CN111411922A - 一种水平井压裂填充天然气水合物增效开采装备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于能源与环境领域，提出了一种水平井压裂填充天然气水合物增效开采装备及方法。该装备包括压力监测***、水平井压裂填充***、防砂***和自动控制反馈***。解决了天然气水合物开采过程中由于沉积物泥质低渗特性造成的压力传递困难问题，进而带来的水合物二次生成与结冰堵塞情况。同时利用压裂填充***，有效增大压力渗透范围，并通过支撑剂在压裂区域的固化，实现压裂区域及气体运移通道的稳定，显著强化水合物分解过程。在产气过程中通过防砂***，有效防止压裂过程细沙堵塞集气口，并在天然气水合物开采过程中利用压裂***对防砂***进行冲刷，解决了防砂***的易堵难题。该套装备及方法促进海洋天然气水合物安全、高效、规模化开采。
Description
技术领域
本发明属于能源与环境领域，涉及到一种天然气水合物资源的开采装置与方法
背景技术
随着我国经济的迅速发展，对能源的需求日益突出，对于国外的天然气，石油等能源依赖程度也在加大，国际能源市场由于政治军事的原因价格与运输量存在波动，对我国的经济发展造成了巨大的影响。因此，确保我国能源供应和能源安全，迫在眉睫。天然气水合物是一种储量巨大的清洁能源，我国南海资源储量达800亿吨油当量，实现其安全、高效开发是我国重大能源战略需求。天然气水合物是在低温、高压条件下由天然气和水生成的晶体化合物，可通过降压、注热、注剂等方法实现其分解，其中降压法是公认的最有发展前景且可行性较高的开采方法。然而，区别于传统石油、天然气资源开发，天然气水合物的开采过程伴随相态转化与剧烈的热、质传递，且天然气水合物矿藏具有泥质、低渗、弱胶结等特点，在开采过程中，经常面临压力渗透缓慢、储层失稳坍塌等问题，严重影响开采进程。因此，在深入了解储层特征与水合物分解特性的前提下，提出一种适用于海洋天然气水合物矿藏特征的储层增渗强化装备与方法至关重要。天然气水合物开采通常采用竖直井，该种布置存在的问题是压力传递距离短、分解区域小，不适用于厚度小、分布广的天然气水合物矿藏。压裂技术是通过借助高压液体实现致密岩层碎裂的技术手段，近年来在页岩气开发中广泛应用，但由于天然气水合物储层具有泥质、弱胶结、可运移等特点，该技术不能直接用于海洋天然气水合物储层。另外，由于海洋沉积物颗粒粒径较小，直径小于10微米颗粒可占比40％以上，造成水合物开采过程中细沙随产气、产水运移，造成井口堵塞，终止开采进程。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的瓶颈问题，提供了一种水平井压裂填充天然气水合物增效开采装备及方法。
本发明的技术方案如下：
一种水平井压裂填充天然气水合物增效开采装备，包括压力监测***、水平井压裂填充***、自动控制反馈***、防砂***；
所述压力监测***包括计算机与设置在水平管管壁外的压力传感器阵列，计算机用于接收、监控以及处理数据及信号；压力传感器阵列沿水平井轴向布置，用于检测压力传感器附近储层的压力变化及压力传递，并将压力信号传递至自动控制反馈***；
所述水平井压裂填充***包括液压***、液体输送***、以及设置在水平井管壁外集气口周围的压裂填充喷口；压裂填充喷口可喷出压裂液与支撑剂用于压裂储层并维持裂缝稳定，增加储层渗透率防止储层失稳，促进压力传递；其中，所述集气口位于水平井井管上，向外与储层联通，向内与井筒内部联通，用于收集天然气水合物产气并输送至开采平台；所述喷口为与集气口同心的环形双口结构，中心为集气口，由内向外的内环为支撑剂喷口区，外环为压裂液喷口区，支撑剂从喷口的内环喷出，压裂液从喷口的外环喷出；所述液压***用于为压裂液以及支撑剂提供压力；所述喷口附近均设置有压力传感器，形成传感器阵列，用于检测压裂填充效果；
