CN113006764B - 一种多分支水合物置换开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多分支水合物置换开采方法，通过在水合物储层中沿水平方向钻采出开采井，避免重复消耗大量资源去穿透水合物的致密上覆层，初期开采，利用降压手段对水平开采井进行降压开采，再利用置换物质对水平开采井进行压裂、焖井憋压，以使置换物质与水合物充分接触和反应，同时在水平开采井的同层偏转位置或上层位置钻采下一水平开采井，实现置换作业的同时其他位置可进行水合物开采，使得开采和置换同时进行，节约置换作业需要的时间成本，以使垂深方向和平面方向的多层分支井都可以同时存在，分支井的组合形式不受限制，只需充分考虑开采的水合物藏的厚度和范围、地质特征、钻采的工艺安全等因素，有效实现全储层的水合物置换开采。
Description
技术领域
本发明涉及水合物开采技术领域，尤其涉及一种多分支水合物置换开采方法。
背景技术
水合物是天然气水在低温高压环境下形成的笼形晶胞化合物，其主要分布在陆地永久冻土带和海底沉积物中。当前水合物开采方法主要包括降压法、注热法、化学抑制剂注入法、置换法和固态流化法，其中降压法通过调节压力来控制水合物的分解效率，操作相对简便，不需要昂贵的激发工序，被公认为目前最具经济价值的开采方式；注热法通过注入热量进行地层加热的方式来提升储层温度，进而实现水合物分解，但是导热率很低，存在大量的热能浪费、供热设备复杂、开采效率低和经济效益低等问题；化学抑制剂注入法通过注入化学抑制剂来破坏储层的稳定体系，促使水合物平衡条件失稳而分解，但是具有价格昂贵、污染生态环境和抑制剂扩散范围窄等问题；固态流化法通过海底采矿设备对水合物储层直接进行开采，将沉积物进行颗粒粉碎会运送至海面进行分离，但是具有设备复杂、输送管道安全要求很高、甲烷泄漏控制要求高、破坏生态环境等问题；
置换法的工作原理通过注入比甲烷分子更容易生成水合物的气体分子到储层中(如CO2、CO2+N2、CO2+H2等)，原位置换出甲烷水合物中的甲烷分子，并生成新的稳定的水合物。该方法最大的特点在于置换过程中不存在相变，置换作业可自发进行不需要外界注入激发能量，在开采过程中维护了水合物储层的稳定性、保持地层的物理力学性质稳定、降低开采的地质灾害风险、封存温室气体维持生态环境的平衡等，具有能源开采和环境保护的双重利益。但是置换作业速度慢、置换效率低以及传质障碍等问题导致置换法在工程实践中的应用受到严重阻碍。
目前，世界上开展的几次试采工程，主要考虑到工程操作的简便性和经济性，大多采用降压法的开采方式。但是，若未来要进行大面积的水合物商业化开采，就必须要关注水合物大面积分解后导致的地质坍塌、滑塌、甲烷气体泄漏等自然灾害和环境问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多分支水合物置换开采方法，其能解决现有的水合物开采方法成本高、单井产能受限并且容易造成大规模地层失稳等问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种多分支水合物置换开采方法，包括以下步骤：
S1：驱使钻机在水合物储层中沿水平方向钻采出水平开采井，并进行完井；
S2：将生产管柱下入到水平开采井中，并将水平开采井内的压力下降至预设压值，对水平开采井进行降压开采；
S3：判断水平开采井的生产参数是否低于目标值，若否，则继续开采该水平开采井，若是，则停止开采水平开采井，利用置换物质根据预设的压裂点对水平开采井进行压裂作业，并对水平开采井进行焖井憋压，并执行S4；
S4：判断是否存在井内温压值低于预设温压值的水平开采井，若否，继续进行焖井憋压，并执行S5，若是，则执行S6；
S5：根据开采储层厚度特征，判断水平开采井的同层可偏转的范围或顶端到盖层的距离是否等于或者大于可开采间隔，若是，则在水平开采井的同层偏转位置或上层位置沿水平方向钻采出下一水平开采井，以及进行完井，并执行S2，若否，执行S4；
S6：将生产管柱接回井内温压值低于预设温压值的水平开采井中，以获取置换气体，再次利用置换物质根据预设的压裂点对水平开采井进行压裂作业以及焖井憋压；
S7：判断置换气体中的甲烷气体的占比是否低于预设比例，若是，则对该水平开采井进行充填弃井，并执行S5，若否，则执行S4。
优选的，所述置换物质为超临界二氧化碳。
优选的，所述水平开采井的井身长度在300米-500米范围内。
