本發(fā)明涉及一種儲層改造開采的方法，尤其涉及一種海域天然氣水合物儲層改造開采的方法，屬于天然氣水合物開采領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

天然氣水合物是由天然氣和水分子組成的類似冰狀的固態(tài)結(jié)晶體，天然氣主要由甲烷組成，故也稱為甲烷水合物。天然氣水合物的能量密度很高，據(jù)理論計算1立方米的飽和天然氣水合物在標(biāo)準(zhǔn)條件下可釋放出164立方米的甲烷氣體，是其它非常規(guī)氣源巖(諸如煤層氣、黑色頁巖)能量密度的10倍，為常規(guī)天然氣能量密度的2-5倍。

雖然水合物資源前景誘人，但是，由于天然氣水合物資源環(huán)境的復(fù)雜性以及開發(fā)過程中可能帶來的環(huán)境安全問題，世界范圍內(nèi)針對天然氣水合物大規(guī)模商業(yè)開發(fā)仍持謹(jǐn)慎態(tài)度。目前該領(lǐng)域研究工作仍處于機(jī)理探討、開采技術(shù)論證以及小規(guī)模試驗開采的階段，天然氣水合物資源的安全高效利用將依賴?yán)碚撘约肮こ碳夹g(shù)的創(chuàng)新和突破。

與常規(guī)油氣資源不同，自然界中尤其是海底環(huán)境下的天然水合物儲層通常沒有發(fā)育成熟的上覆蓋層或封閉巖層。天然氣水合物開采過程中可能出現(xiàn)甲烷氣的大面積逸散導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境災(zāi)害。水合物以固態(tài)形式與沉積物顆粒相互作用維持沉積物的穩(wěn)定性，所以開采過程中水合物相態(tài)的轉(zhuǎn)變將破壞這種穩(wěn)定性，引發(fā)坍塌、滑坡、海嘯等地質(zhì)災(zāi)害。此外，多數(shù)水合物儲層存在滲透率低的特點，分解過程產(chǎn)生大量的水，會進(jìn)一步降低氣體的相對滲透率，影響采氣效率和穩(wěn)定性。水合物分解常需要一些激發(fā)措施，如降壓、注熱水、注抑制劑等，這些作業(yè)同樣受制于水合物儲層的低滲透性和沒有封閉的蓋層的影響。因此，為應(yīng)對可能的環(huán)境和地質(zhì)風(fēng)險以及提高水合物開采效率，水合物開采前及開采過程中需要進(jìn)行儲層改造和保護(hù)作業(yè)。

雖然儲層改造在常規(guī)油氣以及頁巖氣開采中是一項常見的作業(yè)，但在水合物開采方面中還沒有明確提出這一概念。在天然氣水合物開采前后及開采過程中進(jìn)行儲層改造和保護(hù)的主要目標(biāo)是降低水合物開采導(dǎo)致的環(huán)境和地質(zhì)風(fēng)險，提高產(chǎn)氣速度、延長高效產(chǎn)氣的周期。真正意義上的天然氣水合物儲層改造和保護(hù)相關(guān)研究在國際上尚處于空白狀態(tài)。國際上已有的現(xiàn)場開采試驗均未進(jìn)行儲層改造和保護(hù)作業(yè)，其結(jié)果是試開采獲得的單井產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣周期均很不理想，完全達(dá)不到商業(yè)開采的要求。

所以要實現(xiàn)水合物的商業(yè)開采，儲層改造和保護(hù)是必經(jīng)之路。而目前國內(nèi)外缺乏專門相關(guān)的研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種海域天然氣水合物儲層改造開采方法，該方法可以防止天然氣非可控逸散以及開采過程中海水對儲層的侵淹，降低水束縛效應(yīng)，提高產(chǎn)氣率，同時維持地層力學(xué)穩(wěn)定性。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種海域天然氣水合物儲層改造開采的方法，該海域天然氣水合物儲層改造開采的方法包括以下步驟：

