CN116658123B - 一种自生热辅助降压强化开采水合物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及天然气水合物开采领域，特别涉及一种自生热辅助降压强化开采水合物的方法。其技术方案是：在注浆分支井中通过射孔裂隙向水合物储层上覆岩层注入低水化热水泥浆体系，关井候凝直至形成稳定强度、致密低渗的覆盖水合物储层人工顶板；在水合物储层上分层内钻有多分支井，将含自生热体系的高压空气以自生热体系注入方向泵入储层，并沿着簇状孔隙‑裂隙移动和扩散，最终分布在孔隙内或水合物颗粒周围；有益效果是：借助储层同一分层上的多分支井、储层不同分层的多分支井分别交叉、接替开展强化开采水合物及CO2地质埋存工作，很好地将水合物生产、安全、碳埋存统一起来，既提高了水合物开采产能，又控制了工程地质风险。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物开采领域，特别涉及一种自生热辅助降压强化开采水合物的方法。
背景技术
天然气水合物是一种未来的战略接替能源，其安全高效的开发会影响甚至改变全球能源格局。诸多学者在传统降压和热激基础上讨论了水合物分解和产气的改进方法，但提出的方法大多并不成熟，且仍处于实验室研究阶段。基于现场试采结果可知，单独应用某种开采方法进行天然气水合物生产并不是经济、安全的选择，多种方法的组合及协同作用对现场开发具有现实可能性。常见的组合法有降压+注热水、降压+热盐水、降压+二氧化碳置换、注热水+二氧化碳、地热+二氧化碳、携热二氧化碳、甲烷燃烧+二氧化碳置换、抑制剂+二氧化碳置换、自生热体系等。这些组合能一定程度解决水合物储层的低渗透率、储层低温、出砂导致的储层沉降及储层失稳、井壁失稳等诸多关键问题，但水合物的开采机理尚不清楚，高效、安全、经济、稳定的长期开发目标仍难以实现。鉴于此，有必要提出一项新型的水合物强化开采方法，以提高产气性能并保证储层安全，这已成为多个国家研发项目的重要目标。
此外，气候变化是人类面临的全球性问题，随着各国二氧化碳排放，温室气体猛增，对生命系统形成威胁。在这一背景下，世界各国以全球协约的方式减排温室气体，我国由此提出碳达峰和碳中和的“双碳”目标。鉴于此，有学者提出将水合物开采和CO2埋存联合起来，即在CO2置换开采甲烷水合物的同时完成CO2的地质埋存，但发现该法的置换效率及甲烷回收率并不高，此外该法无法避免高注入压力下混合水合物相的二次生成及进一步引起的储层渗透率下降问题。综上所述，目前尚未出现一种安全、高效、经济的水合物开发方法来实现海域天然气水合物的商业化开采，水合物开采过程中的CO2埋存同样亟需探究。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种自生热辅助降压强化开采水合物的方法，本发明在水合物储层上覆岩层中构造覆盖水合物储层的人工顶板，以避免储层中水合物分解扰动下的甲烷泄漏问题，然后借助储层同一分层上的多分支井、储层不同分层的多分支井分别交叉、接替开展水合物强化开采及CO2地质埋存工作，很好地将水合物生产、安全、碳埋存统一起来，既提高了水合物开采产能，又控制了工程地质风险。
本发明提到的一种自生热辅助降压强化开采水合物的方法，其技术方案是包括以下步骤：
S1：基于目标水合物储层保压取芯的分析结果，明晰储层多孔介质内水合物的微观分布模式及宏观赋存形态，评估储层骨架的稳定程度及储层渗透性能，识别出非成岩泥质、赋存封闭盖层较薄、储层厚度较高的天然气水合物储层作为开采对象；
S2：将水合物储层整体分为水合物储层上覆岩层、水合物储层上分层、水合物储层中分层、水合物储层下分层，在水合物储层上覆岩层内钻取多个注浆分支井，在水合物储层上分层、水合物储层中分层和水合物储层下分层内分别钻取多个分支井，所述注浆分支井距水合物储层上分层的距离为1-2m；所述注浆分支井和分支井分别包括钻采井筒造斜段和钻采井筒水平段，并分别通过钻采井筒造斜段汇集到钻采井筒垂直段；
S3：在注浆分支井中采用套管射孔裂隙的完井方式，通过射孔裂隙向水合物储层上覆岩层注入低水化热水泥浆体系，关井候凝直至形成稳定强度、致密低渗的覆盖水合物储层人工顶板；
S4：在水合物储层上分层内钻有水合物储层上分层第一分支井、水合物储层上分层第二分支井、水合物储层上分层第三分支井和水合物储层上分层第四分支井中采用套管射孔裂隙的方式进行完井并形成射孔裂隙，然后压缩干燥过滤的空气至高压，比水合物储层压力高至少5MPa，并借助射孔裂隙泵入水合物储层上分层，最终在高断裂应力和地应力共同作用下，在水合物储层上分层形成多组簇状孔隙-裂隙；
S5：无水压裂后期，在高压空气中混合自生热体系，借助高压喷射泵通过水合物储层上分层第一分支井、水合物储层上分层第二分支井、水合物储层上分层第三分支井和水合物储层上分层第四分支井将含自生热体系的高压空气以自生热体系注入方向泵入储层，携带的自生热体系将沿着形成的簇状孔隙-裂隙移动和扩散，最终分布在孔隙内或水合物颗粒周围；
