一种降压法辅助温控CO2置换天然气水合物的开采方法与流程

本发明涉及天然气水合物开采领域，特别是涉及一种降压法辅助温控co2置换天然气水合物的开采方法。

背景技术：

天然气水合物(俗称可燃冰)有望成为21世纪继页岩气、致密气、煤层气、油砂等之后接替能源之一，其主要分布在陆地永久冻土带和沿海大陆架300-3000m水深海域，其中约90％储存在深海区域。总之，天然气水合物具有巨大的开发价值。目前，传统开采方法主要有降压法、热激发法和化学剂法，新型开采方式主要有co2置换法和固体开采法。

降压法原理是通过降低水合物储层孔隙压力使其低于该区域温度对应的水合物相平衡压力，打破水合物稳定条件而使其分解。降压法通常是降低水合物层下伏游离气层的压力或抽取水合物储层流体。该法开采水合物过程无热量消耗和损失，不需要连续激发，成本较低，是所有开采方法中的首选方法。但是降压法也存在缺陷，主要包括：一是水合物分解为吸热过程，温度不断降低会导致天然气水合物二次生成或者地层水结冰，导致储层的渗透率下降，压力降在地层中传播速度较慢，影响天然气水合物分解产气速度；二是天然气水合物的开采引起地层强度的降低，可能导致地层失稳，造成大量出砂造成井口堵塞。

co2是全球变暖的主要诱导因素，受到科学家们的重视，利用埋存co2置换天然气水合物中的天然气逐渐成为新兴研究方向之一。同时置换过程没有水合物的分解，置换过程在原位发生，不会造成地层失稳情况的发生，注入co2能补充地层能量，提高采收率。但是co2置换法存在以下缺陷：一是置换效率不好，导致埋存量较小；二是导致ch4和co2混合，带来气体分离的成本，而且还导致co2-ch4混合气体水合物的生产，降低了产气量和co2埋存量。

技术实现要素：

为解决以上技术问题，本发明提供一种降压法辅助温控co2置换天然气水合物的开采方法，在适宜的压力下注入一定温度的co2与天然气水合物接触并达到新的平衡，提升置换效率，实现天然气水合物的有效开采和co2的有效地质埋存。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种降压法辅助温控co2置换天然气水合物的开采方法，包括以下步骤：

步骤一、钻注到达天然气水合物储层的注气井和若干个生产井，所述生产井包括采出井竖直段和位于天然气水合物储层中的生产井水平段，所述注气井包括注气井竖直段和若干组位于天然气水合物储层中的注气井水平段，一组所述注气井水平段与一个所述生产井相对应；

步骤二、对所述生产井水平段选取降压位置，采用低密度泥浆钻完井对天然气水合物储层降压，使井筒附近储层中的部分天然气水合物分解，形成渗流通道，当天然气水合物储层的压力降至天然气水合物储层温度所对应水合物相平衡压力的15％以下或达到工程实际要求时，停止降压开采；

步骤三、在所述注气井水平段下生产套管，接着下油管，对所述注气井水平段进行射孔完井，注入co2气体进行置换反应，通过控制注入泵的出口压力控制天然气水合物储层压力在对应于天然气水合物储层温度的二氧化碳水合物相平衡压力范围内，当所述注气井水平段的温度接近天然气水合物生成的临界平衡温度时，通过控制注入co2的温度实现地层中的置换反应持续进行，直到天然气产量明显下降或达到工程设计最低要求时停止对所述注气井注入co2；

步骤四、所述生产井水平段采用套管射孔完井，开采的天然气输送到所述生产井井口连接的气液分离器中，经过所述气液分离器之后分离出的液体和气体分别收集到液体罐和集气罐中。

优选地，在所述步骤一中，所述注气井水平段的延伸方向与所述生产井水平段的延伸方向是相反的，各组所述注气井水平段包括两个注气分支水平井，一个所述注气分支水平井靠近天然气水合物储层顶部，另一个所述注气分支水平井靠近天然气水合物储层底部，所述生产井水平段处于两个所述注气分支水平井之间。

优选地，在所述步骤三中，将各所述注气分支水平井分为注气分支水平井前段、注气分支水平井中间段和注气分支水平井末段，每段由封隔器隔离，实现co2置换天然气水合物反应的分区域进行，所述注气分支水平井前段、所述注气分支水平井中间段和所述注气分支水平井末段均安装有压力传感器和温度传感器，所述压力传感器和所述温度传感器均与控制器连接，所述控制器与用于对向所述注气井中注入的co2气体进行加热的加热器连接，所述控制器能够控制所述加热器的加热温度。

