物目前分布在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类冰状的结晶物质。目前海洋天然气水合物设想的开采主要有热激法开采法、降压开采法、化学剂注入法等。但热压平衡界附近时，才具有开采的经济可行性，但地层破坏风险较大；化学剂注入法对天然气水合物藏的作用缓慢，而且费用很高。因此需要一种高效、无污染、经济效益好的方法来开采天然气水合物藏，目前尚没有提出一种开采高温高压含水气藏的方法,很大程度上制约了天然气水合物藏的开发利用。
发明内容：
为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提出了一个联合利用水平井开采和直井采气注热的井组系统开采方案，就地利用高温高压含水气藏中的地层水促进天然气水合物藏的分解,同时选用多处水平井段增加直井数量增加换热效率,弥补了传统热激发法利用率低、开发成本高的情况。本发明所提出的方法需要采用的设备简单、操作方便,经济性强,可有效促进天然气水合物藏的开发利用。
本发明的技术方案是：该种开采成岩水合物的方法，包括如下步骤：
(a)根据地质构造条件，选择存在天然气水合物藏且天然气水合物藏下部发育有高温高压含水气藏为措施区域，所述天然气水合物藏厚度不低于15米，高温高压含水气藏温度不低于130℃；
在所述措施区域内布置至少一口水平井，沿所述水平井生产段的两侧各至少布置一口直井，所述水平井直井段的轴心线与所述直井的轴心线平行，所述水平井水平段的轴心线与所述直井的轴心线相互垂直；所述直井井筒经过天然气水合物藏，并且直井井筒的底部延伸至高温高压含水气藏；所述水平井的直井段穿过上覆岩层至天然气水合物藏，所述水平井的生产段布置在天然气水合物藏；所述直井在措施区域垂直向下从上覆岩层、天然气水合物藏、夹层钻至高温高压含水气藏，所述直井中在对应天然气水合物藏所在位置处安装气水分离器和注入泵；
(b)对所述水平井射孔，打开天然气水合物藏，经由所述水平井的生产段降压开采天然气水合物藏，从天然气水合物藏开采出的天然气沿水平井的井壁向地面举升；开采时，对所述水平井井筒内压力按照公式(1)进行控制，公式(1)为PA＝αPB，其中，PA为井筒内压力；PB为天然气水合物藏压力；α为压降系数，α的取值范围在 0.3～0.7之间；
(c)在所述直井中位于气水分离器和注入泵之下的位置射孔打开天然气水合物藏，各射孔点间隔范围在5m～10m之间，各个射孔点的井筒外环空用封隔器隔离；以50m3/d～100m3/d的速度用注入泵将甲醇经由各个射孔点注入到天然气水合物藏，使天然气水合物藏形成体积不小于500m3的空腔；
(d)经由所述直井各个射孔点进入井筒内的高温水和天然气，从气水分离器的下部管道进入气水分离器，在重力和旋转叶片的作用下被分离；分离出的天然气从气水分离器的上部管道由直井举升至地面，分离出的高温水从球阀中流出，经注入泵泵入天然气水合物藏。
优选实施例1：在所述步骤(a)中，在所述天然气水合物藏形成四直井一水平井的井网。
优选实施例2：在所述步骤(a)中，在水平井贯穿过上覆岩层和盖层延伸至下部天然气水合物藏距离顶部1/2～2/3位置处布置一段长度为800m～1000m的水平井段并射孔，各射孔点的距离为5米～ 10米；
沿水平井方向的两侧所布置的直井与水平井的横向距离符合公式(2)，所述公式(2)为：D＝β(RA+RB)，其中，D是直井与水平井的横向距离；RA是水平井的水平段半径；RB是直井的竖直段半径；β是距离修正系数，β的取值范围在150～300之间；相邻边的两个直井距离符合公式(3)，所述公式(3)即
，其中，d 是相邻直井的横向距离；rB是直井的半径；
是相邻直井半径；γ是距离修正系数，γ的取值范围在250～600之间；
