CN112253057A - 孔隙充填型天然气水合物高效率开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种孔隙充填型天然气水合物高效率开采方法,通过人工喷射金属填充颗粒作为发热媒介,实现井下电磁加热,同时借助不同粒径金属填充颗粒实现对水合物储层的人工改造,既能提高开采过程中储层渗透率,还可在开采后期填补水合物分解流失后的孔洞,以维护储层稳定性;另外,井筒生产段安装的防砂工具为金属材质,在电磁波作用下升温,能够有效避免防砂筛网因水合物二次形成堵塞,进一步提高水合物开采产气产水效率。本方案通过电磁感应加热辅助降压开采海域孔隙充填型水合物藏,不仅能够提升储层内水合物分解速度,抑制井筒周围水合物二次形成,而且使用不同粒径金属填充颗粒改造储层,有效提高气‑水‑砂多相介质运移能力,增强储层力学稳定性。
Description
技术领域
本发明属于海洋天然气水合物开采领域,具体涉及一种孔隙充填型天然气水合物高效率开采方法。
背景技术
以甲烷等天然气为主要成分的天然气水合物在大陆边缘深海浅层沉积物中分布广、储量大,有巨大的资源开发潜力。近30年来,国内外科学家在开展大量的实验模拟与数值模拟的基础上,提出了降压法、注热法和化学试剂注入法等三类主流的水合物开采方法,并在此基础上进行了现场测试。在梳理加拿大Mallik、美国Alaska北坡、日本NankaiTrough、中国南海神狐海域等地多次试采结果的基础上,获得以下认识:
1.高渗透率的孔隙充填型水合物藏是目前开采的首选目标,能够兼顾水合物产气和储层安全等要求;2.降压法是相对经济有效的开采方法,特别是成功实现深水浅软地层水平井开采工艺之后,产气能力随泄流面积的增加而大幅提升;3.目前所有经过现场试采验证的水合物开采方法日均产气量都不能满足工业化气流要求,降压开采过程有明显的产气波动,可能与井筒周围水合物二次形成与筛管堵塞有关;4.水合物藏井下出砂规律与常规油气有明显不同,防砂失败是导致水合物开采中止的主要因素之一。水合物分解及沉积物颗粒运移可能导致储层失稳,短期试采难以摸清储层失稳规律,水合物资源仍不具备产业化开采的条件。
基于上述认识,为实现水合物开采产能突破,满足高效长期产气需求,需从水合物分解效率、储层渗流能力、井下防砂效果和地层安全稳定等角度设计优化开采方法。
为大幅提高采气效率,应设计辅助加热手段刺激水合物分解。但常规的热水注入方法一方面受储层渗透率制约,加热效果差;另一方面,注热过程是热水由井筒向四周扩散,并导致储层增压,而降压过程则需要将储层孔隙中的流体抽出,两者方向相反,不能同时进行。
现有技术中,也有提出一些可能的水合物藏加热方法,如申请公布号为【CN107269254A】的发明专利公开的“一种利用地压型地热能开采海底水合物的井组结构和方法”,将海底深部热水引入水合物储层进行加热;申请公布号为【CN108005618A】的发明专利公开的“一种基于太阳能-海水源热泵联合供热技术的天然气水合物开采装置及方法”,利用太阳能和海水能进行供热。但是,上述技术依赖于水合物藏的实际自然环境条件,并且核心手段仍是热水注入,太阳能或者地热能仅用来提供热水。
电磁加热是一种感应加热手段,通过交变电流产生交变磁场,交变磁场中的金属表明产生涡流发热。因此,电磁加热不依赖物质热传导性质,避免了热水注入与储层抽水降压之间的矛盾,可更好的匹配降压开采工艺。如申请公布号为【CN108547600A】的发明专利公开“一种利用电磁加热方式开采天然气水合物的方法”,通过注入均匀铁粉的方式对纯水合物储层进行电磁加热开采,虽然能够在一定程度上提高开采效率,但采用铁粉的方式不能解决储层失稳的问题,还有可能出现介质堵塞,实际应用中亦存在许多限制。