S6：停止无水压裂作业，安装电潜泵以降低水合物储层上分层第一分支井、水合物储层上分层第二分支井、水合物储层上分层第三分支井和水合物储层上分层第四分支井井底及压裂区域的储层压力，赋存于上述分支井附近的水合物开始分解成气体和水，并以分支井水平段产气的流动方向和分支井垂直段产气的流动方向采出，随着储层自由水及分解水被自生热体系逐步消耗，水化反应释放大量热量用于储层显热的原位补给，此外水化产物对砂的胶结充填作用和本身所拥有的多孔特性可保证储层骨架的稳定性和渗透性，且促进分解气向这些分支井方向渗流；
S7：当水合物储层上分层第一分支井、水合物储层上分层第二分支井、水合物储层上分层第三分支井和水合物储层上分层第四分支井的产气速率下降至一定阈值、且总产气量达不到预期值时，及时评估这些分支井附近储层的水合物分布：若附近储层水合物饱和度较高，应重复降压和自生热体系注入步骤；否则，开始在水合物储层上分层第五分支井、水合物储层上分层第六分支井、水合物储层上分层第七分支井和水合物储层上分层第八分支井进行同样的射孔、压裂操作，以至于在水合物储层上分层第五分支井射孔裂隙、水合物储层上分层第五分支井簇状孔隙-裂隙、水合物储层上分层第六分支井射孔裂隙、水合物储层上分层第六分支井簇状孔隙-裂隙、水合物储层上分层第七分支井射孔裂隙、水合物储层上分层第七分支井簇状孔隙-裂隙、水合物储层上分层第八分支井射孔裂隙、水合物储层上分层第八分支井簇状孔隙-裂隙区域继续开展自生热体系注入、降压、水合物分解和产气步骤，以保证产气稳定；
S8：当水合物储层上分层第五分支井、水合物储层上分层第六分支井、水合物储层上分层第七分支井和水合物储层上分层第八分支井的产气速率下降至一定阈值、且总产气量达不到预期值时，关闭水合物储层上分层第一分支井、水合物储层上分层第二分支井、水合物储层上分层第三分支井和水合物储层上分层第四分支井结束产气，然后借助管柱和封隔器，以CO2注入方向和CO2埋存方向开始向水合物分解区域注入CO2；最终形成水合物储层上分层第一分支井周围的储层改造区域、水合物储层上分层第二分支井周围的储层改造区域、水合物储层上分层第三分支井周围的储层改造区域、水合物储层上分层第四分支井周围的储层改造区域；
S9：当水合物储层上分层第五分支井、水合物储层上分层第六分支井、水合物储层上分层第七分支井和水合物储层上分层第八分支井的总产量降至一定阈值、且这些分支井附近储层内的水合物饱和度小于1~5%时，开始关闭这些分支井，并向水合物储层上分层注入CO2开始CO2的埋存，水合物储层上分层的自生热辅助降压强化开采过程正式结束；
S10：在S8步骤中，通过水合物储层上分层第一分支井、水合物储层上分层第二分支井、水合物储层上分层第三分支井和水合物储层上分层第四分支井向储层内注入CO2的同时，需基于水合物储层中分层第一分支井、水合物储层中分层第二分支井开展水合物储层中分层区域内的射孔压裂工作，形成水合物储层中分层第二分支井射孔裂隙、水合物储层中分层第二分支井簇状孔隙-裂隙、水合物储层中分层第一分支井射孔裂隙、水合物储层中分层第一分支井簇状孔隙-裂隙；经过水合物储层中分层的水合物强化开采与CO2埋存，最终形成水合物储层中分层第二分支井周围的储层改造区域、水合物储层中分层第一分支井周围的储层改造区域的工艺流程；同理当水合物储层中分层的分支井向储层内注入CO2的同时，要基于水合物储层下分层第一分支井、水合物储层下分层第二分支井开展水合物储层下分层的区域内射孔压裂工作，进而形成水合物储层下分层第二分支井射孔裂隙、水合物储层下分层第二分支井簇状孔隙-裂隙、水合物储层下分层第一分支井射孔裂隙、水合物储层下分层第一分支井簇状孔隙-裂隙；经过水合物储层下分层的水合物强化开采与CO2埋存工艺流程，最终水合物储层上分层、水合物储层中分层和水合物储层下分层区域的水合物均开采完毕，且实现了地层中CO2的埋存。
优选的，在步骤S2中，所述水合物储层上覆岩层内钻取八个注浆分支井，用于注浆，并最终形成覆盖水合物储层人工顶板，具体包括第一注浆分支井、第二注浆分支井、第三注浆分支井、第四注浆分支井、第五注浆分支井、第六注浆分支井、第七注浆分支井和第八注浆分支井；所述水合物储层上分层、水合物储层中分层和水合物储层下分层内分别钻取八个开采分支井，用于水合物强化开采、CO2埋存及CO2气驱置换开采，且每个分支井均以45°夹角在同一个分层平面上均匀布置。
优选的，在步骤S4中，所述套管射孔间隔为20孔/m，射孔深度在1.5m；所述射孔裂隙包括水合物储层上分层第二分支井射孔裂隙、水合物储层上分层第一分支井射孔裂隙、水合物储层上分层第三分支井射孔裂隙和水合物储层上分层第四分支井射孔裂隙；所述簇状孔隙-裂隙包括水合物储层上分层第二分支井簇状孔隙-裂隙、水合物储层上分层第一分支井簇状孔隙-裂隙、水合物储层上分层第三分支井簇状孔隙-裂隙和水合物储层上分层第四分支井簇状孔隙-裂隙。
优选的，在步骤S5中，所述自生热体系注入过程中，高压空气的具体排量由自生热体系的注入量、注入速率及无水簇状孔隙-裂隙参数共同决定，所述自生热体系的注入量和注入速率应根据储层中水合物分布情况和水合物饱和度的演变规律来确定。
