CN112796713B - 一种天然气水合物安全开采方式 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气水合物安全开采方式，其技术方案是包括如下步骤：预开发区块地质调查；预开发区块井位部署；井眼轨迹优选；间隔钻第一批井并进行降压生产；生产结束后弃井，向井底注入水泥填充空洞；在第一批井井间钻第二批井并进行降压开采；生产结束。根据海底斜坡的地质特征及天然气水合物储层分布特征，通过优化井位部署、分批钻井生产和填充开采空洞，有效防止海底斜坡出现塑性区贯通现象，避免了井喷、海底滑坡、甲烷泄漏等工程灾害、地质灾害和环境问题，确保海底斜坡下天然气水合物储层的稳定开采。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物开采技术领域，特别涉及一种天然气水合物安全开采方式。
背景技术
天然气水合物俗称可燃冰，是天然气和水分子在低温高压环境下形成的笼形化合物。中国是世界上最大的能源消费国，近年来我国能源进口依存度不断攀升，因此亟需寻找一种接替传统化石能源的新能源。天然气水合物以其资源储量大、能量密度高和污染低等优点被公认为最具良好前景的重要接替能源，因此实现天然气水合物资源的开发利用对推进我国能源工业发展、改善能源消费结构、保障能源安全供应、促进生态文明建设、保持经济社会可持续发展具有重要意义。
天然气水合物主要分布在海洋沉积物和永久冻土带中，97%的天然气水合物储量分布在海洋。天然气水合物是一种不稳定的能源，当前天然气水合物开采主要通过降压法、注热法等方法促进水合物分解进而开采天然气。天然气水合物分解后，一方面由于水合物在沉积层中的胶结作用和支撑作用减弱，沉积层的强度会降低；另一方面由于水合物分解产生的游离气不能及时从地层排出，孔隙内形成异常高压，进一步降低沉积层的强度，所以水合物分解会破坏沉积层结构，影响地层稳定性。海洋天然气水合物主要存在于被动大陆边缘陆坡区，水合物的分解引发含水合物海底边坡的不稳定，引发井喷、海底滑坡、海底坍塌、海啸等灾害，由此可能产生巨大的工程灾害、地质灾害和环境问题。以上问题是海底边坡中天然气水合物储层勘探开采过程所要面临的困难和危险，通过对国内外现有技术专利文献的检索，发现目前还没有完全解决该问题的钻完井技术相关的专利。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种天然气水合物安全开采方式，根据海底斜坡的地质特征及天然气水合物储层分布特点，通过优化井位部署、分批钻井生产和填充开采空洞，有效防止海底斜坡出现塑性区贯通的现象，避免了井喷、海底滑坡、甲烷泄漏等工程灾害、地质灾害和环境问题，确保海底斜坡下天然气水合物储层的稳定开采。
本发明提到的一种天然气水合物安全开采方式，其技术方案是包括如下步骤：
（1）预开发区块地质调查：在海床（2）上调查预开发区块的地质背景、矿体储集特征、邻井资料，以确定水合物储层参数、生产井波及半径；
（2）预开发区块井位部署：井组的开发井数量根据预开发区块水合物储层（3）的面积和单井控制有效半径共同确定，相邻的井间隔100-150米；
（3）进行井眼轨迹优选：基于预开发区块的储层特征，进行井眼轨迹优选，确定井身结构，开发井的井型可以是直井、水平井、定向井或丛式井；
（4）根据井位部署间隔钻第一批生产井（4-1、4-3、4-5），对开发区块进行储层改造，采用降压法进行生产；
（5）生产结束，填充井底空洞；
（6）根据井位部署在第一批生产井的井间位置钻第二批生产井（4-2、4-4），对开发区块进行储层改造，采用降压法进行生产；
（7）当天然气产量递减至无经济效益时停止生产。