发明内容
本发明针对目前海域天然气水合物资源开采产气量低、开采时间短、储层易出砂失稳等问题,提出一种新的孔隙充填型水合物藏高效率开采方案,通过电磁感应加热辅助降压开采海域孔隙充填型水合物藏,不仅能够提升储层内水合物分解速度,抑制井筒周围水合物二次形成,而且使用不同粒径金属填充颗粒改造储层,有效提高气-水-砂多相介质运移能力,增强储层力学稳定性。
本发明是采用以下的技术方案实现的:一种孔隙充填型天然气水合物高效率开采方法,包括以下步骤:
步骤A、钻设主井并布设套管,主井延伸至水合物储层,主井钻完后通过水力喷射或水平侧钻等方法向水合物储层射入不同粒径的金属填充颗粒,金属填充颗粒的粒径r通过下式确定:
其中,Yl表示金属填充颗粒剥落临界流速,q表示通过沉积物体积单元的流体流量,A表示流体通过沉积物体积单元的横截面积,表示沉积物孔隙度;r表示金属填充颗粒的粒径,ηf表示流体的动力粘度,Y0表示金属填充颗粒间的内聚力,μ表示金属填充颗粒间的摩擦系数;σθ’、σz’表示沉积物中孔道壁上的有效径向应力和轴向应力,T0表示金属填充颗粒间的抗拉强度;
步骤B、在主井中水合物开采段布设砾石充填防砂筛管和电磁感应加热工具,并在相应位置下入电潜泵,开启电潜泵进行水合物降压开采;
步骤C、降压开采生产开始后,水合物储层温度逐渐降低,开启电磁感应加热工具辅助水合物分解;
步骤D、水合物分解后的天然气、自由水和部分失稳砂颗粒在电潜泵抽力作用下沿储层孔隙和人工制造的裂隙向井筒运移,实现水合物采集与存储。
进一步的,所述步骤A中,金属填充颗粒剥落临界流速Yl通过以下方式得到:
(1)确定流体作用下金属填充颗粒的剥落阻力Fr:
其中,Fr表示金属填充颗粒剥落时受到的剥落阻力;r表示金属填充颗粒的粒径;Y0表示金属填充颗粒间的内聚力;μ表示金属粒间的摩擦系数;σθ’、σz’表示沉积物中孔道壁上的有效径向应力和轴向应力;T0表示金属填充颗粒间的抗拉强度;
(2)确定金属填充颗粒的剥落动力Fh:
其中,Fh表示作用在单个金属填充颗粒上的水动力;F表示作用在沉积物体积单元上的水动力;A表示流体通过沉积物体积单元的横截面积;Δp表示沉积物体积单元Δx长度上的压降;q表示通过沉积物体积单元的流体流量;K表示多沉积物渗透率;ηf表示流体的动力粘度;Δx表示沉积物体积单元的长度;表示沉积物孔隙度;r表示金属填充颗粒的粒径;N表示沉积物体积单元中金属填充颗粒的个数;
(3)基于上述步骤(1)和(2),当剥落动力Fh大于剥落阻力Fr时,金属填充颗粒将随储层内流体运移,通过上述受力分析,获得在地层流体作用下的金属填充颗粒剥落临界流速Yl。
进一步的,所述步骤B中,降压开采过程中,降压幅度通过以下方式确定,根据柔性电潜泵排水量、水合物分解速度、水合物储层含水量进行确定,具体包括:
(1)单位体积内水合物分解速率:
其中,υ表示水合物分解速度;K表示分解速率常数;△E表示水合物分解活化能;MH表示水合物摩尔质量;Pe表示水合物相平衡压力;P表示储层实际压力;
(2)确定开采过程中电潜泵排液量:
其中,Op表示电潜泵排水量;t表示时间;△P表示水合物开采降压幅度;g表示重力加速度;Mw表示海水的摩尔质量;
(3)确定开采过程中单位时间储层供水量:
Os=Oc+Oh (3)
Oc=θA=θ∫πl(st)2dt (4)
其中:Os表示开采过程中储层总供水量;Oc表示地层孔隙水出水量;Oh表示储层水合物分解供水量;A表示单位时间降压波及体积;θ表示水合物储层体积含水量;l表示井筒生产段长度;s表示储层渗流速度;t表示时间;Sh表示水合物饱和度;表示储层孔隙度;
