CN112761590B - 基于重力分离的天然气水合物间接置换开采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于重力分离的天然气水合物间接置换开采方法，该开采方法包括利用所述生产套管向天然气水合物储层输入重力筛分介质，形成重力介质分离层，输入置换剂到所述重力介质分离层中或以下，抽采气态天然气即可。所述重力筛分介质，其密度大于甲烷或天然气混合物的密度，小于所述置换剂的密度或水的密度。本发明创造性的利用重力筛分介质在两个反应界面间进行传输物质，提高了产物的纯度，丰富了热源供应，提高了热量利用率，天然气水合物储层缺失水合物的时间间隔变短，有利于于储层稳定，从而降低天然气水合物开采过程中的地质安全风险。

Description

基于重力分离的天然气水合物间接置换开采方法

技术领域

本发明属于天然气开采技术领域，具体涉及基于重力分离的天然气水合物间接置换开采方法。

背景技术

天然气水合物是天然气分子和水分子在低温高压的条件下形成的笼型水合物，主要被发现于海底和冻土地区。现有对天然气水合物进行开采的方法主要有降压开采法、注热开采法、注化学试剂开采以及二氧化碳置换开采等。这些开采方法的核心是使天然气水合物分解为天然气，然后对天然气进行抽采。

降压开采法通过降低储层压力打破开采区域天然气水合物的相态平衡条件，使开采区域天然气水合物趋向于达成温度和压力相对更低的新的相态平衡；在达成新的相态平衡的过程中，开采区域的天然气水合物从周围储层中吸收热量，造成天然气水合物的矿床由近开采井区域向远开采井区域分解，留下天然气水合物分解后的储层；分解产物是以甲烷为主的天然气气体产品和水，分解产物从天然气水合物矿床的分解界面向开采井运移，天然气水合物分解界面与开采井之间是天然气水合物分解后的储层。这种开采方法存在两个问题：首先，由于天然气水合物分解吸热，造成周围的储层温度较原来更低，有可能在天然气水合物已分解的储层区域达成新的相态平衡，形成新的天然气水合物甚至形成冰，这些固体物质阻碍了分解产物在天然气水合物分解界面与开采井之间的物质运移，阻碍了反应速率。其次，由于降压开采法的热源供应主要来自储层的环境热，这使得随着反应进行，近井区域储层的可用热量耗尽，热量从远场储层供应变得越发困难，拖延了反应速率。

注热开采法将通过向开采井中注入的高温液体作为热源，热量的运移路径是由开采井至天然气水合物分解界面；这种供热方式随着天然气水合物分解界面由近井区域向远井区域移动，传热距离变长，拖延反应速度；并且这些外部热源对加热储层，不利于后期利用储层固碳，也不利于储层稳定。注化学试剂法是向天然气水合物矿床中注入化学催化剂，改变天然气水合物相态平衡条件，促进天然气水合物分解；这种方法的难点在于将化学催化剂注入固态天然气水合物矿床并增加与天然气水合物的接触面积；同时在天然气分解和抽采过程中也存在与降压开采相同的问题。

据估计全球天然气水合物中的有机碳含量约为已探明常规化石能源中有机碳含量的2倍，这使得开发天然气水合物过程中造成的碳排放成为阻碍天然气水合物开发的一个重要障碍。现有的二氧化碳置换开采是在天然气水合物开发过程中实现碳中和的一种重要途径，其方法是使用不同相态（主要有固态、液态、气态、超临界状态等）的二氧化碳直接从天然气水合物中置换出其中的天然气分子，最终生成二氧化碳水合物和天然气。由于在反应过程中，天然气水合物中的天然气分子与二氧化碳分子同一个反应界面发生置换，因此被称为直接置换。直接置换反应在释放天然气分子的过程中同时也在原位生成二氧化碳水合物；这种反应模式使得二氧化碳置换天然气水合物的反应界面始终被固态水合物包围，不利于天然气向开采井的运移和二氧化碳分子向反应界面的运移，另外由于天然气水合物笼穴大小不一，二氧化碳分子不能重新占据所有天然气水合物的水分子笼穴，导致置换不完全。与直接置换相对应的是二氧化碳间接置换天然气水合物，其具体方法是在天然气水合物分解区域重新注入二氧化碳进行封埋；这种方法的缺点是储层在一定的时间内没有天然气水合物存在，易于发生变形而使得储层的圈闭空间失效，最终可能影响储层的固碳功能。