在天然氣水合物儲層部署生產(chǎn)井，在天然氣水合物儲層的上部蓋層部署注入井；

向注入井中注入CO₂，當(dāng)CO₂覆蓋天然氣水合物儲層的上部蓋層，且厚度達(dá)到上部蓋層內(nèi)二氧化碳水合物穩(wěn)定區(qū)厚度的50％-90％時，停止注入CO₂；

當(dāng)上部蓋層沉積物內(nèi)CO₂水合物生長停止，或當(dāng)CO₂水合物平均飽和度大于30％后，采用降壓開采方式進(jìn)行開采；

當(dāng)采出氣體組成中CO₂摩爾含量大于90％時，或當(dāng)儲層壓力降到開采壓力時，停止開采，關(guān)閉生產(chǎn)井，完成對海域天然氣水合物儲層的改造開采。

在本發(fā)明提供的海域天然氣水合物儲層改造開采的方法中，優(yōu)選地，向注入井中注入的CO₂包括液態(tài)二氧化碳或超臨界二氧化碳。

在本發(fā)明提供的海域天然氣水合物儲層改造開采的方法中，優(yōu)選地，向注入井中注入CO₂時，CO₂的注入溫度為高于上部蓋層壓力下CO₂水合物的生成溫度。

在本發(fā)明提供的海域天然氣水合物儲層改造開采的方法中，向注入井中注入CO₂時，CO₂的注入溫度為高于上部蓋層壓力下CO₂水合物的生成溫度，目的是防止注入過程中水合物生成而堵塞注入通道。

在本發(fā)明提供的海域天然氣水合物儲層改造開采的方法中，優(yōu)選地，向注入井中注入CO₂時，CO₂的注入壓力小于注入溫度下CO₂水合物的生成壓力，不超過天然氣水合物儲層的上部蓋層的破裂壓力。

在本發(fā)明提供的海域天然氣水合物儲層改造開采的方法中，優(yōu)選地，降壓開采時的開采壓力為高于天然氣水合物儲層的上部蓋層處CO₂水合物的穩(wěn)定壓力，低于天然氣水合物的穩(wěn)定壓力。

在本發(fā)明提供的海域天然氣水合物儲層改造開采的方法中，CO₂覆蓋天然氣水合物儲層的上部蓋層是指CO₂全面覆蓋天然氣水合物儲層的上部蓋層。

在本發(fā)明提供的海域天然氣水合物儲層改造開采的方法中，對降壓開采的開采溫度沒有要求，本領(lǐng)域常規(guī)溫度即可。

在本發(fā)明提供的海域天然氣水合物儲層改造開采的方法中，優(yōu)選地，注入井和生產(chǎn)井均為直井。

在本發(fā)明提供的海域天然氣水合物儲層改造開采的方法中，優(yōu)選地，注入井為水平井，生產(chǎn)井為直井。

在本發(fā)明提供的海域天然氣水合物儲層改造開采的方法中，優(yōu)選地，注入井和生產(chǎn)井均為水平井。

在本發(fā)明提供的海域天然氣水合物儲層改造開采的方法中，優(yōu)選地，海域天然氣水合物儲層為上方存在CO₂水合物熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)域的海域天然氣水合物儲層。

本發(fā)明的海域天然氣水合物儲層改造開采的方法中，CO₂水合物的轉(zhuǎn)化量、范圍、滲透性，CO₂氣體遷移以及降壓生產(chǎn)開始時間點均根據(jù)地球物理測量方法確定。

本發(fā)明的海域天然氣水合物儲層改造開采的方法中，采用降壓開采方法，降壓可以誘導(dǎo)形成的CO₂蓋層向下遷移，隨著開采的進(jìn)行蓋層處釋放出CO₂氣體并向下運移至天然氣水合物采空區(qū)重新形成水合物。

本發(fā)明的海域天然氣水合物儲層改造開采的方法，針對海底天然氣水合物儲層的低滲透、蓋層高滲的特點，基于CO₂水合物原理的儲層改造思路，天然氣水合物儲層上部區(qū)域存在著廣泛的CO₂水合物熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)域，將天然氣水合物儲層改造/保護(hù)與CO₂海底封存結(jié)合起來，即向天然氣水合物儲層上方蓋層CO₂水合物穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)注入CO₂并使之轉(zhuǎn)化為低滲透性且具有一定強(qiáng)度的人造CO₂水合物封蓋層包圍天然氣水合物儲層，然后進(jìn)行開采作業(yè)。

