CN116733437A - 一种用于开采天然气水合物的三水平井井组结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于开采天然气水合物的三水平井井组结构及方法,属于天然气水合物开采技术领域。所述的三水平井井组结构包括延伸至天然气水合物储层的生产井、注热井和排砂井,各井均包括竖直段和位于天然气水合物储层中的水平段,所述各井水平段的井壁上沿长度方向均匀间隔的设置有若干隔热管组,各个隔热管组由一根设置于生产水平段上的隔热管、一根设置于注热水平段上的隔热管以及一根设置于排砂水平段上的隔热管组成,同一隔热管组中的隔热管上下对齐;在生产水平段、注热水平段及排砂水平段的井壁上未设置隔热管的部分设置有开孔。本发明所述井组结构及方法在为天然气水合物分解提供所需热量的同时能够有效排出砂粒和水,防止储层垮塌。
Description
技术领域
本发明属于天然气水合物开采技术领域,具体涉及一种用于开采天然气水合物的三水平井井组结构及方法。
背景技术
天然气水合物(Natural GasHydrate)是指天然气与水在特定温度和压力(低温高压)下生成的一种笼型晶体物质,似冰雪状,因其可以点燃,故俗称为“可燃冰”。天然气水合物是一种清洁高效的新兴能源,其储量巨大。地球上天然气水合物中总有机碳的储量约为石油、天然气和煤炭三者总和的两倍,其中海洋区域的天然气水合物资源量占其总资源量的99%。随着对天然气水合物开采的逐步深入研究,商业开采也越来越接近可能。
目前理论上开采天然气水合物的方法主要包括降压法、注热法和CO2置换法。因置换法存在反应周期长、速率慢和效率低等不足,在实际应用中多采用降压法和注热法进行开采。其中降压法较为经济,但由于海洋水合物储层具有渗透性差、传热传质效率低与导流能力低的特性,使得降压开采无法高效、持续地进行;另一方面,降压开采中,由于水合物分解吸热导致储层温度降低,在分解层附近易造成通道堵塞。
注热法是将热流体(如蒸汽、热水、热盐水等其他热的流体)从地面利用高压泵打入天然气水合物储层,使水合物储层的温度上升,从而达到天然气水合物分解的目的。注热法能有效地促进水合物分解,适用范围广,但存在输热损失大、热利用效率低、加热区域小及传热方向不可控等不足,致使大部分热量用于加热孔隙气体液体和沉积。公布号为CN108005626A的发明专利公开了一种基于热管技术的天然气水合物开采装置,包括若干延伸至天然气水合物储层的开采井和采出井,各开采井包括开采井竖直段和位于天然气水合物储层中的开采井水平段,所述采出井包括采出井竖直段和位于天然气水合物储层中的采出井水平段,位于采出井竖直段的采出井井口处连接设置有气液分离器,所述开采井水平段的井壁上呈放射状均匀设置有若干伸入天然气水合物储层的热管。该发明利用热管将开采井内的热水热量传导至天然气水合物储层,将大部分热量破坏水合物相平衡而非加热孔隙气体液体和沉积物,实现热量定向传递,扩大了加热区域,提高了热量的利用效率,克服了传统注热法加热区域少、传热方向不可控的不足,但该发明采用单井循环注热,开发效率较差,此外,该发明采用双水平井井组模式,开采过程中水合物储层中析出的砂粒易造成井筒堵塞,影响开采效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在为天然气水合物分解提供所需热量的同时能够有效排出砂粒和水并可防止储层垮塌的用于开采天然气水合物的三水平井井组结构及方法。
为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:
一种用于开采天然气水合物的三水平井井组结构,包括延伸至天然气水合物储层的生产井、注热井和排砂井,所述的生产井、注热井和排砂井均包括竖直段和位于天然气水合物储层中的水平段,其中生产水平段靠近上覆岩层,排砂水平段靠近下覆岩层,注热水平段位于生产水平段和排砂水平段之间;
所述生产水平段、注热水平段以及排砂水平段的井壁上沿长度方向均匀间隔的设置有若干隔热管组,各个隔热管组由一根设置于生产水平段上的隔热管、一根设置于注热水平段上的隔热管以及一根设置于排砂水平段上的隔热管组成,同一隔热管组中的隔热管上下对齐;