优选的，任意两个同层偏转的水平开采井的井眼轨迹中轴线的偏转角度大于或者等于30度，任意两个上下相邻的水平开采井的井眼轨迹中轴线间距大于或者等于5米。
优选的，所述可开采间隔等于或者大于水平开采井的井径与任意两个上下相邻的水平开采井的井眼轨迹中轴线间距之和。
优选的，所述生产参数包括水合物储层压力和产气速度中的一种或多种。
优选的，在S1之前还包括以下步骤：
S01：驱使钻机在水合物储层上自顶部向底部钻采出与水平开采井连通的垂直开采井。
优选的，所述预设比例为20％。
优选的，任意两个上下相邻的水平开采井的压裂点在水平面上的投影不重合。
优选的，所述水平开采井的输出端均设置有封隔装置。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：通过在水合物储层中沿水平方向钻采出水平开采井，以避免重复消耗大量资源去穿透水合物顶部的致密上覆层，并且减少对海底生态环境的破坏，进一步的，当前水平开采井进行置换作业时，则根据储层特征，在进行置换作业的水平开采井的同层偏转位置或上层位置钻采下一水平开采井，以使得置换作业同时可进行其他位置水合物开采同时进行，节约置换作业需要的时间成本，并且通过多个水平开采井组成的多分支井结构与水合物储层的结构特征相结合，只需充分考虑开采的水合物藏的厚度和范围、地质特征、钻采的工艺安全等因素，有效实现全储层的水合物置换开采，有效扩大开采效果和范围以及对水合物储层的充分开采。
附图说明
图1为本发明中所述的水平开采井沿垂直方向的剖视图。
图2为本发明中所述的水平开采井沿水平方向的剖视图。
图3为本发明中所述的多分支水合物置换开采方法的流程图。
图中：1-水平开采井；2-封隔装置；3-生产管柱；4-垂直开采井。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
在本发明中，将开采的水合物藏在海底的内部结构，从上至下依次简单分为盖层、水合物储层、地层三部分，其中盖层存在大量的海底沉积物，并随着日积月累，形成一层致密结构。所述封隔装置2指连接于井下管柱之上、用于封隔油管与油气井套管或裸眼井壁环形空间的井下工具。
如图1-3所示，一种多分支水合物置换开采方法，包括以下步骤：
S01：驱使钻机在水合物储层上自顶部向底部钻采出与水平开采井1连通的垂直开采井4。
具体的，进行水合物开采之前，先在垂直方向上钻采出垂直开采井4，该垂直开采井4贯穿盖层至水合物储层的底部，以便于后续步骤中沿水平钻采水平开采井1时，无需重复多次耗费大量的时间和资源去贯穿均有致密结构的盖层，在本实施例中，根据水合物储层特性对储层进行多分支井开采，设计垂深方向上有两层水平开采井，上下相邻井之间的间距为5米，如图1所示；水平方向上每层设计有三个水平开采井，左右相邻井之间的偏转角度为120度，且上下两层水平开采井在水平面投影上具有60度的偏转，如图2所示。
先从垂直开采井4的底部开始，即第一个水平开采井1在垂直开采井4的底部沿水平方向进行钻采，第二个水平开采井1和第三个水平开采井1，则在第一个水平开采井1的同层偏转位置，偏转角度分别为120度和240度。第四个水平开采井1则是第一个水平开采井1的上层位置，水平面投影上具有60度的偏转，第五个水平开采井1和第六个水平开采井1，则在第四个水平开采井1的同层偏转位置，偏转角度分别为120度和240度。多个水平开采井1与垂直开采井4整体呈发射状。
S1：驱使钻机在水合物储层中沿水平方向钻采出水平开采井1，并进行完井；
具体的，在垂直开采井4中沿水平方向在水合物储层中钻采出水平开采井1，当钻采作业完成后，对该水平开采井1进行完井，以使得井身在开采过程中处于一个相对稳定的状态，保证开采工作能够顺利进行。在本实施例中，通过在垂直开采井4的底部区域的水合物储层中沿水平方向钻采出水平开采井1，以使开采工作从垂直开采井4的底部区域开始进行，实现充分开采水合物；优选的，水平开采井1的井身长度在300米至500米的范围内。
S2：将生产管柱3下入到水平开采井1中，并将水平开采井1内的压力下降至预设压值，对水平开采井1进行降压开采；
具体的，完井操作完成后，再将生产管柱3下入到水平开采井1中，同时在水平开采井1的输出端均设置有封隔装置2(封隔器)，以封隔水平开采井1和垂直开采井4，便于工作人员对水平开采井1进行封井降压以及后续中的焖井置换作业，所述输出端为水平开采井1靠近垂直开采井4的一端。在本实施例中，开采初期，利用降压法将水平开采井1内压力下降至水合物相平衡条件以下，水合物开始分解，再利用生产管柱3将水合物分解出来的气体抽走。
