CN117141987A - 一种利用枯竭致密油气藏储氢的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用枯竭致密油气藏储氢的方法，包括以下步骤：采用油气开采完成后的枯竭致密油气藏岩层作为储氢库，通过油气开采时原有的水平压裂井向储氢库中持续注入氢气，当达到预期的注入量之后，停止注入氢气；当需要使用氢气时，打开所述水平压裂井开始采出氢气；所述原有的水平压裂井的水平井段上实施过压裂，形成裂缝控制的体积压裂改造区和非体积压裂改造区，氢气经水平井眼进入压裂裂缝，并渗流扩散进入储层，体积压裂改造区为主要氢气储集区，非体积压裂改造区为油气富集区，能够作为密封储氢空间的天然屏障。本发明可充分利用已有的勘探开发信息以及油气井井身结构，实现油气投资再利用，大幅度降低储氢成本。
Description
技术领域
本发明涉及利用地下储层储存和释放氢气的技术领域，特别是涉及一种利用枯竭致密油气藏储氢的方法。
背景技术
氢能技术是支持全球能源转型的重要组成部分，氢气是一类清洁且质量能量密度高的能源载体，当前及未来相当长时期内对氢气的需求预期增长迅速。
安全高效的储氢技术是降低氢能产业链成本的重要一环，当前主流的技术包括高压气态储氢、低温液态储氢、有机液态储氢和固体材料储氢。高压气态储氢技术成熟、结构简单，但储氢密度低、安全性较差；低温液态储氢方式储氢密度大、安全性好，但液化氢过程能耗大、储氢容器要求高；有机液态储氢纯度高、储氢密度大，但液体吸收剂成本高、运行过程能耗大、操作空间苛刻；固体材料储氢易携带、安全性好，但单位质量储氢密度低、充放氢效率低。运行成本高和储释氢体积小是以上技术的共同不足。随着氢能工业的快速发展，氢产量的大幅增长，追求经济、安全的大规模储释氢成为必然，发展高效氢气储气库具有重要意义。
地下储氢是实现大规模、可持续储氢的重要路径，除成本低和储氢体积大之外，占地面积小和安全性高也是主要优点，包括利用盐穴、矿井、地下咸水层和常规枯竭油气藏储氢等。盐穴储氢技术相对成熟，盐岩与氢反应性低且具有很好的密封性；矿井储氢可充分利用废弃地下空间；盐穴和矿井的地理分布相对受限，顶底层和围岩的密封性是评价是否适合高压储释氢的关键。地下咸水层分布广泛，可以满足地下储氢的地理位置需求，但通常对地层的信息掌握不足，投入勘探钻井成本高。衰竭油气藏利用多孔性储层岩石储氢，地理分布相对广泛。油气藏储氢可充分利用已获得的精确的储层地质和物探信息，以及已有的油气井进行储释氢操作，能够节省大量投资。深度较浅的地下储层，如咸水层和衰竭气藏中，存在潜在的微生物主导的甲烷化作用，会降低储存氢的纯度。
当前，全球范围内正在大规模开发非常规油气藏，特别是渗透率接近或低于0.1mD的致密砂岩、致密砂泥岩、致密碳酸盐岩、致密火山岩，及混合致密岩石储层等油气藏。例如美国的鹰潭、巴肯和二叠纪致密油气盆地，中国的鄂尔多斯和四川盆地致密气产区。此类油气藏的开发多数需要结合水平井钻井和多级压裂技术，投入成本高昂。致密油气藏产量递降速度快，产量降到经济下限后面临弃井处理，巨额投入的油气井即告报废。尽管二氧化碳埋存是继续利用油气井的方案之一，但鉴于其目的是长期地质封存而非循环利用，无法充分利用油气钻探开发的投入资本。
氢气泄漏和爆炸等安全风险低，环保性好，且地表条件变化对储层密封性和稳定性影响弱，可持续性强，可以长期反复储释氢等是地质储氢的优点。