优选实施例3：在步骤(d)中，所述气水分离器和注入泵位于所述直井射孔点上方的1m～2m处；在所述直井的垂直井段外固定一层井筒保温层用来减少流体输送过程中热量的损失。
用于实施本种开采成岩水合物方法的专用气水分离器，具有上部壳体25、下部壳体24、上部管道18以及下部管道21，其独特之处在于：
所述气水分离器还包括旋转叶片19、分离筛22、连接管道23以及球阀20；其中，下部管道21的下端口穿出下部壳体24，下部管道 21的上端口与连接管道23的下端口相连接，连接管道23位于旋转叶片19围成的空腔内，旋转叶片19和连接管道23的之间置有轴承，以使得旋转叶片19可绕连接管道23转动；连接管道23的上端口和分离筛22的下端口通过法兰连接；下部壳体24的底端开口连接球阀 20。
上部壳体25和下部壳体24之间通过法兰盘密封连接；旋转叶片 19位于下部壳体24对应的空腔内；分离筛22的上半部分延伸至上部壳体25对应的空腔内，但不与上部管道18的底端相触。
本发明具有如下有益效果：利用本发明所述方法可以就地利用陆地或海洋深部的高温高压含水气藏的热能开发天然气水合物藏，同时选用多处直井在天然气水合物藏形成空腔增加换热效率，可以极大地减少开采过程中注热成本，大幅度提高了采收率，实现了多维度立体开采。本发明操作方便设备简单，为天然气水合物藏的开发开辟了一条新的途径。
附图说明：
图1为用来实施本发明所述方法的水平井网反排热采方式下的井组平面示意图。
图2为用来实施本发明所述方法的水平井网反排热采方式下的井组中水平井分布示意图。
图3为用来实施本发明所述方法的水平井网反排热采方式下的井组中直井分布示意图。
图4为用来实施本发明所述方法的水平井网反排热采方式下的气水分离器的剖面示意图。
图5为用来实施本发明所述方法的水平井网反排热采方式下的气水分离器的内部结构示意图。
图6为用来实施本发明所述方法的气水分离器中分离筛的结构示意图。
图7为实施本发明所述方法时需要满足的甲烷体积分数与水合物的分解体积关系图。
图中1、直井；2、水平井；3、上覆地层；4、天然气气体；5、水平井射孔点；6、盖层；7、夹层；8、高温高压天然气气藏；9、高温高压天然气气藏底水；10、气水分离器；11、直井射孔点；12、高温水；13、气水混合物；14、注入水；15、天然气水合物藏；16、聚氯乙烯保温层；17、注入泵；18、上部管道；19、旋转叶片；20、球阀；21、下部管道；22、分离筛；23、连接管道；24、下部壳体；25、上部壳体。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明,本发明所述方法包括如下步骤：
(a)根据地质构造条件，措施区域为存在天然气水合物藏的地层且天然气水合物藏层下部发育有高温高压天然气藏的海域或陆地，其中天然气水合物藏的地层的厚度不低于15米，高温高压气藏含底水且温度不低于130℃；如图1所示，根据地质构造条件，措施区域为存在天然气水合物藏15的地层且天然气水合物藏下部发育有高温高压天然气藏8的海域或陆地。
(b)如图2所示，在陆地或海平面布置五口井组成一个水平井 1开采和四口直井4辅助开采的井组系统。沿水平井1方向的两侧布置直井4并钻至高温高压含水气藏15，直井4与水平井1的横向距离大约为300米。相邻边的两个直井4距离大约为600米。其中，所述水平井1的贯穿过上覆地层3延伸至下部天然气水合物藏15距离顶部1/3～2/3位置处造斜生成一段长度为800～1000m的水平井段。所述直井1从海平面或者陆地延伸至高温高压天然气藏8顶部后固井并在天然气水合物藏到高温高压含底水天然气藏16段外加一层井筒聚氯乙烯保温层16减少高温流体在输送过程中热量损失。射孔打开所述高温高压含底水天然气藏15。所述水平井2的水平井段与所述的直井井段相互垂直。
