CN113323631B - 一种天然气水合物储层开采结构及气体压裂注入水硬性氧化钙的天然气水合物开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气水合物储层开采结构，包括位于天然气水合物储层中的钻井；与所述钻井相连通的压裂裂隙；所述压裂裂隙位于天然气水合物储层中；所述压裂裂隙中设置有含有氧化钙粉末的气体。本发明提供的天然气水合物储层开采结构，将氧化钙粉末通过气体充满压裂裂隙中，钻井降压后压裂裂隙中天然气水合物分解，分解产生的水与氧化钙反应释放大量的热量，提供了天然气水合物分解所需的热量，并提高了分解速度，还能够形成了高孔隙的氢氧化钙填充物，既支撑了压裂裂隙，又有较好的渗透性，从而提高了天然气的产气速率。本发明提供的开采方法简单易行，开采成本低，为天然气水合物规模化开采提供了新的思路，适于商业化推广和应用。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物开采领域，涉及一种天然气水合物储层开采结构及天然气水合物开采方法，尤其涉及一种天然气水合物储层开采结构及气体压裂注入水硬性氧化钙的天然气水合物开采方法。
背景技术
天然气水合物(Natural Gas Hydrate/Gas Hydrate)是一种白色固态物质，又被称作“可燃冰”(Combustible ice)或者“固体瓦斯”和“汽冰”，是类冰状的结晶物质。有极强的燃烧力，主要由水分子和烃类气体分子(主要是甲烷)组成，它是在一定条件(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等)下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物(水分子中氧原子的电负性较大，在高压下能吸引与之相近的水分子中的氢原子形成氢键，构成笼状结构)。一旦温度升高或压强降低，甲烷气则会逸出，固体水合物便趋于崩解。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆永久冻土、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境，可用mCH4·nH2O来表示，m代表水合物中的气体分子，n为水合指数(即水分子数)。天然气水合物从物理性质来看，密度接近并稍低于冰的密度，组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水合物。
2013年6月至9月，中国在广东沿海珠江口盆地东部海域首次钻获高纯度天然气水合物样品，并通过钻探获得可观的控制储量。2017年5月，中国首次海域天然气水合物(可燃冰)试采成功。2017年11月3日，国务院正式批准将天然气水合物列为新矿种。天然气水合物是一种储量巨大的新型能源，除我国以外，俄罗斯、美国、加拿大、日本等国家都进行了天然气水合物的试采工作，但目前采用的各种开采方法获得的天然气平均日产量远远达不到商业化开发的需求。在当前采用的天然气水合物开采方法中，试采天然气产量最高的是降压法，但是降压法开采目前仍存在开采储层产气速率慢、天然气水合物分解导致储层结构失稳以及接触体积不足等问题。
因此，如何设计一种更加有效的天然气水合物开采方法，解决上述天然气水合物开采中存在的缺陷，进一步推进天然气水合物开采的进程，满足大规模商业化开发的需求，已成为业内诸多具有前瞻性的研究人员广为关注的焦点之一。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种天然气水合物储层开采结构及天然气水合物开采方法，特别是一种天然气水合物储层开采结构及气体压裂注入水硬性氧化钙的天然气水合物开采方法。本发明提供的天然气水合物储层开采结构及开采方法，具有特定的压裂裂隙组成，能够提高降压面积，补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，能够克服当前天然气水合物降压开采产气速率低的缺点和不足，而且方法简单易行，开采成本低，适于规模化商业推广和应用。