现有一种同时实现天然气水合物开采和二氧化碳封存的天然气水合物开采方法（专利号：US.2004/0200618 A1），在一口开采井中下两根管道，将含有二氧化碳的注入剂由一根管道泵入天然气水合物矿床低位，同时由另外一根管道将泵入天然气水合物矿床的注入剂及其他流体从天然气水合物矿床高位抽出，形成注入剂在天然气水合物矿床和地面泵站之间的持续内循环；通过控制持续循环的注入剂，控制开采区域的温度和压力使得天然气水合物分解，利用产物的密度差异使其自然分层并抽采混杂有二氧化碳的天然气至地面提纯分离；当天然气水合物分解完毕后，再通过控制注入剂调控温度和压力使得二氧化碳稳以固态水合物的形式存储在天然气水合物已经分解的储层中。这种方法的注入剂在两根管道端部循环，随着天然气水合物的反应界面由近井区域移动到远井区域，注入剂刺激远场的天然气水合物分解的效果减弱；如果注入剂在矿床中两管道间循环的流通区域被新生成的水合物整体包裹，隔绝开采井与远井区域天然气水合物矿床的热量和物质交换，这种持续循环注入剂来刺激天然气水合物分解的方法将会逐渐失效。这种开采方法的单井开采范围受被动循环的注入剂影响范围的限制，单口开采井的产量不大，经济效益不佳。在具体的实验室研究和现场实践中，这些方法由于物质在固体水合物间运移的效率低，导致产气率难以达到商业化开发的标准。因此，提高物质在天然气水合物分解过程中的运移效率成为提高天然气水合物分解效率的关键性问题之一。实现天然气水合物商业化开发的一个重要指标是天然气水合物开采井的单井产气效率。在现有的开采方法中，由于物质（反应物、生成物、催化剂等等）在固态的水合物中运移，而固态水合物的渗透性很低，造成反应速率不理想。而现有的各种开采方法和研究都没有改进天然气水合物分解过程中物质运移的路径和介质。大多数的开采方法也无法将水合物分解和水合物合成的反应界面分离，没能从根本上解决生成的固态水合物对物质运移造成阻碍的问题。

发明内容

为了克服现有技术中天然气水合物开采井的单井产气效率低的缺陷，从而提供基于重力分离的天然气水合物间接置换开采方法，既可以实现高效开采，又可以提高热量利用效果、产品纯度和储存稳定。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于重力分离的天然气水合物间接置换开采方法，其中：（1）利用生产套管向天然气水合物储层输入重力筛分介质，形成重力介质分离层；（2）输入置换剂到所述重力介质分离层中或以下，分离并抽采气态天然气即可。

优选的，所述重力筛分介质，其密度大于甲烷或天然气混合物的密度，小于所述置换剂的密度或水的密度。

优选的，所述重力筛分介质，其与水、液态二氧化碳的溶解性为难溶或微溶。

优选的，所述置换剂包括二氧化碳。

优选的，所述抽采气态天然气，其为通过控制开采井中天然气流体的放出和二氧化碳流体的泵进的方式进行。

优选的，所述抽采气态天然气，其控制的温度范围和压力范围，以在该开采井开采区域的天然气水合物气体产品组分条件下，使天然气水合物分解为气体天然气和液态水，使二氧化碳与水形成稳定的二氧化碳水合物，使二氧化碳和水呈液态、天然气水合物分解气体产品主要成气态的范围内。

优选的，所述输入，其为采用同时输入重力筛分介质和置换剂的方式。

优选的，步骤（1）中，所述的生产套管包括固定套管（1）、泵注套管（3）以及设置在所述固定套管（1）、所述泵注套管（3）之间的抽采套管（2），所述固定套管（1）固定于上覆岩层，所述泵注套管（3）的下端位于所述抽采套管（2）的下端位置以上，所述抽采套管（2）的下部设置透气截流孔（4），所述透气截流孔（4）的对应位置处设置温压传感器（7）、液位计（8）。

优选的，生产套管安装方法为，S1：安装固定套管（1）、抽采套管（2）和泵注套管（3），使温压传感器（7）、液位计（8）置于特定位置；S2：获取温压传感器（7）、液位计（8）的反馈数据，判断重力筛分介质层上界面与透气截流孔（4）的相对位置；S3：根据步骤S2中的反馈数据，调节抽采套管（2）的深度以跟随天然气分解的反应界面移动，并调整开采区域的温度和压力。