所述自动控制反馈***设置于钻井平台/钻井船上，用于进行压力、温度、液体输送等过程的监测，并对压裂填充***进行管理，总体控制水合物分解过程；
所述防砂***为设置于集气口的开采防砂装置，用于防止集气口堵塞。
所述压裂液为盐度8-10％的高浓度浓缩海水，通过钻井平或钻井船上的太阳能光热设备对海水蒸发浓缩获得，其中丰富的离子能够起到促进水合物分解的作用；所述支撑剂为可降解多孔膨胀聚合材料，在常温下为流体，降温至当地海底温度后可快速固化，固化后内部形成30％以上孔隙度以及1D以上渗透率，可支撑压裂裂缝，利用高孔隙和高渗透率传递压力，并维持储层稳定，且固化材料可降解，具有环境友好性。
所述液体输送***用于输送压裂液和支撑剂，并具有温度补偿模块，控温范围0-50℃，用于控制支撑剂的液化温度，防止其在输送***中固化。
防砂***为设置于集气口的开采防砂装置，由双层筛网组成；经取样测量，南海土粒径集中在15～30微米，因此所述双层筛网外层选用孔径15微米，用于阻止粗砂进入井筒；内层筛网孔径10微米，用来阻止细沙，在双层筛网内部填充有粒径20～100微米砾石，用来维持筛网渗透特性；在天然气水合物开采中，由于沉积物具有泥质、粉砂特性，细小沙粒会运移至防砂装置，并堵塞筛网。为解决该问题，由压裂液喷口区喷出的压裂液对筛网周围进行冲刷，清除筛网外堵塞泥沙，保证防砂***正常工作。
采用上述水平井压裂填充天然气水合物增效开采装备进行天然气水合物增效开采的方法，包括以下步骤：
第一步，在天然气水合物目标区进行钻探，将装备有压裂、防砂***的井筒向水合物储层钻进，形成井斜角80-90度的水平井，完成各套***的联调，收集井筒周围温度、压力数据；
第二步，开采平台设置开采压力，并开启集气、集水泵，进行初期降压开采集气；采用梯度降压方法，根据产气速率，逐级反馈调控开采压力，直至产气速率低于目标速率；
第三步，进行天然气水合物压裂增效开采；将压裂液、支撑剂通过所述液压***及液体输送***运送至各个压裂填充喷口；随后，压裂液与支撑剂相继喷出，压裂液压力以5MPa为单位逐级增大，初始喷射角度与水平井呈45度；压裂5分钟后，喷出液态支撑剂，支撑剂遇海底低温环境迅速固化，形成多孔膨胀结构，有效促进压力传递与维持储层稳定，强化天然气水合物分解；
第四步，关闭压裂***，进行增效集气，同样采用梯度降压方法，逐级集气；当产气率低于目标速率时，进行二次压裂，增大压裂压力，调整压裂方向，扩大压裂范围，强化天然气水合物产气；期间，采用防砂***防止集气口泥沙堵塞，利用压力传感器阵列监测集气口周围压力，判断集气口是否堵塞，若发生堵塞，采用压裂液喷口区喷出的压裂液对集气口进行冲刷解堵；
第五步，结束开采；由于支撑剂采用可降解材料，故可埋藏于海底沉积物中，不会造成环境污染；若进行支撑剂回收，可用压裂***喷射30度以上压裂液使支撑剂液化，并通过集气口及井筒，对支撑剂进行回收；随后进行起钻收井，完成开采过程。