本发明公开了一种天然气水合物储层开采结构，包括位于天然气水合物储层中的钻井；
与所述钻井相连通的压裂裂隙；
所述压裂裂隙位于天然气水合物储层中；
所述压裂裂隙中设置有含有氧化钙粉末的气体。
优选的，所述钻井包括垂直井和/或水平井；
所述压裂裂隙的宽度为0.1～100mm；
所述压裂裂隙的长度为10～300m；
所述压裂裂隙的个数包括1个或多个；
所述压裂裂隙的长度方向与所述钻井的长度方向的夹角为45°～140°。
优选的，所述压裂裂隙经过射孔和高压气体压裂后得到；
所述氧化钙包括水硬性石灰；
所述氧化钙粉末的粒度为0.001～10mm；
所述含有氧化钙粉末的气体的氧化钙的浓度为5～90kg/m3；
所述气体的压力为1～60MPa。
优选的，所述气体包括空气；
所述钻井的直径为100～800mm；
所述钻井中也设置有含有氧化钙粉末的气体；
所述钻井经过降压后，所述压裂裂隙中，所述天然气水合物储层中的水和氧化钙形成氢氧化钙；
所述钻井经过降压后，所述压裂裂隙中，所述氢氧化钙和所述天然气水合物储层中的沉积物形成硬质填充物。
本发明公开了一种天然气水合物储层的开采方法，包括以下步骤：
1)在天然气水合物矿藏区布设钻井平台，进行钻井施工，使得钻井进入天然气水合物储层；
2)对位于天然气水合物储层中的钻井进行射孔施工，在钻井周围的天然气水合物储层中形成射孔裂隙；
3)通过钻井，将含有氧化钙粉末的气体对天然气水合物储层进行压裂，使得含有氧化钙粉末的气体进入射孔裂隙；
4)对钻井进行降压操作后，抽水并进行天然气开采。
优选的，所述开采方法为原位补热降压充填开采方法；
所述天然气水合物矿藏区包括海域天然气水合物矿藏区；
所述钻井平台包括海水钻井平台。
优选的，所述钻井包括水平井和/或垂直井；
所述垂直井钻井施工具体为：使钻井分别穿过海水和上覆地层后，进入天然气水合物储层；
所述水平井包括垂直段和水平段；
所述水平井钻井施工具体为：使钻井的垂直段分别穿过海水和上覆地层后，进入天然气水合物储层后，在天然气水合物储层进行水平段钻井。
优选的，钻井完井后，再进行所述步骤2)；
所述射孔包括均布射孔、螺旋式相位射孔和水力喷射射孔中的一种或多种；
所述射孔裂隙具体为均布的多个射孔裂隙；
所述射孔裂隙分布在所述水平井的垂直段和/或水平段。
优选的，所述压裂的压力为1～60MPa；
所述射孔和压裂可以为多簇射孔和分段压裂施工；
所述降压操作具体为：停止压裂后，降低钻井井口压力；
所述降压后，钻井井口的压力大于等于1MPa。
优选的，所述抽水为抽取钻井井筒内天然气水合物储层中的水和天然气水合物分解产生的水；
所述天然气水合物分解产生的天然气从钻井的井筒运移至井口进行产气；
所述开采方法还包括，重复实施压裂步骤和/或继续降低井口压力，提高和维持产气速率的方法。
本发明公开了一种天然气水合物储层开采结构，包括位于天然气水合物储层中的钻井；与所述钻井相连通的压裂裂隙；所述压裂裂隙位于天然气水合物储层中；所述压裂裂隙中设置有含有氧化钙粉末的气体。与现有技术相比，本发明针对现有的天然气水合物储层开采方法，特别是降压开采法存在的问题，本发明研究认为，天然气水合物分解需要吸收大量的热量，而当前天然气水合物储层热量补给主要依靠地层热传导或井筒注热，地层热传导速率低，井筒注热热交换效率低，热补给效率低则限制了产气速率。而且海域天然气水合物赋存在沉积物孔隙中，天然气水合物分解引起沉积物骨架粘结力下降，有效应力增加，大规模开采将导致储层结构失稳，引起井筒破坏甚至海底滑坡，同时垂直井开采储层接触体积不足导致天然气水合物降压面积小，天然气水合物分解量少。
本发明创造性的设计了一种特殊的天然气水合物储层开采结构，将高浓度的氧化钙粉末通过气体携带至压裂裂隙，充满压裂裂隙中，钻井降压后压裂裂隙中天然气水合物分解，分解产生的水与氧化钙反应释放大量的热量，提供了天然气水合物分解所需的热量，并提高了分解速度，反应后生成氢氧化钙与沉积物混合，还能够形成了高孔隙的氢氧化钙填充物，既支撑了压裂裂隙，又有较好的渗透性，从而提高了天然气的产气速率。