S3：判断水平开采井1的生产参数是否低于目标值，若否，则继续开采该水平开采井1，若是，则停止开采水平开采井1，利用置换物质根据预设的压裂点对水平开采井1进行压裂作业，并对水平开采井1进行焖井憋压，并执行S4。
具体的，当水合物储层的压力降低至水合物储层温度对应水合物相平衡压力的15％以下、产气速度低于
(根据2017年中国南海试采生产曲线)或者达到工程实际要求时，关泵停止降压开采，移走生产管柱3，然后再次下入钻杆，其中射孔装置安装在钻杆上，之后超临界二氧化碳置换物质通过射孔装置注入，根据预设的压裂点对水平开采井1进行压裂作业，最后利用堵头通过封隔装置2将水平开采井1的输出端封住，对水平开采井1进行焖井憋压，给与超临界二氧化碳和水合物充分的接触面积和反应时间，实现超临界二氧化碳置换开采水合物作业。
需要说明的是，本发明中所述的超临界二氧化碳介于气体和液体之间的流体，临界温度为31.26℃，压力高于7.4MPa，其密度接近液体，粘度接近气体。具有表面张力很低、流动性好、渗透能力强、扩散系数高、致裂能力强、增大地层孔隙等优点，可以有效的压裂水合物储层，扩大接触面积，提高二氧化碳置换法的置换效率。
S4：判断是否存在井内温压值低于预设温压值的水平开采井1，若否，继续进行焖井憋压，并执行S5，若是，则执行S6；
具体的，通过温压传感器等对所有正在进行焖井置换的水平开采井1内部的储层压力和温度进行监控，当水平开采井1内的储层压力或温度高于二氧化碳水合物相平衡范围内，则表示置换作业还在继续，需要继续进行焖井憋压，当水平开采井1内的储层压力或温度低于二氧化碳水合物相平衡范围内，则表示置换作业完成，即可以抽取置换的气体，以及进行下一次的置换作业。
进一步的，由于置换作业所需的时间可能会因为水合物储层的实际情况、置换物质的浓度等原因出现延长或者缩短，所以当第二个水平开采井1完成初期开采，进入置换作业时，第一个水平开采井1可能还处于焖井憋压阶段，此时应当再进行第三个水平开采井1的钻采和初期开采。
S5：根据开采储层厚度特征，判断水平开采井的同层可偏转的范围或顶端到盖层的距离是否等于或者大于可开采间隔，若是，则在水平开采井的同层偏转位置或上层位置沿水平方向钻采出下一水平开采井，以及进行完井，并执行S2，若否，执行S4；
具体的，当目前进入置换阶段的水平开采井1均处于焖井憋压阶段时，则判断水平开采井1的同层可偏转的范围是否等于或者大于开采间隔，其中同层可偏转的范围是指与当前的水平开采井1互为左右相邻且之间的偏转角等于或者大于井眼轨迹中轴线之间的最小偏转角的区域，一般情况下，考虑现有钻井技术和施工安全等问题，故任意两个左右相邻的水平开采井1的井眼轨迹中轴线之间的最小偏转角为30度；此外，判断水平开采井1的顶端到盖层的距离是否等于或者大于可开采间隔，其中所述可开采间隔等于或者大于水平开采井1的井径与任意两个上下相邻的水平开采井1的井眼轨迹中轴线间距之和，一般情况下，压裂并进行置换作业的区域为压裂点周围2.5米的范围，故任意两个上下相邻的水平开采井1的井眼轨迹中轴线间距大于或者等于5米，以避免开采过程中，出现相同的置换区域或者交汇点出现过大的相同的置换区域，造成一定程度的资源浪费。
当水平开采井1的同层可偏转的范围或顶端到盖层的距离等于或者大于开采间隔时，则表示可以在同层偏转位置或上层位置至少再开采一个或者一个以上的水平开采井1，故可以在处于焖井憋压阶段的水平开采井1的同层或上层钻采一个新的水平开采井1，并对该水平开采井1进行完井，然后执行S2进行初步的降压开采，当水平开采井1的同层可偏转的范围或顶端到盖层的距离小于开采间隔时，则停止继续钻采新的水平开采井1，并且返回执行S4，持续监测处于焖井憋压阶段的水平开采井1的储层压力和温度，以实现置换作业的同时其他位置可进行水合物开采，使得开采和置换同时进行，节约置换作业需要的时间成本。优选的，由于任意两个左右相邻的水平开采井1的井眼轨迹中轴线之间的偏转角需要大于或者等于30度，且任意两个上下相邻的水平开采井1的井眼轨迹中轴线间距需要大于或者等于5米，所以在垂直开采井上钻采新的水平开采井1时，仅需满足上述井间距离的要求，以使垂深方向上和平面方向上的多层分支井都可以同时存在，如图2所示，在满足上述井间距离的要求的前提下，上下相邻的水平开采井1之间的偏转角可以为任意度数，分支井的组合形式不受限制，只需充分考虑开采的水合物藏的厚度和范围、地质特征、钻采的工艺安全等因素，有效实现全储层的水合物置换开采，优选的，任意两个上下相邻的水平开采井1的压裂点在水平面上的投影不重合，即通过上下多层开采井压裂位置交错设计，有效扩大置换效果和范围，从而实现最有效的置换作业，使得该区域的水合物藏的置换充分进行。
