CN105464634A - 一种利用埋存二氧化碳开采甲烷水合物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用埋存二氧化碳开采甲烷水合物的方法，包括如下步骤：选择海床下适宜深度的甲烷水合物土层，再根据地质信息架设由海洋平台连通至甲烷水合物土层的二氧化碳注入井；向二氧化碳注入井内注入液态二氧化碳，液态二氧化碳在甲烷水合物土层内扩散和渗流后，与甲烷水合物产生置换而产生甲烷气体；根据二氧化碳与甲烷水合物的置换效率，确定开采时间，然后在二氧化碳注入井的置换范围内架设通向甲烷水合物土层的甲烷开采井，实现甲烷气体的开采。本发明将二氧化碳注入埋存后，二氧化碳在渗流过程中会置换这些区域的甲烷水合物，这个过程中地层的力学特性变化小，可避免甲烷水合物抽气开采引起的地质灾害，同时降低温室气体。

Description

一种利用埋存二氧化碳开采甲烷水合物的方法

技术领域

本发明涉及深海资源开采领域，特别是涉及一种通过向海底甲烷水合物土层埋存二氧化碳以置换可开采的甲烷气体的方法。

背景技术

目前开采海下甲烷水合物土层中甲烷气体的油气井降压开采方式和加热开采方式，经美国、日本和加拿大等国际甲烷水合物试验性开采证实其效率既不能满足商业化开采需求，又会引起对人类不利的地质与环境效应。因此，需要提出新的甲烷水合物的经济、安全开采技术，为甲烷水合物的商业化利用提供技术储备。

发明内容

本发明的目的是要提供一种开采海床下水合物层中甲烷气体的方法，以避免直接开采方式对地质造成破坏。

特别地，本发明提供一种利用埋存二氧化碳开采甲烷水合物的方法，包括如下步骤：

步骤101，选择海床下适宜深度的甲烷水合物土层，再根据地质信息架设由海洋平台连通至甲烷水合物土层的二氧化碳注入井；

步骤102，向二氧化碳注入井内注入液态二氧化碳，液态二氧化碳在甲烷水合物土层内扩散和渗流后，与甲烷水合物产生置换而产生甲烷气体；

步骤103，根据二氧化碳与甲烷水合物的置换效率，确定开采时间，然后在二氧化碳注入井的置换范围内架设通向甲烷水合物土层的甲烷开采井，实现甲烷气体的开采。

进一步地，在所述二氧化碳注入井的底端设置沿水平方向延伸的水平井。

进一步地，所述水平井位于所述甲烷水合物土层的底部，且在井身上设置有多个方便二氧化碳向外部扩散和渗流的贯穿孔。

进一步地，所述甲烷水合物土层处的海水深度至少大于800米。

进一步地，所述地质信息包括所述甲烷水合物土层的甲烷水合物含量、渗透率、含水率、孔隙度、力学刚度与强度、孔隙液体压力与温度参数。

进一步地，在架设所述二氧化碳注入井时，根据所述地质信息确定二氧化碳注入速度、注入时间、注入压力和注入温度。

进一步地，二氧化碳的注入量Q采用下式确定：

Q＝π·x²·L/2

其中，L为水平井的长度，x为二氧化碳注入井的长度。

进一步地，所述二氧化碳注入井的长度x采用下式确定：

$x=\sqrt{\frac{k_e}{{\mathrm{\φ}}_e{\mathrm{\μc}}_t}t}$

其中，k_e为甲烷水合物土层渗透率、φ_e为甲烷水合物土层孔隙度、μ为二氧化碳粘度系数、c_t为地层可压缩系数，t为二氧化碳注入时间。

进一步地，所述步骤103中，在开采甲烷气体过程中，需要根据二氧化碳与甲烷水合物的置换情况，确定二氧化碳在甲烷水合物土层的渗透率，进而调整二氧化碳的注入量，以平衡甲烷气体的开采速度和生成速度，二氧化碳在所述甲烷水合物土层的渗透率k_ec采用下式计算：

