CN114135254B - 一种水合物固态流化-降压联合开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水合物固态流化‑降压联合开采方法，属于海洋天然气水合物开采技术领域，该方法有高、低压两种生产作业模式，高压模式完成水合物射流破碎步骤后，在低压模式中将海洋表面海水以低压状态注入到水合物储层，一部分低压海水直接进入储层将破碎后的水合物混合物浆体输送至海洋平台，其余海水驱动井下举升泵营造负压抽吸环境，实现水合物的可控降压分解开采，避免了纯降压法开采导致的严重出砂堵塞筛管问题，并能快速将水合物分解产生的水带离储层，避免了严重出水问题，本发明基于固态流化‑降压联合法开采思路，有效解决了水合物开采面临的井筒安全、生态环境破坏和生产控制等问题，且能实现水合物可控、可持续的低成本开采。
Description
技术领域
本发明涉及海洋天然气水合物开发技术领域，特别是一种水合物固态流化-降压联合开采方法。
背景技术
天然气水合物作为一种储量巨大且环境友好型能源而被世界所瞩目，自1956年苏联成功在西伯利亚麦索雅哈(Messoya-kha)实现冻土区水合物试采成功，之后各国研究团队对其开采方法进行了各种各样的论证和实验研究。其中中国于2017年5月中国神狐海域天然气水合物试采(降压法)取得了巨大成功，创造了产气时间和产气总量两项世界纪录，这证明降压法用以开采天然气水合物的技术手段是有效且可行的。
然而国内外的采用降压法试采都未能实现可持续开采作业，仅在试采前几天取得了较为可观的效益，约一周之后就会出现严重问题导致停工停产，如地层压密和严重的出砂堵塞问题，严重者，甚至出现了地层滑坡和垮塌，我国南海海域水合物储层多为未固结或是弱胶结的，填充在砂粒之间充当骨架支撑作用的水合物在分解为甲烷和水之后，这些砂粒就会因失去附着力而自由流动，受压力梯度作用，这些自由流动的砂粒就会跟水一起流向井筒，进而堵塞井筒，并造成井下设备损坏等安全问题，如果不控制水合物的分解速率，其分解产生的大量甲烷气体将穿透地层，进入大大气层，这会大大加剧温室效应。
而注热、注剂和置换方法等开采方法成本巨大，均有经济效益等问题，且也不能实现连续开采，生产周期较短，均不适用于水合物商业化开采。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种可以经济、稳定、安全、高效、可持续的一种水合物固态流化-降压联合开采方法。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
本发明的一种水合物固态流化-降压联合开采方法，使用钻采一体化井下工具管串，基于单筒单井生产模式，或是和吸力锚、造斜器联合使用的单筒多井、多层合采生产模式，可以实时根据产气率在固态流化和降压法两种开采模式间快速切换，实现对甜点区或非甜点区水合物储层的高效开采。
本发明的第一个方面，是提供一种水合物固态流化-降压联合开采方法，首先选取钻井位置，使用钻机和钻采一体化管串工具进行钻井作业，钻透水合物第一盖层至预定合物储层深度，形成竖井或者水平井，然后下入套管进行常规固井作业，并安装好位于海底的封隔器。
进一步地：使用高压工作模式对水合物储层进行射流破碎作业。使用位于半潜式海洋平台上的泥浆泵将高压海水注入水合物储层，部分海水流经动力涡轮，动力涡轮带动钻头和井下举升泵一起运动，另一部分高压海水由高压射流破碎口流出，且低压出口处于完全关闭状态，此时高压射流压力P1>水合物储层压力P0，并反复回拖直至达到最优破碎效果后停止回拖，射流破碎的同时将包含砂、水、水合物固态物、泥等水合物混合浆体使用原位分离器进行分离，分离的砂、泥及部分水合物固态物通过回填口回填至近井破碎腔，并在井下举升泵的抽吸举升作用下将富含水和水合物固态物输送至半潜式海洋平台；
进一步地：在半潜式海洋平台完成气、液、固分离和存储。气液分离器分离出的海水输送至储水池中，可以当作二次注入海水使用，分离出的甲烷由天然气液化装置进行加压液化处理后存入储气罐保存，浓度传感器起到对分离出的甲烷浓度进行实时监测的作用，一旦浓度低于预设值C1，说明高压射流破碎造腔范围已至极限，此时将高压工作模式切换至低压工作模式进行降压法开采作业；
进一步地：使用低压模式对天然气水合物储层进行降压开采作业。使用位于半潜式海洋平台上的泥浆泵将低压海水注入水合物储层，部分海水流经动力涡轮，动力涡轮带动钻头和井下举升泵一起运动，另一部分低压海水由低压出口流出，且高压射流破碎口处于完全关闭状态，此时低压射流压力P2<水合物储层压力P0，在低压工作模式中，由于井下举升泵的抽吸作用，在所述步骤二中形成的破碎腔中营造出低于水合物相平衡压力的低压环境，压差▽P(▽P＝P0-P2)的大小可以用来控制水合物的分解速率，▽P越大水合物分解速率就越快，反之则越小，类似所述步骤二中操作，将分解出甲烷、泥、砂进行原位分离、回填后，甲烷和水的混合物一起被举升至半潜式海洋平台；
