CN114718521A - 基于co2压裂的天然气水合物开采系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属天然气水合物开采领域，提出了基于CO2压裂的天然气水合物开采系统及方法，系统包括压裂系统、产气系统、数据监测系统和主井，主井中压裂井、降压井沿主井轴线交替呈星型布置。方法为首先释放储层中的自由气，待储层稳定后，注入超临界CO2流体，为储层提供热量，促进水合物的分解的同时生成CO2水合物，增强地层的强度。当产气量再次变低时，二次注入超临界CO2流体对储层进行二次压裂和储层强化。压裂方式采用压裂液喷头在压裂井上螺旋布置的方式进行，实现对水合物储层的多角度改造。降压井与压裂井采用星型布置的方式分开布置，有利于压力的调控，有效的增大开采范围，保证产气的稳定和整个系统的安全，多井协同配合提高开采效率与CO2封存量。
Description
技术领域
本发明属天然气水合物开采技术领域，涉及一种基于CO2压裂的天然气水合物开采增效与储层强化系统及方法。
背景技术
天然气水合物因其储量巨大以及燃烧时清洁无污染而被许多研究者认为能够替代煤、石油等传统化石燃料成为新一代的能源，缓解全球能源危机；我国海底沉积物中的天然气水合物的储量巨大。
陆地水合物常规的开采方法有降压法、注热法、化学抑制等。这些在开采的过程中对地层的结构和组成都会造成一定的影响。采用降压法开采的时候，水合物会大量的分解，吸收大量的热量，导致储层内部结冰。降压开采效率不高，无法实施。注热法由于外界的环境温度较低，注热的成本会大大提高。CO2置换法在置换过程中，CO2水合物的生成导致储层压力降低。而且，在开采过程中，地层内部细颗粒的运移导致储层内部整体的渗透率降低，气水运移过程受阻，分解速度变慢。
提高渗透率是目前提高产气率的一种有效手段。目前主要的方法是通过高压流体，对储层进行加压改造。专利CN111287708A一种用于提高水合物藏采收率的储层改造装置与方法，制造裂缝，提高渗透率，增加气体运移通道。加快水合物分解速率，提高产气率。现提出的压裂方式主要有CO2压裂、热流体压裂。CO2压裂方式的优点在于在压裂的过程中，既可以提高储层的渗透率，也可以对储层中的甲烷水合物进行置换，生成CO2水合物。提高储层的强度，防止储层塌陷。热流体压裂的优点在于可以为天然气水合物的分解提供热量。加快甲烷水合物分解速度，提高产气率。但是缺点就是储层的稳定性不好，浪费大量的能量。容易对井筒造成破坏(CN103206199A热流体压裂开采天然气水合物装置及方法)。
发明内容
本发明为解决现在的海底水合物的开采问题，采用不同的井型与现有的开采方法相结合来提高开采效率，提出了一种基于CO2压裂的天然气水合物开采增效与储层强化方法。体积压裂是指在水力压裂过程中，使天然气水合物储层内部重新出现大量的裂缝，达到增加储层渗透率的目的。
水合物分解时要吸收大量的热量，储层温度甚至会降到零下。使得储层内部结冰，堵塞孔隙，使得储层渗透率下降，减缓产气。有人提出向地层中注入超临界二氧化碳，利用压力使得储层中重新出现裂缝。进入储层中的二氧化碳也会继续生成水合物，二氧化碳水合物生成过程中会释放大量热量，从而会进一步促进甲烷水合物的生成。这种开采方法实现高效海底水合物开采的同时维持地层的稳定，实现二氧化碳封存。本发明提出二氧化碳二次压裂法和星型的井型布置，来进一步提高海底水合物的开采效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于CO2压裂的天然气水合物开采系统，包括压裂系统、产气系统、数据监测系统和主井；主井中压裂井、降压井沿主井轴线交替呈星型布置，并通过束井器固定相对位置；
所述压裂系统包括增压器、压裂液存储箱、压裂液喷头、反向截止阀；压裂井的作业端均匀布置多个压裂液喷头，压裂液喷头上设置反向截止阀，防止压裂液倒流回压裂井；所述增压器用于将压裂液从压裂液喷头喷出，对海底天然气水合物储层进行压裂并维持裂缝保持扩张状态；为了防止压力突变，压裂过程中，压裂液的注入方法为间歇式的注入；
