CN114382444B - 一种联合co2气体埋存的天然气水合物开采系统及方法 - Google Patents

一种联合co2气体埋存的天然气水合物开采系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种联合CO2气体埋存的天然气水合物开采系统，包括钻采平台、生产井和CO2气体注入井，生产井依次设置有竖直段、过渡段和水平段，顶端与钻采平台相连接，底端与天然气水合物储层相连通，生产井内设置有套管，套管套于内嵌CO2气体注入管的生产管外部，生产管底端位于天然气水合物储层内，形成天然气运移通道；生产井的过渡段设置有钻孔，CO2气体注入管经钻孔处伸出，沿CO2气体注入井伸入上覆地层中，形成CO2气体注入通道。本发明还公开了一种合CO2气体埋存的天然气水合物开采方法，将天然气水合物开采与CO2埋存相结合，有效提高了天然气水合物储层的地层强度，降低了天然气水合物的开采风险，为天然气水合物的商业化开采奠定了基础。

Description

一种联合CO2气体埋存的天然气水合物开采系统及方法
技术领域
本发明涉及天然气水合物开采技术领域，具体涉及一种联合CO2气体埋存的天然气水合物开采系统及方法。
背景技术
随着工业社会对于化石能源需求的日益增加，寻找传统油气替代能源已成为当前能源领域关注的重点。天然气水合物又名可燃冰，作为其中具有开采潜力的清洁能源之一，主要赋存在深水的浅部地层与永久冻土带，具有储量大、分布广泛和能量密度高等特征，使得天然气水合物开发方案的设计已成为当前世界各国的研究重点。近年来美国、日本、加拿大等多个发达国家均针对天然气水合物试采开展了相关研究，我国也已完成了天然气水合物的试采作业。试采结果表明，受限于天然气水合物地层恶劣的孔、渗条件和传热效率，传统的天然气水合物开采方案难已满足未来天然气水合物商业化开采的产量需求。同时，开发过程中天然气水合物的分解会导致地层强度下降，从而引发地层沉降、井口失稳和海底滑坡等一系列地质灾害。由此可得，提出一种高效、安全的天然气水合物开采方法是保障天然气水合物早日实现商业化开采的前提。
二氧化碳作为化石能源燃烧后的主要产物，是导致全球变暖的主要气体，现阶段通过捕获埋藏大气中的二氧化碳气体是降低全球温室效应的有效措施。大量研究结果表明，二氧化碳气体分子与甲烷分子相似，二氧化碳气体分子在一定的温度压力下能够生成二氧化碳水合物并释放热量。
因此，根据天然气与二氧化碳气体的特征，结合深水地层的温度及压力分布，提出一种联合CO2气体埋存的天然气水合物开采系统及方法，利用二氧化碳埋藏形成二氧化碳水合物弥补天然气水合物开采过程中分解导致的地层强度下降，避免了天然气开采过程中可能导致的地质灾害。
发明内容
本发明旨在解决天然气水合物开采过程中因天然气水合物分解导致地层强度下降易于引发地质灾害的问题，提出了一种联合CO2气体埋存的天然气水合物开采系统及方法，将CO2气体的埋存处理与天然气水合物开采相结合，利用二氧化碳埋藏形成二氧化碳水合物弥补天然气水合物开采过程中分解导致的地层强度下降，埋藏CO2气体的同时降低了天然气水合物的开采风险，为天然气水合物的商业化开采奠定了基础。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种联合CO2气体埋存的天然气水合物开采系统，包括钻采平台、生产井和CO2气体注入井；
所述生产井包括竖直段、过渡段和水平段，竖直段的顶端与钻采平台相连接，底端位于天然气水合物储层的上覆地层中，与过渡段顶端相连接，过渡段底端伸入天然气水合物储层中，与水平段的第一端部相连接，水平段在天然气水合物储层中水平延伸，水平段第二端部与天然气水合物储层内部相连通；