进一步地：在半潜式海洋平台完成气、液、固分离，分离出的海水可以当作二次注入海水使用，分离出的甲烷经天然气液化装置进行加压液化处理后存入储气罐保存，并使用浓度传感器对分离出的甲烷浓度进行实时监测，浓度高于预设浓度C2则增加压力P2以降低水合物的分解速率，避免出现安全事故，浓度低于预设值C1则说明近井周围水合物已经分解完毕，离井筒远处的水合物分解速率较慢，产气量低，达不到商业化开采要求，此时切换至高压工作模式，可以继续钻进或者向后回拖实现水合物储层射流破碎作业；
进一步地，重复以上高、低压工作模式，直至将水合物储层实现完全有效开采。
本发明的有效效果是：提供了一种水合物固态流化-降压联合开采方法，解决了常规方法开采天然气水合物的难题，为可持续稳定开采天然气水合物提供了可行方法，消除了降压法易出砂堵塞、储层结构破坏等安全问题问题，避免了海底重大地质灾害的发生，也解决了分解出的甲烷气体逸出而引起危害环境问题，使用本方法，可以实现海底弱胶结非成岩天然气水合物的经济、稳定、安全、高效、环保、可持续开采，对于海底弱胶结非成岩水合物开采方法的后续研究具有重要意义。
附图说明
图1是本发明一种水合物固态流化-降压联合开采方法示意图；
图2是图1近井开采腔局部放大图。
图中序号说明：1-储气罐，2-阀门A，3-天然气液化装置，4-阀门B，5-储水池，6-浓度传感器，7-气液分离器，8-阀门C，9-阀门D，10-阀门E，11-抽吸泵，12-钻机，13-阀门F，14-泥浆泵，15-阀门G，16-半潜式海洋平台，17-封隔器，18-水泥环，19-套管，20-一开井筒，21-双层管钻柱，22-第一水合物盖层，23-高渗透性水合物储层，24-第二水合物盖层，25-井下举升泵，26-动力涡轮，27-井下原位分离器，28-低压出口，29-高压射流破碎口，30-射流破碎短接，31-钻头，32-近井射流破碎腔，33-回填出口，34-海水。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述,参考附图的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程并没有详细的描述。
本发明的描述中，除非另有明确的限制，设置、安装、连接等词语应作广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
如图1～2所示，一种水合物固态流化-降压联合开采方法，该开采系统主要由井下管串工具和海上系统组成。
海上系统主要包括：储气罐1、天然气液化装置3、储水池5、气液分离器7、抽吸泵11、钻机12、泥浆泵14、半潜式海洋平台16等。
井下管串工具主要包括：举升泵25、动力涡轮26、井下原位分离器27、射流破碎短接 30、钻头33等。
阀门A2安装在储气罐1和天然气液化装置3之间，阀门B4和浓度传感器6安装在气液分离器7和天然气液化装置3之间，阀门D9安装在抽吸泵11和气液分离器7，阀门E10安装在钻机12和抽吸泵11之间，阀门F13安装在泥浆泵14和钻机12之间，阀门G15与泥浆泵14相连，双层管钻柱21安装在套管19内，且另一端与钻机12相连。
本发明的一种水合物固态流化-降压联合开采方法，首先选取钻井位置，使用钻机和钻采一体化管串工具进行钻井作业，钻透水合物第一盖层至预定合物储层深度，形成竖井或者水平井，然后下入套管19进行常规固井作业，并安装好位于海底的封隔器17。
进一步地：使用高压工作模式对水合物储层23进行射流破碎作业。使用位于半潜式海洋平台16上的泥浆泵14将高压海水注入水合物储层23，部分海水流经动力涡轮26，动力涡轮26带动钻头33和井下举升泵25一起运动，另一部分高压海水由高压射流破碎口29流出，且低压出口28处于完全关闭状态，此时高压射流压力P1>水合物储层压力P0，并反复拖动直至达到最优破碎效果后停止拖动，射流破碎的同时将包含砂、水、水合物固态物、泥等水合物混合浆体使用原位分离器27进行分离，分离的砂、泥及部分水合物固态物通过回填口32 回填至近井破碎腔31，并在井下举升泵25的抽吸举升作用下将富含水和水合物固态物输送至半潜式海洋平台16；
进一步地：在半潜式海洋平台16完成气、液、固分离和存储。气液分离器7分离出的海水输送至储水池5中，可以当作二次注入海水使用，分离出的甲烷由天然气液化装置3进行加压液化处理后存入储气罐1保存，浓度传感器6起到对分离出的甲烷浓度进行实时监测的作用，一旦浓度低于预设值C1，说明高压射流破碎造腔范围已至极限，此时将高压工作模式切换至低压工作模式进行降压法开采作业；