优选的，上述的步骤（4）、（6）中储层改造采用液氮辅助增脆压裂技术，通过压裂管柱将高压液氮注入到天然气水合物储层，利用液氮的低温特性增加水合物储层脆性，高压液氮使天然气水合物储层产生破裂，注入的液氮携带支撑剂，以进一步提高渗透性。
优选的，在步骤（4）、（6）中开发井集气口处安装防砂装置，防砂装置由多层筛网和填充砾石组成。
优选的，上述的防砂装置由两层筛网和填充砾石组成，外层选用孔径20μm筛网，内层选用直径10μm筛网，在两层筛网内部填充有粒径25～100μm砾石。
优选的，上述的步骤（5）中，当天然气产量递减至无经济效益后结束生产，向开发井井底注入水泥填充开采空洞及压裂缝，保留海底泥线以下生产管柱后弃井。
优选的，上述的步骤（6）中，根据第一批井的实际生产波及半径和空洞填充情况对第二批井井位进行修正，在第一批井井间位置钻第二批井，第二批井与第一批井井口位置分散布置，以保证第二批井的井口稳定。
优选的，在开发井的井底装配填充效果监测系统（5），填充效果监测系统（5）由声接发装置（14）、探地雷达GPR（15）、信号传输装置（16）和信号处理装置（17）组成，声接发装置（14）、探地雷达GPR（15）安设在注入管道（13）的下端，并通过信号传输装置（16）连接到地面的信号处理装置（17），通过声接发装置（14）、探地雷达GPR（15）对地层空洞及压裂缝进行探测，通过信号传输装置（16）将探测信息传输到信号处理装置（17）对地层空洞及压裂缝的填充效果进行评判，根据信号处理装置（17）处理后的结果对填充参数进行反馈，直到达到填充要求。
优选的，在生产过程中构建了监测范围包括井下、水中和大气的全方位环境监测体系，海底分布的海底沉降监测仪（6）用来监测海底是否发生滑坡、沉降，井口、水中、大气中分布的甲烷检测仪（7）监测是否发生甲烷泄漏。
优选的，开发井在海底斜坡上垂直于斜坡方向平行分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：
本发明通过优化井位部署、分批钻井生产和填充开采空洞，防止了海底斜坡出现塑性区贯通的现象，避免了井喷、海底滑坡、甲烷泄漏等工程灾害、地质灾害和环境问题，确保海底斜坡下天然气水合物储层的稳定开采；填充效果监测系统不仅可以监测井下填充效果，而且可以通过信号反馈对空洞填充参数进行修正，进一步增强海底斜坡的稳定性。
附图说明
图1为本发明的开采方式流程图；
图2为本发明间隔钻第一批井开采海底斜坡下水合物的示意图；
图3为本发明井间钻第二批井开采海底斜坡下水合物的示意图；
图4为本发明井位部署斜视图；
图5为本发明的填充效果监测系统的结构示意图；
上图中：海水（1）、海床（2）、水合物储层（3）、开发井（4）、第一批生产井（4-1、4-3、4-5）、第二批生产井（4-2、4-4）、填充效果监测系统（5）、海底沉降监测仪（6）、甲烷检测仪（7）、保留的生产管柱（8）、填充后的空洞（9）、开采后斜坡沉降量（10）；
上覆岩层（11）、下覆岩层（12）、注入管道（13）、声接发装置（14）、探地雷达GPR（15）、信号传输装置（16）、信号处理装置（17）。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如1-4所示，本发明提到的一种天然气水合物安全开采方式，按照以下步骤进行：
（1）预开发区块2地质调查；
（2）预开发区块井位部署；
（3）进行井眼轨迹优选；
（4）根据井位部署间隔钻第一批井4-1、4-3、4-5，对开发区块进行储层改造，采用降压法进行生产；
（5）生产结束，填充井底空洞9；