所述生产井内设置有套管，套管套设于生产管外部，套管位于过渡段处管壁上设置有第一钻孔，第一钻孔与水平设置的CO2气体注入井相连通；所述生产管顶端与钻采平台相连接，底端与天然气水合物储层内部相连通，管壁与第一钻孔相对位置处设置有第二钻孔；所述生产管内嵌设有CO2气体注入管，CO2气体注入管依次经第二钻孔、第一钻孔伸入CO2气体注入井内，沿CO2气体注入井水平延伸，形成CO2气体注入通道。
优选地，所述套管尺寸设置为30″，CO2气体注入管尺寸设置为3″。
优选地，所述生产管的外径设置为9-5/8″、内径设置为6″。
优选地，所述过渡段的造斜角为15°/30m。
一种联合CO2气体埋存的天然气水合物开采方法，采用如上所述的天然气水合物开采系统，具体包括如下步骤：
步骤1，根据天然气水合物相平衡曲线、二氧化碳水合物相平衡曲线，结合地层温度和地层压力，分别确定天然气水合物储层、上覆地层和下伏地层的位置，并确定生产井和CO2气体注入井的设计参数，获取混合气体的温度和注入压力；
步骤2，利用钻采平台控制钻头钻至天然气水合物储层，形成生产井，将套管下入生产井内进行固井作业，固井作业结束后，将内嵌有CO2气体注入管的生产管伸入套管内，生产管沿套管延伸至天然气水合物储层内，形成天然气运移通道；
步骤3，将钻头置于CO2气体注入管内，当钻头沿CO2气体注入管下放至CO2气体注入井的设计深度时，利用钻采平台控制钻头依次钻通生产管和套管后沿水平方向钻进，形成CO2气体注入井；
步骤4，利用钻采平台向CO2气体注入管内注入由二氧化碳和水蒸气组成的混合气体，混合气体经CO2气体注入管注入上覆地层中，一部分混合气体向下扩散，使得天然气水合物储层的温度和地层压力升高，促进天然气水合物的分解，另一部分混合气体向上扩散，冷却后聚集形成二氧化碳水合物储层；
步骤5，通过CO2气体注入管持续向上覆地层中注入混合气体，控制钻采平台，利用降压开采法开采天然气水合物储层中天然气水合物分解产生的天然气。
优选地，所述步骤3中，钻头钻通生产管管壁后形成的钻孔为第二钻孔，钻头钻通套管管壁后形成的钻孔为第一钻孔。
优选地，所述步骤4中，混合气体的温度高于天然气水合物储层所处地层的地层温度，混合气体的注入压力大于天然气水合物储层所处地层的地层压力。
本发明所带来的有益技术效果：
1、本发明提出了一种联合CO2气体埋存的天然气水合物开采系统，该开采系统既实现了对天然气水合物储层的开采，又实现了对二氧化碳气体的埋存，有利于二氧化碳气体的重复利用和天然气水合物储层的安全开采。
2、本发明提出了一种联合CO2气体埋存的天然气水合物开采方法，通过向天然气水合物储层的上覆地层中注入由二氧化碳和水蒸气组成的高温高压混合气体，混合气体在上覆地层中均匀扩散，向下扩散的混合气体有效提升了天然气水合物储层和天然气运移通道的内部温度，有效促进了天然气水合物储层中天然气水合物的分解，避免了开采过程中因天然气与地层水二次结合成天然气水合物堵塞天然气运移通道。
同时，向上扩散的混合气体逐渐遇冷，混合气体中的二氧化碳和水蒸气结合形成二氧化碳水合物，在天然气开采过程中二氧化碳水合物逐渐聚集形成致密的二氧化碳水合物储层，既实现了对二氧化碳的埋存，又弥补了天然气水合物储层开采所造成的地层压力损失，有效增强了地层强度，降低了地层垮塌、海底滑坡的风险，为天然气水合物的商业化开采奠定了基础。
附图说明
图1为本发明一种联合CO2气体埋存的天然气水合物开采系统的示意图。
图2为本发明天然气水合物储层特征结构示意图。
图3为本发明混合气体在上覆地层中扩散过程的示意图。
图4为本发明天然气水合物储层开采过程示意图。
