CN113417596A - 天然气水合物地层层内加固防塌、防砂理论及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于天然气水合物开发过程储层改造领域，具体涉及天然气水合物地层层内加固防塌、防砂理论及实现方法。本发明将地层改造与压裂注浆加固技术相结合，通过压裂注浆工艺，在天然气水合物地层中出现裂缝，通过压差使固化液进入裂缝并深入地层，形成具有“肋板”结构且具有一定强度和渗透率的加固体，对地层起支撑防塌、防砂作用。本发明通过对目标地层物性参数分析，利用固化剂体系，对压裂施工工艺的调控以及压裂过程中泵注固化液进入地层，实现对天然气水合物地层层内加固防塌、防砂目的，形成的加固体能够与周围的地层良好的胶结，有效避免水合物分解导致出砂，地层塌陷引起的井壁失稳等事故。
Description
技术领域
本发明属于天然气水合物开发过程储层改造领域，具体涉及天然气水合物地层层内加固防塌、防砂理论及实现方法。
背景技术
天然气水合物，又称“可燃冰”，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，一般分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中。2016年，我国将“水合物试采-水合物商业化开采”列入“十三五”国家重点研发计划之中。并于2017年5月18日，首次实现海域可燃冰试采成功，天然气水合物试采在南海神狐海域连续产气近8天，实现了我国天然气水合物开发的历史性突破。
天然气水合物具有其他油气资源无法取代的地位。（1）天然气水合物储量大。天然气水合物是全球第二大碳储存库，仅次于碳酸盐岩，其蕴藏的天然气资源潜力巨大。据保守估算，全球天然气水合物所含天然气的总资源量约为(18～21)×1015m3，其热当量相当于全球已知煤、石油和天然气总热当量的2倍。目前，中国的天然气水合物主要分布在南海海域、东海海域、青藏高原和东北冻土带，并且含量较大。研究表明，其折合天然气资源储量分别约为（64.97×1012）m3、（3.38×1012）m3、（12.5×1012）m3、（2.8×1012）m3。（2）天然气水合物的能量密度极高。在标准状态( 0℃、101.325kPa) 下，1m3的天然气水合物，分解后可以释放出约164m3的甲烷气体，该能量密度比常规天然气高得多。（3）天然气水合物清洁。与常规天然气相比，天然气水合物主要物质为甲烷等烷烃，其他杂质含量很少，需要的净化工艺更简单，是清洁性更好的能源。可见，水合物资源是21世纪最具商业开发前景的战略资源之一。
随着天然气水合物全球性的关注和研究，大量的研究成果不断涌出，开采工程同样取得了阶段性的突破。但是，由于天然气水合物储层的复杂特性，深水浅层的开采环境，给开采开发过程带来诸多亟需解决的问题，尤其是降压开采过程水合物分解易导致一系列安全问题，主要包括：（1）起胶结或支撑作用的固态水合物分解成流动状态的气液混合流体，降低了地层的力学承载能力，同时分解产生的水渗入地层，使井壁地层的含水量增加，颗粒间的联系减弱，造成井壁失稳；（2）不仅会降低地层的力学强度，还会导致地层孔隙压力增加，从而大大降低了水合物地层沉积物的固结强度，在地震或者载荷增大等外力的作用下，将会导致海底滑坡；（3）储层结构破坏，砂粒从骨架砂上被剥落下来变成松散砂，随着油藏开发，地层流体开始流动，流体对砂粒产生拖拽力，导致出砂。