申请公布号为CN108529124A的中国发明专利公开一种利用地下盐岩溶腔大规模储藏氢气的方法，该方法使用地下盐穴储存氢气，但密封性好的盐穴地理分布范围有限，盐穴的体积相对较小。申请公布号为CN111439520A的中国发明专利公开一种利用海上风电制氢的地下油气藏储氢系统及调控计算方法，虽然也是用于储氢，但其为海上且具有明显的圈闭构造的常规油气藏，对陆地及非常规油气藏不适用。申请公布号为CN114059083A的中国发明专利公开一种利用太阳能和废弃油气藏的地下制储氢系统及方法，该方法是将制氢装置设置在油气藏中，利用太阳能发电电解水制氢，然后将氢气储存在废弃油气藏中，将氧气释放到地表。然而其所采用常规废弃油气藏具备高孔隙度和高渗透性特点，而且通常有较多的注采井，且周缘地质构造不确定性大，氢气泄漏风险高。申请公布号为CN115573694A的中国发明专利公开一种咸水层储氢库注采系统及方法，该系统及方法是用地下咸水层作为氢气储存空间，并设计了一口注气井和一口采气井，注气井位于咸水层底部而采气井位于顶部。其需要投入大量资金、物力和人力勘探储层地质构造信息，并需要进行钻井。可见，现有的地下储氢方式仍难以满足日益增长的氢能源发展需求。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出一种利用枯竭致密油气藏储氢的方法。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种利用枯竭致密油气藏储氢的方法，包括以下步骤：采用油气开采完成后的枯竭致密油气藏岩层作为储氢库，通过油气开采时原有的水平压裂井向储氢库中持续注入氢气，当达到预期的注入量之后，停止注入氢气；
当需要使用氢气时，打开所述水平压裂井开始采出氢气；
所述原有的水平压裂井包括原始直井段和原始水平井段，在原始水平井段上有压裂裂缝，形成了裂缝控制的体积压裂改造区和非体积压裂改造区，氢气经原始直井段进入原始水平井段，随后进入压裂裂缝，并进行渗流扩散进入储层，以体积压裂改造区为主要氢气储集区，非体积压裂改造区为油气富集区，能够作为密封储氢空间的天然屏障。
优选的，所述枯竭致密油气藏岩层为枯竭致密砂岩油气藏或枯竭致密碳酸盐岩油气藏。
优选的，将注入氢气与采出氢气时的工作压力保持在10-70MPa。
优选的，当井底压力降低至5MPa以下，即能够判断油气枯竭，停止油气开采；此时，转换为注入并储存氢气。
优选的，所述枯竭致密油气藏岩层作为储氢库在注入氢气之前，先向水平压裂井内注入垫层气，垫层气能够填充采空孔隙体积并少量溶入残余油相。
优选的，注入垫层气结束后，进行焖井操作，以让垫层气充分扩散至微裂缝和基质孔隙中，使近井地带注气导致的压力升高与地层压力达到平衡；此时枯竭致密油气藏压力被提升到储释氢工作压力水平。
优选的，所述垫层气采用氢气、氮气或甲烷。
优选的，在持续注入氢气的过程中，实时监测并控制注入压力，使井底流压不高于储层破裂压力。
优选的，在原始直井段的末端钻取新水平井段，新水平井段与原始水平井段处于不同的产层空间剖面，形成水平或立体井网，在新水平井段上也实施压裂改造形成裂缝，增大储释氢规模。
优选的，在原有的水平压裂井相邻处钻取新的水平压裂井，原有的水平压裂井和新的水平压裂井的体积压裂改造区交叉叠合，储层中的压裂改造体积对氢的储存容量可望成倍增大。
本发明的有益技术效果是：
(1)本发明提出一种利用枯竭致密油气藏储释氢的方法，该方法可充分利用已有的勘探开发信息以及油气井井身结构，实现油气投资再利用，大幅度降低储氢成本。
(2)本发明将枯竭致密油气藏岩层作为储氢库，枯竭致密油气藏的水平压裂井形成的体积压裂改造区为主要氢气储集区，而非体积压裂改造区为油气富集区，是密封储氢空间的天然屏障；该地下空间结构可以降低氢气泄漏风险并维持较高的采出氢气纯度。
(3)致密油气藏地质层系的空间展布通常较常规油气藏的圈闭构造更为广大，基于地质、物探和开发工程信息选择层系完整性较好的区块储释氢可以保证很高的稳定性。