而且本发明提供的天然气水合物开采方法，能够提高降压面积，补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，有效的解决了天然气水合物开采过程中，天然气水合物分解需要吸收大量的热量，而当前天然气水合物储层热量补给主要依靠地层热传导或井筒注热，地层热传导速率低，井筒注热热交换效率低，热补给效率低，导致传统开采产气速率低的缺点和不足。同时，本发明提供的开采结构和开采方法，还能够解决海域天然气水合物赋存在沉积物孔隙中，天然气水合物分解引起沉积物骨架粘结力下降，有效应力增加，大规模开采将导致储层结构失稳，引起井筒破坏甚至海底滑坡的问题。本发明提供的天然气水合物开采方法，简单易行，开采成本低，为天然气水合物规模化开采，提供了新的思路，适于商业化推广和应用。
理论分析与实验模拟结果表明，0.84mol的氧化钙与水反应发出的热量，能够提供1mol的纯天然气水合物分解热。对于中国南海神狐海域天然气水合物储层，孔隙度33％，天然气水合物饱和度76％，90.11kg(0.027m3)的氧化钙与水的反应热可以提供1m3储层天然气水合物的分解热，可以提供生成42.81m3天然气的分解热；氧化钙与水反应生成0.053m3氢氧化钙的固态填充物，氢氧化钙与天然气水合物储层中的黏土矿物、长石石英形成胶凝材料，提高了天然气水合物分解后的储层稳定性，同时增加了渗透性(55.7～269mD)。
附图说明
图1为本发明提供的气体压裂注入氧化钙天然气水合物开采方法示意简图；
图2为本发明提供的水平井钻井的水平段的横切面示意简图；
图3为本发明提供的模拟天然气水合物储层及相应开采结构的模拟试验实物图。
具体实施方式
为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。
本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
本发明所有原料，对其纯度没有特别限制，本发明优选采用工业纯或开采行业常规的纯度要求。
本发明所有原料，其牌号和简称均属于本领域常规牌号和简称，每个牌号和简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据牌号、简称以及相应的用途，能够从市售中购买得到或常规方法制备得到。
本发明所有工艺中，其简称均属于本领域的常规简称，每个简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据简称，能够理解其常规的工艺步骤。
本发明公开了一种天然气水合物储层开采结构，包括位于天然气水合物储层中的钻井；
与所述钻井相连通的压裂裂隙；
所述压裂裂隙位于天然气水合物储层中；
所述压裂裂隙中设置有含有氧化钙粉末的气体。
本发明对所述天然气水合物储层的定义没有特别限制，以本领域技术人员熟知的天然气水合物储层的定义即可，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明所述天然气水合物储层，以海域天然气水合物储层为例，其上为上覆地层，再往上为海水。
本发明所述天然气水合物储层开采结构包括位于天然气水合物储层中的钻井。本发明原则上对所述钻井的具体种类没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述钻井优选包括垂直井和/或水平井，更优选为垂直井或水平井。在本发明中，任意其他角度的开采井也可以适用。
本发明原则上对所述钻井的具体参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述钻井的直径优选为100～800mm，更优选为200～700mm，更优选为300～600mm，更优选为400～500mm。
本发明所述天然气水合物储层开采结构包括，与所述钻井相连通的压裂裂隙，所述压裂裂隙位于天然气水合物储层中。即人工在天然气水合物储层中形成压裂裂隙，而且压裂裂隙与钻井井身相连接。
本发明原则上对所述压裂裂隙的具体参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述压裂裂隙的宽度优选为0.1～100mm，更优选为0.5～50mm，更优选为1～10mm，更优选为3～8mm。所述压裂裂隙的长度优选为10～300m，更优选为50～250m，更优选为100～200m。