本發(fā)明的海域天然氣水合物儲層改造開采的方法，具有如下優(yōu)點：

利用人造蓋層，防止天然氣非可控逸散以及開采過程中海水對儲層的侵淹，利于對儲層進(jìn)行排水減壓作業(yè)，降低水束縛效應(yīng)，提高氣體滲透率，同時維持地層的膠結(jié)狀態(tài)，即力學(xué)穩(wěn)定性；

人造CO₂水合物蓋層可以引出另一種更高效的置換開采技術(shù)。目前采用的將CO₂直接注入甲烷水合物儲層的置換開采方法，采出氣中甲烷濃度很低，儲層中甲烷的置換百分率也較低。而如果采用CO₂水合物蓋層+降壓聯(lián)合模式來開采，CO₂水合物蓋層隨著天然氣水合物的分解而向下遷移。因為天然氣水合物的降壓開采，會引起分解波及的儲層溫度降低，壓力的降低導(dǎo)致CO₂水合物蓋層的下邊界不穩(wěn)定而分解，產(chǎn)生的CO₂向下遷移到低溫區(qū)(天然氣水合物采空區(qū))再次形成水合物，分解-再生成的連續(xù)進(jìn)行將導(dǎo)致CO₂蓋層的下移，不僅保護(hù)了天然氣水合物采空區(qū)的地質(zhì)穩(wěn)定性，而且保證采出氣中甲烷的高濃度和高的置換分率。

本發(fā)明的海域天然氣水合物儲層改造開采的方法基于CO₂水合物原理進(jìn)行天然氣水合物儲層改造與保護(hù)，是一種原創(chuàng)性的技術(shù)思想。它能夠強(qiáng)化海底CO₂封存效果以及提高天然氣水合物開采的效率和安全系數(shù)，符合我國目前碳減排和封存、以及未來大規(guī)模商業(yè)開發(fā)天然氣水合物資源的近期和長遠(yuǎn)需求。

附圖說明

圖1是實施例1中海域天然氣水合物儲層改造開采示意圖。

圖2是實施例1中天然氣水合物儲層內(nèi)壓力變化圖。

圖3是實施例1中改造后與不改造的汽水比對比圖。

主要附圖符號說明

1上層海水層 2上覆蓋層 3天然氣水合物儲層 4下覆蓋層 5二氧化碳水合物蓋層 6新二氧化碳水合物層 7甲烷水合物采空區(qū) 8注入井 9生產(chǎn)井

具體實施方式

為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行以下詳細(xì)說明，但不能理解為對本發(fā)明的可實施范圍的限定。

實施例1

本實施例提供了一種海域天然氣水合物儲層改造開采的方法，該方法具體包括以下步驟：

在一定溫度條件下，CO₂水合物的生成壓力小于甲烷水合物的生成壓力，自然環(huán)境中，天然氣水合物儲層上部區(qū)域存在著廣泛的CO₂水合物熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)域。海域天然氣水合物賦存的環(huán)境如圖1所示，從上至下分為：上層海水層1，上覆蓋層2，天然氣水合物儲層3，下覆蓋層4。