(4)本发明在向枯竭致密油气藏中注入氢气之前，先向水平压裂井内注入一定体积的垫层气，垫层气可以填充采空孔隙体积并少量溶入残余油相，维持较高的储释氢工作压力，有利于保持较高的采出氢气速度和纯度。本发明还在注入垫层气后，焖井一段时间，以让垫层气充分扩散至微裂缝和基质孔隙中，使近井地带注气导致的压力升高与地层压力达到基本平衡。
(5)本发明还在原始直井段的末端钻取新水平井段，新水平井段与原始水平井段处于不同的竖向地层剖面，以增大储释氢规模。本发明还可在原有的水平压裂井相邻处钻取新的水平压裂井，原有的水平压裂井和新的水平压裂井的体积压裂改造区交叉叠合，使得储层中的压裂改造体积对氢的储存容量成倍增大。
(6)本发明可以补充现有地面和地下储氢技术的不足，能够有效促进氢气产业链的发展。
附图说明
图1为枯竭致密砂岩气藏储氢库地层剖面原理示意图；
图2为枯竭碳酸盐岩油藏储氢库地层剖面原理示意图；
图3为枯竭致密油气藏新增分支井组储氢的地层剖面示意图；
图4为利用枯竭致密油气藏两口临近水平压裂井储氢的剖面示意图。
图1中：1为水平井，2为压裂裂缝，3为体积压裂改造区—氢气富集区，4为非体积压裂改造区—甲烷富集区，5指示氢气的扩散和甲烷的侵入；
图2中：1为水平井，2为压裂裂缝，3为体积压裂改造区—氢气富集区，4为非体积压裂改造区—残余油富集区，5指示氢气的扩散和残余油的侵入；
图3中：1为水平井组的多分支井，2为压裂裂缝，3为体积压裂改造区—氢气富集区，4为非体积压裂改造区—残余油气富集区，5指示氢气的扩散和残余油气的侵入。
具体实施方式
目前已有的地下储氢方式中，盐穴储氢受地理分布限制较大、咸水层储氢勘探和工程成本较高，矿井储氢规模小投入高，枯竭油气藏储释氢主要是利用枯竭的常规油气藏，疏松多孔，密封性和稳定性差。非常规油气藏中的致密油气藏地理分布相对盐穴广泛，成本相对咸水层较低，规模比矿井大，密封性和稳定性比常规油气藏更好。
本发明公开一种利用枯竭致密油气藏储氢的方法，包括以下步骤：采用油气开采完成后的枯竭致密油气藏岩层作为储氢库，通过油气开采时原有的水平压裂井向储氢库中持续注入氢气，当达到预期的注入量之后，停止注入氢气；当需要使用氢气时，打开所述水平压裂井开始采出氢气；所述原有的水平压裂井的水平井段上实施过压裂，形成裂缝控制的体积压裂改造区和非体积压裂改造区，氢气经水平井眼进入压裂裂缝，并渗流扩散进入储层，体积压裂改造区为主要氢气储集区，非体积压裂改造区为油气富集区，能够作为密封储氢空间的天然屏障。本发明可充分利用已有的勘探开发信息以及油气井井身结构，实现油气投资再利用，大幅度降低储氢成本。
本发明提出的利用枯竭致密油气藏储氢中的致密油气储层本身具有较大的空间展布和超低渗透率的特征，在油气开采中对水平井压裂改造所形成的压裂改造体积的导流能力和储存能力显著提高，能够满足快速储释氢的工程需求。盖层及周围超低渗透率的未改造储层可以对改造体积起到很好的密封作用，抑制氢气向非体积压裂改造区扩散和油气烃类向压裂改造体积内扩散。除使用单井外，该发明可以同时利用多口水平井，以及水平井组和分支井等储层控制体积更大的井型来增大储释氢的规模和注采速度，满足实际需求。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种枯竭致密砂岩气藏储释氢的方法，如图1所示，枯竭致密砂岩气藏储释氢方法所涉及的系统在地下包括一口水平井、多段人工压裂裂缝、人工裂缝控制的体积压裂改造区、非体积压裂改造区。裂缝内及附近氢浓度很高，为氢气富集区，远离裂缝的非体积压裂改造区致密砂岩基质中甲烷浓度相对较高，为甲烷富集区。在致密砂岩基质孔隙中甲烷和氢气以自由态为主，吸附态较少。