(5)降压生产过程,需保证Op≤Os,若在此条件下水合物分解速率过低,则进一步增大生产压差,并向井筒人工补液,防止电潜泵缺水。
进一步的,所述步骤C中,在辅助水合物分解过程中,电磁加热最小功率不小于储层中单位体积水合物分解吸热功率,所述电磁感应加热工具的交流电频率通过以下方式确定:
(1)电磁感应加热功率:
其中,W1表示电磁感应加热功率;h表示金属填充颗粒填充厚度;β表示金属填充颗粒电阻率;a表示系数;B表示磁感应强度;ω表示交流电频率;T表示储层温度;r表示金属填充颗粒半径;t表示时间;
(2)确定单位体积水合物分解吸热功率:
(3)当W1≥W2时,通过电磁加热可有效保证水合物分解,进而可确定电磁感应加热频率。
进一步的,所述金属填充颗粒为球状,由于颗粒大小不同,金属填充颗粒射入储层的位置不同,距离井筒由近及远粒度逐渐变小。
进一步的,在水合物开采过程中,随着水合物分解和沉积物颗粒被抽出储层的区域出现空洞,由于抽力逐渐减弱,储层空洞距井筒由近及远逐渐变小,与金属填充颗粒分布一致,金属填充颗粒填充空洞,与沉积物重新构造应力平衡维持储层稳定性。
进一步的,在电磁感应加热辅助开采过程中,防砂筛管在电磁加热工具的作用下升温,将进入井筒的含饱和气低温自由水加热,从而有效避免筛管表面和井筒内水合物二次形成,避免水合物开采过程中产气量大幅波动或堵塞。
进一步的,所述步骤A中,所述主井为垂直井或水平井。
进一步的,当主井为水平井时,所述水平井的井身结构从上至下依次包括垂直段、造斜段、稳斜段和水平段,所述水平段位于水合物储层。
与现有技术相比,本发明的优点和积极效果在于:
本发明所提出的方案一方面通过喷射金属填充颗粒进行储层改造,通过人工喷射金属填充颗粒作为发热媒介,实现井下电磁加热,提升储层内水合物分解和气液渗流效率,抑制防砂筛管水合物二次形成堵塞;另一方面借助不同粒径金属填充颗粒实现对水合物储层的人工改造,形成多孔介质,喷射金属填充颗粒既能提高开采过程中储层渗透率,还可在开采后期填补水合物分解流失后的孔洞,起到维护储层稳定性的作用;另外,井筒生产段安装的防砂工具为金属材质,可在电磁波作用下升温,能够有效避免防砂筛网因水合物二次形成堵塞,进一步提高了水合物开采产气产水效率。
附图说明
图1为本发明实施例所述钻完井过程示意图;
图2为本发明实施例水合物开采过程示意图;
1、平台;2、套管;3、垂直段;4、造斜段;5、稳斜段;6、水平段;7、水利喷射工具;8、金属填充颗粒;9、海水层;10、沉积物层;11、水合物储层;12、游离气层;13、气液分离器;14、柔性电潜泵;15、电磁加热工具;16、砾石充填防砂筛管。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是,本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施,因此,本发明并不限于下面公开的具体实施例。
一种孔隙充填型天然气水合物高效率开采方法,本实施例以水平井为例进行说明,具体的,如图1和图2所示,包括以下步骤:
步骤一、钻设主井并布设套管:钻采船或钻采平台1就位后依据水合物储层三维展布特征钻水平井并下设套管2,水平井井身结构从上至下依次包括垂直段3、造斜段4、稳斜段5和水平段6,水平段6位于水合物储层11,其长度为400m左右;
钻井完成后,在井筒中下水力喷射工具7,在水平段6不同位置向储层中射入粒径不同的金属填充颗粒8,通过注入金属填充颗粒8完成储层人工改造,改造后储层有效渗透率会提升,后期通过电磁感应对储层加热,促进水合物分解速度,其中,金属填充颗粒8的最小粒径确定方法如下:
考虑到金属填充颗粒8注入物在开采过程中需保持稳定,因此,其材质和粒径与储层流体的临界流速需满足以下关系:
(1)流体作用下金属填充颗粒8剥落时受到的阻力(剥落阻力):颗粒之间的内聚力、颗粒剥落过程的摩擦力、颗粒与剥落运动方向的砂颗粒间的抗拉强度;
其中:Fr表示金属填充颗粒剥落时受到的阻力(N);r表示金属填充颗粒的粒径(μm);Y0表示金属填充颗粒间的内聚力(MPa);μ表示金属填充颗粒间的摩擦系数;σθ’、σz’表示沉积物中孔道壁上的有效径向应力和轴向应力(MPa);T0表示金属填充颗粒间的抗拉强度(MPa)。
(2)颗粒剥落的动力(剥落动力):地层流体流动对骨架砂颗粒产生的拖曳力。
其中,Fh表示作用在单个金属填充颗粒上的水动力(拖拽力)(N);F表示作用在沉积物体积单元上的水动力(N);A表示流体通过沉积物体积单元的横截面积(μm2);Δp表示沉积物体积单元Δx长度上的压降(MPa);q表示通过沉积物体积单元的流体流量(m3/s);K表示沉积物渗透率(μm2);ηf表示流体的动力粘度(mPa·s);Δx表示沉积物体积单元的长度(μm);表示沉积物孔隙度;r表示金属填充颗粒的粒径(μm);N表示沉积物体积单元中金属填充颗粒的个数。
(3)当剥落动力Fh大于剥落阻力Fr时,金属填充颗粒8将随储层内流体运移,通过对颗粒在地层流体下的受力分析可以获得颗粒剥落临界流速的计算公式:
其中,Yl表示骨架砂颗粒剥落临界流速(m/s)。
步骤二、回收水力喷射工具,在水平段下入砾石充填防砂筛管16、电磁感应加热工具15;在水平井稳斜段5下入柔性电潜泵14;开启柔性电潜泵14进行水合物降压开采,其中,降压幅度通过式(1)-(5)确定,并实时进行调节干预;
本实施例中,以水平井降压为孔隙充填型水合物储层主要开采驱动力,目标水合物储层降压通过柔性电潜泵降低生产管柱内的海水液面实现,降压幅度由电潜泵排水量、水合物分解速度、水合物储层含水量等因素耦合作用确定,具体如下:
(1)单位体积内水合物分解速率:
其中:υ表示水合物分解速度(mol/min);K表示分解速率常数;△E表示水合物分解活化能(J/mol);MH表示水合物摩尔质量;Pe表示水合物相平衡压力;P表示储层实际压力;
(2)开采过程中,电潜泵排液量:
其中:O表示电潜泵排水量(mol);t表示开采时间(h);△P表示水合物开采降压幅度(MPa);g表示重力加速度;Mw表示海水的摩尔质量
(3)开采过程单位时间储层供水量:
Os=Oc+Oh (3)
Oc=θA=θ∫πl(st)2dt (4)
其中:Os表示开采过程中储层总供水量(mol);Oc表示地层孔隙水出水量(mol);Oh表示储层水合物分解供水量(mol);A表示单位时间降压波及体积;θ表示水合物储层体积含水量;l表示井筒生产段长度(m);s表示储层渗流速度(m/h);t表示降压时间(h);Sh表示水合物饱和度;表示储层孔隙度。
(4)降压生产过程,应保证Op≤Os,若在此条件下水合物分解速率过低,可进一步增大生产压差,并向井筒人工补液,防止电潜泵缺水。
步骤三、生产开始后,水合物储层温度逐渐下降,开启电磁感应加热工具15辅助水合物分解,开采过程同时启动电磁加热装置和电动潜油泵,电磁加热装置通过交变电场产生频率不低于20KHZ的高频交变磁场,金属填充颗粒在交变磁场中发热,从而加热水合物储层;电动潜油泵按一定压差抽水降低生产段储层压力,水合物在降压和受热双重作用下分解;其中,电磁感应频率通过以下方式确定;
水合物分解是吸热过程,因此会导致周围环境持续降低,不仅制约分解速度,还有可能在井筒周围二次生成水合物,阻碍开采产气。因此,电磁加热最小功率应满足不小于储层中单位体积水合物分解吸热功率;
(1)电磁感应加热功率:
其中:W1表示电磁感应加热功率(J/s);h表示金属填充颗粒厚度(cm);β表示金属填充颗粒电阻率(Ω/cm);a表示计算系数;B表示磁感应强度(T);ω表示交流电频率(rad/s);T表示储层温度;r表示金属填充颗粒半径(cm);t表示加热时间(s)。
(2)单位体积水合物分解吸热功率:
其中:W2表示水合物分解吸热功率(J/s);Q表示水合物摩尔分解热(J/mol);Sh表示水合物饱和度;表示储层孔隙度;v表示水合物分解速度(mol/min);d表示含水合物储层网格半径(cm);t表示分解时间(min)。
(3)讨论可知,W1≥W2时,电磁加热可有效保证水合物分解。由式(9)-(10)可确定最低电磁感应加热频率;
步骤四、水合物分解后的天然气、自由水和部分失稳砂颗粒在电潜泵抽力下沿储层孔隙和人工制造的裂隙向井筒运移,防砂范围内的砂颗粒被防砂筛管阻挡,逐渐堆积在井筒周围,井筒内的天然气经二次气水分离最终进入地面储气罐存储。
在开采过程中,防砂筛管在电磁加热工具的作用下升温,抑制筛管表面和井筒内水合物二次形成,避免水合物开采过程中产气量大幅波动或堵塞;
另外,随着水合物分解和沉积物颗粒被抽出储层不同区域出现空洞,储层空洞距井筒由近及远逐渐变小,与金属填充颗粒分布一致。因此,金属填充颗粒可填充空洞,与沉积物重新构造应力平衡维持储层稳定性。
综上可知,本申请发明专利提出一套新的孔隙充填型水合物开采方法,并明确提出了储层改造、电磁加热、降压制度等技术工艺中的关键参数确定方法,可促进水合物分解效率、提升储层渗流能力、增强储层力学稳定性、抑制井下防砂介质堵塞,具有更广阔的应用前景。以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非是对本发明作其它形式的限制,任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域,但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型,仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.孔隙充填型天然气水合物高效率开采方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤A、钻设主井并布设套管,主井延伸至水合物储层,主井钻完后向水合物储层射入不同粒径的金属填充颗粒,金属填充颗粒的粒径r通过下式确定:
其中,Yl表示金属填充颗粒剥落临界流速,q表示通过沉积物体积单元的流体流量,A表示流体通过沉积物体积单元的横截面积,表示沉积物孔隙度;r表示金属填充颗粒的粒径,ηf表示流体的动力粘度,Y0表示金属填充颗粒间的内聚力,μ表示金属填充颗粒间的摩擦系数;σθ’、σz’表示沉积物中孔道壁上的有效径向应力和轴向应力,T0表示金属填充颗粒间的抗拉强度;
步骤B、在主井中水合物开采段布设防砂筛管和电磁感应加热工具,并在开采段上部位置下入电潜泵,开启电潜泵进行水合物降压开采;
步骤C、降压开采生产开始后,水合物储层温度逐渐降低,开启电磁感应加热工具辅助水合物分解;
步骤D、水合物分解后的天然气、自由水和部分失稳砂颗粒在电潜泵抽力作用下沿储层孔隙和人工制造的裂隙向井筒运移,实现水合物采集与存储。
2.根据权利要求1所述的孔隙充填型天然气水合物高效率开采方法,其特征在于:所述步骤A中,金属填充颗粒剥落临界流速Yl通过以下方式得到:
(1)确定流体作用下金属填充颗粒的剥落阻力Fr:
其中,Fr表示金属填充颗粒剥落时受到的剥落阻力;r表示金属填充颗粒的粒径;Y0表示金属填充颗粒间的内聚力;μ表示金属填充颗粒间的摩擦系数;σθ’、σz’表示沉积物中孔道壁上的有效径向应力和轴向应力;T0表示金属填充颗粒间的抗拉强度;