（6）根据井位部署在第一批井的井间位置钻第二批井4-2、4-4，对开发区块进行储层改造，采用降压法进行生产；
（7）当天然气产量递减至无经济效益时停止生产。
所述的步骤（1）中地质调查包括预开发区块地质背景、矿体储集特征、邻井资料等，以确定水合物储层参数、生产井波及半径。
所述的步骤（2）中井组的开发井数量根据预开发区块水合物储层面积和单井控制有效半径共同确定，每口井间隔100-150米，开发井4在海底斜坡上垂直于斜坡方向平行分布，如图3。
所述的步骤（3）中基于预开发区块的储层特征，进行井眼轨迹优选，确定井身结构，开发井4井型可以是直井、水平井、定向井、丛式井等。
所述的步骤（4）、（6）中储层改造采用液氮辅助增脆压裂技术，通过压裂管柱将高压液氮注入到天然气水合物储层，利用液氮的低温特性增加水合物储层脆性，高压液氮使天然气水合物储层产生破裂，注入的液氮携带支撑剂，以进一步提高渗透性。
需要说明的是：液氮辅助增脆压裂技术包括液氮注入系统、压裂管柱、封隔器等装置，所述压裂管柱设置有压力监测系统，在向压裂管柱注入高压液氮时，通过压力监测系统检测地层压力来确定对液氮施加的压力大小，当压力突降时表明压裂成功；所述支撑剂为可降解复合材料，为现有本领域技术人员所熟知的常规技术，具有良好的低温特性，当生产结束地温升高后逐渐讲解，不会造成环境污染。
所述的步骤（4）、（6）中开发井集气口处安装防砂装置，防砂装置由两层筛网和填充砾石组成；所述防砂装置外层选用孔径20μm筛网，内层选用直径10μm筛网，在两层筛网内部填充有粒径25～100μm砾石。
所述的步骤（5）当天然气产量递减至无经济效益后结束生产，向开发井井底注入水泥填充开采空洞9及压裂缝，保留海底泥线以下生产管柱8后弃井，具体参照图3，开发井的井底放有保留的生产管柱（8）、填充后的空洞（9）和开采后斜坡沉降量（10）。
所述的步骤（6）根据第一批井的实际生产波及半径和空洞9填充情况对第二批井井位进行修正，在第一批井4-1、4-3、4-5井间位置钻第二批井4-2、4-4，第二批井4-2、4-4与第一批井4-1、4-3、4-5井口位置分散布置，以保证第二批井4-2、4-4的井口稳定。
进一步地，在开发井的井底装配填充效果监测系统（5），填充效果监测系统（5）由声接发装置14、探地雷达GPR15、信号传输装置16和信号处理装置17组成，声接发装置14、探地雷达GPR15安设在注入管道13的下端，并通过信号传输装置16连接到地面的信号处理装置17。使用时，将声接发装置14、探地雷达GPR15下入上覆岩层（11）和下覆岩层（12）之间的水合物储层（3）中，通过声接发装置14、探地雷达GPR15对地层空洞及压裂缝进行探测，通过信号传输装置16将探测信息传输到信号处理装置17对地层空洞及压裂缝的填充效果进行评判，根据信号处理装置17处理后的结果对填充参数进行反馈，直到达到填充要求。
所述的生产过程中构建了监测范围包括井下、水中和大气的全方位环境监测体系，海底分布的海底沉降监测仪6监测海底是否发生滑坡、沉降，井口、水中、大气中分布的甲烷检测仪监测7是否发生甲烷泄漏，甲烷检测仪监测7为现有技术，不再详述。
本发明通过优化井位部署、分批钻井生产和填充开采空洞，防止了海底斜坡出现塑性区贯通的现象，避免了井喷、海底滑坡、甲烷泄漏等工程灾害、地质灾害及环境风险，确保海底斜坡下天然气水合物储层的稳定开采；填充效果监测系统不仅可以监测井下填充效果，而且可以通过信号反馈对填充参数进行修正，进一步增强海底斜坡的稳定性。
以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的相应简单修改或等同变换，尽属于本发明要求保护的范围。
Claims (9)