优选的，在步骤S5中，所述自生热体系主要由生热剂、胶结剂、加速剂、增渗剂、缓凝剂组成，其质量比为：8:0.5:0.5:0.5:0.5；所述生热剂采用疏水改性CaO粉末，胶结剂采用粗颗粒硅酸盐水泥粉末，加速剂采用NaCl粉末，增渗剂采用钝化铝粉末，缓凝剂采用CaSO4。
优选的，在步骤S6中，随着水合物分解需实时监测储层温压条件、气水砂的产量、分解过程中的水合物分布，以实时响应降压和自生热体系注入参数，最终保证产气稳定；所述水化产物以具有多孔特性的氢氧化钙为主。
优选的，在步骤S8中，向水合物分解区域注入CO2具有三重作用：分别为CO2埋存、CO2气驱和CO2置换开采；其中CO2主要与水化产物氢氧化钙生成碳酸钙以实现地质埋存，CO2气体本身作为一种驱动力驱使分解气体向水合物储层上分层第五分支井、水合物储层上分层第六分支井、水合物储层上分层第七分支井和水合物储层上分层第八分支井方向进行运移，气驱过程中CO2会将剩余水合物中的甲烷给置换出来。
优选的，在步骤S9中，CO2埋存完毕时，将在水合物储层上分层的区域形成水合物储层上分层第一分支井周围的储层改造区域和水合物储层上分层第二分支井周围的储层改造区域，且因水化产物对储层骨架的胶结充填和CO2埋存对储层骨架的强化而变得更加稳定。
与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：
（1）针对浅埋深的非成岩泥质的水合物储层，在水合物储层上覆岩层中构造稳定强度、致密低渗的覆盖水合物储层人工顶板，即使处于靠近海床的低温环境，仍具有较好的力学性能和微观结构稳定性，可以尽量避免诸多扰动诱发的水合物储层上覆岩层甲烷泄漏问题，加强控制开采过程中储层及周围地层变形，防止由质量和能量不足引起的海底滑坡等地质灾害发生；
（2）自生热体系的水化反应速率及放热量可通过加速剂与缓凝剂的配比进行控制，以实现热量的“按需分配（以储层热消耗速率为准进行热量原位补充）”与水合物储层的“计划固结”，储层的热物理场波动较小，且后期注入的CO2能较好实现CO2的地质埋存；
（3）水合物储层在同一分层上的多个分支井交叉强化开采水合物及CO2地质埋存，水合物储层在不同分层的多分支井则由上到下接替强化开采及CO2地质埋存，同一分支井自生热辅助降压的水合物强化开采与CO2地质埋存接替开展，很好地将水合物生产、安全、碳埋存统一起来，在提高水合物开采产能、控制工程地质风险的同时，契合了碳中和、碳达峰的政策导向。
附图说明
图1是水合物储层上分层分支井自生热辅助降压开采过程示意图；
图2是水合物储层中分层分支井自生热辅助降压开采、上分层分支井CO2埋存及CO2气驱置换开采一体化示意图；
图3是水合物储层中分层分支井的CO2埋存及CO2气驱置换开采一体化、下分层分支井自生热辅助降压开采过程示意图；
图4是水合物储层上分层及上覆岩层间交界面处注浆形成的人工顶板示意图；
图5是水合物储层上分层分支井交叉射孔裂隙及簇状孔隙-裂隙一体化示意图；
图6是水合物储层上分层分支井交叉CO2埋存及CO2气驱置换开采一体化、分支井交叉射孔裂隙及簇状孔隙-裂隙一体化示意图；
图7是水合物储层上分层分支井CO2埋存效果示意图；
图8是水合物储层上分层第一分支井射孔裂隙及簇状孔隙-裂隙一体化、自生热辅助降压开采过程示意图；
图9是水合物储层上分层的第一分支井CO2埋存过程示意图；
图10是表一中提到的水化产物填充至储层多孔介质内的宏观效果图；
图11是表一中提到的水化产物填充至储层多孔介质内的微观效果图；
上图中：天然气水合物钻采平台1、深海平面2、钻采井筒垂直段3、钻采井筒造斜段4、钻采井筒水平段5、深海层6、水合物储层上覆岩层7、覆盖水合物储层人工顶板8、第一注浆分支井9、第二注浆分支井10、第三注浆分支井11、第四注浆分支井12、第五注浆分支井13、第六注浆分支井14、第七注浆分支井15、第八注浆分支井16、水合物储层上分层第一分支井17、水合物储层上分层第二分支井18、水合物储层上分层第三分支井19、水合物储层上分层第四分支井20、水合物储层上分层第五分支井21、水合物储层上分层第六分支井22、水合物储层上分层第七分支井23、水合物储层上分层第八分支井24、水合物储层上分层第二分支井射孔裂隙25、水合物储层上分层第二分支井簇状孔隙-裂隙26、水合物储层上分层第一分支井射孔裂隙27、水合物储层上分层第一分支井簇状孔隙-裂隙28、水合物储层上分层第三分支井射孔裂隙29、水合物储层上分层第三分支井簇状孔隙-裂隙30、水合物储层上分层第四分支井射孔裂隙31、水合物储层上分层第四分支井簇状孔隙-裂隙32、水合物储层上分层第一分支井周围的储层改造区域33、水合物储层上分层第二分支井周围的储层改造区域34、水合物储层上分层第三分支井周围的储层改造区域35、水合物储层上分层第四分支井周围的储层改造区域36、水合物储层上分层第五分支井射孔裂隙37、水合物储层上分层第五分支井簇