CN115030695B - 一种二氧化碳置换天然气水合物开采的监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二氧化碳置换天然气水合物开采的监测方法。将含放射性碳同位素的14CO2和无放射性的CO2进行混合，制备置换气体；将置换气体注入开采井进行天然气水合物置换开采，14CO2置换天然气水合物中的CH4生成14CO2·nH2O水合物；利用放射性现场探测谱仪探测置换生成的14CO2·nH2O的分布和含量；通过滤去背景数据进行数据分析提取，实现天然气水合物目标开采区中置换开采范围的实时监测。本发明操作便捷，监测结果可靠、准确，能够远程实时监测天然气水合物置换开采进程及范围，将填补天然气水合物置换开采监测这一领域的空白，解决了目前天然气水合物置换开采无法监测的问题。
Description
技术领域
本发明属于海洋岩土工程、能源岩土工程领域的一种现场天然气水合物开采的监测方法，涉及一种基于放射性现场探测的实时开采范围监测方法，适用于研究现场天然气水合物置换开采进程以及开采范围的监测问题。
背景技术
天然气水合物是一种清洁高效、极具开采前景的新能源，是解决能源短缺问题的重点研究方向之一。天然气水合物置换开采作为一种环保高效的开采方法，利用二氧化碳(CO2)在原位条件下将天然气水合物转化为二氧化碳水合物，置换出其中的甲烷分子(CH4)而不改变笼形基本结构，达到开采甲烷气和封存二氧化碳气体的双重目的。这一方法不仅可以防止因CH4水合物相变分解引起的地层塌陷，还能够将CO2封存于海底，减缓温室效应，符合国家“双碳”战略。因而二氧化碳置换开采被视为一种极具前景的天然气水合物开采方法。随着二氧化碳排放量的不断增多，温室效应的日益严重，置换开采也引起人们越来越多的关注。
二氧化碳置换法虽然有诸多优点，但目前技术条件下置换开采难以长时间、大范围稳定持续进行，开采过程开采进程和开采范围难以实时探测，严重影响开采过程中储层响应数据的采集和最优开采效率的选取。近年来，海洋放射性现场探测技术由于其较高的探测灵敏度已广泛应用于深海探测领域，目前该技术已可以高精度探测深海海床下放射性元素的含量和位置。
发明内容
针对现有技术手段的不足，本发明的目的在于提供一种用于现场二氧化碳置换天然气水合物开采的监测方法。本方法采用海洋放射性现场探测技术，用放射性核素14C对置换气体二氧化碳进行标记，以此对二氧化碳置换路径进行示踪，达到实时监测置换开采进程的目的，同时可以持续监测二氧化碳水合物封存后的稳定性情况，填补置换开采范围监测这一领域的空白。
本发明的技术方法包括以下步骤：
步骤一：置换气体制备
提前收集普通无放射性、无标记的废弃CO2作为置换气体；
准备具有放射性碳同位素、具有示踪特性的14CO2，且将14CO2和废弃CO2进行混合，制备获得含14CO2的置换气体；
所述的废弃CO2是从温室气体收集而来。
步骤二：探测谱仪安装与定位
布置天然气水合物现场开采平台，在天然气水合物现场开采平台底部通过可移动伸缩装置安装能探测放射性核素14C的放射性现场探测谱仪；
步骤三：目标区示踪剂背景数据确定
启动放射性现场探测谱仪，探测初始情况下天然气水合物目标开采区的放射性核素14C的分布和含量作为背景数据；
步骤四：置换气体注入
将步骤一中制备的置换气体运输至天然气水合物现场开采平台上的开采机械设备中的气体储存装置，启动开采机械设备中的气体注入驱动装置，置换气体从气体储存装置在一定的压力和注入速率条件下通过开采井中的气体注入管道注入到天然气水合物目标开采区；
步骤五：水合物置换开采
置换气体注入至天然气水合物目标开采区后，在一定的温度和压力条件下，置换气体中的CO2置换开采天然气水合物中的CH4，置换后使得置换气体被封存生成二氧化碳水合物；
步骤六：开采进程数据采集
置换开采过程中，利用放射性现场探测谱仪实时监测14CO2·nH2O中放射性核素14C的分布和含量作为开采信号数据；
步骤七：置换开采范围监测
将开采信号数据进行处理并滤去背景数据，通过开采机械设备中的信号接收处理装置转化为放射性核素能谱，并上传至数据处理终端，进行数据分析处理获得天然气水合物目标开采区中的置换开采量。
所述步骤一中，将14CO2和废弃CO2进行混合以体积混合比100～500混合。
所述步骤二中，还根据工程勘探获取的天然气水合物上覆土层的厚度和天然气水合物储层的厚度确定并通过可移动伸缩装置调整放射性现场探测谱仪的布置位置，并初始化放射性现场探测谱仪连接开采机械设备中的信号接收处理装置。