穿過上層海水層1以及上覆蓋層2，在天然氣水合物儲層3中部署一生產(chǎn)井9；穿過上層海水層1，在上覆蓋層2中圍繞生產(chǎn)井9鉆一系列注入井8。

在降壓開始前，封閉生產(chǎn)井9，將液態(tài)CO₂通過注入井8注入到天然氣水合物上覆蓋層2中，通過地球物理測量監(jiān)測注入的CO₂的覆蓋面、各處的平均厚度以及上覆蓋層2內(nèi)二氧化碳水合物的飽和度。液態(tài)CO₂的注入溫度為10℃，高于上覆蓋層2壓力8MPa時CO₂水合物生成溫度8.2℃，注入壓力為9MPa小于注入溫度下CO₂水合物的生成壓力26.2MPa，但小于上部蓋層2的破裂壓力。當(dāng)?shù)厍蛭锢頊y量結(jié)果顯示注入的液態(tài)CO₂覆蓋整個上覆蓋層2后，并且厚度達(dá)到上覆蓋層2內(nèi)二氧化碳熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)厚度的90％時，停止注入。注入的液態(tài)CO₂到達(dá)低溫蓋層處后溫度逐漸降低到CO₂水合物生成溫度，CO₂水合物開始生成，堵塞蓋層沉積物的孔道，降低蓋層的滲透性，同時水合物膠結(jié)沉積物顆粒增強(qiáng)了上覆蓋層2的力學(xué)穩(wěn)定性。蓋層處CO₂水合物的飽和度變化可以通過地球物理手段監(jiān)測。注入的二氧化碳水合物后當(dāng)蓋層孔隙內(nèi)的CO₂水合物飽和度達(dá)到30％到一定轉(zhuǎn)化率后，上覆蓋層2處水合物生長停止，二氧化碳水合物蓋層5形成，改造過程結(jié)束。

形成的二氧化碳水合物蓋層5完全將上層海水層1與天然氣水合物儲層3分隔開來。

開啟生產(chǎn)井9通過井下泵抽汲水合物儲層內(nèi)的流體，通過控制抽汲速率來控制井底生產(chǎn)壓力使其保持在CO₂水合物穩(wěn)定壓力之上。這樣既能滿足天然氣水合物的有效分解又能夠維持上覆蓋層2穩(wěn)定性和封閉性。隨著甲烷水合物采空區(qū)7中的壓力降低，天然氣水合物不斷分解，產(chǎn)生汽水混合物向生產(chǎn)井9運移并隨儲層流體采出并收集于生產(chǎn)平臺。壓力的降低導(dǎo)致二氧化碳水合物蓋層5的下邊界不穩(wěn)定而釋放出二氧化碳?xì)怏w，并向下遷移到甲烷水合物采空區(qū)7形成新二氧化碳水合物層6，膠結(jié)甲烷水合物采空區(qū)7的沉積物顆粒并維持其力學(xué)穩(wěn)定性。由于CO₂的向下遷移，生產(chǎn)平臺上要不斷監(jiān)測采出氣體組成。當(dāng)采出氣體組成中CO₂摩爾含量大于90％停止開采，關(guān)閉生產(chǎn)井9。若采出氣體組成未達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)，但儲層壓力已經(jīng)降到設(shè)定開采壓力時也要停止生產(chǎn)。

本實施例的海域天然氣水合物儲層改造開采的方法利于對儲層進(jìn)行排水減壓作業(yè)，降低水束縛效應(yīng)，提高氣體滲透率，同時維持地層的膠結(jié)狀態(tài)，即力學(xué)穩(wěn)定性。如圖2中，降壓過程中上層海水層1的壓力一直保持8MPa，而天然氣水合物儲層內(nèi)的壓力逐漸降低到3MPa，CO₂水合物蓋層始終承受著上端和下端5MPa的壓差，保護(hù)天然氣水合物儲層不受外部海水侵入。如圖3所示，在二氧化碳水合物蓋層的保護(hù)下，產(chǎn)出的氣水比隨著水量的減少快速上升。而無二氧化碳水合物蓋層保護(hù)時，產(chǎn)出的氣水比極低沒有任何經(jīng)濟(jì)價值。

本發(fā)明的實施例中，注入井8和生產(chǎn)井9為直井，但本發(fā)明的方法不僅適用于直井，也適用于注入井8是水平井、生產(chǎn)井9為直井的情況；或者注入井8和生產(chǎn)井9均為水平井的情況。

以上實施例說明，本發(fā)明的海域天然氣水合物儲層改造開采的方法能夠強(qiáng)化海底CO₂封存效果以及提高天然氣水合物開采的效率和安全系數(shù)，符合我國碳減排和封存、以及未來大規(guī)模商業(yè)開發(fā)天然氣水合物資源的近期和長遠(yuǎn)需求。