状孔隙-裂隙38、水合物储层上分层第六分支井射孔裂隙39、水合物储层上分层第六分支井簇状孔隙-裂隙40、水合物储层上分层第七分支井射孔裂隙41、水合物储层上分层第七分支井簇状孔隙-裂隙42、水合物储层上分层第八分支井射孔裂隙43、水合物储层上分层第八分支井簇状孔隙-裂隙44、水合物储层上分层第八分支井周围的储层改造区域45、水合物储层上分层第七分支井周围的储层改造区域46、水合物储层上分层第五分支井周围的储层改造区域47、水合物储层上分层第六分支井周围的储层改造区域48、水合物储层中分层第一分支井49、水合物储层中分层第二分支井50、水合物储层下分层第一分支井51、水合物储层下分层第二分支井52、水合物储层上分层53、水合物储层中分层54、水合物储层下分层55、水合物储层下伏岩层56、水合物储层中分层第二分支井射孔裂隙57、水合物储层中分层第二分支井簇状孔隙-裂隙58、水合物储层中分层第一分支井射孔裂隙59、水合物储层中分层第一分支井簇状孔隙-裂隙60、水合物储层中分层第二分支井周围的储层改造区域61、水合物储层中分层第一分支井周围的储层改造区域62、水合物储层下分层第二分支井射孔裂隙63、水合物储层下分层第二分支井簇状孔隙-裂隙64、水合物储层下分层第一分支井射孔裂隙65、水合物储层下分层第一分支井簇状孔隙-裂隙66、管柱67、封隔短节68、管柱裂隙射孔段69、管柱簇状孔隙-裂隙压裂段70、自生热体系注入方向71、分支井水平段产气的流动方向72、分支井垂直段产气的流动方向73、CO2注入方向74、封隔器75、CO2埋存方向76。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，参照图1-图11，本发明提到的一种自生热辅助降压强化开采水合物的方法，包括以下步骤：
S1：基于目标水合物储层保压取芯的分析结果，明晰储层多孔介质内水合物的微观分布模式及宏观赋存形态，评估储层骨架的稳定程度及储层渗透性能，识别出非成岩泥质、赋存封闭盖层较薄、储层厚度较高的天然气水合物储层作为开采对象；
S2：将水合物储层整体分为水合物储层上覆岩层7、水合物储层上分层53、水合物储层中分层54、水合物储层下分层55，在水合物储层上覆岩层7内钻取多个注浆分支井，在水合物储层上分层53、水合物储层中分层54和水合物储层下分层55内分别钻取多个分支井，所述注浆分支井距水合物储层上分层53的距离为1-2m；所述注浆分支井和分支井分别包括钻采井筒造斜段4和钻采井筒水平段5，并分别通过钻采井筒造斜段4汇集到钻采井筒垂直段3，在深海平面2上安装天然气水合物钻采平台1，钻采井筒垂直段3的上端连接到天然气水合物钻采平台1，下端深入到深海层6下部的水合物储层上覆岩层7，在水合物储层下分层55的下部设有水合物储层下伏岩层56；
S3：在注浆分支井中采用套管射孔裂隙的完井方式，通过射孔裂隙向水合物储层上覆岩层7注入低水化热水泥浆体系，关井候凝直至形成稳定强度、致密低渗的覆盖水合物储层人工顶板8；
S4：在水合物储层上分层53内钻有水合物储层上分层第一分支井17、水合物储层上分层第二分支井18、水合物储层上分层第三分支井19和水合物储层上分层第四分支井20中采用套管射孔裂隙的方式进行完井并形成射孔裂隙，然后压缩干燥过滤的空气至高压，比水合物储层压力高至少5MPa，并借助射孔裂隙泵入水合物储层上分层53，最终在高断裂应力和地应力共同作用下，在水合物储层上分层53形成多组簇状孔隙-裂隙；
S5：无水压裂后期，在高压空气中混合自生热体系，借助高压喷射泵通过水合物储层上分层第一分支井17、水合物储层上分层第二分支井18、水合物储层上分层第三分支井19和水合物储层上分层第四分支井20将含自生热体系的高压空气以自生热体系注入方向71泵入储层，并通过封隔短节68、管柱裂隙射孔段69和管柱簇状孔隙-裂隙压裂段70将携带的自生热体系沿着形成的簇状孔隙-裂隙移动和扩散，最终分布在孔隙内或水合物颗粒周围；
S6：停止无水压裂作业，安装电潜泵以降低水合物储层上分层第一分支井17、水合物储层上分层第二分支井18、水合物储层上分层第三分支井19和水合物储层上分层第四分支井20井底及压裂区域的储层压力，赋存于上述分支井附近的水合物开始分解成气体和水，并以分支井水平段产气的流动方向72和分支井垂直段产气的流动方向73采出，随着储层自由水及分解水被自生热体系逐步消耗，水化反应释放大量热量用于储层显热的原位补给，此外水化产物对砂的胶结充填作用和本身所拥有的多孔特性可保证储层骨架的稳定性和渗透性，且促进分解气向这些分支井方向渗流；