S6：将生产管柱3接回井内温压值低于预设温压值的水平开采井1中，以获取置换气体，再次利用置换物质根据预设的压裂点对水平开采井1进行压裂作业以及焖井憋压；
具体的，当水平开采井1内的储层压力或温度低于二氧化碳水合物相平衡范围内，则对该水平开采井1进行回接生产管柱3工序，抽取出置换开采得到的甲烷气体和残余的二氧化碳气体，并再次进行超临界二氧化碳压裂作业，利用超临界二氧化碳的高温度，将上次置换生成的致密二氧化碳水合物发生部分分解，打开二氧化碳向深层水合物储层流动运移的通道，扩大置换深度和范围，并再次焖井憋压置换开采水合物。
S7：判断置换气体中的甲烷气体的占比是否低于预设比例，若是，则对该水平开采井1进行充填弃井，并执行S5，若否，则执行S4。
具体的，当生产管柱3从水平开采井1中抽取到的置换气体中的甲烷气体的占比低于预设比例，则表示该水平开采井1的甲烷气体已经置换完成，可以进行充填弃井，优选的，所述预设比例为20％，在本实施例中，生产管柱3从水平开采井1中抽取置换气体，可通过抽取部分置换气体进行成分分析得到置换气体中的甲烷气体的占比，从而判断置换气体中的甲烷气体的占比是否低于预设比例，若否，则继续进行置换作业，若是，则对该水平开采井1进行充填弃井，并返回S5，以判断能否钻采新的水平开采井1，若无法继续开采新的水平开采井1，则待所有水平开采井1的置换作业完成，则对垂直开采井进行充填弃井。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多分支水合物置换开采方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：驱使钻机在水合物储层中沿水平方向钻采出水平开采井，并进行完井；
S2：将生产管柱下入到水平开采井中，并将水平开采井内的压力下降至预设压值，对水平开采井进行降压开采；
S3：判断水平开采井的生产参数是否低于目标值，若否，则继续开采该水平开采井，若是，则停止开采水平开采井，利用置换物质根据预设的压裂点对水平开采井进行压裂作业，并对水平开采井进行焖井憋压，并执行S4；
S4：判断是否存在井内温压值低于预设温压值的水平开采井，若否，继续进行焖井憋压，并执行S5，若是，则执行S6；
S5：根据开采储层厚度特征，判断水平开采井的同层可偏转的范围或顶端到盖层的距离是否等于或者大于可开采间隔，若是，则在水平开采井的同层偏转位置或上层位置沿水平方向钻采出下一水平开采井，以及进行完井，并执行S2，若否，执行S4；
S6：将生产管柱接回井内温压值低于预设温压值的水平开采井中，以获取置换气体，再次利用置换物质根据预设的压裂点对水平开采井进行压裂作业以及焖井憋压；
S7：判断置换气体中的甲烷气体的占比是否低于预设比例，若是，则对该水平开采井进行充填弃井，并执行S5，若否，则执行S4。
2.如权利要求1所述的多分支水合物置换开采方法，其特征在于：所述置换物质为超临界二氧化碳。
3.如权利要求1所述的多分支水合物置换开采方法，其特征在于：所述水平开采井的井身长度在300米-500米范围内。
4.如权利要求1所述的多分支水合物置换开采方法，其特征在于：任意两个同层偏转的水平开采井的井眼轨迹中轴线的偏转角度大于或者等于30度，任意两个上下相邻的水平开采井的井眼轨迹中轴线的间距大于或者等于5米。
5.如权利要求4所述的多分支水合物置换开采方法，其特征在于：所述可开采间隔等于或者大于水平开采井的井径与任意两个上下相邻的水平开采井的井眼轨迹中轴线间距之和。
6.如权利要求1所述的多分支水合物置换开采方法，其特征在于：所述生产参数包括水合物储层压力和产气速度中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的多分支水合物置换开采方法，其特征在于：在S1之前还包括以下步骤：
S01：驱使钻机在水合物储层上自顶部向底部钻采出与水平开采井连通的垂直开采井。
8.如权利要求1所述的多分支水合物置换开采方法，其特征在于：所述预设比例为20％。
9.如权利要求1所述的多分支水合物置换开采方法，其特征在于：任意两个上下相邻的水平开采井的压裂点在水平面上的投影不重合。
10.如权利要求1所述的多分支水合物置换开采方法，其特征在于：所述水平开采井的输出端设置有封隔装置。
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