优选地，在所述步骤三中，先对靠近天然气水合物储层底部的所述注气分支水平井分区域进行co2置换天然气水合物反应，再对靠近天然气水合物储层顶部的所述注气分支水平井分区域进行co2置换天然气水合物反应；或者先对靠近天然气水合物储层顶部的所述注气分支水平井分区域进行co2置换天然气水合物反应，再对靠近天然气水合物储层底部的所述注气分支水平井分区域进行co2置换天然气水合物反应；或者先对同一方向的两个所述注气分支水平井末段进行co2置换天然气水合物反应，再对同一方向的两个所述注气分支水平井中间段进行co2置换天然气水合物反应，最后对同一方向的两个所述注气分支水平井前段进行co2置换天然气水合物反应。

优选地，在所述步骤四中，所述生产井水平段采用割缝衬管并在所述割缝衬管外进行砾石充填防砂保护。

优选地，在所述步骤四中，在所述气体分离器与所述集气罐之间设置气体流量计。

优选地，在所述步骤一中，布井方案按照五点法，所述生产井设置为四口，所述注气井处于中心，所述注气井设置四组不同方位的所述注气井水平段，四口所述生产井设置于所述注气井周边。

优选地，各组所述注气井水平段的深度不同。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的降压法辅助温控co2置换天然气水合物的开采方法，首先进行降压法开采，当产量过低时，利用注气井注入co2进行置换开采天然气水合物，使天然气水合物开采和注co2气体进行置换反应同时进行，置换反应过程中，通过控制注入泵的出口压力控制天然气水合物储层压力在对应于天然气水合物储层温度的二氧化碳水合物相平衡压力范围内，当所述注气井水平段的温度接近天然气水合物生成的临界平衡温度时，通过控制注入co2的温度实现地层中的置换反应持续进行，防止由于温度过低导致置换反应无法进行，提升置换效率，实现天然气水合物的有效开采和co2的有效地质埋存。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明降压法辅助温控co2置换天然气水合物的开采方法的示意图；

图2为本发明中生产井的示意图；

图3为本发明中五点法布井方案的俯视图。

附图标记说明：1、co2气罐；2、注入泵；3、泥岩层；4、天然气水合物储层；5、第一悬挂器；6、封隔器；7、注气分支水平井前段；8、注气分支水平井中间段；9、注气分支水平井末段；10、温度传感器；11、压力传感器；12、生产井温度传感器；13、生产井压力传感器；14、气液分离器；15、液体罐；16、气体流量计；17、集气罐；18、控制器；19、防砂装置；20、表层套管；21、技术套管；22、水泥环；23、第二悬挂器；24、尾管；25、生产井封隔器；26、割缝衬管；27、砾石；28、射孔孔眼；29、注气井；30、生产井。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种降压法辅助温控co2置换天然气水合物的开采方法，在适宜的压力下注入一定温度的co2与天然气水合物接触并达到新的平衡，提升置换效率，实现天然气水合物的有效开采和co2的有效地质埋存。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-3所示，本实施例提供一种降压法辅助温控co2置换天然气水合物的开采方法，包括以下步骤：

步骤一、钻注到达天然气水合物储层4的注气井29和若干个生产井30，生产井30包括采出井竖直段和位于天然气水合物储层4中的生产井水平段，注气井29包括注气井竖直段和若干组位于天然气水合物储层4中的注气井水平段，一组注气井水平段与一个生产井30相对应；

步骤二、对生产井水平段选取降压位置，采用低密度泥浆钻完井对天然气水合物储层4降压，使井筒附近储层的部分天然气水合物分解，形成渗流通道，当天然气水合物储层4的压力降至天然气水合物储层4温度所对应水合物相平衡压力的15％以下或达到工程实际要求时，停止降压开采；

步骤三、在注气井水平段下生产套管，接着下油管，对注气井水平段进行射孔完井，注入co2气体进行置换反应，通过控制注入泵2的出口压力控制天然气水合物储层4压力在对应于天然气水合物储层4温度的二氧化碳水合物相平衡压力范围内，当注气井水平段的温度接近天然气水合物生成的临界平衡温度时，通过控制注入co2的温度实现地层中的置换反应持续进行，直到天然气产量明显下降或达到工程设计最低要求时停止对注气井29注入co2；

步骤四、生产井水平段采用套管射孔完井，开采的天然气输送到生产井30井口连接的气液分离器14中，经过气液分离器14之后分离出的液体和气体分别收集到液体罐15和集气罐17中。