在本实施例中，深度不超过3000米的水平压裂井原本用于开采致密砂岩气藏储层中的天然气，现在用作向压裂改造体积中注入和采出氢。气藏水平压裂井在日产量降低到1000方每天后(井底压力通常降至5MPa以下)，继续运行的产出收益不足以支付运行成本，认为该单井控制的致密砂岩储层压裂改造体积及其周围的天然气基本枯竭，面临封堵弃井的结局。当前氢能产业的发展需要大规模储氢空间，可利用已有的水平井向致密砂岩储层压裂改造体积中注入并存储氢，在需要的时候开井生产采出。
在本实施例中，氢气在枯竭致密砂岩气藏中优先储存于体积压裂改造区，由于氢气密度与分子量均很小，且扩散系数高于甲烷，氢会逐渐从体积压裂改造区扩散至非体积压裂改造区，与非体积压裂改造区孔隙中的甲烷形成二元气体混合物。当采出氢时，体积压裂改造区中的氢气优先采出，非体积压裂改造区的气体混合物向体积压裂改造区运移，甲烷随之侵入。但由于非体积压裂改造区的孔隙度和渗透率很低，在较高的储氢库运行压力范围内，例如10MPa到30MPa，甲烷向体积压裂改造中的运移受到抑制，因此采出的氢气能够保持较高的纯度。以上过程形成了氢气注入地下致密砂岩储层以及从中采出的动态传输过程。
在本实施例中，提高水平压裂井工作压力可以提高压裂改造体积中氢的储存容量，抑制采氢过程中甲烷的产出，因此枯竭致密砂岩气藏储释氢的工作压力应保持在合理的较高水平上，优选10MPa到30MPa。
实施例2
本实施例提供一种枯竭致密碳酸盐岩油藏储释氢的方法，如图2所示，主要包括以下步骤：
a.致密碳酸盐岩油藏采用水平井钻井和多级分段压裂技术进行开采，当储层泄油空间内的油气资源开采至当前技术经济条件下极限日产量时，如0.5吨每天，停止油气开采。此时，储层改造体积即体积压裂改造区内的大部分轻质油气组分被采出，储层压力降至较低水平，如3MPa；较重的烃类，如戊烷及以上组分，为残余油的主要组分。
b.向该水平压裂井内注入一定体积的垫层气，垫层气有限选择氢气、氮气、甲烷等；垫层气可以填充采空孔隙体积并少量溶入残余油相。
c.注入垫层气结束后，焖井一段时间让垫层气充分扩散至微裂缝和基质孔隙中，使近井地带注气导致的压力升高与地层压力达到基本平衡。此时枯竭致密碳酸盐岩油藏压力被提升到储释氢工作压力水平，如10MPa。
d.通过水平压裂井向致密碳酸盐岩油藏持续注入工作气体氢气，注入过程中应当实时监测控制注入压力，使井底流压不高于储层破裂压力。当达到预期的注入量之后，停止注入氢气。较重的残余油在基质孔隙内相对氢气为润湿相，通过毛管力作用能够有效阻碍氢气在储层中向周边渗流；已经溶解在残余油中的垫层气，如氢气，能够大幅降低氢气的继续溶解和扩散。
e.当需要使用氢气时，打开该水平压裂井开始采出氢气。少量较轻烃类气体会随氢气采出，鉴于氢气再利用的方式不同，可以采用气体分离技术分离提纯得到高纯度氢气，也可以直接将含少量烃类的氢气直接燃烧发电。
f.对同一口水平压裂井进行反复注-采氢气循环，形成致密碳酸盐岩油藏水平压裂井储释氢方法。
实施例3
使用枯竭致密油气藏的多分支水平压裂井或多口水平压裂井来增大储释氢规模的方法，分别如图3和图4所示。
该致密油气藏前期利用多分支水平压裂井或多口水平压裂井开采油气资源，图3展示了一个直井段分支成两个水平井段的地层剖面结构，图4展示了两口临近的水平压裂井的地层剖面结构。与实施例1和实施例2类似，水平井段连接多级人工压裂裂缝，构成了人工裂缝控制的体积压裂改造区以及外围的非体积压裂改造区。储释氢过程中裂缝内及附近氢浓度很高，为氢气富集区，远离裂缝的非改造区致密岩石基质中油气烃类浓度相对较高，为油气烃类富集区。
在本实施例中，水平压裂分支井和多口井的井组原本用于增大与致密储层的接触面积以高效开采其中的油气资源，现在用作向压裂改造体积中注入和采出氢。油气藏水平压裂井在日产量降低到技术经济极限以下之后(井底压力通常降至5MPa以下)，收益与运行成本入不敷出，认为该井控制的致密储层压裂改造体积及其周围的可采油气所剩无几，面临封堵弃井。