本发明原则上对所述压裂裂隙的个数没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述压裂裂隙的个数优选包括1个或多个，更优选为多个。
本发明原则上对所述压裂裂隙的方向没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述压裂裂隙的长度方向与所述钻井的长度方向的夹角优选为45°～140°，更优选为60°～120°，更优选为75°～105°。
本发明原则上对所述压裂裂隙的形成方式没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述压裂裂隙优选为经过射孔和高压气体压裂后得到。
本发明所述天然气水合物储层开采结构包括，设置在压裂裂隙中的含有氧化钙粉末的气体。
本发明原则上对所述氧化钙的选择没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述氧化钙优选包括水硬性石灰，在本发明中，所述水硬性石灰，即水硬性氧化钙是以氧化钙为主要成分并含有一定量水硬性矿物的胶凝材料，由含黏土矿物大于8％的泥灰质氧化钙石经900～1250℃煅烧后磨细而得，具有水硬性。
本发明原则上对所述氧化钙的大小没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述氧化钙粉末的粒度优选为0.001～10mm，更优选为0.01～9mm，更优选为0.125～8mm，更优选为2～5mm。
本发明原则上对所述含有氧化钙粉末的气体的参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述含有氧化钙粉末的气体的氧化钙的浓度优选为5～90kg/m3，更优选为15～80kg/m3，更优选为25～70kg/m3，更优选为35～60kg/m3。所述气体的压力优选为1～60MPa，更优选为5～55MPa，更优选为15～45MPa，更优选为25～35MPa。在本发明中，所述气体优选包括空气。
本发明为完整和细化技术方案，更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述钻井中优选也设置有含有氧化钙粉末的气体。
本发明为完整和细化技术方案，更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述钻井经过降压后，所述压裂裂隙中，所述天然气水合物储层中的水和氧化钙可以形成氢氧化钙。进一步的，所述钻井经过降压后，所述压裂裂隙中，所述氢氧化钙还可以和所述天然气水合物储层中的沉积物形成硬质填充物。
本发明提供了一种天然气水合物储层的开采方法，包括以下步骤：
1)在天然气水合物矿藏区布设钻井平台，进行钻井施工，使得钻井进入天然气水合物储层；
2)对位于天然气水合物储层中的钻井进行射孔施工，在钻井周围的天然气水合物储层中形成射孔裂隙；
3)通过钻井，将含有氧化钙粉末的气体对天然气水合物储层进行压裂，使得含有氧化钙粉末的气体进入射孔裂隙；
4)对钻井进行降压操作后，抽水并进行天然气开采。
本发明对上述制备方法中天然气水合物储层的开采结构的参数、形貌和位置关系，以及相应的优选原则，与前述天然气水合物储层的开采结构中所对应的参数、形貌和位置关系，以及相应的优选原则均可以进行对应，在此不再一一赘述。
本发明首先在天然气水合物矿藏区布设钻井平台，进行钻井施工，使得钻井进入天然气水合物储层。
本发明原则上对所述天然气水合物矿藏区的具体选择没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述天然气水合物矿藏区优选包括海域天然气水合物矿藏区。
本发明原则上对所述钻井平台的具体选择没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述钻井平台优选包括海水钻井平台。