优选的，所述透气截流孔（4）呈螺旋排布，且至少围绕抽采套管（2）螺旋排布一周。

本发明的有益效果：

本发明创造性的利用重力筛分介质将天然气水合物分解和二氧化碳水合物合成的反应界面分离，避免了各自反应过程中存在的固态水合物对反应物的阻碍；同时利用重力筛分介质在两个反应界面间进行传输物质，提高了产物的纯度；另外，本发明利用重力筛分介质的高导热性，增加了来自持续注入的液态二氧化碳的敏感热和来自合成二氧化碳水合物的合成时释放的热量，丰富了热源供应，提高了热量利用率，降低两个反应的反应物（天然气水合物）和生成物（二氧化碳水合物）对彼此的热量和物质运移的阻碍作用，在天然气水合物高效分解和二氧化碳水合物高效合成的基础上，天然气水合物储层缺失水合物的时间间隔变短，有利于储层稳定，从而降低天然气水合物开采过程中的地质安全风险。

附图说明

图1是本发明物质运移和热量运移原理示意图；

图2为纯甲烷水合物开采过程中相关的相态曲线；

图3为传统开采过程中水合物的阻碍；

图4为水合物对物质运移不形成阻碍的开采方法；

图5为基于重力筛分的天然气水合物开采空间的热量传递路径；

图6为开采装备的组成及其使用情景示意图，其中a为开采装备的主要构成，b为使用情景；

图7为后退式开采过程示意图，其中a为开采初始井位，b为开采停止井位；

图8位本发明液位计、温压传感器与控制中心连接关系示意图；

附图说明：

1-固定套管，2-抽采套管，3-泵注套管，4-透气截流孔，5-固介式液位计，6-液介式液位计，7-温压传感器，8-液位计，9-控制中心。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例1

物质的热导率规律为固体＞液体＞气体，传统开采过程中，由于物质在固体物质（例如水合物、岩石储层）中运移效率缓慢，而热量在固体物质（例如水合物、岩石储层）中运移较快，造成热量和物质的运移不同步，综合运移效率不高，容易抑制天然气水合物分解。因此提高天然气水合物开采效率的关键是提高物质的运移效率。本申请用流体替换固体作为物质运移介质，具体做法是在储层或者矿床中通过压裂等工艺人工造缝，形成物质的运移通道，并丰富了热量的传导通道。

本申请技术方案中，热量的运移路径具体包括：天然气水合物分解过程中所需要吸收的热量来自储层环境热、来自持续注入的液态二氧化碳的敏感热、来自二氧化碳水合物合成时的释放的热量。在这三种热源中，除了储层环境热依然通过固态水合物传递，剩余其他两种热源的传递路径和传递介质都得到了增加——即通过重力筛分介质进行传递。在整个反应过程中，甲烷气体通过开采井采出，液态二氧化碳通过开采井泵进；开采井通过控制进入储层的流体，达到控制温度和压力的目的，并进一步控制开采的过程。

实施例2

即便是使用了流体作为物质的传输介质，由于反应物二氧化碳和生成物天然气和水仍然是相向运移，在一定情况相下，水合物仍然可能再次生成，也会造成物质运移通道阻塞；在间接置换开采过程中使用流体介质，虽然可以在一定程度上加快物质运移的速度，但是天然气水合物开采后的储层因此会较长时间处于没有水合物的弱化状态，不利于储层的稳定。因此，为了避免水合物和冰等对运移路径的阻碍，并且同时生成二氧化碳水合物强化天然气水合物分解后的储层，除了利用流体介质来运移物质，同时还需要设计开采过程中各物质的运移方向，以及各反应发生的位置，即设计基于重力筛分的天然气水合物开采工作面。

因此，本申请为了避免水合物阻碍，通过使用重力筛分介质将天然气水合物分解反应界面和二氧化碳水合物合成反应界面隔离或分开，形成间接置换的开采工艺，分解形成的天然气和水采用不同的运移路径运移，不与注入的二氧化碳相向运移，运移路径不相交。本实施例的设计的开采工作面以重力筛分介质层为界限，重力筛分介质层两边各是天然气水合物分解反应界面和二氧化碳水合物合成反应的界面，实现注入的二氧化碳经过重力筛分介质控制直接向二氧化碳水合物合成反应的界面运移，天然气水合物分解形成的水经过重力筛分介质控制也向二氧化碳水合物合成反应的界面运移，而天然气水合物分解形成的天然气则停留在分解反应界面一侧，直接进行抽采，控制物质的运移、分区。