(c)在所述的水平井的水平生产段以及所述直井的天然气水合物藏和底部进行射孔作业，各射点间隔5～10米，
如图1和图3所示，在所述的水平井2的水平生产段以及所述直井1的天然气水合物藏15和底部进行射孔作业，各射孔点间隔5～ 10米，在所述的直井1连通天然气水合物藏15射孔点上方1～2米处安装气水分离器和注入泵；处分别安装气水分离器10和注入泵17。
(d)如图3所示，对所述的直井1在水合物层射孔洞用注入泵以50～100m3/d的速度注入到天然气水合物藏，使天然气水合物藏形成体积大约为500m3的空腔。其中甲烷体积分数与水合物的分解体积符合如图7所示的关系。
(e)如图1和图3所示，在所述水平井的生产段以符合设计公式的压力开采天然气水合物藏，该公式为PA＝αPB，其中，PA：井筒内压力；PB:天然气水合物藏压力；α:压降系数，α＝0.3～0.7。所述的开采方式是降压开采。持续记录所述的直井的产气速度，当直井气体产量递减至500～1000m3/d后，用注入泵将油管中注入甲醇注到天然气水合物藏形成空腔后启动气水分离器。将分离出的高温水以10～ 100m3/d的速度注入到空腔中，促进天然气水合物藏的分解。气水分离器10分离的天然气在重力及压力的作用下，经上部管道18，从直井开采至地面。
如图5结合图6所示，用于实施本种开采成岩水合物方法的专用气水分离器，具有上部壳体25、下部壳体24、上部管道18以及下部管道21，其独特之处在于：所述气水分离器还包括旋转叶片19、分离筛22、连接管道23以及球阀20；其中，下部管道21的下端口穿出下部壳体24，下部管道21的上端口与连接管道23的下端口相连接，连接管道23位于旋转叶片19围成的空腔内，旋转叶片19和连接管道23的之间置有轴承，以使得旋转叶片19可绕连接管道23转动；连接管道23的上端口和分离筛22的下端口通过法兰连接；下部壳体24的底端开口连接球阀20。
上部壳体25和下部壳体24之间通过法兰盘密封连接；旋转叶片 19位于下部壳体24对应的空腔内；分离筛22的上半部分延伸至上部壳体25对应的空腔内，但不与上部管道18的底端相触
从管道中采出的高温高压天然气和水经过下部管道21，通过连接管道23，运移至分离筛22。在混合流冲击分离筛22时，天然气从上部管道开采至地面。水在重力的作用下冲击旋转叶片19，进一步将水中的存在的残余天然气分离，处理后的水流入到下部壳体24中，从球阀20分离出气水分离器。
如图6所示，所述分离筛为直井装配的气水分离器内部配件，分离筛22与连接管道23之间螺栓连接，从管道中采出的高温高压天然气和水经过连接管道23后进入分离筛22。其中分离筛22底部为空心圆台，集中开采出高温高压天然气和水，直管部分为圆柱形镂空，分散开采出的高温高压天然气和水。
应用时，水平井射孔打开天然气水合物藏，降压开采天然气水合物藏，天然气水合物藏中水平井开采出的天然气沿着水平井井壁向地面举升；直井在天然气水合物段射孔打开天然气水合物藏，并用高压泵注入甲醇。待天然气水合物藏形成空腔后，射孔打开直井底部的天然气水合物藏下方的高温高压含水气藏，开采高温高压含水天然气藏；直井底部开采出的混合物经气水分离器分离，分离出的高温水通过注入泵泵入天然气水合物藏，分离出的天然气仍沿直井开采至地面。
本发明实现了高效热激降压开采天然气水合物藏，实现了地层能量的循环利用，减少地面对地下水的处理，开发成本地低，环境和经济效益显著。可用于大规模陆地和海洋地下存在天然气水合物藏和天然气水合物藏的开采，以及为天然气水合物藏增产措施的实施提供指导。
Claims (5)
1.一种开采成岩水合物的方法，包括如下步骤：
（a）根据地质构造条件，选择存在天然气水合物藏且天然气水合物藏下部发育有高温高压含水气藏为措施区域，所述天然气水合物藏厚度不低于15米，高温高压含水气藏温度不低于130℃；