本发明原则上对所述钻井的具体种类没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述钻井优选包括水平井和/或垂直井，更优选为水平井或垂直井，更优选为水平井。具体的，本发明所述水平井优选包括垂直段和水平段。
本发明基于天然气水合物开采降压面积影响天然气的产量，优选采用水平井均布射孔技术，将大幅提高天然气水合物储层降压面积，克服当前垂直井降压开采降压面积小的缺点。
本发明原则上对所述钻井施工的具体步骤没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，当所述钻井为垂直井时，其钻井施工步骤优选为：使钻井分别穿过海水和上覆地层后，进入天然气水合物储层。当所述钻井为水平井时，其钻井施工步骤优选为：使钻井的垂直段分别穿过海水和上覆地层后，进入天然气水合物储层后，在天然气水合物储层进行水平段钻井。
本发明随后对位于天然气水合物储层中的钻井进行射孔施工，在钻井周围的天然气水合物储层中形成射孔裂隙。具体的，该步骤可以在钻井完井后再进行。
本发明原则上对所述射孔施工的具体方式没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述射孔优选包括均布射孔、螺旋式相位射孔和水力喷射射孔中的一种或多种，更优选为均布射孔、螺旋式相位射孔或水力喷射射孔，更优选为均布射孔。
本发明原则上对所述射孔裂隙的具体形式没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述射孔裂隙优选为多个射孔裂隙，更优选为均布的多个射孔裂隙。
本发明原则上对所述射孔裂隙的具体位置没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述射孔裂隙优选分布在所述水平井的垂直段和/或水平段，更优选分布在所述水平井的水平段。
本发明再通过钻井，将含有氧化钙粉末的气体对天然气水合物储层进行压裂，使得含有氧化钙粉末的气体进入射孔裂隙。
本发明原则上对所述压裂的具体参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述压裂的压力优选为1～60MPa，更优选为5～55MPa，更优选为15～45MPa，更优选为25～35MPa。在本发明中，所述气体优选包括空气。
本发明原则上对所述射孔和压裂的施工方式没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述射孔和压裂优选为多簇射孔和分段压裂施工，更优选为多簇射孔或分段压裂施工。
本发明原则上所述降压的步骤和参数没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述降压操作优选为：停止压裂后，降低钻井井口压力。所述降压后，钻井井口的压力优选大于等于1MPa，更优选大于等于2MPa，更优选大于等于3MPa。
本发明最后对钻井进行降压操作后，抽水并进行天然气开采。
本发明原则上所述抽水的具体过程没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述抽水优选为抽取钻井井筒内天然气水合物分解产生的水，更优选为抽取钻井井筒内天然气水合物储层中的水和天然气水合物分解产生的水。
本发明原则上所述天然气开采的具体过程没有特别限制，本领域技术人员可以根据水合物赋存区域及储层的情况、开采要求以及产气要求进行选择和调整，本发明为完整和细化技术方案，更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述天然气水合物分解产生的天然气优选从钻井的井筒运移至井口进行产气。
本发明为完整和细化技术方案，更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述开采方法优选还包括，重复实施压裂步骤和/或继续降低井口压力，提高和维持产气速率的方法。