所述产气系统包括压力传感器、背压阀；降压井的作业端均布多个采气孔用于收集分解产生的天然气；所述压力传感器布置在降压井作业端，用于对降压井的内部和外部的压力进行监测；所述背压阀设置在降压井远离作业端的一侧，用于控制降压井内部压力；
所述数据监测系统用于监测压裂井中压裂液的压力变化，以及降压井内外天然气压力的变化。
束井器的上孔的直径和个数随着井的个数的不同而变化，防止降压井与压裂井在主井中发生碰撞。
进一步地，所述产气系统还包括防沙网，防沙网设置在采气孔外部，用于防止储层沉积物进入降压井内部堵塞降压井。
进一步地，所述降压井和压裂井各4个，沿主井轴线交替呈星型布置，降压井和压裂井之间的夹角为45°。
进一步地，所述多个压裂液喷头螺旋式环绕的方式布置在压裂井外壁。
进一步地，每个压裂井上压裂液喷头数量为24个，等距的螺旋式环绕的方式布置在压裂井上，对储层可以进行360°压裂。
进一步地，压裂井的长度比降压井长，可以更大范围的增加开采面积。优选压裂井的长度比降压井长20m。
进一步地，压裂井或降压井的作业端与竖直主井之间的夹角为90°～100°。
进一步地，由于二氧化碳压裂的过程中会形成水合物，堵塞孔隙，降低压裂效果；进一步采用二氧化碳二次压裂的方案，对储层进行固化储层。进一步的改造、提高产气效率、增加二氧化碳封存量。
本发明的有益效果是：本发明提出一种基于CO2压裂的天然气水合物开采系统及方法，可以针对海底天然气水合物进行高效的开发和开采；目前已有的二氧化碳压裂改造储层、增加开采效率的技术。类似技术的压裂与开采的功能都集中在同一水平井上，压裂井与开采井都集中在同一水平井；同一位置上采用二氧化碳压裂后，二氧化碳水合物还会继续堵塞孔隙；使用单一水平井，压裂和开采只能作用于单一方向上的储层，开采效率低。
该方法结合现有的CO2液体压裂方式和开采方法，进一步提出一种星型的井型布置方法，压裂井和开采井各4个，之间的夹角为45°；该方法在所述直井的同一储层上钻取多个径向井，每个径向井都有不同的功能；压裂井和开采井间隔分布的方式，实现压裂和开采的过程不会互相影响。
本发明在实施过程中会解决在开采过程中储层堵塞的问题；采用二氧化碳二次压裂的方案，对储层进行进一步的改造固定、提高产气效率、增加二氧化碳封存量。为了增加压裂效果与产气效果，本发明提出星型的井型布置方法，实现压裂井与开采井的分离，使工作过程中更加安全；为后期多水平井协同工作提供一个新的思路。
附图说明
图1是基于CO2压裂的天然气水合物开采系统示意图；
图2是基于CO2压裂的天然气水合物开采系统作业面示意图；
图中：1天然气水合物储层；2开采船；3产气系统；4压裂液存储箱；5增压器；6主井；7束井器；8压裂井；9压裂液喷头；10压力传感器；11采气孔；12降压井；13背压阀；14反向截止阀；15防沙网。
具体实施方式
实施例1
一种基于CO2压裂的天然气水合物开采系统，包括压裂系统、产气系统、数据监测系统和主井6；主井6中四个压裂井8、四个降压井12沿主井6轴线交替呈星型布置，并通过束井器7固定相对位置；
所述压裂系统包括增压器5、压裂液存储箱4、压裂液喷头9、反向截止阀14；所述增压器5是为了给压裂液提供压力，布置在开采船上，可以为压裂液提供最大压力为20MPa；所用压裂液存放在压裂存储箱4中，压裂液的主要成分是膨胀剂，膨胀剂的膨胀系数大约为20倍。四个压裂井注入总速率为0.8m3/h，总注入量大约为4m3。膨胀剂在储层中会膨胀产生多孔介质，阻止裂缝闭合，膨胀剂的注入可以为后续进行二氧化碳对甲烷水合物进行置换提供更多的孔隙通道；穿越相对“高饱和度”特征的优质水合物储层水平段长度250～300m为最佳，直径为460mm；压裂井外围布置有24个压裂液喷头，喷头沿轴向呈螺旋式排列，可以使储层360°受到压裂液的作用；为防止压力过高破坏降压井，压裂压力最大不超过8.5MPa。压裂喷头上装有反向截止阀14，防止压裂间歇过程和压裂停止过程中压裂液倒流回压裂井。压裂井8是采用套筒成井的方式，压裂井共布置四个，之间的夹角为90°。