在生产水平段、注热水平段以及排砂水平段的井壁上未设置隔热管的部分设置有开孔。
上述三水平井井组结构中,所述开孔在生产水平段、注热水平段或排砂水平段的井壁上沿井壁长度方向上间隔分布,同时沿井壁周向均匀分布。进一步的,所述开孔的口径优选为天然气水合物储层中最大砂粒半径的2倍以上。
本发明还包括利用上述三水平井井组结构开采天然气水合物的方法,包括以下步骤:
1)分别向生产井、注热井和排砂井注入热流体(如蒸汽、热水、热盐水等其他热的流体),在生产井、注热井和排砂井内部进行热循环,热流体经生产井、注热井和排砂井上的开孔向外扩散,通过持续热循环,在包括生产水平段、注热水平段和排砂水平段上开孔位置相应的同一竖直区域内形成上下联通的热腔体;
2)在形成上下联通的热腔体后,停止向生产井和排砂井注入热流体,继续向注热井注入热流体以溶解天然气水合物,溶解后的天然气经生产井产出,而天然气水合物溶解后产生的水和砂粒由排砂井排出;通过控制注热井中注入热流体的温度及压力来控制生产井中产出物的流量。
与现有技术相比,本发明通过在靠近下覆岩层处增设排砂井,结合隔热管组及开孔的设置,通过热循环,在三口井水平段上开孔位置相应的同一竖直区域内形成上下联通的热腔体,实现为天然气水合物分解提供所需热量的同时,通过排砂井排出天然气水合物溶解产生的水及砂粒,有效避免井筒的堵塞,同时预留隔热管组上下的天然气水合物作为支撑体,防止储层垮塌造成天然气泄露。
附图说明
图1为本发明所述用于开采天然气水合物的三水平井井组结构的一种实施方式。
图2为图1所述实施方式的剖面示意图。
图中标号为:
1排砂井;101排砂竖直段;102排砂水平段;2注热井;201注热竖直段;202注热水平段;3生产井;301生产竖直段;302生产水平段;4上覆岩层;5天然气水合物储层;6下覆岩层;7隔热管;8热腔体;9开孔。
具体实施方式
本发明所述的用于开采天然气水合物的三水平井井组结构,包括延伸至天然气水合物储层5的生产井3、注热井2和排砂井1,所述的生产井3、注热井2和排砂井1均包括竖直段和位于天然气水合物储层5中的水平段,其中生产水平段302靠近上覆岩层4,排砂水平段102靠近下覆岩层6,注热水平段202位于生产水平段302和排砂水平段102之间;
所述生产水平段302、注热水平段202以及排砂水平段102的井壁上沿长度方向均匀间隔的设置有若干隔热管组,各个隔热管组由一根设置于生产水平段302上的隔热管7、一根设置于注热水平段202上的隔热管7以及一根设置于排砂水平段102上的隔热管组成,同一隔热管组中的隔热管7上下对齐;
在生产水平段302、注热水平段202以及排砂水平段102的井壁上未设置隔热管7的部分设置有开孔9。
上述三水平井井组结构中,生产井3、注热井2和排砂井1的布置,各井井壁上隔热管7及开孔9的设置、以及完井作业等均采用现有常规技术完成。
上述三水平井井组结构中,相邻两个隔热管组之间的距离根据需要进行确定,优选设定为10~30米。优选各隔热管7的长度相等。进一步优选在隔热管7包裹绝热材料,隔绝各井井筒与天然气水合物储层5之间热交换,实现隔热管7上下对应部分的天然气水合物不开采,以用于支撑天然气水合物储层5,从而维护天然气水合物储层5的稳定性。
所述同一隔热管组中的隔热管7上下对齐是指,同一隔热管组中的生产水平段302上的隔热管7、注热水平段202上的隔热管7以及排砂水平段102上的隔热管7三者的起始端对齐或者是三者的起始端所在竖直平面的最大距离的绝对值小于或等于2米。
上述三水平井井组结构中,所述开孔9在生产水平段302、注热水平段202或排砂水平段102的井壁上沿井壁长度方向上间隔分布,同时沿井壁周向均匀分布。对于开孔9的形状,可以是圆形、椭圆形、矩形或正方形等规则的形状,也可以是不规则的异形。进一步的,所述开孔9的口径优选为天然气水合物储层5中最大砂粒半径的2倍以上。更进一步的,为了更有利于在三口井水平段上开孔9位置相应的同一竖直区域内形成上下联通的热腔体8,处于同一块竖直区域内的生产水平段302上的首个开孔9、注热水平段202上的首个开孔9以及排砂水平段102上的首个开孔9三者的起始端对齐或者是三者的起始端所在竖直平面的最大距离的绝对值小于或等于2米。