本发明上述步骤提供了一种原位补热降压充填的天然气水合物储层开采方法，该方法能够克服当前天然气水合物降压开采，产气速率低的缺点和不足，能够提高降压面积，补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性。本发明为完整和细化技术方案，更好的提高开采的降压面积，更多的补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，进而提高产气速率，所述天然气水合物储层的开采方法具体可以为以下步骤：
本发明提供的气体压裂注入水硬性氧化钙的天然气水合物开采方法，主要利用水平井均布射孔技术，将含高浓度水硬性氧化钙粉末高压气体压裂，井口降压开采工艺，重复射孔压裂。其主要技术方案由四部分构成：
水平井均布射孔技术：在海域天然气水合物矿藏区布设海上钻井平台6，进行钻井7施工，钻井垂直段8分别穿过海水3和上覆地层4，在天然气水合物储层5中进行钻井水平段9施工，钻井7完井后，在钻井水平段9进行射孔施工，在天然气水合物储层5中形成均布的射孔裂隙10；
含高浓度水硬性氧化钙粉末高压气体：将水硬性氧化钙粉末与高压气体混合，形成含高浓度水硬性氧化钙粉末的高压气体11，对天然气水合物储层5进行压裂，含高浓度水硬性氧化钙粉末的高压气体11延展射孔裂隙10，并将水硬性氧化钙粉末携带至压裂裂隙，在钻井水平段9中进行分段射孔和压裂施工；
井口降压开采：停止压裂施工后，降低钻井7井口压力，并抽取钻井7井筒中的水，天然气水合物储层5压裂裂隙中压力降低，天然气水合物分解成天然气与水，天然气从钻井7井筒运移到井口，水与裂隙中水硬性氧化钙反应生成氢氧化钙，释放大量热量，促进天然气水合物快速分解，反应后生成的氢氧化钙与沉积物混合形成了高孔隙的氢氧化钙填充物，既支撑裂隙稳定，又有较好的渗透性，有利于井筒水抽取与采气；
重复射孔压裂：当钻井7井口产气速率下降时，可重复实施含高浓度水硬性氧化钙粉末高压气体压裂，并采用井口降压开采工艺维持高产气速率。
参见图1，图1为本发明提供的气体压裂注入氧化钙天然气水合物开采方法示意简图。其中，1：海平面；2：海底；3：海水；4：上覆地层；5：天然气水合物储层；6：海上钻井平台；7：钻井；8：钻井垂直段；9：钻井水平段；10：射孔裂隙；11：含高浓度水硬性氧化钙粉末的高压气体；12：氢氧化钙充填。
参见图2，图2为本发明提供的水平井钻井的水平段的横切面示意简图。
本发明在综合分析天然气水合物分解需要吸收大量的热量，而当前天然气水合物储层热量补给主要依靠地层热传导或井筒注热，地层热传导速率低，井筒注热热交换效率低，热补给效率低则限制了产气速率。另外，海域天然气水合物赋存在沉积物孔隙中，天然气水合物分解引起沉积物骨架粘结力下降，有效应力增加，大规模开采将导致储层结构失稳，引起井筒破坏甚至海底滑坡等诸多实际因素。本发明采用含高浓度的氧化钙粉末高压气体压裂，能够解决天然气水合物热补给效率低和开采引发储层结构失稳问题。将氧化钙带入地层，其中的氧化钙与水反应生成氢氧化钙，放出热量，其热化学方程式参见下式：
CaO(s)+H2O(l)＝Ca(OH)2(s)
利用该反应放出的热量，可有效补充地层水合物分解所消耗的热量，将高浓度氧化钙粉末携带至压裂裂隙，降压后压裂裂隙中天然气水合物分解，分解产生的水与氧化钙反应释放大量的热量，提供了天然气水合物分解所需的热量，并提高了分解速度，而水硬性氧化钙反应后生成氢氧化钙与沉积物混合形成了高孔隙的氢氧化钙填充物，既支撑了压裂裂隙，又有较好的渗透性，提高了天然气的产气速率。
本发明提供的天然气水合物储层开采结构及气体压裂注入水硬性氧化钙的天然气水合物开采方法，设计了一种特殊的天然气水合物储层开采结构，将高浓度的氧化钙粉末通过气体携带至压裂裂隙，充满压裂裂隙中，钻井降压后压裂裂隙中天然气水合物分解，分解产生的水与氧化钙反应释放大量的热量，提供了天然气水合物分解所需的热量，并提高了分解速度，反应后生成氢氧化钙与沉积物混合，还能够形成了高孔隙的氢氧化钙填充物，既支撑了压裂裂隙，又有较好的渗透性，从而提高了天然气的产气速率。