1.一种天然气水合物安全开采方式，其特征是包括如下步骤：
（1）预开发区块地质调查：在海床（2）上调查预开发区块的地质背景、矿体储集特征、邻井资料，以确定水合物储层参数、生产井波及半径；
（2）预开发区块井位部署：井组的开发井数量根据预开发区块水合物储层（3）的面积和单井控制有效半径共同确定，相邻的井间隔100-150米；
（3）进行井眼轨迹优选：基于预开发区块的储层特征，进行井眼轨迹优选，确定井身结构，开发井的井型可以是直井、水平井、定向井或丛式井；
（4）根据井位部署间隔钻第一批生产井（4-1、4-3、4-5），对开发区块进行储层改造，采用降压法进行生产；
（5）生产结束，填充井底空洞；
（6）根据井位部署在第一批生产井的井间位置钻第二批生产井（4-2、4-4），对开发区块进行储层改造，采用降压法进行生产；
（7）当天然气产量递减至无经济效益时停止生产。
2.根据权利要求1所述的天然气水合物安全开采方式，其特征是：所述的步骤（4）、（6）中储层改造采用液氮辅助增脆压裂技术，通过压裂管柱将高压液氮注入到天然气水合物储层，利用液氮的低温特性增加水合物储层脆性，高压液氮使天然气水合物储层产生破裂，注入的液氮携带支撑剂，以进一步提高渗透性。
3.根据权利要求1所述的天然气水合物安全开采方式，其特征是：在步骤（4）、（6）中开发井集气口处安装防砂装置，防砂装置由多层筛网和填充砾石组成。
4.根据权利要求3所述的天然气水合物安全开采方式，其特征是：所述的防砂装置由两层筛网和填充砾石组成，外层选用孔径20μm筛网，内层选用直径10μm筛网，在两层筛网内部填充有粒径25～100μm砾石。
5.根据权利要求1所述的天然气水合物安全开采方式，其特征是：所述的步骤（5）中，当天然气产量递减至无经济效益后结束生产，向开发井井底注入水泥填充开采空洞及压裂缝，保留海底泥线以下生产管柱后弃井。
6.根据权利要求1所述的天然气水合物安全开采方式，其特征是：所述的步骤（6）中，根据第一批井的实际生产波及半径和空洞填充情况对第二批井井位进行修正，在第一批井井间位置钻第二批井，第二批井与第一批井井口位置分散布置，以保证第二批井的井口稳定。
7.根据权利要求1所述的天然气水合物安全开采方式，其特征是：在开发井的井底装配填充效果监测系统（5），填充效果监测系统（5）由声接发装置（14）、探地雷达GPR（15）、信号传输装置（16）和信号处理装置（17）组成，声接发装置（14）、探地雷达GPR（15）安设在注入管道（13）的下端，并通过信号传输装置（16）连接到地面的信号处理装置（17），通过声接发装置（14）、探地雷达GPR（15）对地层空洞及压裂缝进行探测，通过信号传输装置（16）将探测信息传输到信号处理装置（17）对地层空洞及压裂缝的填充效果进行评判，根据信号处理装置（17）处理后的结果对填充参数进行反馈，直到达到填充要求。
8.根据权利要求3所述的天然气水合物安全开采方式，其特征是：在生产过程中构建了监测范围包括井下、水中和大气的全方位环境监测体系，海底分布的海底沉降监测仪（6）用来监测海底是否发生滑坡、沉降，井口、水中、大气中分布的甲烷检测仪（7）监测是否发生甲烷泄漏。
9.根据权利要求1所述的天然气水合物安全开采方式，其特征是：开发井在海底斜坡上垂直于斜坡方向平行分布。
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- 2021-01-26 CN CN202110100310.0A patent/CN112796713B/zh active Active
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