在进行物质分区时，为了进一步实现分选，本实施例综合物质的密度和溶解性差异，即重力筛分介质的密度小于液态二氧化碳和水但大于天然气，一般情况下，重力筛分介质的密度范围应大于19.96 kg/m³并且小于927.00 kg/m³，另外，重力筛分介质与水和二氧化碳液体的溶解性为微溶或者难溶，从而实现重力筛分。作为优选方案，重力筛分介质可为液态戊烷、己烷、辛烷、戊炔或甲苯中的一种或几种。

实施例3

为了维持天然气水合物的持续分解，还要控制开采区域的温度和压力条件，使得温度和压力低于天然气水合物的相态平衡条件，使天然气水合物趋于分解。为了控制没有水合物的弱化储层的体积，避免由于弱化储层的体积过大而出现地质塌陷等灾害，在天然气水合物持续分解的过程中，二氧化碳水合物也要在其他位置持续生成，可以用其填补弱化储层中的孔隙，强化储层。这就要求前述所控制的温度和压力条件在二氧化碳相态平衡曲线之上，使得二氧化碳趋向于与水形成稳定的二氧化碳水合物。再者，在前述所控制的温度和压力条件下，重力筛分介质、二氧化碳、水都保持液态，而分解形成的以甲烷为主的天然气呈气态。

基于上述考虑，本实施例设计了一种新型天然气水合物间接置换开采空间（图4），在该开采空间内，天然气水合物向上（前）分解，二氧化碳在天然气水合物已分解的下方（后方）储层（采空区）形成水合物进行充填，各物质采用相互隔离的运移通道从开采井运移到各自的反应界面或者从反应界面运移到开采井。开采井末端随着天然气水合物的分解界面的移动而向上（前）移动，下方（后方）的储层用二氧化碳和水充填。这样就整体上形成了一个注入二氧化碳采出天然气的有进有出的物质循环。

天然气水合物分解时吸热，会降低环境温度，当分解形成的天然气浓度过高或当供分解所用的热量供应不足时，抑制分解。在上述的开采模式下，供天然气水合物分解的热源就有3种：第一种是从分解界面周围储层中传递的环境热；第二种是注入二氧化碳携带的敏感热；第三种是二氧化碳与水在后方软弱储层中形成二氧化碳水合物是释放的合成热。这三种热，通过储层、水合物、重力筛分介质等多种方式传导至天然气水合物的分解界面（图5）。注入二氧化碳可以提供其中2种热源，通过控制注入二氧化碳的量、温度，并结合天然气水合物分解时的热量消耗和二氧化碳注入的热量补给调控开采空间的温度，控制热量的补充。由于重力筛分介质作为隔离层，且为液态，其热导率无法高于固态水合物和水，因此重力筛分介质的导热性能不过低即可。。综上，协调控制抽采天然气水合物的体积以及注入二氧化碳和重力筛分介质的体积进一步控制开采井中的压力。

这里作为优化设计，将井下注入二氧化碳的出口设计在重力筛分介质层中或者靠近重力筛分介质层的位置，以加热重力筛分介质层，这样热量传递到分解界面的路径更短。在这样的供热模式下，由于整个开采工作区始终随着天然气水合物分解界面移动，热量的传导距离保持相对恒定，热源也可以通过持续注入的二氧化碳得到及时补充，解决了传统开采方法热源不足、热量供应效率会随着开采界面移动而变低的问题。

本实施例的重力介质分离层的形成方式为：

（1）调控天然气水合物矿床的温度和压力，保证在该温度和压力条件下，天然气水合物分解为天然气和水，且二氧化碳水合物在稳定赋存；

（2）在天然气水合物分解的界面注入一定量的重力分离介质，同时持续注入液态二氧化碳即可。

重力分离介质使得天然气水合物在重力分离介质层中及重力分离介质层以上的位置分解，将天然气水合物分解形成的天然气分离在重力分离介质层以上，同时将液态二氧化碳和天然气水合物分解形成的水分离至重力分离介质层以下，二氧化碳水合物在重力分离介质层以下持续形成。另外，重力分离介质将液态二氧化碳携带的敏感热和二氧化碳水合物合成时释放的热量传导到重力分离介质以上（即天然气水合物分解界面），供天然气水合物分解，显著提高了反应物质供应和能量传递的效率，解决了反应热和反应物质的运移方向不固定和效率低的问题。