本发明所述的利用上述三水平井井组结构开采天然气水合物的方法,包括以下步骤:
1)分别向生产井3、注热井2和排砂井1注入热流体,在生产井3、注热井2和排砂井1内部进行热循环,热流体经生产井3、注热井2和排砂井1上的开孔9向外扩散,通过持续热循环,在包括生产水平段302、注热水平段202和排砂水平段102上开孔9位置相应的同一竖直区域内形成上下联通的热腔体8;
2)在形成上下联通的热腔体8后,停止向生产井3和排砂井1注入热流体,继续向注热井2注入热流体以溶解天然气水合物,溶解后的天然气经生产井3产出,而天然气水合物溶解后产生的水和砂粒则由排砂井1排出;通过控制注热井2中注入热流体的温度及压力来控制生产井3中产出物的流量。
上述方法中,首先结合地质资料,选择储层厚度、储存特征等相关参数均符合要求的天然气水合物储层5作为目标储藏;然后在目标储藏上采用现有常规技术完成井组结构的布置及完井作业。
上述方法中,所述的热流体可以是热水、热盐水等现有技术中通常使用的热流体。
上述方法中,同时在生产井3、注热井2和排砂井1中进行热循环,当三口井同时发生压力联动(其中一口井发生压力变化,另外两口井随之变化即为发生压力联动)时,即认为形成上下联通的热腔体8。在包括生产水平段302、注热水平段202和排砂水平段102上开孔9位置相应的同一竖直区域内,是指,在生产水平段302上开孔9位置的正下方和正下方、注热水平段202上开孔9位置的正下方和正下方,以及排砂水平段102上开孔9位置的正下方和正下方连接在一起形成的具有一定横向距离和一定纵向距离的空间。
上述方法中,在形成上下联通的热腔体8后,控制排砂井1与注热井2的流量比大于或等于1,防止排砂井1出气(在形成上下联通的热腔体8后,生产井3和排砂井1停止注入热流体,注热井2继续注入热流体,为防止热流体在储层内聚集吸收热量,避免能量浪费,应通过排砂井1将放热冷却后的热流体排出)。
上述方法中,在形成上下联通的热腔体8后,通过控制向注热井2中注入热流体的温度及压力,还可以控制天然气水合物开采后热腔体8的体积及形状。
上述方法中,在形成上下联通的热腔体8后,排砂井1的产出物(包括冷凝水、天然气水合物溶解水、储层中砂粒等)的温度优选是不超过40℃且不低于0℃,通过控制向注热井2中注入的热流体的温度及压力来调节。
上述方法中,当排砂井1中产出天然气或者蒸汽时,通过停止向注热井2中注入热流体,或者是降低向注热井2中注入热流体的温度及压力,保持注入热流体与产出液体的温度差控制在要求的范围之内,预防排砂井1产出天然气或者蒸汽。
为了更好的解释本发明的技术方案,下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
图1为本发明所述用于开采天然气水合物的三水平井井组结构一种实施方式。图1中,用于开采天然气水合物的三水平井井组结构包括生产井3、注热井2和排砂井1,所述的生产井3包括生产竖直段301和生产水平段302,注热井2包括注热竖直段201和注热水平段202,排砂井1包括排砂竖直段101和排砂水平段102,所述生产水平段302、注热水平段202和排砂水平段102均位于天然气水合物储层5中,其中生产水平段302靠近上覆岩层4,排砂水平段102靠近下覆岩层6,注热水平段202的下入深度位于生产水平段302和排砂水平段102的下入深度之间(如图2所示);所述生产水平段302、注热水平段202以及排砂水平段102的井壁上沿长度方向均匀间隔的设置有多个隔热管组,各个隔热管组由一根设置于生产水平段302上的隔热管7、一根设置于注热水平段202上的隔热管7以及一根设置于排砂水平段102上的隔热管组成,各隔热管7的长度相等,各隔热管7上均包裹绝热材料,同一隔热管组中各隔热管7的起始端对齐;在生产水平段302、注热水平段202以及排砂水平段102的井壁上未设置隔热管7的部分设置有开孔9,这些开孔9呈矩形,它们在生产水平段302、注热水平段202或排砂水平段102的井壁上沿井壁长度方向上间隔分布,同时沿井壁周向均匀分布;处于同一块竖直区域内的生产水平段302上的首个开孔9、注热水平段202上的首个开孔9以及排砂水平段102上的首个开孔9三者的起始端所在竖直平面的最大距离的绝对值小于或等于2米。