水合物历次试采及相关研究表明：降压法是开发水合物最有效的方法，通过降低水合物层压力，破坏水合物稳定存在的压力条件，当储层压力降低到水合物相平衡压力以下时，水合物开始分解。然而，水合物地层压力降低会导致储层有效应力增大和垂向变形，同时由于海洋天然气水合物储层胶结差，强度低，储层应力增大可能引起储层失稳破坏，而水合物又在储层沉积物颗粒间起胶结作用，降压引起的水合物分解会降低储层的强度，进一步加大了储层失稳的风险。杨林（杨林.合物储层在高压水射流作用下的破碎过程及储层改造增产研究 [D]; 吉林大学）等利用水力压裂的方式进行水合物地层改造，实验结果表明：在结合降压法或其他方法开采时，在射流速度一定时，相对较大的喷距能够在满足破碎深度的基础上，减小破碎体积，减少对储层稳定性的影响。袁益龙等（袁益龙，许天福，辛欣，夏盈莉，李冰. 海洋天然气水合物降压开采地层井壁力学稳定性分析[J]. 力学学报，2020, 52(2)：544-555）认为降压导致地层有效应力增大，进而引起井周地层发生沉降，且地层的沉降主要发生在降压开采前期，最大沉降位置位于井壁周围，向储层内部延伸地层沉降量快速减小；水合物分解导致井周地层力学强度降低，加剧了储层的沉降；井筒降压造成射孔段井壁应力集中最为明显，从而造成井壁破坏的潜在风险，这些区域正是水合物开采出砂防治的关键区域。CN107446560A公开了一种应用于深水弱胶结地层的固井—地层固化一体液。同时，CN106198933A公开了一种用于深水弱胶结地层固井强度的梯度层模拟的装置，可针对弱胶结地层，模拟固化梯度层。储层稳定性是水合物开采面临的关键问题，是确保水合物开采安全高效的前提。
目前，针对天然气水合物地层改造相关研究较少，研究方向大多在于，通过压裂的方式在近井筒周围形成高导流能力的裂缝，从而有效提高水合物矿藏产能。而对于水合物地层加固相关研究还处于探索阶段，国内外相关研究仅通过数值模拟的方式，对水合物开采过程的地层变形和破坏展开初步研究，未提出一种行之有效的水合物地层加固防塌方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种天然气水合物地层层内加固防塌、防砂理论及实现方法。
水力压裂是通过向地层内注入压裂液，生成压裂裂缝或扩展地层内的天然裂缝，提高渗透率和传热传质效率，从而达到增产的目的。在常规油气藏地层中水力压裂技术已相对完善。而对于天然气水合物地层，沉积物主要组成是粉砂和黏土，呈现弱胶结或未胶结状态，增加了水力压裂的难度。然而，水合物以胶结物的形式存在于颗粒接触点附近，或以孔隙充填物的形式赋存于沉积物中，极大提高了水合物层胶结特性，有利于水力压裂的进行。在压裂的基础上，向地层裂缝内注入固化液，并维持一定的泵注压力，防止裂缝的闭合和固化液被挤出，同时，固化液滞留于裂缝中固化形成“肋板”结构且具有一定强度的加固体。加固体与周围地层具有良好的胶结性能，在水合物分解后，能够有效支撑地层，防止塌陷并兼顾防砂作用。基于以上思路，本发明提出“天然气水合物地层层内加固防塌、防砂理论”。
本发明将天然气水合物压裂产生的压裂裂缝及周围地层作为研究区，采用压裂注浆方式，在水合物地层内形成一系列的加固体，同时，固化液渗透地层中，与水合物地层良好的胶结，提高了固化效果，有效避免水合物分解导致地层塌陷、出砂等问题，为提高天然气水合物地层稳定性提供一种创新性解决方案，为天然水合物开发的安全性、高效性提供重要保证。
本发明所述的天然气水合物地层层内加固防塌、防砂实现方法，通过以下步骤实现：
（1）采集天然气水合物地层样本或基于已有现场资料，明确目标地层的温度、压力环境参数；
（2）分析目标地层物性参数，并根据目标地层物性参数及其赋存方式，采用力学性能较好、粒径合适的固化颗粒材料，确定模拟地层配方；以水定量、气过量的方式，控制水合物饱和度，根据目标地层温度、压力条件，监测水合物稳定性；在目标地层温度、压力条件下，对模拟地层进行养护，测试其物性参数，对比目标地层参数，调整试验设计参数，直至模拟地层与目标地层的物性参数相同或相似；
（3）利用固化液体系，采用压裂的方式，使其固化实施在模拟地层，形成加固体进行层内加固；所述加固体具有合理的渗透率和强度；
（4）根据目标地层所需加固范围，结合加固体特性，调控压裂注浆施工工艺，包括：注浆管柱割缝参数和固化液注入参数，直至满足地层固化需求。
所述步骤（2）中物性参数包括但不限于密度、孔隙度、渗透率、粒径分布、水合物饱和度、原始地层强度。