(2)确定金属填充颗粒的剥落动力Fh:
其中,Fh表示作用在单个金属填充颗粒上的水动力;F表示作用在沉积物体积单元上的水动力;A表示流体通过沉积物体积单元的横截面积;Δp表示沉积物体积单元Δx长度上的压降;q表示通过沉积物体积单元的流体流量;K表示多沉积物渗透率;ηf表示流体的动力粘度;Δx表示沉积物体积单元的长度;表示沉积物孔隙度;r表示金属填充颗粒的粒径;N表示沉积物体积单元中金属填充颗粒的个数;
(3)基于上述步骤(1)和(2),当剥落动力Fh大于剥落阻力Fr时,金属填充颗粒将随储层内流体运移,通过上述受力分析,进而获得在地层流体作用下的金属填充颗粒剥落临界流速Yl。
3.根据权利要求1所述的孔隙充填型天然气水合物高效率开采方法,其特征在于:所述步骤B中,降压开采过程中,降压幅度通过以下方式确定,具体包括:
(1)单位体积内水合物分解速率:
其中,υ表示水合物分解速度;K表示分解速率常数;△E表示水合物分解活化能;MH表示水合物摩尔质量;Pe表示水合物相平衡压力;P表示储层实际压力;
(2)确定开采过程中电潜泵排液量:
其中,Op表示电潜泵排水量;t表示时间;△P表示水合物开采降压幅度;g表示重力加速度;Mw表示海水的摩尔质量;
(3)确定开采过程中单位时间储层供水量:
Os=Oc+Oh (3)
Oc=θA=θ∫πl(st)2dt (4)
其中:Os表示开采过程中储层总供水量;Oc表示地层孔隙水出水量;Oh表示储层水合物分解供水量;A表示单位时间降压波及体积;θ表示水合物储层体积含水量;l表示井筒生产段长度;s表示储层渗流速度;t表示时间;Sh表示水合物饱和度;表示储层孔隙度;
(4)降压生产过程,保证Op≤Os,若在此条件下水合物分解速率过低,则进一步增大生产压差,并向井筒人工补液,防止电潜泵缺水。
4.根据权利要求1所述的孔隙充填型天然气水合物高效率开采方法,其特征在于:所述步骤C中,在辅助水合物分解过程中,电磁加热最小功率不小于储层中单位体积水合物分解吸热功率,所述电磁感应加热工具的交流电频率通过以下方式确定:
(1)电磁感应加热功率:
其中,W1表示电磁感应加热功率;h表示金属填充颗粒填充厚度;β表示金属填充颗粒电阻率;a表示系数;B表示磁感应强度;ω表示交流电频率;T表示储层温度;r表示金属填充颗粒半径;t表示时间;
(2)确定单位体积水合物分解吸热功率:
(3)当W1≥W2时,通过电磁加热保证水合物分解,进而确定电磁感应加热频率。
5.根据权利要求1所述的孔隙充填型天然气水合物高效率开采方法,其特征在于:所述金属填充颗粒为球状,金属填充颗粒射入储层的位置不同,距离井筒由近及远粒度逐渐变小。
6.根据权利要求1所述的孔隙充填型天然气水合物高效率开采方法,其特征在于:在水合物开采过程中,随着水合物分解和沉积物颗粒被抽出储层的区域出现空洞,由于抽力逐渐减弱,储层空洞距井筒由近及远逐渐变小,与金属填充颗粒分布一致,金属填充颗粒填充空洞,与沉积物重新构造应力平衡维持储层稳定性。
7.根据权利要求1所述的孔隙充填型天然气水合物高效率开采方法,其特征在于:在电磁感应加热辅助开采过程中,防砂筛管在电磁加热工具的作用下升温,将进入井筒的含饱和气低温自由水加热。
8.根据权利要求1所述的孔隙充填型天然气水合物高效率开采方法,其特征在于:所述步骤A中,所述主井为垂直井或水平井。
9.根据权利要求8所述的孔隙充填型天然气水合物高效率开采方法,其特征在于:当主井为水平井时,所述水平井的井身结构从上至下依次包括垂直段、造斜段、稳斜段和水平段,所述水平段位于水合物储层。
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