S7：当水合物储层上分层第一分支井17、水合物储层上分层第二分支井18、水合物储层上分层第三分支井19和水合物储层上分层第四分支井20的产气速率下降至一定阈值、且总产气量达不到预期值时，及时评估这些分支井附近储层的水合物分布：若附近储层水合物饱和度较高，应重复降压和自生热体系注入步骤；否则，开始在水合物储层上分层第五分支井21、水合物储层上分层第六分支井22、水合物储层上分层第七分支井23和水合物储层上分层第八分支井24进行同样的射孔、压裂操作，以至于在水合物储层上分层第五分支井射孔裂隙37、水合物储层上分层第五分支井簇状孔隙-裂隙38、水合物储层上分层第六分支井射孔裂隙39、水合物储层上分层第六分支井簇状孔隙-裂隙40、水合物储层上分层第七分支井射孔裂隙41、水合物储层上分层第七分支井簇状孔隙-裂隙42、水合物储层上分层第八分支井射孔裂隙43、水合物储层上分层第八分支井簇状孔隙-裂隙44区域继续开展自生热体系注入、降压、水合物分解和产气步骤，以保证产气稳定；
S8：当水合物储层上分层第五分支井21、水合物储层上分层第六分支井22、水合物储层上分层第七分支井23和水合物储层上分层第八分支井24的产气速率下降至一定阈值、且总产气量达不到预期值时，关闭水合物储层上分层第一分支井17、水合物储层上分层第二分支井18、水合物储层上分层第三分支井19和水合物储层上分层第四分支井20结束产气，然后借助管柱67和封隔器75，以CO2注入方向74和CO2埋存方向76开始向水合物分解区域注入CO2；并形成水合物储层上分层第一分支井周围的储层改造区域33、水合物储层上分层第二分支井周围的储层改造区域34、水合物储层上分层第三分支井周围的储层改造区域35、水合物储层上分层第四分支井周围的储层改造区域36；
S9：当水合物储层上分层第五分支井21、水合物储层上分层第六分支井22、水合物储层上分层第七分支井23和水合物储层上分层第八分支井24的总产量降至一定阈值、且这些分支井附近储层内的水合物饱和度小于1~5%时，开始关闭这些分支井，并向水合物储层上分层53注入CO2开始CO2的埋存，水合物储层上分层53的自生热辅助降压强化开采过程正式结束；
进一步的，CO2埋存完毕后，将在水合物储层上分层53的区域形成水合物储层上分层第八分支井周围的储层改造区域45、水合物储层上分层第七分支井周围的储层改造区域46、水合物储层上分层第五分支井周围的储层改造区域47、水合物储层上分层第六分支井周围的储层改造区域48，这些改造区域因水化产物对储层骨架的胶结充填和CO2埋存对储层骨架的强化而变得更加稳定。
S10：在S8步骤中，通过水合物储层上分层第一分支井17、水合物储层上分层第二分支井18、水合物储层上分层第三分支井19和水合物储层上分层第四分支井20向储层内注入CO2的同时，需基于水合物储层中分层第一分支井49、水合物储层中分层第二分支井50开展水合物储层中分层54的区域内的射孔压裂工作，形成水合物储层中分层第二分支井射孔裂隙57、水合物储层中分层第二分支井簇状孔隙-裂隙58、水合物储层中分层第一分支井射孔裂隙59、水合物储层中分层第一分支井簇状孔隙-裂隙60；经过水合物储层中分层54的水合物强化开采与CO2埋存，进而形成水合物储层中分层第二分支井周围的储层改造区域61、水合物储层中分层第一分支井周围的储层改造区域62的工艺流程；同理当水合物储层中分层54的分支井向储层内注入CO2的同时，要基于水合物储层下分层第一分支井51、水合物储层下分层第二分支井52开展水合物储层下分层55的区域内的射孔压裂，进而形成水合物储层下分层第二分支井射孔裂隙63、水合物储层下分层第二分支井簇状孔隙-裂隙64、水合物储层下分层第一分支井射孔裂隙65、水合物储层下分层第一分支井簇状孔隙-裂隙66；经过水合物储层下分层55的水合物强化开采与CO2埋存工艺流程，最终水合物储层上分层53、水合物储层中分层54和水合物储层下分层55的区域的水合物均开采完毕，且实现了地层中CO2的埋存。
其中，在步骤S2中，所述水合物储层上覆岩层7内钻取的八个注浆分支井，用于注浆，并最终形成覆盖水合物储层人工顶板8，具体包括第一注浆分支井9、第二注浆分支井10、第三注浆分支井11、第四注浆分支井12、第五注浆分支井13、第六注浆分支井14、第七注浆分支井15和第八注浆分支井16；所述水合物储层上分层53、水合物储层中分层54和水合物储层下分层55内分别钻取八个开采分支井，用于水合物强化开采、CO2埋存及CO2气驱置换开采，且每个分支井均以45°夹角在同一个分层平面上均匀布置。
优选的，在步骤S4中，所述套管射孔间隔为20孔/m，射孔深度在1.5m；所述射孔裂隙包括水合物储层上分层第二分支井射孔裂隙25、水合物储层上分层第一分支井射孔裂隙27、水合物储层上分层第三分支井射孔裂隙29和水合物储层上分层第四分支井射孔裂隙31；所述簇状孔隙-裂隙包括水合物储层上分层第二分支井簇状孔隙-裂隙26、水合物储层上分层第一分支井簇状孔隙-裂隙28、水合物储层上分层第三分支井簇状孔隙-裂隙30和水合物储层上分层第四分支井簇状孔隙-裂隙32。
优选的，在步骤S5中，所述自生热体系注入过程中，高压空气的具体排量由自生热体系的注入量、注入速率及无水簇状孔隙-裂隙参数共同决定，所述自生热体系的注入量和注入速率应根据储层中水合物分布情况和水合物饱和度的演变规律来确定。