图中，1、生产井的竖直段，2、生产井的过渡段，3、生产井的水平段，4、生产管，5、CO2气体注入井，6、CO2气体注入管，7、上覆地层，8、天然气水合物储层，9、下伏地层，10、混合气体，11、天然气，12、二氧化碳水合物储层。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明一种联合CO2气体埋存的天然气水合物开采系统，如图1所示，包括钻采平台、生产井和CO2气体注入井。
生产井用于开采天然气水合物储层中的天然气，包括竖直段、过渡段和水平段，竖直段的顶端与钻采平台相连接，底端位于天然气水合物储层的上覆地层中，与过渡段顶端相连接，过渡段底端伸入天然气水合物储层中，与水平段的第一端部相连接，水平段在天然气水合物储层中水平延伸，水平段第二端部与天然气水合物储层内部相连通，竖直段、过渡段和水平段共同构成了生产井的井身结构。
生产井内设置有套管，套管套设于生产管外部，套管位于过渡段处管壁上设置有第一钻孔，第一钻孔与水平设置的CO2气体注入井相连通，用于向天然气水合物储层的上覆地层中注入CO2气体，CO2气体注入井设置为水平井，位于天然气水合物储层上方，为CO2气体埋存提供了CO2气体运移通道。
生产管顶端与钻采平台相连接，底端与天然气水合物储层内部相连通，管壁与第一钻孔相对位置处设置有第二钻孔，生产管内嵌设有CO2气体注入管，CO2气体注入管依次经第二钻孔、第一钻孔从套管内穿出伸入CO2气体注入井内，沿CO2气体注入井水平延伸，形成CO2气体注入通道，用于将CO2气体注入天然气水合物储层的上覆地层中，对CO2气体进行埋存。
本发明提出的一种联合CO2气体埋存的天然气水合物开采方法，采用如上所述的天然气水合物开采系统，具体包括如下步骤：
步骤1，根据天然气水合物相平衡曲线、二氧化碳水合物相平衡曲线，结合地层温度和地层压力，分别确定天然气水合物储层、上覆地层和下伏地层的位置，并确定生产井和CO2气体注入井的设计参数，获取混合气体的温度和注入压力。
步骤2，利用钻采平台控制钻头钻至天然气水合物储层，形成生产井，将套管下入生产井内进行固井作业，加固生产井的井身结构，固井作业结束后，将内嵌有CO2气体注入管的生产管伸入套管内，生产管沿套管延伸至天然气水合物储层内，形成天然气运移通道，用于开采天然气水合物储层中的天然气。
步骤3，将钻头置于CO2气体注入管内，当钻头沿CO2气体注入管下放至CO2气体注入井的设计深度时，利用钻采平台控制钻头依次钻通生产管和套管后，继续沿水平方向钻取水平井，并将该水平井作为CO2气体注入井，再将CO2气体注入管依次穿过第二钻孔和第一钻孔伸入CO2气体注入井中进行固井作业，形成二氧化碳气体运移通道，用于向天然气水合物储层的上覆地层中注入CO2气体，对CO2气体进行埋存处理。
步骤4，利用钻采平台向CO2气体注入管内注入由二氧化碳和水蒸气组成的高温高压混合气体，其中，高温是指注入混合气体的温度高于天然气水合物储层内部的地层温度，高压是指混合气体的注入压力高于天然气水合物储层内部的地层压力。
高温高压的混合气体经CO2气体注入管注入上覆地层后，一部分混合气体向下扩散，对天然气水合物储层进行加热并对开采过程中天然气混合物储层损失的地层压力进行补给，由于混合气体的高温加热，有效提升了天然气运移通道内部环空的温度，配合混合气体提供高压的地层环境，既促进了天然气水合物储层内天然气水合物的分解，又避免了天然气水合物储层开采过程中，因天然气运移通道温度较低导致天然气和地层水二次结合形成天然气水合物堵塞天然气运移通道。
同时，另一部分高温高压混合气体向上扩散逐渐冷却，冷却过程中混合气体中的CO2气体和水蒸气相结合形成二氧化碳水合物，天然气水合物储层开采过程中二氧化碳水合物在上覆地层中逐渐聚集形成二氧化碳水合物储层，通过将CO2气体转化为二氧化碳水合物埋存于上覆地层中，既促进了天然气水合物储层的开采，又实现了对CO2气体的埋存处理。