$k_{ec}=k_e{(1-\frac{{\mathrm{\ΔS}}_h}{1-S_h})}^N$

其中，k_e为甲烷水合物土层渗透率，ΔS_h为水合物饱和度的变化值，S_h为水合物饱和度，N为水合物土层渗透率随水合物饱和度增加的下降指数。

进一步地，所述甲烷水合物土层被二氧化碳置换后的有效孔隙率采用下式计算：

${\mathrm{\φ}}_{ec}={\mathrm{\φ}}_e(1-\frac{{\mathrm{\ΔS}}_h}{1-S_h})$

其中，φ_e为甲烷水合物土层孔隙度。

本发明将二氧化碳注入埋存后，通过几十年在水合物地层中渗流一定范围，二氧化碳在渗流过程中会置换这些区域的甲烷水合物，从而获得游离状态的甲烷气体，在积存几十年后即可直接进行甲烷气体开采，这个过程中地层的力学特性变化小，可避免甲烷水合物抽气开采引起的地质灾害，同时降低温室气体。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的方法流程示意图；

图2是根据本发明一个实施例的二氧化碳注入和开采示意图；

图中：10-海水层、20-上覆土层、30-水合物层、40-二氧化碳注入井、50-甲烷开采井、60-水平井、61-贯穿孔。

具体实施方式

如图1所示，本发明一个实施例公开一种利用埋存二氧化碳开采甲烷水合物的方法实施过程。在海水层10下面的土壤一般分为上层的上覆土层20，和下层的水合物层20，该水合物层会因为含不同矿物质而形成相应的水合物层，如甲烷水合物层。本实施例是采用置换的方式将甲烷水合物中的甲烷变成气体，再进行开采，从而减少对地质的损害。该方法一般包括如下步骤：

步骤101，选择海床下适宜深度的甲烷水合物土层，再根据地质信息架设由海洋平台连通至甲烷水合物土层的二氧化碳注入井；

在本实施例中，该甲烷水合物土层处的海水层10深度一般大于800米。在架设二氧化碳注入井40前，先根据地球物理勘探、地质钻探资料来获取当前甲烷水合物土层的甲烷水合物含量、渗透率、含水率、孔隙度、力学刚度与强度、孔隙液体压力与温度参数等地质信息。

为提高二氧化碳的置换效果，可以在二氧化碳注入井40的底端设置沿甲烷水合物层水平方向延伸的水平井60，水平井60用于垂直连接二氧化碳注入井40，以将注入的二氧化碳传递到更远的地方。水平井60的位置可以处于甲烷水合物层的最底部，以方便二氧化碳向上方扩散。进一步地，为加快二氧化碳的排放速度，可以在水平井60的井身上设置多个朝向不同方向的贯穿孔61。

其中，二氧化碳的注入量Q采用下式确定：

Q＝π·x²·L/2

式中，L为水平井60的长度，x为二氧化碳注入井40的长度。

二氧化碳注入井40的长度x采用下式确定：

$x=\sqrt{\frac{k_e}{{\mathrm{\φ}}_e{\mathrm{\μc}}_t}t}$

式中，k_e为甲烷水合物土层渗透率、φ_e为甲烷水合物土层孔隙度、μ为二氧化碳粘度系数、c_t为地层可压缩系数，t为二氧化碳注入时间。

在上述地质信息的基础上确定架设的二氧化碳注入井40的二氧化碳注入速度，注入时间长短，以及注入压力和注入温度等参数。

步骤102，向二氧化碳注入井内注入液态二氧化碳，液态二氧化碳在甲烷水合物土层内扩散和渗流后，与甲烷水合物产生置换而产生甲烷气体。

二氧化碳进入甲烷水合物土层后，会与甲烷水合物中的甲烷发生置换，从而生成二氧化碳水合物，同时，置换后的甲烷以游离气态而储存在地层孔隙中。

步骤103，根据二氧化碳与甲烷水合物的置换效率，确定开采时间，然后在二氧化碳注入井的置换范围内架设通向甲烷水合物土层的甲烷开采井，实现甲烷气体的开采。

本步骤中的置换效率，需要根据二氧化碳的渗透率和置换效率等信息确定，再根据置换效率确定甲烷水合物土层中的甲烷生成量是否达到可供开采的标准。甲烷开采井50可以架设在以二氧化碳注入井40或水平井60形成的渗透范围边，以从***收集被挤压的甲烷气体。可以根据地层监测信息显示的甲烷分布信息，架设多个分处不同位置处的甲烷开采井50。

此外，在本步骤中，还需要考虑，随着二氧化碳的逐步渗透和置换，甲烷水合物土层的渗透率和孔隙率也会发生变化，因此二氧化碳注入速度和甲烷的开采速度也需要进行相应的调整。