具体地，在步骤一中，注气井水平段的延伸方向与生产井水平段的延伸方向是相反的，各组注气井水平段包括两个注气分支水平井，一个注气分支水平井靠近天然气水合物储层4顶部，另一个注气分支水平井靠近天然气水合物储层4底部，生产井水平段处于两个注气分支水平井之间。通过在生产井水平段上下各设置一个注气分支水平井，增大了置换的面积和区域，有利于天然气水合物的稳定分解和co2水合物的快速生成，提高置换效率。

在步骤三中，将各注气分支水平井分为注气分支水平井前段7、注气分支水平井中间段8和注气分支水平井末段9，每段由封隔器6隔离，实现co2置换天然气水合物反应的分区域进行，解决了单一固定位置注入co2时，由于co2水合物生成导致注入能力逐渐降低的问题，并能及时提高了储层的温度、补充地层能量来提高置换率和加强地层的稳定性，同时能实现co2以水合物的形式埋存。

为了对注气分支水平井各段的压力和温度进行实时监控，各注气分支水平井前段7、各注气分支水平井中间段8和各注气分支水平井末段9均安装有压力传感器11和温度传感器10，压力传感器11和温度传感器10均与控制器18连接，控制器18与用于对向注气井29中注入的co2气体进行加热的加热器连接，控制器18能够控制加热器的加热温度。co2气罐1中的气体通过注入泵2输送至注气井29中，加热器设置于co2气罐1和注入泵2之间，用于对co2气罐1中出来的co2气体进行加热。当注气分支水平井各段分区域进行置换反应时，根据当前反应段的温度传感器10传输回控制器18的温度值判断该反应段的温度是否接近天然气水合物生成的临界平衡温度，当该反应段的温度接近天然气水合物生成的临界平衡温度时，控制器18控制加热器将co2气体加热至设定温度值，通过控制注入co2的温度实现该反应段的置换反应持续进行，防止由于温度过低导致置换反应无法进行，提升置换效率，实现天然气水合物的有效开采和co2的有效地质埋存。

不同注气分支水平井中各段的对应的控制器中的设定温度值是不同的，各段的设定温度值取决于目标层位的深度和水平段的长度，主要考虑co2在注入过程中，在井筒中的垂直段的热损失和水平段的热损失，根据传热学原理和现有的数学模型，可以初步计算出这个过程中的总热量损失，进而确定置换前缘的温度，通过温度传感器10对该温度进行校正，对模型进行修正，利用完善后的数学模型就可以计算出不同注入位置co2温度，达到实时监控和控制的目的。在置换前缘co2在地层中与地层岩石和天然气水合物之间存在热对流和热传导，根据地层岩石和各流体的导热系数可以计算出前缘的热量变化，在置换过程中天然气水合物分解属于吸热过程，co2水合物的形成属于放热过程，但是co2水合物放热提供的热量不足以维持天然气水合物的持续分解，如果没有热量来源，在压力稳定的前提下天然气水合物是不会持续分解的，热量来源由co2提供，通过在井口控制注入的co2的温度，控制co2携带的总热量，最终达到控制天然气水合物分解时所需要的热量，实现温度控制天然气水合物分解和co2水合物生成的置换条件。

同时，控制注气速度与co2水合物生成速度相适应，避免大量co2气体从co2水合物生成前缘向上扩散与ch4气体混合或在储层上部生成co2水合物降低渗透率。

于本具体实施例中，在步骤三中，先对靠近天然气水合物储层4底部的注气分支水平井分区域进行co2置换天然气水合物反应，再对靠近天然气水合物储层4顶部的注气分支水平井分区域进行co2置换天然气水合物反应。

于另一实施例中，在步骤三中，先对靠近天然气水合物储层4顶部的注气分支水平井分区域进行co2置换天然气水合物反应，再对靠近天然气水合物储层4底部的注气分支水平井分区域进行co2置换天然气水合物反应。

当对单独的一个注气分支水平井进行分区域置换反应时，具体步骤为：先对注气分支水平井末段9进行射孔完井，注入co2气体，当注气分支水平井末段9的温度接近天然气水合物生成的临界平衡温度时，控制器18通过控制加热器将注入co2的温度加热至该段的设定温度值以实现置换反应持续进行，直到天然气产量明显下降或达到工程设计最低要求时停止对注气井注入co2；用封隔器6来隔离注气分支水平井末段9，对注气分支水平井中间段8进行射孔完井，注入co2气体，当注气分支水平井中间段8的温度接近天然气水合物生成的临界平衡温度时，控制器18通过控制加热器将注入co2的温度加热至该段的设定温度值以实现置换反应持续进行，直到天然气产量明显下降或达到工程设计最低要求时停止对注气井注入co2；用封隔器6隔离注气分支水平井中间段8之后，对注气分支水平井前段7射孔完井，注入co2气体，当注气分支水平井前段7的温度接近天然气水合物生成的临界平衡温度时，控制器18通过控制加热器将注入co2的温度加热至该段的设定温度值以实现置换反应持续进行，直到天然气产量明显下降或达到工程设计最低要求时停止对注气井注入co2。