而且本发明提供的天然气水合物开采方法，能够提高降压面积，补充天然气水合物分解热量，提高天然气水合物储层稳定性，增加渗透性，有效的解决了天然气水合物开采过程中，天然气水合物分解需要吸收大量的热量，而当前天然气水合物储层热量补给主要依靠地层热传导或井筒注热，地层热传导速率低，井筒注热热交换效率低，热补给效率低，导致传统开采产气速率低的缺点和不足。同时，本发明提供的开采结构和开采方法，还能够解决海域天然气水合物赋存在沉积物孔隙中，天然气水合物分解引起沉积物骨架粘结力下降，有效应力增加，大规模开采将导致储层结构失稳，引起井筒破坏甚至海底滑坡的问题。本发明提供的天然气水合物开采方法，简单易行，开采成本低，为天然气水合物规模化开采，提供了新的思路，适于商业化推广和应用。
理论分析与实验模拟结果表明，0.84mol的氧化钙与水反应发出的热量，能够提供1mol的纯天然气水合物分解热。对于中国南海神狐海域天然气水合物储层，孔隙度33％，天然气水合物饱和度76％，90.11kg(0.027m3)的氧化钙与水的反应热可以提供1m3储层天然气水合物的分解热，可以提供生成42.81m3天然气的分解热；氧化钙与水反应生成0.053m3氢氧化钙的固态填充物，氢氧化钙与天然气水合物储层中的黏土矿物、长石石英形成胶凝材料，提高了天然气水合物分解后的储层稳定性，同时增加了渗透性(55.7～269mD)。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种天然气水合物储层开采结构及天然气水合物开采方法进行详细描述，但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。
实施例1
参见图3，图3为本发明提供的模拟天然气水合物储层及相应开采结构的模拟试验实物图。
采用图3所示的设备，填入模拟用沉积物，在高压10～15MPa条件下在沉积物中原位合成天然气水合物，采用水饱和的方式合成天然气水合物。模拟中国南海神狐海域天然气水合物储层，将实验设备中，人工合成的天然气水合物储层中的孔隙度设置为40％～60％，天然气水合物饱和度40％～70％。
模拟试验主要包括试样合成、模拟开采等过程，所采用的试样合成方法为水饱和方法，即向固体沉积物和水的混合物中通入甲烷气体，通过升压、降温等操作使水合物在沉积物孔隙中形成，该过程模拟了自然状态下水合物藏的形成过程。
模拟开采分别按照传统降压法以及本发明的开采方法进行设置，及进行对照试验。传统降压法试验过程不再赘述，此处仅对本发明的开采模拟方法进行描述。
在模拟实施本发明所提出的开采方法时，按照前述实施方式，分别在试样中布管、压裂、注氧化钙来模拟储层中的井筒、压裂裂隙、氧化钙粉末等要素。通过在试样内布管或钻孔，来模拟实际开采中的井筒，提供流体采出的通道。在模拟试验中，通过气体压裂模拟实施方式中的地层压裂环节，在压裂的同时，由压裂气体将氧化钙粉末送入压裂裂隙。上述步骤实施后，降低开采端压力，模拟实际的降压环节，改变试样内部体系压力，使得沉积物中水合物相变分解，在开采端获得甲烷气体并进行流量监测，模拟水合物的开采过程。
通过监测气体产量、考察储层渗透性变化以及储层稳定性变化，对照单纯降压开采以及本发明所提出的注入氧化钙开采方法，可验证本方法的可行性和有效性。
根据沉积物中充入气体的质量计算合成的天然气水合物质量，分别采用降压法和注入氧化钙粉末后降压法测量产气速率。得益于氧化钙与水反应的放热效应，注入氧化钙显著地增加了水合物的分解产气效率，试验测得数据表明注入氧化钙的开采方法比单纯降压产气速率提高了12.3倍，可见在提高产气速率方面本发明所设计的储层结构及开采方法具有显著效果。
在水合物开采过程中，除了关注初期产气速率，还需观测储层物性随开采过程的变化，其中最主要的是储层的渗透性及储层稳定性变化，这两方面因素决定了开采方法的长期有效性和安全性。
在模拟试验中，将注入氧化钙粉末降压法试验后的样品进行X射线CT扫描，根据孔隙直径计算渗透率，储层渗透率提高了47倍。这主要得益于压裂所产生的裂隙以及氢氧化钙对储层的填补和支撑作用，确保了高渗透流体运移通道的稳定赋存，这对于水合物的长期高效开采至关重要。