优选的，在步骤S5中，所述自生热体系主要由生热剂、胶结剂、加速剂、增渗剂、缓凝剂组成，其质量比为：8:0.5:0.5:0.5:0.5；所述生热剂采用疏水改性CaO粉末，胶结剂采用粗颗粒硅酸盐水泥粉末，加速剂采用NaCl粉末，增渗剂采用钝化铝粉末，缓凝剂采用CaSO4。
另外，本发明的自生热体系中胶结剂（粗颗粒硅酸盐水泥粉末）含主要矿物有硅酸三钙（3CaO·SiO2，C3S），硅酸二钙（2CaO·SiO2，C2S），铝酸三钙（3CaO·Al2O3，C3A），铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3，C4AF）。C3S、C2S、C3A、C4AF遇储层自由水及水合物分解水后将开始水化反应，其反应如式1～7所示。自生热粉末水化放热及反应速率及其水化产物如表1所示，生热剂采用疏水改性CaO粉末，水化具有较高水化热，1h释放的热量约为1d胶结剂释放热量的9倍，这部分热量除供给水合物分解吸热外还将促进胶结剂硬化胶结，生热剂遇水反应如式8所示。在水化产物及缓凝剂（CaSO4）存在的碱性体系下，增渗剂（钝化铝粉末）遇水能在发气的同时放出大量热量并产生微小的氢气泡，其放热反应如式9~式11所示；此外，这些水化产物会与CO2发生稳定的化学反应，有助于实现CO2的地质埋存。
3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·(n-3+x)H2O(C-S-H gel)+(3-x)Ca(OH)2 (1)
2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·(n-2+x)H2O(C-S-H gel)+(2-x)Ca(OH)2 (2)
3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O (3)
3CaO·Al2O3+3CaSO4·2H2O+26H2O→3CaO·Al2O3·CaSO4·32H2O（AFt） (4)
3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+2(3CaO·Al2O3)+4H2O→3(3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O)（AFm） (5)
4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O (6)
4CaO·Al2O3·Fe2O3+2Ca(OH)2+10H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+2CaO·Fe2O3·6H2O (7)
CaO+H2O=Ca(OH)2 (8)
2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2↑ (9)
2Al+Ca(OH)2+8H2O→CaO·Al2O3·6H2O+3H2↑ (10)
2Al+3Ca(OH)2+3CaSO4+mH2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·H2O+H2↑ (11)
表1 自生热体系各组分水化热及水化反应速率
优选的，在步骤S6中，随着水合物分解需实时监测储层温压条件、气水砂的产量、分解过程中的水合物分布，以实时响应降压和自生热体系注入参数，最终保证产气稳定；所述水化产物以具有多孔特性的氢氧化钙为主，具体如表一中产生的水化产物。
优选的，在步骤S8中，向水合物分解区域注入CO2具有三重作用：分别为CO2埋存、CO2气驱和CO2置换开采；其中CO2主要与水化产物氢氧化钙生成碳酸钙以实现地质埋存，CO2气体本身作为一种驱动力驱使分解气体向水合物储层上分层第五分支井21、水合物储层上分层第六分支井22、水合物储层上分层第七分支井23和水合物储层上分层第八分支井24方向进行运移，气驱过程中CO2会将剩余水合物中的甲烷给置换出来。
优选的，在步骤S9中，CO2埋存完毕时，将在水合物储层上分层53的区域形成水合物储层上分层第一分支井周围的储层改造区域33和水合物储层上分层第二分支井周围的储层改造区域34，且因水化产物对储层骨架的胶结充填和CO2埋存对储层骨架的强化而变得更加稳定。
本发明主要借助自生热体系与水合物储层中水合物分解水、自由水反应以实现原位热补给；自生热体系遇水反应生成的水化产物体积膨胀且具有多孔特性，会填充至水合物分解前所占据的孔隙空间，实现储层充填；多孔的水化产物对水合物分解后储层内的松散砂粒具有很好的胶结作用，具有储层胶结增渗的效果；此外，基于水化产物的湿胀干缩特性及孔隙表面张力原理，水化产物形成的多孔介质对气水具有选择渗透特性，使得胶结储层内水合物分解速率具有一定的自适应效应，有助于储层的高效稳定产气。
以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的相应简单修改或等同变换，尽属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种自生热辅助降压强化开采水合物的方法，其特征是包括以下步骤：