实施例4

本发明的具体实施需要在原有的油气开采设备的基础上使用专用的生产套管。该生产套管包括三级，分别是固定套管1、抽采套管2和泵注套管3（图6-a），这三级套管相互之间可以相对旋转和上下移动，例如通过采用不同直径的圆柱行套管通过外部电源控制轴承部件、传动链条等装置即可实现旋转和移动。固定套管1在开采过程中与上覆岩层固结，用于开采井定位。抽采套管2负责对天然气水合物分解后形成的天然气进行抽采。泵注套管3下方末端低于抽采套管2的下方末端，负责向天然气水合物分解后的储层中注入二氧化碳和/或重力筛分介质，作为优选，抽采套管2有多个管道组成，各管道可分别与固定套管1、泵注套管3相对旋转或移动，各管道分别注入不同物质，便于独立调控二氧化碳、重力筛分介质的用量或注入参数。固定套管1设置在最外圈，泵注套管3设置在最内圈，抽采套管2设置在固定套管1和泵注套管3之间。

进一步的，抽采套管2的下方末端的一段向套管内侧钻有透气截流孔4。透气截流孔4在抽采套管2内侧向下开口并延伸，透气节流孔4在抽采套管2上呈螺旋排布且所有孔至少围绕抽采套管2螺旋一周。透气节流孔4的第一个作用是使天然气从储层进入抽采套管2，第二个作用是拦截随抽采气流2沿管壁向上流动的液体并使其汇集滴落。抽采套管2上具有透气截流孔4处的上端安装有固介式液位计5，下端安装有液介式液位计6，固介式液位计5用于测量重力筛分介质层上界面与透气截流孔段4上端的距离（图6-b，测液高度L₁），液介式液位计6用于测量重力筛分介质层上界面与透气截流孔4下端的距离（图6-b，测液高度L₂），固介式液位计5、液介式液位计6将测得的数据反馈至控制中心9，控制中心9对L_1、L₂进行判断_，，从而分析出重力筛分介质层上界面与透气截流孔4的相对位置，以此作为依据，发出调控信号，进而控制抽采套管2的回退上移，以跟随天然气分解的反应界面移动，并更有利于天然气进入抽采套管2。抽采套管2上具有透气截流孔段的上下端各安装有温-压传感器7，用于监测天然气分解后的储层中的温度和压力，以及测量重力筛分介质层中的温度和压力，进而根据对天然气水合物矿床内开采区域的温度和压力进行及时调控。为了便于操作，控制中心9可以设置在地面上，且控制中心9与固介式液位计5，液介式液位计6或液位计8以及温压传感器7均有电性连接。控制中心9可以为计算机等。

在使用过程中，固定套管1通过固定在上覆岩层中，抽采套管2具有透气截流孔段的上端大部分位于天然气水合物分解界面与重力筛分介质上界面之间，抽采套管2具有透气截流孔段的下端小部分位于重力筛分介质层中，即液介式液位计6和下部的温压传感器7位于重力筛分介质层中。随着天然气水合物分解的反应界面向上移动，天然气被持续抽出，二氧化碳持续注入，重力筛分介质层的上界面向上移动。开采时二氧化碳持续注入，而抽采套管2内部流通气体（主要为甲烷）热导率低，有助于隔绝二氧化碳在注入过程通过套管与地层传热，保留了注入二氧化碳的携带的热量。当抽采套管2具有透气截流孔段浸没在重力筛分介质层中的部分太多以至影响抽采天然气或者当抽采套管2具有透气截流孔段离天然气水合物分解的反应界面太远以至于影响热量传递时，向上回退抽采套管2和泵注套管3，并调节二氧化碳注入量和天然气抽采量，以维持合适的相对液位高度。

实施例5

本实施例提供的技术方案是基于重力分离的天然气水合物间接置换开采方法，具体步骤如下：

（1）构建开采井：使用钻机钻进至天然气水合物目标矿床并向井眼中下入开采设备和专用的生产套管进行固井密封；

（2）控制天然气水合物分解：通过开采设备控制开采目标区域的温度和压力至合适参数，具体为通过对储层内流体的输入或抽出来控制压力，通过调整持续注入的二氧化碳的相态或用量来控制温度，