其中，二氧化碳在甲烷水合物土层的渗透率k_ec采用下式计算：

$k_{ec}=k_e{(1-\frac{{\mathrm{\ΔS}}_h}{1-S_h})}^N$

式中，ΔS_h为水合物饱和度的变化值，S_h为水合物饱和度，N为水合物土层渗透率随水合物饱和度增加的下降指数。

甲烷水合物土层被二氧化碳置换后的有效孔隙率采用下式计算：

${\mathrm{\φ}}_{ec}={\mathrm{\φ}}_e(1-\frac{{\mathrm{\ΔS}}_h}{1-S_h})$

式中，ΔS_h为水合物饱和度的变化值，S_h为水合物饱和度。

根据本发明的方法：水平井60长度1000m，注入二氧化碳时间为20年，甲烷水合物土层水合物饱和度为50％，有效渗透率10^-17m²为，有效孔隙度为20％，二氧化碳渗流前端距离井筒的长度约为160m，注入液态二氧化碳注入量约为8×10⁷m⁶。以20年为例，二氧化碳渗流到的甲烷水合物土层中，二氧化碳将水合物中的甲烷置换出来，并生成二氧化碳水合物，那么地层中水合物有两种，一是置换后剩余的甲烷水合物，二是二氧化碳生成的水合物。通过监测地层中甲烷浓度沿着地层深度的分布，确定游离甲烷的浓度，在浓度达到开采经济性的指标后，选择开采层位，采用二氧化碳驱的方法，开采游离甲烷气。

在本发明中，在同一个甲烷水合物土层区域可以根据地质信息同时打多个二氧化碳注入井40。此外，一个二氧化碳注入井40也可以同时连接朝向不同方向的多个水平井60。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种利用埋存二氧化碳开采甲烷水合物的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤101，选择海床下适宜深度的甲烷水合物土层，再根据地质信息架设由海洋平台连通至甲烷水合物土层的二氧化碳注入井；

步骤102，向二氧化碳注入井内注入液态二氧化碳，液态二氧化碳在甲烷水合物土层内扩散和渗流后，与甲烷水合物产生置换而产生甲烷气体；

步骤103，根据二氧化碳与甲烷水合物的置换效率，确定开采时间，然后在二氧化碳注入井的置换范围内架设通向甲烷水合物土层的甲烷开采井，实现甲烷气体的开采。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述二氧化碳注入井的底端设置沿水平方向延伸的水平井。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述水平井位于所述甲烷水合物土层的底部，且在井身上设置有多个方便二氧化碳向外部扩散和渗流的贯穿孔。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述甲烷水合物土层处的海水深度至少大于800米。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述地质信息包括所述甲烷水合物土层的甲烷水合物含量、渗透率、含水率、孔隙度、力学刚度与强度、孔隙液体压力与温度参数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

在架设所述二氧化碳注入井时，根据所述地质信息确定二氧化碳注入速度、注入时间、注入压力和注入温度。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

二氧化碳的注入量Q采用下式确定：

Q＝π·x²·L/2

其中，L为水平井的长度，x为二氧化碳注入井的长度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

所述二氧化碳注入井的长度x采用下式确定：

$x=\sqrt{\frac{k_e}{{\mathrm{\φ}}_e{\mathrm{\μc}}_t}t}$

其中，k_e为甲烷水合物土层渗透率、φ_e为甲烷水合物土层孔隙度、μ为二氧化碳粘度系数、c_t为地层可压缩系数，t为二氧化碳注入时间。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤103中，在开采甲烷气体过程中，需要根据二氧化碳与甲烷水合物的置换情况，确定二氧化碳在甲烷水合物土层的渗透率，进而调整二氧化碳的注入量，以平衡甲烷气体的开采速度和生成速度，二氧化碳在所述甲烷水合物土层的渗透率k_ec采用下式计算：

$k_{ec}=k_e{\left(1-\frac{{\mathrm{\ΔS}}_h}{1-S_h}\right)}^N$

其中，k_e为甲烷水合物土层渗透率，ΔS_h为水合物饱和度的变化值，S_h为水合物饱和度，N为水合物土层渗透率随水合物饱和度增加的下降指数。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述甲烷水合物土层被二氧化碳置换后的有效孔隙率采用下式计算：

${\mathrm{\φ}}_{ec}={\mathrm{\φ}}_e\left(1-\frac{{\mathrm{\ΔS}}_h}{1-S_h}\right)$

其中，φ_e为甲烷水合物土层孔隙度。