在储层稳定性方面，水合物开采过程中储层会由于水合物粘结作用的消失而逐渐产生力学性质的劣化，又由于流体的侵蚀作用导致固体颗粒的运移，这些过程会导致地层压缩甚至更为严重的地层失稳事件，这是水合物安全开采必须解决的问题。本发明所提出的开采方法中，氧化钙与水反应一方面提供水合物分解的热量，同时该过程所生成的氢氧化钙还将对地层起到填充作用。水合物开采过程中地层出砂会影响气体开采，同时也易引发地层失稳，因此合适的固体成分补充可有效降低地层失稳的风险。模拟试验中发现，注入氧化钙后，即便在开采后期，试样的完整性也保持较好，试样崩解、破坏的情况显著减少，这对于水合物的安全开采至关重要。
本实施例描述了一个在室内模拟实施本发明所提出的开采方法的过程，叙述了各步骤的操作及各类参数的范例，同时也从产气速率、储层渗透性、储层稳定性等方面对新方法的可行性、有效性进行了验证。
以上对本发明提供的一种天然气水合物储层开采结构及气体压裂注入水硬性氧化钙的天然气水合物开采方法进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种天然气水合物储层开采结构，其特征在于，包括位于天然气水合物储层中的钻井；
与所述钻井相连通的压裂裂隙；
所述压裂裂隙位于天然气水合物储层中；
所述压裂裂隙中设置有含有氧化钙粉末的气体。
2.根据权利要求1所述的开采结构，其特征在于，所述钻井包括垂直井和/或水平井；
所述压裂裂隙的宽度为0.1～100mm；
所述压裂裂隙的长度为10～300m；
所述压裂裂隙的个数包括1个或多个；
所述压裂裂隙的长度方向与所述钻井的长度方向的夹角为45°～140°。
3.根据权利要求1所述的开采结构，其特征在于，所述压裂裂隙经过射孔和高压气体压裂后得到；
所述氧化钙包括水硬性石灰；
所述氧化钙粉末的粒度为0.001～10mm；
所述含有氧化钙粉末的气体的氧化钙的浓度为5～90kg/m3；
所述气体的压力为1～60MPa。
4.根据权利要求1所述的开采结构，其特征在于，所述气体包括空气；
所述钻井的直径为100～800mm；
所述钻井中也设置有含有氧化钙粉末的气体；
所述钻井经过降压后，所述压裂裂隙中，所述天然气水合物储层中的水和氧化钙形成氢氧化钙；
所述钻井经过降压后，所述压裂裂隙中，所述氢氧化钙和所述天然气水合物储层中的沉积物形成硬质填充物。
5.一种天然气水合物储层的开采方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在天然气水合物矿藏区布设钻井平台，进行钻井施工，使得钻井进入天然气水合物储层；
2)对位于天然气水合物储层中的钻井进行射孔施工，在钻井周围的天然气水合物储层中形成射孔裂隙；
3)通过钻井，将含有氧化钙粉末的气体对天然气水合物储层进行压裂，使得含有氧化钙粉末的气体进入射孔裂隙；
4)对钻井进行降压操作后，抽水并进行天然气开采。
6.根据权利要求5所述的开采方法，其特征在于，所述开采方法为原位补热降压充填开采方法；
所述天然气水合物矿藏区包括海域天然气水合物矿藏区；
所述钻井平台包括海水钻井平台。
7.根据权利要求5所述的开采方法，其特征在于，所述钻井包括水平井和/或垂直井；
所述垂直井钻井施工具体为：使钻井分别穿过海水和上覆地层后，进入天然气水合物储层；
所述水平井包括垂直段和水平段；
所述水平井钻井施工具体为：使钻井的垂直段分别穿过海水和上覆地层后，进入天然气水合物储层后，在天然气水合物储层进行水平段钻井。
8.根据权利要求7所述的开采方法，其特征在于，钻井完井后，再进行所述步骤2)；
所述射孔包括均布射孔、螺旋式相位射孔和水力喷射射孔中的一种或多种；
所述射孔裂隙具体为均布的多个射孔裂隙；
所述射孔裂隙分布在所述水平井的垂直段和/或水平段。
9.根据权利要求5所述的开采方法，其特征在于，所述压裂的压力为1～60MPa；
所述射孔和压裂可以为多簇射孔和分段压裂施工；
所述降压操作具体为：停止压裂后，降低钻井井口压力；
所述降压后，钻井井口的压力大于等于1MPa。
10.根据权利要求5所述的开采方法，其特征在于，所述抽水为抽取钻井井筒内天然气水合物储层中的水和天然气水合物分解产生的水；
所述天然气水合物分解产生的天然气从钻井的井筒运移至井口进行产气；
所述开采方法还包括，重复实施压裂步骤和/或继续降低井口压力，提高和维持产气速率的方法。
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