（3）形成重力介质分离层：在天然气水合物分解的区域注入一定量的重力分离介质，形成重力介质分离层；

（4）形成二氧化碳水合物：在重力介质分离层中及重力分离层以下注入液态二氧化碳，使得液态二氧化碳和水在重力分离层以下形成稳定的二氧化碳水合物。

（5）持续固碳和抽采天然气：通过专用的生产套管的抽采套管2抽采重力介质分离层上部的天然气，同时用泵注套管3向重力分离层以下持续注入液态二氧化碳，使得天然气水合物分解和二氧化碳水合物合成持续进行。

假设某以甲烷为主要气体组分的天然气水合物矿床的初始温度是8℃，初始压力是10MPa。通过测井数据绘制该开采井中气体相态平衡，如图1纯甲烷水合物开采过程中相关的相态曲线。在图1中，选取A区的温度和压力范围作为开采时的控制温度和压裂参数。本实施案例中，优选的控制温度和压裂参数分别是6MPa，8℃。该控制的压力和温度条件在相态平衡图中低于天然气水合物相态平衡曲线并且高于二氧化碳水合物相态平衡曲线，即在该温度和压力条件下，二氧化碳趋向于与水形成稳定的二氧化碳水合物并且天然气水合物趋向于分解。在6MPa，8℃时，甲烷气体的密度是41.2 kg/m³（数据来自《化学化工物性手册》有机卷），二氧化碳液体的密度是927.7 kg/m³（数据来自《化学化工物性手册》无机卷），水的密度是 999.9 kg/m³（数据来自《化学化工物性手册》）无机卷，则所选取的重力筛分介质的密度范围介于41.2 kg/m³~927.7 kg/m³之间即可，另外作为优选，重力筛分介质在8℃、6MPa条件下还需具有较好的导热效率和较低的比热容，并且该重力筛分介质与水和二氧化碳液体的溶解性为微溶或者难溶。依据前述条件，最终选定优化的物质作为重力筛分介质。重力筛分介质可以为具有前述功能的液态戊烷、己烷、辛烷、戊炔和甲苯。对该矿床进行开采时，先通过降压，使得靠近开采井的部分天然气水合物分解成天然气和水，留下不含天然气水合物的储层；向前述储层中注入重力筛分介质和二氧化碳形成天然气水合物开采工作区（图7-a）。控制注入的二氧化碳和抽出的天然气，将所开采矿床中的天然气水合物开采工作区的温度和压力控制并维持在6MPa，8℃附近，使得天然气水合物持续分解，天然气持续被抽采出，二氧化碳持续注入，二氧化碳水合物持续形成。随着反应进行，当天然气水的分解界面向上移动，重力筛分介质的上界面浸没了抽采套管具有透气截流孔段的大部分时（图7-b），依据工程设计，向上移动开采井中的套管，跟随天然气水合物的开采界面移动，形成持续后退式向上开采。待天然气水合物分解至矿床上部边界或者开采位置到工程设计的停采线（图7-b），将工作区的天然气和重力筛分介质尽量抽出，然后实施封井，封埋二氧化碳及其水合物。

这种基于重力筛分的间接置换后退式开采工艺，在开采井产量不足时，只需将套管向上回退、补充二氧化碳即可，不像传统开采方法那样当每次开采新的天然气水合物矿床还需要对矿床进行压裂增透改造，大大节省了施工成本，简化了开采工艺，稳定了开采井的产量。本实施例分离了置换开采过程中，天然气水合物分解和二氧化碳水合物合成的反应界面，从物质运移路径上避免了固体水合物对物质运移的阻碍，加快反应速度。