S1：基于目标水合物储层保压取芯的分析结果，明晰储层多孔介质内水合物的微观分布模式及宏观赋存形态，评估储层骨架的稳定程度及储层渗透性能，识别出非成岩泥质、赋存封闭盖层较薄、储层厚度较高的天然气水合物储层作为开采对象；
S2：将水合物储层整体分为水合物储层上覆岩层（7）、水合物储层上分层（53）、水合物储层中分层（54）、水合物储层下分层（55），在水合物储层上覆岩层（7）内钻取多个注浆分支井，在水合物储层上分层（53）、水合物储层中分层（54）和水合物储层下分层（55）内分别钻取多个分支井，所述注浆分支井距水合物储层上分层（53）的距离为1-2m；所述注浆分支井和分支井分别包括钻采井筒造斜段（4）和钻采井筒水平段（5），并分别通过钻采井筒造斜段（4）汇集到钻采井筒垂直段（3）；
S3：在注浆分支井中采用套管射孔裂隙的完井方式，通过射孔裂隙向水合物储层上覆岩层（7）注入低水化热水泥浆体系，关井候凝直至形成稳定强度、致密低渗的覆盖水合物储层人工顶板（8）；
S4：在水合物储层上分层（53）内钻有水合物储层上分层第一分支井（17）、水合物储层上分层第二分支井（18）、水合物储层上分层第三分支井（19）和水合物储层上分层第四分支井（20）中采用套管射孔裂隙的方式进行完井并形成射孔裂隙，然后压缩干燥过滤的空气至高压，比水合物储层压力高至少5MPa，并借助射孔裂隙泵入水合物储层上分层（53），最终在高断裂应力和地应力共同作用下，在水合物储层上分层（53）形成多组簇状孔隙-裂隙；
S5：无水压裂后期，在高压空气中混合自生热体系，借助高压喷射泵通过水合物储层上分层第一分支井（17）、水合物储层上分层第二分支井（18）、水合物储层上分层第三分支井（19）和水合物储层上分层第四分支井（20）将含自生热体系的高压空气以自生热体系注入方向（71）泵入储层，携带的自生热体系将沿着形成的簇状孔隙-裂隙移动和扩散，最终分布在孔隙内或水合物颗粒周围；
S6：停止无水压裂作业，安装电潜泵以降低水合物储层上分层第一分支井（17）、水合物储层上分层第二分支井（18）、水合物储层上分层第三分支井（19）和水合物储层上分层第四分支井（20）井底及压裂区域的储层压力，赋存于上述分支井附近的水合物开始分解成气体和水，并以分支井水平段产气的流动方向（72）和分支井垂直段产气的流动方向（73）采出，随着储层自由水及分解水被自生热体系逐步消耗，水化反应释放大量热量用于储层显热的原位补给，此外水化产物对砂的胶结充填作用和本身所拥有的多孔特性可保证储层骨架的稳定性和渗透性，且促进分解气向这些分支井方向渗流；
S7：当水合物储层上分层第一分支井（17）、水合物储层上分层第二分支井（18）、水合物储层上分层第三分支井（19）和水合物储层上分层第四分支井（20）的产气速率下降至一定阈值、且总产气量达不到预期值时，及时评估这些分支井附近储层的水合物分布：若附近储层水合物饱和度较高，应重复降压和自生热体系注入步骤；否则，开始在水合物储层上分层第五分支井（21）、水合物储层上分层第六分支井（22）、水合物储层上分层第七分支井（23）和水合物储层上分层第八分支井（24）进行同样的射孔、压裂操作，以至于在水合物储层上分层第五分支井射孔裂隙（37）、水合物储层上分层第五分支井簇状孔隙-裂隙（38）、水合物储层上分层第六分支井射孔裂隙（39）、水合物储层上分层第六分支井簇状孔隙-裂隙（40）、水合物储层上分层第七分支井射孔裂隙（41）、水合物储层上分层第七分支井簇状孔隙-裂隙（42）、水合物储层上分层第八分支井射孔裂隙（43）、水合物储层上分层第八分支井簇状孔隙-裂隙（44）区域继续开展自生热体系注入、降压、水合物分解和产气步骤，以保证产气稳定；
S8：当水合物储层上分层第五分支井（21）、水合物储层上分层第六分支井（22）、水合物储层上分层第七分支井（23）和水合物储层上分层第八分支井（24）的产气速率下降至一定阈值、且总产气量达不到预期值时，关闭水合物储层上分层第一分支井（17）、水合物储层上分层第二分支井（18）、水合物储层上分层第三分支井（19）和水合物储层上分层第四分支井（20）结束产气，然后借助管柱（67）和封隔器（75），以CO2注入方向（74）和CO2埋存方向（76）开始向水合物分解区域注入CO2，最终形成水合物储层上分层第一分支井周围的储层改造区域（33）、水合物储层上分层第二分支井周围的储层改造区域（34）、水合物储层上分层第三分支井周围的储层改造区域（35）、水合物储层上分层第四分支井周围的储层改造区域（36）；
S9：当水合物储层上分层第五分支井（21）、水合物储层上分层第六分支井（22）、水合物储层上分层第七分支井（23）和水合物储层上分层第八分支井（24）的总产量降至一定阈值、且这些分支井附近储层内的水合物饱和度小于1~5%时，开始关闭这些分支井，并向水合物储层上分层（53）注入CO2开始CO2的埋存，水合物储层上分层（53）的自生热辅助降压强化开采过程正式结束；