所述步骤三中，进行以下判断：若初始情况下，探测结果显示天然气水合物目标开采区的14C示踪剂背景数据为0，则认为天然气水合物储层13内自然条件下无放射性核素14C示踪剂；若初始情况下，探测结果显示天然气水合物目标开采区的14C示踪剂背景数据不为0，则记录天然气水合物目标开采区中的14C示踪剂含量与位置分布，作为背景数据；
然后在步骤七中从开采信号数据滤去背景数据。
所述步骤四中，压力和注入速率条件根据现场天然气水合物赋存水深和水合物储层厚度情况而定。
所述步骤五中，温度和压力条件根据现场天然气水合物赋存水深和水合物储层厚度情况而定。
所述步骤五中，
置换气体注入后含放射性碳同位素的14CO2在天然气水合物储层发生如下反应：
置换气体注入后普通无标记的CO2在天然气水合物储层发生如下反应：
在以上反应过程中，天然气水合物笼子结构不变，笼子中的CH4被CO2和14CO2替换发生客体分子交换，水合物储层中的CH4·nH2O被14CO2·nH2O和CO2·nH2O置换。
所述步骤三和步骤六中，放射性射线照射在放射性现场探测谱仪内部的晶体上发出荧光，再照射在放射性现场探测谱仪内部的晶光电倍增管的光阴极上打出光电子，经逐级倍增后在光电倍增管的输出端负载上形成实时电压脉冲信号，从而实现了放射性核素14C的分布和含量的探测。
所述的步骤七中，具体将天然气水合物目标开采区(目标区)中的放射性核素14C的分布和含量经以下公式计算，得到置换气体参与置换反应生成的二氧化碳水合物总量：
Xi＝(1+N)xi
其中，xi为检测得到的放射性核素14C的分布和含量，即14CO2·nH2O含量，Xi为置换气体参与置换反应生成的二氧化碳水合物含量，N为置换气体中废弃CO2与14CO2的体积混合比，i表示放射性核素检测的时间点；
通过二氧化碳水合物含量Xi推算转换获得甲烷水合物的含量，进而，实现天然气水合物目标开采区中置换开采量的实时监测，也实现了置换开采范围的实时监测，解决了难以准确获得天然气水合物开采量的问题。
本发明将含放射性碳同位素的14CO2和普通无标记的CO2进行混合，制备置换气体；将制备的置换气体注入现场平台中的开采井进行天然气水合物置换开采，14CO2置换天然气水合物中的CH4生成14CO2·nH2O水合物；利用固定在现场平台上的放射性现场探测谱仪探测置换生成的14CO2·nH2O的分布和含量；通过与目标区背景数据对比，实现天然气水合物目标开采区中置换开采范围的实时监测。
与现有技术相比，本发明申请提供的技术方案，作为举例而非限定，具有如下有益效果：
本发明申请适用于深海能源开采技术领域，能够可靠、实时地获得试验结果，能够准确地监测天然气水合物的开采量和范围，解决了目前天然气水合物置换开采无法监测的问题。
本发明方法与其它示踪方法相比，无需进行取样，操作便捷，监测结果可靠、准确，能够远程实时监测天然气水合物置换开采进程以及范围，将填补天然气水合物置换开采监测这一领域的空白，具有显著的技术优势。
附图说明
图1为本申请开采现场布置示意图；
图2为本申请监测方法技术流程图。
图1中：1为开采机械设备、2为开采平台固定支架、3为天然气水合物现场开采平台、4为可移动伸缩装置、5为环壁式海洋放射性现场探测谱仪、6为开采井、7为气体收集管道、8为气体注入管道、9为置换反应界面、10为置换反应分解区、11为海水层、12为上覆沉积土层、13为天然气水合物储层、14为下伏沉积层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明：
如图1所示，现场开采环境包括从上到下的海水层11、上覆沉积土层12、天然气水合物储层13、下伏沉积层14。
如图1所示，天然气水合物置换开采设备包括开采机械设备1、开采平台固定支架2、天然气水合物现场开采平台3、可移动伸缩装置4、环壁式海洋放射性现场探测谱仪5、开采井6、气体收集管道7和气体注入管道8。
根据开采井位置确定天然气水合物现场开采平台3的位置，并将天然气水合物现场开采平台3通过开采平台固定支架2深入到上覆沉积土层12加以固定。
在天然气水合物现场开采平台3上部安装开采机械设备1，开采机械设备1包括气体收集驱动装置、气体注入驱动装置、气体储存装置、信号接收处理装置等。
在天然气水合物现场开采平台3下部安装开采井6，开采井6延伸到天然气水合物储层13，开采井6内部管道分为用于甲烷气体收集的气体收集管道7和用于二氧化碳气体注入的气体注入管道8。
同时在天然气水合物现场开采平台3下部通过可移动伸缩装置4安装环壁式海洋放射性现场探测谱仪5，环壁式海洋放射性现场探测谱仪5套装在开采井6外，且环壁式海洋放射性现场探测谱仪5固定安装于可移动伸缩装置4上。通过环壁式海洋放射性现场探测谱仪5带动可移动伸缩装置4沿开采井6上下升降移动，可移动伸缩装置4根据天然气水合物储层13上方的上覆沉积土层12厚度和天然气水合物储层13的厚度进行升降以调整环壁式海洋放射性现场探测谱仪5的位置。