进一步地：使用低压模式对天然气水合物储层23进行降压开采作业。使用位于半潜式海洋平台16上的泥浆泵将低压海水注入水合物储层23，部分海水流经动力涡轮26，动力涡轮 26带动钻头33和井下举升泵25一起运动，另一部分低压海水由低压出口28流出，且高压射流破碎口29处于完全关闭状态，此时低压射流压力P2<水合物储层压力P0，在低压工作模式中，由于井下举升泵25的抽吸作用，在所述步骤二中形成的近井破碎腔31中营造出低于水合物相平衡压力的低压环境，压差▽P(▽P＝P0-P2)的大小可以用来控制水合物的分解速率，▽P越大水合物分解速率就越快，反之则越小，类似所述步骤二中操作，将分解出甲烷、泥、砂进行原位分离、回填后，甲烷和水的混合物一起被举升至半潜式海洋平台16；
进一步地：在半潜式海洋平台16完成气、液、固分离，分离出的海水可以当作二次注入海水使用，分离出的甲烷经天然气液化装置3进行加压液化处理后存入储气罐1保存，并使用浓度传感器6对分离出的甲烷浓度进行实时监测，浓度高于预设浓度C2则增加压力P2以降低水合物的分解速率，避免出现安全事故，浓度低于预设值C1则说明近井周围水合物已经分解完毕，离井筒远处的水合物分解速率较慢，产气量低，达不到商业化开采要求，此时切换至高压工作模式，可以继续钻进或者向后回拖实现水合物储层射流破碎作业；
进一步地，重复以上所述高、低压工作模式，直至将水合物储层23实现完全有效开采。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种水合物固态流化-降压联合开采方法，其特征在于，
步骤一：选取钻井位置，使用钻机和钻采一体化管串工具进行钻井作业，钻透水合物第一盖层至预定合物储层深度，形成竖井或者水平井，然后下入套管进行常规固井作业，并安装好位于海底的封隔器；
步骤二：使用高压工作模式对水合物储层进行射流破碎作业；
步骤三：在半潜式海洋平台完成气、液、固分离和存储；
步骤四：使用低压模式对天然气水合物储层进行降压开采作业；
步骤五：在半潜式海洋平台完成气、液、固分离；
步骤六：重复步骤二~步骤五，直至将水合物储层实现完全有效开采；
步骤二具体包括：使用位于半潜式海洋平台上的泥浆泵将高压海水注入水合物储层，部分海水流经动力涡轮，动力涡轮带动钻头和井下举升泵一起运动，另一部分高压海水由高压射流破碎口流出，且低压出口处于完全关闭状态，此时高压射流压力P1>水合物储层压力P0，并反复回拖直至达到最优破碎效果后停止回拖，射流破碎的同时将包含砂、水、水合物固态物、泥的水合物混合浆体使用原位分离器进行分离，分离的砂、泥及部分水合物固态物通过回填口回填至近井破碎腔，并在井下举升泵的抽吸举升作用下将富含水和水合物固态物输送至半潜式海洋平台；
步骤四具体包括：使用位于半潜式海洋平台上的泥浆泵将低压海水注入水合物储层，部分海水流经动力涡轮，动力涡轮带动钻头和井下举升泵一起运动，另一部分低压海水由低压出口流出，且高压射流破碎口处于完全关闭状态，此时低压射流压力P2<水合物储层压力P0，在低压工作模式中，由于井下举升泵的抽吸作用，在所述步骤二中形成的破碎腔中营造出低于水合物相平衡压力的低压环境，压差▽P的大小用来控制水合物的分解速率，其中▽P= P0-P2，▽P越大水合物分解速率就越快，反之则越小，将分解出甲烷、泥、砂进行原位分离、回填后，甲烷和水的混合物一起被举升至半潜式海洋平台。
2.如权利要求1所述的一种水合物固态流化-降压联合开采方法，其特征在于，步骤三具体包括：在半潜式海洋平台完成气、液、固分离和存储；气液分离器分离出的海水输送至储水池中，当作二次注入海水使用，分离出的甲烷由天然气液化装置进行加压液化处理后存入储气罐保存，浓度传感器起到对分离出的甲烷浓度进行实时监测的作用，一旦浓度低于预设值C1，说明高压射流破碎造腔范围已至极限，此时将高压工作模式切换至低压工作模式进行降压法开采作业。
3.如权利要求1所述的一种水合物固态流化-降压联合开采方法，其特征在于，步骤五具体包括：在半潜式海洋平台完成气、液、固分离，分离出的海水当作二次注入海水使用，分离出的甲烷经天然气液化装置进行加压液化处理后存入储气罐保存，并使用浓度传感器对分离出的甲烷浓度进行实时监测，浓度高于预设浓度C2则增加压力P2以降低水合物的分解速率，避免出现安全事故，浓度低于预设值C1则说明近井周围水合物已经分解完毕，离井筒远处的水合物分解速率较慢，产气量低，达不到商业化开采要求，此时切换至高压工作模式，继续钻进或者向后回拖实现水合物储层射流破碎作业。
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2021
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