本发明的有益效果是：本发明提出了一套适用于海洋泥质沉积物的结合水平井压裂填充与防砂的海洋天然气水合物增高效开采装备及方法。该装备及方法解决了天然气水合物开采过程中由于沉积物泥质低渗特性造成的压力传递困难问题，进而避免了产气速率降低、储层热量传递缓慢，以及上述情况带来的水合物二次生成与结冰堵塞情况。该装备及方法通过在水平井集气口处设置压裂填充***，能够有效的增大压力渗透范围，并通过液态多孔膨胀支撑剂在压裂区域的固化，实现了压裂区域及气体运移通道的稳定，克服了天然气水合物沉积层泥质、流态特点带来的裂隙愈合难题，有效维持了天然气水合物储层大范围降压，显著强化了水合物分解进程。此外，利用所述的防砂***，可有效防止压裂过程细沙堵塞集气口，并可在天然气水合物开采过程中利用压裂***对防砂***进行冲刷，解决了防砂***普遍存在的易堵难题。该套装备及方法可有力促进海洋天然气水合物安全、高效、规模化开采。
附图说明
图1为开采天然气水合物装置示意图。
图1中：1自动控制反馈***；2液压***；3液体输送***；4防砂***；5压裂填充喷口；6压力传感器阵列。
图2为压裂填充喷口与开采防砂装置俯视图。
图2中：7压裂液喷口；8支撑剂喷口；9开采防砂装置。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
采用上述装置进行海洋天然气水合物增效开采的方法，包括如下步骤：
第一步，在天然气水合物目标区进行钻探，将装备有压裂、防砂***的井筒向水合物储层钻进，形成井斜角80-90度的水平井，完成各套***的联调，收集井筒周围温度、压力数据；
第二步，开采平台设置开采压力，并开启集气、集水泵，进行初期降压开采集气；采用梯度降压方法，根据产气速率，逐级反馈调控开采压力，直至产气速率低于5000方/天。
第三步，进行天然气水合物压裂增效开采。将压裂液、支撑剂通过所述液压***2及液体输送***3运送至各个喷口5。随后，压裂液与支撑剂相继喷出，压裂液压力以5MPa为单位逐级增大，初始喷射角度与水平井呈45度。压裂5分钟后，喷出液态支撑剂，支撑剂遇海底低温环境(约4-8度)迅速固化，形成多孔膨胀结构，有效促进压力传递与维持储层稳定，强化天然气水合物分解。
第四步，关闭压裂***，进行增效集气，同样采用梯度降压方法，逐级集气。当产气率低于5000方/天时，进行二次压裂，增大压裂压力，调整压裂方向，扩大压裂范围，强化天然气水合物产气。期间，采用防砂***4防止集气口泥沙堵塞，利用压力传感器阵列6监测集气口周围压力，判断集气口是否堵塞，若发生堵塞，采用压裂液喷口区(7)喷出的压裂液对集气口进行冲刷解堵。
第五步，结束开采。由于支撑剂采用可降解材料，故可埋藏于海底沉积物中，不会造成环境污染。若进行支撑剂回收，可用压裂***喷射高温压裂液(30度以上)使支撑剂液化，并通过集气口及井筒，对支撑剂进行回收。随后进行起钻收井，完成开采过程。
Claims (5)
1.一种水平井压裂填充天然气水合物增效开采装备，其特征在于，包括压力监测***、水平井压裂填充***、自动控制反馈***、防砂***；
所述压力监测***包括计算机与设置在水平管管壁外的压力传感器阵列(6)，计算机用于接收、监控以及处理数据及信号；压力传感器阵列(6)沿水平井轴向布置，用于检测压力传感器附近储层的压力变化及压力传递，并将压力信号传递至自动控制反馈***；
所述水平井压裂填充***包括液压***(2)、液体输送***(3)、以及设置在水平井管壁外集气口周围的压裂填充喷口(5)；压裂填充喷口(5)可喷出压裂液与支撑剂用于压裂储层并维持裂缝稳定，增加储层渗透率防止储层失稳，促进压力传递；其中，所述集气口位于水平井井管上，向外与储层联通，向内与井筒内部联通，用于收集天然气水合物产气并输送至开采平台；所述喷口为与集气口同心的环形双口结构，中心为集气口，由内向外的内环为支撑剂喷口区(8)，外环为压裂液喷口区(7)，支撑剂从喷口的内环喷出，压裂液从喷口的外环喷出；所述液压***(2)用于为压裂液以及支撑剂提供压力；所述喷口附近均设置有压力传感器(6)，形成传感器阵列，用于检测压裂填充效果；