本发明以二氧化碳为置换气体，通过气体注入管道8注入至天然气水合物储层13进行置换开采，开采得到的甲烷气体通过气体收集管道7运送至气体储存装置。
置换反应形成置换反应分解区10，置换反应分解区10和原有的天然气水合物储层13之间存在置换反应界面9。在置换反应发生后，置换反应分解区10含有具有放射性的14CO2·nH2O用于监测置换开采范围。
如图2所示，本发明实施例及其实施过程，包括以下步骤：
步骤一：置换气体制备
提前收集普通无放射性、无标记的废弃CO2作为置换气体，用于置换封存；
准备具有放射性碳同位素、具有示踪特性的14CO2，按照1:100的比例且将14CO2和废弃CO2进行混合，制备获得含14CO2的置换气体，其中的14C作为示踪剂；
步骤二：探测谱仪安装与定位
布置天然气水合物现场开采平台3，在天然气水合物现场开采平台3底部通过可移动伸缩装置4安装能探测放射性核素14C的放射性现场探测谱仪5。还根据工程勘探获取的天然气水合物上覆土层12的厚度和天然气水合物储层13的厚度确定并通过可移动伸缩装置4调整放射性现场探测谱仪5的布置位置，并初始化放射性现场探测谱仪5连接开采机械设备1中的信号接收处理装置。
步骤三：目标区示踪剂背景数据确定
启动放射性现场探测谱仪5，探测初始情况下天然气水合物目标开采区的放射性核素14C的分布和含量，并判断处理：
若初始情况下，探测结果显示天然气水合物目标开采区的14C示踪剂背景数据为0，则认为天然气水合物储层13内自然条件下无放射性核素14C示踪剂；
若初始情况下，探测结果显示天然气水合物目标开采区的14C示踪剂背景数据不为0，则记录天然气水合物目标开采区中的14C示踪剂含量与位置分布，作为背景数据；
步骤四：置换气体注入
将步骤一中制备的置换气体运输至天然气水合物现场开采平台3上的开采机械设备1中的气体储存装置，启动开采机械设备1中的气体注入驱动装置，置换气体从气体储存装置在注入分压力为4.25MPa的条件下通过开采井7中的气体注入管道8注入到天然气水合物目标开采区；
步骤五：水合物置换开采
置换气体注入至天然气水合物目标开采区后，在温度273.5K，压力4.25MPa的条件下，C置换气体中的CO2置换开采天然气水合物中的CH4，置换后使得置换气体被封存生成二氧化碳水合物。
步骤六：开采进程数据采集
置换开采过程中，利用放射性现场探测谱仪5实时监测14CO2·nH2O中放射性核素14C的分布和含量作为开采信号数据。
步骤七：置换开采范围监测
将开采信号数据进行处理并滤去背景数据，通过开采机械设备1中的信号接收处理装置转化为放射性核素能谱，并上传至数据处理终端，进行数据分析处理获得天然气水合物目标开采区中的置换开采量。
具体将天然气水合物目标开采区(目标区)中的放射性核素14C的分布和含量经以下公式计算，得到置换气体参与置换反应生成的二氧化碳水合物总量：
Xi＝(1+N)xi
其中，xi为检测得到的放射性核素14C的分布和含量，即14CO2·nH2O含量，Xi为置换气体参与置换反应生成的二氧化碳水合物含量，N为置换气体中废弃CO2与14CO2的体积混合比，i表示放射性核素检测的时间点；
通过二氧化碳水合物含量Xi推算转换获得甲烷水合物的含量，进而，实现天然气水合物目标开采区中置换开采量的实时监测，进而通过开采量的密度可以确定置换反应界面9。
由此实施可见，本发明使用放射性核素对置换气体进行标记，然后通过监测天然气水合物储层中放射性核素的含量来监测二氧化碳置换天然气水合物开采的进程，具有实时和定量的优势，解决了目前天然气水合物置换开采过程中开采进程及开采范围无法监测的问题，实现了天然气水合物现场开采精准、高效、实时远程监测的目的。
需要说明的是，本申请的实施例有较佳的实施性，并非是对本申请任何形式的限定。本申请实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本申请实施例所属技术领域的技术人员所理解。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本申请的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的，并非是限定本申请可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。