压裂井在水合物储层中采用的是水平井布置的方式。压裂液中含有的膨胀剂会增加水合物层的渗透性，达到增渗的效果。待膨胀剂完全膨胀，储层趋于稳定，用同一个增压器向储层中注入超临界CO2流体；根据中国第二次南海试采数据，水合物储层厚度为45.6m，开采半径范围大约是250～300m，水合物饱和度大约为31％，第一次注入的二氧化碳量约为储层水合物饱和度的30％；注入的二氧化碳的注入速率为50m3/min，注入量大约为805410～1159790m3；储层的压裂压力维持在8～8.5MPa，注入CO2会给储层带来更多的热量，进一步促进内部水合物的分解；我国南海第二次试采平均日产量为5151m3，本发明中共有4个开采井，当总产气量下降到20604m3/d时，二次向储层中注入超临界CO2流体，此次注入的超临界CO2流体体积为储层中水合物饱和度的50％，注入速率为50m3/min，总注入量为1342350～1932983m3。二次注入CO2后，产气量再次低于20604m3时，认为产气完成。
所述产气系统包括，压力传感器10、防沙网15、背压阀13。压力传感器10分为外部和内部。降压井外部布置有8个压力传感器，监测不同位置的压力。主要作用是为了监测压裂过程中储层对降压井井筒的压力。内部的压力传感器的主要作用是为了调控降压井内部的压力，通过背压阀13来调控储层内部水合物的分解。防止压降太大而导致水合物分解太快导致结冰和自保护效应的发生。在降压井的周围等距布置16个采气口11，采气口加装防沙网，所述防沙网是为了防止在产气的过程中出砂而造成开采井堵塞。开采井也采用套筒成井的方式。降压井长度为230～280m，直径为460mm。所述束井器7直径为6.8m，厚度为0.1m，束井管放置在海底地层处。固定压裂井和降压井的位置，防止在开采过程中产生碰撞。束井器7上共有八个直径为480mm的孔，可供压裂井和开采井通过，井与束井器之间的缝隙用密封材料进行填充。
所述产气系统还包括包括，气水分离器、气体运输管。气水分离器是为了分离从海底产出的气水混合物、气体运输管是为了将产出的气运输到相应的目的地。
所述数据检测系统包括，降压井内部压力检测系统、外部压力检测系统、气体流量计、液体流量计、压裂液喷口流量检测计、压裂液喷口压力监测系统。压裂井还需要监测内外的压差，当压裂井内外的压差较大时，需要及时调整，防止破坏压裂井。
使用上述基于CO2压裂的天然气水合物开采系统及方法，采用的步骤如下：
第一步，用开采船打一个直径为6.5m的主井6，之后在海底地层处放置束井器7，依次从束井器7的开孔中分别将设有压裂系统的压裂井8和设有开采系统的降压井12井筒钻入水合物层中；压裂井8、降压井12沿主井6轴线在水合物储层中交替设置，每个井在天然气水合物层不同的方向进行造斜，井间夹角为45°呈星型布置；每个井的作业端与竖直主井之间的夹角为90°～100°。
第二步，降压井12和压裂井8都完井后，首先开启降压井12对储层进行初期降压，压力梯度降至水合物分解压力之上，用于释放储层中的自由气。之后利用降压井12对储层进行再次降压至低于对应的相平衡压力下0.5MPa，由于开采过程中，储层内部的细颗粒运移，降压过程中，水合物分解造成井筒附近的储层内部温度降低到0℃以下，造成储层结冰的同时抑制储层中的气水流动。此时利用压裂井8喷射压裂液进行第一次压裂，压裂液在储层内部膨胀为多孔介质，防止孔隙闭合。增加孔隙度，进一步提高水合物产量。此时再次利用压裂井8向储层中注入超临界的CO2，在储层中生成CO2水合物的同时放出热量，促进CH4水合物的分解。
第三步，进一步降低降压井12背压，增加产气量。随着开采的进行，当产气量又一次降低到20604m3时。向储层中再次注入CO2进行二次压裂。再一次增产CO2的同时，利用储层中的孔隙对CO2进行封存。
上述降压井和压裂井不共用，在压裂的过程中，储层的压力也会比较稳定，不会造成局部压力过大；压裂压力和开采压力更容易实现优化控制。在天然气水合物分解的过程中，生成CO2水合物，强化储层，防止储层坍塌。
Claims (10)