在本实施例中，氢气在枯竭致密油气藏中优先储存于体积压裂改造区，由于油气井有两条水平井段及分别控制的体积压裂改造区，因此较实施例1和实施例2可以大幅度提高储存氢气的体积。例如，在水平段长度、压裂级数和储层物性相近的情况下，储氢体积可望翻番。当采出氢时，两条水平井段对应的压裂改造体积中的气体可以同步采出，加大释放氢的速度满足更高的地面使用要求。
在本实施例中，如图4，两口乃至多口水平压裂井的体积压裂改造区可以彼此交叉叠合，在这种情况下，储层中的压裂改造体积对氢的储存容量成倍增大。在开采过程中，可以使用一口或多口井同步产出连通的压裂改造体积中储存的氢，增大枯竭致密油气藏储释氢的工作规模。
本发明采用具体个例对利用衰竭致密油气藏储释氢方法的原理及实施方式进行了阐述，但以上实施例仅用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。同时，本发明的思想可供本领域的一般技术人员在具体实施方式及应用范围上进行改变。因此，本说明书内容不应被视为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种利用枯竭致密油气藏储氢的方法，其特征在于包括以下步骤：采用油气开采完成后的枯竭致密油气藏岩层作为储氢库，通过油气开采时原有的水平压裂井向储氢库中持续注入氢气，当达到预期的注入量之后，停止注入氢气；
当需要使用氢气时，打开所述水平压裂井开始采出氢气；
所述原有的水平压裂井包括原始直井段和原始水平井段，在原始水平井段上有压裂裂缝，形成了裂缝控制的体积压裂改造区和非体积压裂改造区，氢气经原始直井段进入原始水平井段，随后进入压裂裂缝，并进行渗流扩散进入储层，以体积压裂改造区为主要氢气储集区，非体积压裂改造区为油气富集区，能够作为密封储氢空间的天然屏障。
2.根据权利要求1所述的一种利用枯竭致密油气藏储氢的方法，其特征在于：所述枯竭致密油气藏岩层为枯竭致密砂岩油气藏或枯竭致密碳酸盐岩油气藏。
3.根据权利要求1所述的一种利用枯竭致密油气藏储氢的方法，其特征在于：将注入氢气与采出氢气时的工作压力保持在10-70MPa。
4.根据权利要求1所述的一种利用枯竭致密油气藏储氢的方法，其特征在于：当井底压力降低至5MPa以下，即能够判断油气枯竭，停止油气开采；此时，转换为注入并储存氢气。
5.根据权利要求1所述的一种利用枯竭致密油气藏储氢的方法，其特征在于：所述枯竭致密油气藏岩层作为储氢库在注入氢气之前，先向水平压裂井内注入垫层气，垫层气能够填充采空孔隙体积并少量溶入残余油相。
6.根据权利要求5所述的一种利用枯竭致密油气藏储氢的方法，其特征在于：注入垫层气结束后，进行焖井操作，以让垫层气充分扩散至微裂缝和基质孔隙中，使近井地带注气导致的压力升高与地层压力达到平衡；此时枯竭致密油气藏压力被提升到储释氢工作压力水平。
7.根据权利要求5所述的一种利用枯竭致密油气藏储氢的方法，其特征在于：所述垫层气采用氢气、氮气或甲烷。
8.根据权利要求1所述的一种利用枯竭致密油气藏储氢的方法，其特征在于：在持续注入氢气的过程中，实时监测并控制注入压力，使井底流压不高于储层破裂压力。
9.根据权利要求1所述的一种利用枯竭致密油气藏储氢的方法，其特征在于：在原始直井段的末端钻取新水平井段，新水平井段与原始水平井段处于不同的产层空间剖面，形成水平或立体井网，在新水平井段上也实施压裂改造形成裂缝，增大储释氢规模。
10.根据权利要求1所述的一种利用枯竭致密油气藏储氢的方法，其特征在于：在原有的水平压裂井相邻处钻取新的水平压裂井，原有的水平压裂井和新的水平压裂井的体积压裂改造区交叉叠合，储层中的压裂改造体积对氢的储存容量成倍增大。
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