所述自动控制反馈***(1)设置于钻井平台/钻井船上，用于进行压力、温度、液体输送等过程的监测，并对压裂填充***进行管理，总体控制水合物分解过程；
所述防砂***(4)为设置于集气口的开采防砂装置(9)，用于防止集气口堵塞。
2.如权利要求1所述的一种水平井压裂填充天然气水合物增效开采装备，其特征在于，所述压裂液为盐度8-10％的高浓度浓缩海水，通过钻井平或钻井船上的太阳能光热设备对海水蒸发浓缩获得，其中丰富的离子能够起到促进水合物分解的作用；所述支撑剂为可降解多孔膨胀聚合材料，在常温下为流体，降温至当地海底温度后可快速固化，固化后内部形成30％以上孔隙度以及1D以上渗透率，可支撑压裂裂缝，且固化材料可降解。
3.如权利要求1所述的一种水平井压裂填充天然气水合物增效开采装备，其特征在于：所述液体输送***(3)用于输送压裂液和支撑剂，并具有温度补偿模块，控温范围0-50℃，用于控制支撑剂的液化温度，防止其在输送***中固化。
4.如权利要求1所述的一种水平井压裂填充天然气水合物增效开采装备，其特征在于：防砂***(4)为设置于集气口的开采防砂装置(9)，由双层筛网组成；所述双层筛网外层选用孔径15微米，用于阻止粗砂进入井筒；内层筛网孔径10微米，用来阻止细沙，在双层筛网内部填充有粒径20～100微米砾石，用来维持筛网渗透特性；由压裂液喷口区(7)喷出的压裂液对筛网周围进行冲刷，清除筛网外堵塞泥沙，保证防砂***正常工作。
5.应用权利要求1-4任一所述的水平井压裂填充天然气水合物增效开采装备进行天然气水合物增效开采的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，在天然气水合物目标区进行钻探，将装备有压裂、防砂***的井筒向水合物储层钻进，形成井斜角80-90度的水平井，完成各套***的联调，收集井筒周围温度、压力数据；
第二步，开采平台设置开采压力，并开启集气、集水泵，进行初期降压开采集气；采用梯度降压方法，根据产气速率，逐级反馈调控开采压力，直至产气速率低于目标速率；
第三步，进行天然气水合物压裂增效开采；将压裂液、支撑剂通过所述液压***(2)及液体输送***(3)运送至各个压裂填充喷口(5)；随后，压裂液与支撑剂相继喷出，压裂液压力以5MPa为单位逐级增大，初始喷射角度与水平井呈45度；压裂5分钟后，喷出液态支撑剂，支撑剂遇海底低温环境迅速固化，形成多孔膨胀结构，有效促进压力传递与维持储层稳定，强化天然气水合物分解；
第四步，关闭压裂***，进行增效集气，同样采用梯度降压方法，逐级集气；当产气率低于目标速率时，进行二次压裂，增大压裂压力，调整压裂方向，扩大压裂范围，强化天然气水合物产气；期间，采用防砂***(4)防止集气口泥沙堵塞，利用压力传感器阵列(6)监测集气口周围压力，判断集气口是否堵塞，若发生堵塞，采用压裂液喷口区(7)喷出的压裂液对集气口进行冲刷解堵；
第五步，结束开采；由于支撑剂采用可降解材料，故可埋藏于海底沉积物中，不会造成环境污染；若进行支撑剂回收，可用压裂***喷射30度以上压裂液使支撑剂液化，并通过集气口及井筒，对支撑剂进行回收；随后进行起钻收井，完成开采过程。
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