步骤5，通过CO2气体注入管持续向上覆地层中注入混合气体，控制钻采平台，利用降压开采法开采天然气水合物储层中天然气水合物分解产生的天然气，实现对天然气水合物储层的开采，天然气水合物储层开采过程中，上覆地层中致密的二氧化碳水合物储层能够减少天然气水合物储层开采时损失的地层压力，增强天然气水合物储层处的地层强度，避免了天然气水合物储层沉降、海底滑坡等地质灾害的发生。
实施例
本实施例以中国某海域内天然气水合物储层为例，说明本申请提出的一种联合CO2气体埋存的天然气水合物开采方法，具体包括如下步骤：
步骤1，根据前期探测确定的该海域的天然气水合物储层特征，如图2所示，图中包括天然气水合物相平衡曲线、二氧化碳水合物相平衡曲线、地层温度分布特征和地层压力分布特征，分析得到天然气水合物生成及稳定存在的区域为距离泥线500m内，根据该海域内的测井曲线数据，将与泥线距离大于315m的区域划分为下伏地层，距离泥线205～315m的区域划分为天然气水合物储层，距离泥线距离小于207m的区域划分为上覆地层，其中，上覆地层中距离泥线207～250m的区域划分为二氧化碳运移层，与泥线距离小于207m的区域划分为二氧化碳水合物储层。
根据上覆地层中二氧化碳运移层的深度，确定生产井和CO2气体注入井的设计参数，本实施例中生产井的竖直段为160m，采用36″钻头进行钻井作业、30″套管进行固井作业；生产井的过渡段采用26″钻头进行井眼造斜、20″套管进行固井作业，造斜角设置为15°/30m；生产井的水平段深度距离泥线275m，采用17-1/2″钻头进行水平井钻井作业、14″套管进行固井作业。
根据天然气水合物储层的地层温度和地层压力，结合该海域地层温度和地层压力的分布特征，确定本实施例中混合气体的温度设置为80℃、注入压力为20MPa。
步骤2，利用钻采平台控制钻头钻至天然气水合物储层，形成生产井，将套管下入生产井内进行固井作业，加固生产井的井身结构，固井作业结束后，将内嵌有CO2气体注入管的生产管伸入套管内，本实施例中生产管的外径为9-5/8″、内径为6″，CO2气体注入管的外径为3″，生产管沿套管延伸至天然气水合物储层内，形成天然气运移通道，用于开采天然气水合物储层中天然气水合物分解产生的天然气。
步骤3，将尺寸为4-1/2″的小钻头置于CO2气体注入管内，当钻头沿CO2气体注入管下放至距离泥线275m处时，利用钻采平台控制钻头依次钻通生产管和套管后，继续沿水平方向钻取水平井，并将该水平井作为CO2气体注入井，再将CO2气体注入管依次穿过第二钻孔和第一钻孔伸入CO2气体注入井中进行固井作业，形成二氧化碳气体运移通道，用于向天然气水合物储层的上覆地层中注入CO2气体，对CO2气体进行埋存处理。
步骤4，利用钻采平台向CO2气体注入管内注入温度为80℃的混合气体，混合气体的注入压力为20MPa，混合气体在上覆地层中的扩散过程如图3所示，注入上覆地层中的混合气体一部分向下扩散，对天然气水合物储层进行加热并对开采过程中天然气混合物储层损失的地层压力进行补给，促进天然气水合物储层内天然气水合物的分解，避免天然气水合物储层开采过程中，因天然气运移通道温度较低导致天然气和地层水二次结合形成天然气水合物堵塞天然气运移通道；另一部分混合气体向上扩散冷却形成二氧化碳水合物，天然气水合物储层开采过程中二氧化碳水合物在上覆地层中逐渐聚集形成二氧化碳水合物储层，通过将CO2气体转化为二氧化碳水合物埋存于上覆地层中，既促进了天然气水合物储层的开采，又实现了对CO2气体的埋存处理。