天然气水合物分解过程中吸热导致温度降低，气体产物导致压力升高，也就是说在非人为干预的条件下，天然气水合物分解会导致天然气水合物赋存更稳定（压力升高，温度降低），这就是天然气水合物的自我保护效应。开采天然气水合物必须持续抽走产物天然气和水，并且持续供应热量，维持储层温度和压力，才能使天然气水合物持续分解。但是已有的开采方法，天然气水合物的分解界面由近井区域向远井区域移动；因此造成供热方向是由开采井向远井区域，而分解形成的天然气和水等产物运移方向则是由远井区域向开采井，这就造成了热量和物质的相向运移，供热效率不足，易二次形成水合物和冰阻碍物质运移；即便是现有的使用二氧化碳置换天然气水合物的开采方法，热量运移在原位进行，但是反应物二氧化碳和生成物天然气的整体运移方向也是相向运移，易在运移通道中形成固体水合物，在天然气水合物已经分解的储层中形成的新的二氧化碳水合物等也会阻碍物质运移，造成物质运移效率低（图 2传统开采过程中水合物的阻碍）。开采时，天然气水合物分解所需的热来源于三种热源中，有两种与液态二氧化碳相关（分别为注入二氧化碳释放的敏感热和二氧化碳水合物合成释放的热），另外一种热源为周围储层中的环境热。注入二氧化碳释放的敏感热和二氧化碳水合物合成释放的热量通过重力分离层传导至未分解的低温天然气水合物区供分解使用。开采设备随着天然气水合物分解界面向上移动而移动，形成动态的天然气水合物间接置换开采。

本发明的创新在于，基于重力分离技术，将反应界面分离，互不影响，通过重力分离介质将两个反应界面（天然气水合物分解时吸热，二氧化碳水合物合成时放热）的热量进行相互传导，同时又变物质和热量在固态水合物中运移为在液态的重力筛分介质中运移，在整体上间接地实现二氧化碳置换开采天然气水合物。从而提高物质运移效率，加快反应速度，最终达到增加抽采井产气效率的效果。这样有利于开采井对天然气快速抽采，减少二次生成天然气水合物，解决了二氧化碳水合物的生成对反应物运移的阻碍，

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于重力分离的天然气水合物间接置换开采方法，其特征在于：

（1）利用生产套管向天然气水合物储层输入重力筛分介质，形成重力介质分离层；

（2）输入置换剂到所述重力介质分离层中或以下，分离并抽采气态天然气即可；

所述重力筛分介质，其密度大于甲烷或天然气混合物的密度，小于所述置换剂的密度或水的密度，所述重力筛分介质，其与水、液态二氧化碳的溶解性为难溶或微溶。

2.如权利要求1所述的基于重力分离的天然气水合物间接置换开采方法，其特征在于：所述置换剂包括二氧化碳。

3.如权利要求1-2任一所述的基于重力分离的天然气水合物间接置换开采方法，其特征在于：所述抽采气态天然气，其为通过控制开采井中天然气流体的放出和二氧化碳流体的泵进的方式进行。

4.如权利要求3所述的基于重力分离的天然气水合物间接置换开采方法，其特征在于：所述抽采气态天然气，其控制的温度范围和压力范围，以在该开采井开采区域的天然气水合物气体产品组分条件下，使天然气水合物分解为气体天然气和液态水，使二氧化碳与水形成稳定的二氧化碳水合物，使二氧化碳和水呈液态、天然气水合物分解气体产品主要成气态的范围内。

5.如权利要求1-2、4任一项所述的基于重力分离的天然气水合物间接置换开采方法，其特征在于：所述输入，其为采用同时输入重力筛分介质和置换剂的方式。

6.如权利要求1所述 的基于重力分离的天然气水合物间接置换开采方法，其特征在于：步骤（1）中，所述的生产套管包括固定套管（1）、泵注套管（3）以及设置在所述固定套管（1）、所述泵注套管（3）之间的抽采套管（2），所述固定套管（1）固定于上覆岩层，所述泵注套管（3）的下端位于所述抽采套管（2）的下端位置以上，所述抽采套管（2）的下部设置透气截流孔（4），所述透气截流孔（4）的对应位置处设置温压传感器（7）、液位计（8）。

7.如权利要求6所述的基于重力分离的天然气水合物间接置换开采方法，其特征在于：生产套管安装方法为，

S1：安装固定套管（1）、抽采套管（2）和泵注套管（3），使温压传感器（7）、液位计（8）置于特定位置；

S2：获取温压传感器（7）、液位计（8）的反馈数据，判断重力筛分介质层上界面与透气截流孔（4）的相对位置；

S3：根据步骤S2中的反馈数据，调节抽采套管（2）的深度以跟随天然气分解的反应界面移动，并调整开采区域的温度和压力。

8.如权利要求6或7所述的基于重力分离的天然气水合物间接置换开采方法，其特征在于：所述透气截流孔（4）呈螺旋排布，且至少围绕抽采套管（2）螺旋排布一周。

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