关于工程设计最低要求，工程设计中是考虑技术参数和经济效益的，如果置换率过低，成本必然上升，整体效益必然降低。不同区块储量不同，生产成本不同，对置换率的要求也不一样，所以要根据总体设计方案中的工程设计最低要求执行。

于另一实施例中，在步骤三中，先对同一方向的两个注气分支水平井末段9进行co2置换天然气水合物反应，再对同一方向的两个注气分支水平井中间段8进行co2置换天然气水合物反应，最后对同一方向的两个注气分支水平井前段7进行co2置换天然气水合物反应。

当同时对同一方向的两个注气分支水平井进行分区域置换反应时，控制器18判断反应段的温度是否接近天然气水合物生成的临界平衡温度时，任意取两个注气分支水平井末段9的测量温度值之一、两个注气分支水平井中间段8的测量温度值之一或两个注气分支水平井前段7的测量温度值之一，相对应地，控制器18控制加热器的加热温度时任意取针对两个注气分支水平井末段9的设定温度值之一、两个注气分支水平井中间段8的设定温度值之一或两个注气分支水平井前段7的设定温度值之一。

在步骤三中，生产过程中，主要通过注气井井口注入泵2的出口压力维持置换前缘的压力相对稳定。压力范围是与温度相关的，在开采过程中，维持压力稳定很重要，根据注入泵2的出口压力通过现有模型预测置换前缘的压力，根据压力传感器11数值对模型进行修正，利用修正后的模型计算出置换前缘不同压力条件下所需的注入泵2的出口压力，达到压力控制的目的，进而控制天然气水合物储层4压力在对应于天然气水合物储层4温度的二氧化碳水合物相平衡压力范围内，进而保证置换反应顺利进行。

在步骤二中，生产井水平段设置有生产井温度传感器12和生产井压力传感器13，进而实时监控生产井井底流压和温度，在降压法生产过程中判断天然气水合物储层4压力是否降至储层温度所对应水合物相平衡压力的15％以下。

控制器18包括显示屏，显示屏能够显示生产井温度传感器12、生产井压力传感器13以及注气分支水平井中的温度传感器10和压力传感器11的数值。

在步骤四中，由于海洋天然气水合物赋存区域具有埋深浅、弱胶结的特点，在生产井水平段采用套管射孔完井技术，避免层间干扰和地层坍塌。根据工程实际要求将技术套管21和尾管24下至目的层生产井水平段并在井底注水泥固井，最后实现水平段分区域射孔，射孔弹射穿技术套管21、水泥环22并穿透天然气水合物储层4一定深度，建立起流体渗流的通道。

进一步地，在步骤四中，为了避免开采过程中出现出砂问题，在生产井水平段设有防砂装置19，具体地，生产井水平段采用割缝衬管26并在割缝衬管26外进行砾石27充填防砂保护，充填在井底的砾石层起到滤砂器的作用，它能够允许气体等流体通过，而有效阻止地层砂粒通过，可以有效防止由于出砂导致井口堵塞。具体地，砾石27粒径dg是储层砂粒度中值d50的5～6倍，砾石27的球度大于0.6，砾石27的圆度大于0.6，砾石27在标准土酸中的溶解重量百分数不得超过1％。

在步骤四中，在气体分离器14与集气罐17之间设置气体流量计16，进而准确记录产气量。

于本具体实施例中，布井方案按照五点法，生产井30设置为四口，注气井29处于中心，注气井29设置四组不同方位的注气井水平段，四口生产井30设置于注气井29周边。通过多方位的注入co2，增大co2与天然气水合物的接触面积，提高采收率。具体地，各组注气井水平段的深度不同。

在实际开采过程中，中间的注气井29与每一口生产井30是单独在不同的时间段进行的，在置换第一口生产井30的过程中，其余三口生产井30的层位是没有射开生产的。当完成一口生产井30的生产后，可以在垂直井筒中利用封隔器封堵该层位，射开对应第二口生产井30的注气分支水平井的目标段，以此类推，完成四口生产井30的总体置换开采。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。