进一步的，所述固化液具有良好的渗透特性，能够通过裂缝并向地层渗入一定的深度；所述固化液要适用于天然气水合物地层温度、压力条件，在泵入地层前具有较小的稠度，保证其在施工过程的流动特性；固化后的加固体与目标地层具有良好的胶结、合理的渗透特性和强度性能。
进一步的，所述注入参数包括：注入压力差和注入流量；所述注浆管柱割缝参数包括：割缝形状及其形状参数；所述加固体特性包括：加固体的深度、截面形态、加固体的数量以及加固体自身强度。
进一步的，所述水合物地层层内加固采用地层压裂方法，压裂参数应根据水合物地层的物性参数、力学参数来确定；室内模拟可以采用现有的水合物储层层内加固模拟装置实施和监测。
进一步的，所述固化液体系在侯凝进而形成加固体的过程中，需在目标地层温度条件下，维持一定时间的泵压，防止裂缝的闭合和固化液被挤出；所述泵压的大小可以根据注入压力差确定：所述维持泵压的时间可以根据固化液侯凝特性确定。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）针对水合物地层开发过程中，水合物分解导致出砂、地层塌陷等问题，首次提出水合物地层压裂注浆层内加固理论，在压裂改造的同时，向裂缝内注入固化液，形成具有一定强度的加固体，有效提高地层稳定性，为天然气水合物安全、高效开发提供重要指导；
（2）加固体与周围地层具有良好的胶结特性，在水合物分解后，能够有效防止砂脱落，造成出砂等问题；
（3）加固体具有良好的渗透率，在水合物开采过程中，有效避免水合物分解气的流通；
（4）水合物地层压裂、注入固化液同时进行，根据目标地层环境条件，维持一定时间压力后，固化液形成加固体，此方法避免了对地层的二次破坏。
附图说明
图1为本发明水合物地层压裂注浆层内加固示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明了，下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。
天然气水合物地层层内加固防塌、防砂实现方法，由以下步骤实现：
（1）采集天然气水合物地层样本或基于已有现场资料，明确目标地层的温度、压力环境参数；
（2）分析目标地层物性参数，并根据目标地层物性参数确定模拟地层配方；以水定量、气过量的方式，控制水合物饱和度；在目标地层温度、压力条件下，对模拟地层进行养护，测试其物性参数，对比目标地层参数，调整试验设计参数，直至模拟地层与目标地层的物性参数相同或相似；所述物性参数包括但不限于密度、孔隙度、渗透率、粒径分布、水合物饱和度、原始地层强度；
（3）利用固化液体系，采用压裂的方式，使其固化实施在模拟地层，形成加固体进行层内加固；所述加固体具有合理的渗透率和强度；
（4）根据目标地层所需加固范围，结合加固体特性，调控压裂注浆施工工艺，包括：注浆管柱割缝参数和固化液注入参数，直至满足地层固化需求；所述加固体特性包括加固体的深度、截面形态、加固体的数量以及加固体自身强度。
所述步骤（3）进一步包括：
（3-1）对适于水合物地层固化液体系进行分析。固化液体系主要组成为可硬化材料、乳化液、可渗透微球、增渗剂和流变调节剂，且适于低温、高压的深水浅层环境，且具有较好的流动性和渗透特性；固化产物自身具有较高的渗透率和强度，与周围地层能够良好的胶结特性；
（3-2）采用固化液作为压裂工作液，对模拟地层进行压裂处理。在已有水合物地层压裂施工工艺基础上，设计注浆管柱割缝参数（割缝形状及该形状参数）、固化液注入参数（注入压力差、注入流量及注入方向角等），分析其对压裂裂缝延伸深度、宽度和厚度的影响规律，并基于此对上述参数进行调控，使其满足水合物地层加固范围需求。
所述步骤（4）进一步包括：
（4-1）固化液注入模拟地层后，依据目标地层环境条件，维持一定时间的压力，使得固化液滞留于裂缝中固结形成加固体。加固体形成后改变温度、压力，水合物失稳分解，收集称重脱落软土，得出加固体胶结软土占比，以此分析压裂注浆地层改造的防砂作用；对比加固体形态和裂缝形态间的差异，调整压裂注浆的注浆管柱割缝参数和注入参数，建立加固体特性的调控方法；