步骤5，通过CO2气体注入管持续向上覆地层中注入混合气体，控制钻采平台，利用降压开采法开采天然气水合物储层中天然气水合物分解产生的天然气，实现了对天然气水合物储层的开采，如图4所示，天然气水合物储层开采过程中，上覆地层中致密的二氧化碳水合物储层能够减少天然气水合物储层开采时损失的地层压力，增强天然气水合物储层处的地层强度，避免了天然气水合物储层沉降、海底滑坡等地质灾害的发生。
本发明在埋存CO2气体的同时提高了天然气水合物储层的开采效率、维持了天然气水合物储层开采的稳定性，为天然气水合物储层的开采及CO2气体的埋存提供了新思路，有利于天然气水合物储层的商业化开采。
在本发明描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种联合CO2气体埋存的天然气水合物开采方法，采用一种联合CO2气体埋存的天然气水合物开采系统，包括钻采平台、生产井和CO2气体注入井；
所述生产井包括竖直段、过渡段和水平段，竖直段的顶端与钻采平台相连接，底端位于天然气水合物储层的上覆地层中，与过渡段顶端相连接，过渡段底端伸入天然气水合物储层中，与水平段的第一端部相连接，水平段在天然气水合物储层中水平延伸，水平段第二端部与天然气水合物储层内部相连通；
所述生产井内设置有套管，套管套设于生产管外部，套管位于过渡段处管壁上设置有第一钻孔，第一钻孔与水平设置的CO2气体注入井相连通；所述生产管顶端与钻采平台相连接，底端与天然气水合物储层内部相连通，管壁与第一钻孔相对位置处设置有第二钻孔；所述生产管内嵌设有CO2气体注入管，CO2气体注入管依次经第二钻孔、第一钻孔伸入CO2气体注入井内，沿CO2气体注入井水平延伸，形成CO2气体注入通道；
所述套管尺寸设置为30″，CO2气体注入管尺寸设置为3″；
所述生产管的外径设置为9-5/8″、内径设置为6″；
所述过渡段的造斜角为15°/30m；
具体包括如下步骤：
步骤1，根据天然气水合物相平衡曲线、二氧化碳水合物相平衡曲线，结合地层温度和地层压力，分别确定天然气水合物储层、上覆地层和下伏地层的位置，并确定生产井和CO2气体注入井的设计参数，获取混合气体的温度和注入压力；
步骤2，利用钻采平台控制钻头钻至天然气水合物储层，形成生产井，将套管下入生产井内进行固井作业，固井作业结束后，将内嵌有CO2气体注入管的生产管伸入套管内，生产管沿套管延伸至天然气水合物储层内，形成天然气运移通道；
步骤3，将钻头置于CO2气体注入管内，当钻头沿CO2气体注入管下放至CO2气体注入井的设计深度时，利用钻采平台控制钻头依次钻通生产管和套管后沿水平方向钻进，形成CO2气体注入井，再将CO2气体注入管依次穿过生产管和套管伸入CO2气体注入井中进行固井作业，形成二氧化碳气体运移通道；
步骤4，利用钻采平台向CO2气体注入管内注入由二氧化碳和水蒸气组成的混合气体，混合气体经CO2气体注入管注入上覆地层中，一部分混合气体向下扩散，使得天然气水合物储层的温度和地层压力升高，促进天然气水合物的分解，另一部分混合气体向上扩散，冷却后聚集形成二氧化碳水合物储层；
步骤5，通过CO2气体注入管持续向上覆地层中注入混合气体，控制钻采平台，利用降压开采法开采天然气水合物储层中天然气水合物分解产生的天然气。
2.根据权利要求1所述的一种联合CO2气体埋存的天然气水合物开采方法，其特征在于，所述步骤3中，钻头钻通生产管管壁后形成的钻孔为第二钻孔，钻头钻通套管管壁后形成的钻孔为第一钻孔。
3.根据权利要求2所述的一种联合CO2气体埋存的天然气水合物开采方法，其特征在于，所述步骤4中，混合气体的温度高于天然气水合物储层所处地层的地层温度，混合气体的注入压力大于天然气水合物储层所处地层的地层压力。
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