在所述措施区域内布置至少一口水平井，沿所述水平井生产段的两侧各至少布置一口直井，所述水平井直井段的轴心线与所述直井的轴心线平行，所述水平井水平段的轴心线与所述直井的轴心线相互垂直；所述直井井筒经过天然气水合物藏，并且直井井筒的底部延伸至高温高压含水气藏；所述水平井的直井段穿过上覆岩层至天然气水合物藏，所述水平井的生产段布置在天然气水合物藏；所述直井在措施区域垂直向下从上覆岩层、天然气水合物藏、夹层钻至高温高压含水气藏，所述直井中在对应天然气水合物藏所在位置处安装气水分离器和注入泵；
（b）对所述水平井射孔，打开天然气水合物藏，经由所述水平井的生产段降压开采天然气水合物藏，从天然气水合物藏开采出的天然气沿水平井的井壁向地面举升；开采时，对所述水平井井筒内压力按照公式（1）进行控制，公式（1）为
，其中，
为井筒内压力；
为天然气水合物藏压力；
为压降系数，
的取值范围在0.3-0.7之间；
（c）在所述直井中位于气水分离器和注入泵之下的位置射孔打开天然气水合物藏，各射孔点间隔范围在5 m～10m之间，各个射孔点的井筒外环空用封隔器隔离；以50m3/d～100m3/d的速度用注入泵将甲醇经由各个射孔点注入到天然气水合物藏，使天然气水合物藏形成体积不小于500m3的空腔；
（d）经由所述直井各个射孔点进入井筒内的高温水和天然气，从气水分离器的下部管道进入气水分离器，在重力和旋转叶片的作用下被分离；分离出的天然气从气水分离器的上部管道由直井举升至地面，分离出的高温水从球阀中流出，经注入泵泵入天然气水合物藏。
2.根据权利要求1所述的一种开采成岩水合物的方法，其特征在于：在所述步骤（a）中，在所述天然气水合物藏形成四直井一水平井的井网。
3.根据权利要求2所述的一种开采成岩水合物的方法，其特征在于：在所述步骤（a）中，
在水平井贯穿过上覆岩层和盖层延伸至下部天然气水合物藏距离顶部1/2-2/3位置处布置一段长度为800m～1000m的水平井段并射孔，各射孔点的距离为5米～10米；
沿水平井方向的两侧所布置的直井与水平井的横向距离符合公式（2），所述公式（2）为：
其中，D是直井与水平井的横向距离；
是水平井的水平段半径；
是直井的竖直段半径；
是距离修正系数，
的取值范围在150-300之间；相邻边的两个直井距离符合公式（3），所述公式（3）即
，其中，d是相邻直井的横向距离；
是直井的半径；
是相邻直井半径；
是距离修正系数，
的取值范围在250-600之间。
4.根据权利要求3所述的一种开采成岩水合物的方法，其特征在于：在步骤（d）中，所述气水分离器和注入泵位于所述直井射孔点上方的1m～2m处；在所述直井的垂直井段外固定一层井筒保温层用来减少流体输送过程中热量的损失。
5.一种开采成岩水合物的气水分离器，具有上部壳体（25）、下部壳体（24）、上部管道（18）以及下部管道（21），其特征在于：
所述气水分离器还包括旋转叶片（19）、分离筛（22）、连接管道（23）以及球阀（20）；其中，下部管道（21）的下端口穿出下部壳体（24），下部管道（21）的上端口与连接管道（23）的下端口相连接，连接管道（23）位于旋转叶片（19）围成的空腔内，旋转叶片19和连接管道23的之间置有轴承，以使得旋转叶片19可绕连接管道（23）转动；连接管道（23）的上端口和分离筛（22）的下端口通过法兰连接；下部壳体（24）的底端开口连接球阀（20）；
上部壳体（25）和下部壳体（24）之间通过法兰盘密封连接；旋转叶片（19）位于下部壳体（24）对应的空腔内；分离筛（22）的上半部分伸至上部壳体（25）对应的空腔内，但不与上部管道（18）的底端相触。
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