1.一种基于CO2压裂的天然气水合物开采系统，其特征在于，包括压裂系统、产气系统、数据监测系统和主井(6)；主井(6)中压裂井(8)、降压井(12)沿主井(6)轴线交替呈星型布置，并通过束井器(7)固定相对位置；
所述压裂系统包括增压器(5)、压裂液存储箱(4)、压裂液喷头(9)、反向截止阀(14)；压裂井(8)的作业端均匀布置多个压裂液喷头(9)，压裂液喷头(9)上设置反向截止阀(14)，防止压裂液倒流回压裂井(8)；所述增压器(5)用于将压裂液从压裂液喷头(9)喷出，对海底天然气水合物储层进行压裂并维持裂缝保持扩张状态；
所述产气系统包括压力传感器(10)、背压阀(13)；降压井(12)的作业端均布多个采气孔(11)用于收集分解产生的天然气；所述压力传感器(10)布置在降压井(12)作业端，用于对降压井(12)的内部和外部的压力进行监测；所述背压阀(13)设置在降压井(12)远离作业端的一侧，用于控制降压井(12)内部压力；
所述数据监测系统用于监测压裂井(8)中压裂液的压力变化，以及降压井(12)内外天然气压力的变化。
2.根据权利要求1所述的基于CO2压裂的天然气水合物开采系统，其特征在于，所述产气系统还包括防沙网(15)，防沙网(15)设置在采气孔(11)外部，用于防止储层沉积物进入降压井(12)内部堵塞降压井。
3.根据权利要求1所述的基于CO2压裂的天然气水合物开采系统，其特征在于，所述降压井(12)和压裂井(8)各4个，沿主井(6)轴线交替呈星型布置，降压井(12)和压裂井(8)之间的夹角为45°。
4.根据权利要求1所述的基于CO2压裂的天然气水合物开采系统，其特征在于，所述多个压裂液喷头(9)螺旋式环绕的方式布置在压裂井(12)外壁。
5.根据权利要求4所述的基于CO2压裂的天然气水合物开采系统，其特征在于，每个压裂井(12)上压裂液喷头(9)数量为24个，等距的螺旋式环绕的方式布置在压裂井上。
6.根据权利要求1所述的基于CO2压裂的天然气水合物开采系统，其特征在于，压裂井(8)的长度比降压井(12)长。
7.根据权利要求1所述的基于CO2压裂的天然气水合物开采系统，其特征在于，压裂井(12)或降压井(12)的作业端与竖直主井之间的夹角为90°～100°。
8.应用权利要求1-7所述基于CO2压裂的天然气水合物开采系统的方法，其特征在于，包括步骤如下：
第一步，先打一个主井(6)，之后在地层放置束井器(7)，依次从束井器(7)的开孔中分别将设有压裂系统的压裂井(8)和设有开采系统的降压井(12)井筒钻入水合物层中；压裂井(8)、降压井(12)沿主井(6)轴线在水合物储层中交替设置，每个井在天然气水合物层不同的方向进行造斜，井间夹角为45°呈星型布置；每个井的作业端与竖直主井之间的夹角为90°～100°；
第二步，降压井(12)和压裂井(8)都完井后，首先开启降压井12对储层进行初期降压，压力降至该处水合物分解压力之上，用于释放储层中的自由气；之后利用降压井(12)对储层进行再次降压至低于该温度下对应相平衡压力0.5MPa；再利用压裂井(8)向储层中注入超临界的CO2，在储层中生成CO2水合物的同时放出热量，促进CH4水合物的分解。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，第二步中，在利用降压井(12)对储层进行再次降压至低于该温度下对应相平衡压力0.5MPa之后，压裂井(8)先喷射压裂液进行第一次压裂，压裂液在储层内部膨胀为多孔介质，防止孔隙闭合；再利用压裂井(8)向储层中注入超临界的CO2。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括第三步，降低降压井(12)背压，进一步增加产气量，当产气量又一次降低到指定值时；向储层中二次注入超临界CO2，对储层进行二次压裂，并且利用CO2填充储层中的孔隙，进一步进行CO2的封存。
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