上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。
Claims (7)
1.一种二氧化碳置换天然气水合物开采的监测方法，其特征在于：方法包括以下步骤：
步骤一：置换气体制备
提前收集普通无放射性、无标记的废弃CO2作为置换气体；
准备具有放射性碳同位素、具有示踪特性的14CO2，且将14CO2和废弃CO2进行混合，制备获得含14CO2的置换气体；
步骤二：探测谱仪安装与定位
布置天然气水合物现场开采平台(3)，在天然气水合物现场开采平台(3)底部通过可移动伸缩装置(4)安装能探测放射性核素14C的放射性现场探测谱仪(5)；
步骤三：目标区示踪剂背景数据确定
启动放射性现场探测谱仪(5)，探测初始情况下天然气水合物目标开采区的放射性核素14C的分布和含量作为背景数据；
步骤四：置换气体注入
将步骤一中制备的置换气体运输至天然气水合物现场开采平台(3)上的开采机械设备(1)中的气体储存装置，启动开采机械设备(1)中的气体注入驱动装置，置换气体从气体储存装置通过开采井(7)中的气体注入管道(8)注入到天然气水合物目标开采区；
步骤五：水合物置换开采
置换气体注入至天然气水合物目标开采区后，置换气体中的CO2置换开采天然气水合物中的CH4，置换后使得置换气体被生成二氧化碳水合物；
步骤六：开采进程数据采集
置换开采过程中，利用放射性现场探测谱仪(5)实时监测14CO2·nH2O中放射性核素14C的分布和含量作为开采信号数据；
步骤七：置换开采范围监测
将开采信号数据进行处理并滤去背景数据，通过开采机械设备(1)中的信号接收处理装置转化为放射性核素能谱，并上传至数据处理终端，进行数据分析处理获得天然气水合物目标开采区中的置换开采量。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳置换天然气水合物开采的监测方法，其特征在于：
所述步骤一中，将14CO2和废弃CO2进行混合以体积混合比100～500混合。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳置换天然气水合物开采的监测方法，其特征在于：
所述步骤二中，还根据工程勘探获取的天然气水合物上覆土层(12)的厚度和天然气水合物储层(13)的厚度确定并通过可移动伸缩装置(4)调整放射性现场探测谱仪(5)的布置位置，并初始化放射性现场探测谱仪(5)连接开采机械设备(1)中的信号接收处理装置。
4.根据权利要求1所述的一种二氧化碳置换天然气水合物开采的监测方法，其特征在于：
所述步骤三中，进行以下判断：
若初始情况下，探测结果显示天然气水合物目标开采区的14C示踪剂背景数据为0，则认为天然气水合物储层13内自然条件下无放射性核素14C；
若初始情况下，探测结果显示天然气水合物目标开采区的14C背景数据不为0，则记录天然气水合物目标开采区中的14C示踪剂含量与位置分布，作为背景数据；
然后在步骤七中从开采信号数据滤去背景数据。
5.根据权利要求1所述的一种二氧化碳置换天然气水合物开采的监测方法，其特征在于：所述步骤五中：
置换气体注入后含放射性碳同位素的14CO2在天然气水合物储层发生如下反应：
置换气体注入后普通无标记的CO2在天然气水合物储层发生如下反应：
在以上反应过程中，天然气水合物笼子结构不变，笼子中的CH4被CO2和14CO2替换发生客体分子交换，水合物储层中的CH4·nH2O被14CO2·nH2O和CO2·nH2O置换。
6.根据权利要求1所述的一种二氧化碳置换天然气水合物开采的监测方法，其特征在于：
所述步骤三和步骤六中，放射性射线照射在放射性现场探测谱仪(5)内部的晶体上发出荧光，再照射在放射性现场探测谱仪(5)内部的晶光电倍增管的光阴极上打出光电子，经逐级倍增后在光电倍增管的输出端负载上形成实时电压脉冲信号。
7.根据权利要求1所述的一种二氧化碳置换天然气水合物开采的监测方法，其特征在于：
所述的步骤七中，具体将天然气水合物目标开采区中的放射性核素14C的分布和含量经以下公式计算，得到置换气体参与置换反应生成的二氧化碳水合物总量：
Xi＝(1+N)xi
其中，xi为检测得到的放射性核素14C的分布和含量，即14CO2·nH2O含量，Xi为置换气体参与置换反应生成的二氧化碳水合物含量，N为置换气体中废弃CO2与14CO2的体积混合比，i表示放射性核素检测的时间点；
通过二氧化碳水合物含量Xi推算转换获得甲烷水合物的含量，进而，实现天然气水合物目标开采区中置换开采量的实时监测。
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