利用上述三水平井井组结构开采天然气水合物的方法,包括以下步骤:
1)在完成井组结构的布置及完井作业后,分别向生产井3、注热井2和排砂井1注入热流体,在生产井3、注热井2和排砂井1内部进行热循环,热流体经生产井3、注热井2和排砂井1上的开孔9向外扩散,在排砂水平段102、注热水平段202和生产水平段302上开孔9的附近形成热腔体8;通过持续热循环,在包括生产水平段302、注热水平段202和排砂水平段102上开孔9位置相应的同一竖直区域内形成上下联通的热腔体8;
2)在形成上下联通的热腔体8后,停止向生产井3和排砂井1注入热流体,继续向注热井2注入热流体以溶解天然气水合物,溶解天然气水合物,溶解后的天然气通过生产井3上的开孔9进入生产井3并由生产井3进行采出,而天然气水合物溶解后产生的水和砂粒在重力及压力的作用下经排砂井1上的开孔9进入排砂井1并由排砂井1排出。
整个开采过程中,通过控制注热井2中注入热流体的温度及压力,控制生产井3中产出物的流量、天然气水合物开采后热腔体8的体积及形状。开采过程中,当排砂井1中产出天然气或者蒸汽时,通过停止向注热井2中注入热流体,或者是降低向注热井2中注入热流体的温度及压力,保持注入热流体与产出液体的温度差控制在要求的范围之内,预防排砂井1产出天然气或者蒸汽。在开采过程中,排砂井1的产出物(包括冷凝水、天然气水合物溶解水、储层中砂粒等)的温度优选是不超过40℃且不低于0℃,通过控制向注热井2中注入的热流体的温度及压力来调节。
Claims (4)
1.一种用于开采天然气水合物的三水平井井组结构,其特征是,包括延伸至天然气水合物储层(5)的生产井(3)、注热井(2)和排砂井(1),所述的生产井(3)、注热井(2)和排砂井(1)均包括竖直段和位于天然气水合物储层(5)中的水平段,其中生产水平段(302)靠近上覆岩层(4),排砂水平段(102)靠近下覆岩层(6),注热水平段(202)位于生产水平段(302)和排砂水平段(102)之间;
所述生产水平段(302)、注热水平段(202)以及排砂水平段(102)的井壁上沿长度方向均匀间隔的设置有若干隔热管组,各个隔热管组由一根设置于生产水平段(302)上的隔热管(7)、一根设置于注热水平段(202)上的隔热管(7)以及一根设置于排砂水平段(102)上的隔热管(7)组成,同一隔热管组中的隔热管(7)上下对齐;
在生产水平段(302)、注热水平段(202)以及排砂水平段(102)的井壁上未设置隔热管(7)的部分设置有开孔(9)。
2.根据权利要求1所述的用于开采天然气水合物的三水平井井组结构,其特征是,所述开孔(9)在生产水平段(302)、注热水平段(202)或排砂水平段(102)的井壁上沿井壁长度方向上间隔分布,同时沿井壁周向均匀分布。
3.根据权利要求1或2所述的用于开采天然气水合物的三水平井井组结构,其特征是,所述开孔(9)的口径为天然气水合物储层(5)中最大砂粒半径的2倍以上。
4.利用权利要求1~3中任一项所述三水平井井组结构开采天然气水合物的方法,包括以下步骤:
1)分别向生产井(3)、注热井(2)和排砂井(1)注入热流体,在生产井(3)、注热井(2)和排砂井(1)内部进行热循环,热流体经生产井(3)、注热井(2)和排砂井(1)上的开孔(9)向外扩散,通过持续热循环,在包括生产水平段(302)、注热水平段(202)和排砂水平段(102)上开孔(9)位置相应的同一竖直区域内形成上下联通的热腔体(8);
2)在形成上下联通的热腔体(8)后,停止向生产井(3)和排砂井(1)注入热流体,继续向注热井(2)注入热流体以溶解天然气水合物,溶解后的天然气经生产井(3)产出,而天然气水合物溶解后产生的水和砂粒由排砂井(1)排出;通过控制注热井(2)中注入热流体的温度及压力来控制生产井(3)中产出物的流量。
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2023
- 2023-06-12 CN CN202310690379.2A patent/CN116733437A/zh active Pending
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