（4-2）对固化后的模拟水合物地层进行抗压、抗剪强度测试，分析其加固效果，并基于此分析加固体形态以及加固体自身强度对加固效果的影响，建立水合物地层层内加固调控方法。
压裂注浆层内加固使得弱胶结的水合物地层整体强度提高，有效支撑地层，避免开发过程中水合物分解导致地层塌陷，同时加固体与地层良好的胶结及加固体间形成的网络结构，能够有效降低软土脱落量，避免出砂等问题，为水合物开发的安全性、高效性提供重要保障。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、改进、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (8)
1.天然气水合物地层层内加固防塌、防砂理论，其特征在于，将地层改造与压裂注浆加固技术相结合，通过压裂注浆工艺，在天然气水合物地层中出现一定高度和宽度的裂缝，通过一定的压差使固化液进入裂缝并渗入地层，形成具有“肋板”结构且具有一定强度和渗透率的加固体，对地层起支撑防塌、防砂作用，从根本上解决水合物层在开采过程中地层塌陷、出砂问题。
2.根据权利要求1所述的天然气水合物地层层内加固防塌、防砂理论，其特征在于，加固体在水合物地层内具有一定的深度、高度和厚度，与地层具有良好的胶结性，其强度要高于水合物地层的强度。
3.天然气水合物地层层内加固防塌、防砂实现方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）采集天然气水合物地层样本或基于已有现场资料，明确目标地层的温度、压力环境参数；
（2）分析目标地层物性参数，并根据目标地层物性参数确定模拟地层配方；以水定量、气过量的方式，控制水合物饱和度；在目标地层温度、压力条件下，对模拟地层进行养护，测试其物性参数，对比目标地层参数，调整试验设计参数，直至模拟地层与目标地层的物性参数相同或相似；
（3）利用固化液体系，采用压裂的方式，使其固化实施在模拟地层，形成加固体进行层内加固；所述加固体具有合理的渗透率和强度；
（4）根据目标地层所需加固范围，结合加固体特性，调控压裂注浆施工工艺，包括：注浆管柱割缝参数和固化液注入参数，直至满足地层固化需求。
4.根据权利要求3所述的天然气水合物地层层内加固防塌、防砂实现方法，其特征在于，所述步骤（2）中物性参数包括但不限于密度、孔隙度、渗透率、粒径分布、水合物饱和度、原始地层强度。
5.根据权利要求3所述的天然气水合物地层层内加固防塌、防砂实现方法，其特征在于，所述固化液具有良好的渗透特性，能够通过裂缝并向地层渗入一定的深度；所述固化液要适用于天然气水合物地层温度、压力条件，在泵入地层前具有较小的稠度，保证其在施工过程的流动特性；固化后的加固体与目的地层具有良好的胶结、合理的渗透特性和强度性能。
6.根据权利要求3所述的天然气水合物地层层内加固防塌、防砂实现方法，其特征在于，所述注入参数包括注入压力差和注入流量；所述注浆管柱割缝参数包括割缝形状及其形状参数；所述加固体特性包括加固体的深度、截面形态、加固体的数量以及加固体自身强度。
7.根据权利要求3所述的天然气水合物地层层内加固防塌、防砂实现方法，其特征在于，所述水合物地层层内加固采用储层压裂方法，压裂参数应根据水合物地层的物性参数、力学参数来确定；室内模拟可以采用水合物储层层内加固模拟装置实施和监测。
8.根据权利要求3所述的天然气水合物地层层内加固防塌、防砂实现方法，其特征在于，所述固化液体系在侯凝进而形成加固体的过程中，需在目标地层温度条件下，维持一定时间的泵压，防止裂缝的闭合和固化液被挤出；所述泵压的大小可以根据注入压力差确定：所述维持泵压的时间可以根据固化液侯凝特性确定。
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