S10：在S8步骤中，通过水合物储层上分层第一分支井（17）、水合物储层上分层第二分支井（18）、水合物储层上分层第三分支井（19）和水合物储层上分层第四分支井（20）向储层内注入CO2的同时，需基于水合物储层中分层第一分支井（49）、水合物储层中分层第二分支井（50）开展水合物储层中分层（54）区域内的射孔压裂工作，形成水合物储层中分层第二分支井射孔裂隙（57）、水合物储层中分层第二分支井簇状孔隙-裂隙（58）、水合物储层中分层第一分支井射孔裂隙（59）、水合物储层中分层第一分支井簇状孔隙-裂隙（60）；经过水合物储层中分层（54）的水合物强化开采与CO2埋存，最终形成水合物储层中分层第二分支井周围的储层改造区域（61）、水合物储层中分层第一分支井周围的储层改造区域（62）的工艺流程；同理当水合物储层中分层（54）的分支井向储层内注入CO2的同时，要基于水合物储层下分层第一分支井（51）、水合物储层下分层第二分支井（52）开展水合物储层下分层（55）区域内的射孔压裂工作，进而形成水合物储层下分层第二分支井射孔裂隙（63）、水合物储层下分层第二分支井簇状孔隙-裂隙（64）、水合物储层下分层第一分支井射孔裂隙（65）、水合物储层下分层第一分支井簇状孔隙-裂隙（66）；经过水合物储层下分层（55）的水合物强化开采与CO2埋存工艺流程，最终水合物储层上分层（53）、水合物储层中分层（54）和水合物储层下分层（55）区域的水合物均开采完毕，且实现了地层中CO2的埋存。
2.根据权利要求1所述的自生热辅助降压强化开采水合物的方法，其特征是：
在步骤S2中，所述水合物储层上覆岩层（7）内钻取八个注浆分支井，用于注浆，并最终形成覆盖水合物储层人工顶板（8），具体包括第一注浆分支井（9）、第二注浆分支井（10）、第三注浆分支井（11）、第四注浆分支井（12）、第五注浆分支井（13）、第六注浆分支井（14）、第七注浆分支井（15）和第八注浆分支井（16）；所述水合物储层上分层（53）、水合物储层中分层（54）和水合物储层下分层（55）内分别钻取八个分支井，用于水合物强化开采、CO2埋存及CO2气驱置换开采，且每个分支井均以45°夹角在同一个分层平面上均匀布置。
3.根据权利要求2所述的自生热辅助降压强化开采水合物的方法，其特征是：
在步骤S4中，所述套管射孔间隔为20孔/m，射孔深度在1.5m；所述射孔裂隙包括水合物储层上分层第二分支井射孔裂隙（25）、水合物储层上分层第一分支井射孔裂隙（27）、水合物储层上分层第三分支井射孔裂隙（29）和水合物储层上分层第四分支井射孔裂隙（31）；所述簇状孔隙-裂隙包括水合物储层上分层第二分支井簇状孔隙-裂隙（26）、水合物储层上分层第一分支井簇状孔隙-裂隙（28）、水合物储层上分层第三分支井簇状孔隙-裂隙（30）和水合物储层上分层第四分支井簇状孔隙-裂隙（32）。
4.根据权利要求3所述的自生热辅助降压强化开采水合物的方法，其特征是：在步骤S5中，所述自生热体系注入过程中，高压空气的具体排量由自生热体系的注入量、注入速率及无水簇状孔隙-裂隙参数共同决定，所述自生热体系的注入量和注入速率应根据储层中水合物分布情况和水合物饱和度的演变规律来确定。
5.根据权利要求4所述的自生热辅助降压强化开采水合物的方法，其特征是：在步骤S5中，所述自生热体系主要由生热剂、胶结剂、加速剂、增渗剂、缓凝剂组成，其质量比为：8:0.5:0.5:0.5:0.5；所述生热剂采用疏水改性CaO粉末，胶结剂采用粗颗粒硅酸盐水泥粉末，加速剂采用NaCl粉末，增渗剂采用钝化铝粉末，缓凝剂采用CaSO4。
6.根据权利要求5所述的自生热辅助降压强化开采水合物的方法，其特征是：在步骤S6中，随着水合物分解需实时监测储层温压特征、气水砂的产量、分解过程中的水合物分布，以实时响应降压和自生热体系注入参数，最终保证产气稳定；所述水化产物以具有多孔特性的氢氧化钙为主。
7.根据权利要求6所述的自生热辅助降压强化开采水合物的方法，其特征是：在步骤S8中，向水合物分解区域注入CO2具有三重作用：分别为CO2埋存、CO2气驱和CO2置换开采；其中CO2主要与水化产物氢氧化钙生成碳酸钙以实现地质埋存，CO2气体本身作为一种驱动力驱使分解气体向水合物储层上分层第五分支井（21）、水合物储层上分层第六分支井（22）、水合物储层上分层第七分支井（23）和水合物储层上分层第八分支井（24）方向进行运移，气驱过程中CO2会将剩余水合物中的甲烷给置换出来。
8.根据权利要求7所述的自生热辅助降压强化开采水合物的方法，其特征是：在步骤S9中，CO2埋存完毕时，将在水合物储层上分层（53）的区域形成水合物储层上分层第一分支井周围的储层改造区域（33）和水合物储层上分层第二分支井周围的储层改造区域（34），且因水化产物对储层骨架的胶结充填和CO2埋存对储层骨架的强化而变得更加稳定。
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