基于温海水-砾石吞吐置换开采I类水合物系统的方法

摘要

本发明方案公开一种基于温海水‑砾石吞吐置换开采I类水合物系统的方法：(1)针对浅层含块状水合物I类水合物系统储层，打一贯穿水合物层和游离气层的主井眼，并在游离气层射孔，降压开采下伏游离气；(2)通过采用水合物储层钻取主井加多分支孔的方法来增大块状水合物的分解表面积，并结合表层海水吞吐法、流体抽取降压法相结合的开采技术，使块状水合物逐步分解；(3)通过间歇式向地层中注入一定粒径的砂砾，不断填补由块状水合物分解造成的地层亏空空间，维持地层稳定的同时提高近井渗透率；循环往复执行，既实现了天然气水合物的持续性、规模性开采，又维护了海底环境及生态系统的稳定，体现了绿色环保开发理念。

权利要求

1.基于温海水吞吐-砾石置换开采I类水合物系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、针对I类水合物系统储层，打一垂直主井眼贯穿水合物储层和游离气层，并在全井段射孔完成；对水合物层及与下伏游离气同时降压，使水合物储层下表面、主井眼的块状水合物逐步分解，降压开采下伏游离气；

降压开采下伏游离气时，具体通过以下方式实现：

(1)首先确定I类水合物系统中各小层的埋藏深度、分布面积、厚度、下伏游离气位置、延伸方向、储层渗透率和力学强度，并据此设计主井眼的钻井方案和井深结构；在生产井施工前，布设用于监测块状水合物储层分解状态、波及面积、地层稳定性和甲烷气体溢出情况的监测井；

(2)然后将吸力锚置入海底泥面以下，利用钻采船钻一垂直主井眼依次钻穿表层沉积物、浅表层块状水合物储层、分散状水合物储层和游离气层后，全井段固井、射孔；

(3)使用防砂工具完井，建立游离气层与井筒的流动通道；

(4)在主井眼中，分别安装一套用于水合物降压开采的大功率电泵和一套用于注表层海水及砾石填充的高压注入泵，大功率电泵和高压注入泵两套系统通过自动切换开关在左右两侧交替使用，并在大功率电泵前端设置一气-水-砂三相分离器；

(5)关闭RMR钻井系统吸入装置的环形BOP，启动RMR钻井系统的举升装置来降低井底压力，实现降压生产；

S2、当降压开采出气量减少时，向水合物储层注入表层温海水进行热量交换，待储层水合物进一步分解、储层压力恢复后，抽出海水降压，实现降压与加热联采；

S3、根据出气量判断降压开采程度，当水合物分解在井筒附近和水合物储层底部产生孔洞时，通过管道间歇式的输送特定量的砾石逐步弥补亏空；

S4、重复执行步骤S2和S3，通过不断的海水吞吐循环、降压开采、注入砾石，使浅层块状I类水合物系统矿体不断分解直至开采结束。

2.根据权利要求1所述的基于温海水吞吐-砾石置换开采I类水合物系统的方法，其特征在于：所述步骤S1中，在水合物储层的主井眼打多个分支孔，所述分支孔沿主井眼圆周方向布设。

3.根据权利要求2所述的基于温海水吞吐-砾石置换开采I类水合物系统的方法，其特征在于：所述步骤S2中，通过高压注入泵注入表层温海水进行热量交换、促使储存水合物进一步分解后，再次打开高压注入泵，抽取井内流体降压，启动降压开采程序继续降压生产，并重复执行该步骤。

4.根据权利要求3所述的基于温海水吞吐-砾石置换开采I类水合物系统的方法，其特征在于：所述步骤S3中，根据产气产水量获得块状水合物的分解体积，并结合监测井的监测数据得到水合物储层亏空情况，通过高压注入泵向孔洞中注入砾石。

说明书

基于温海水-砾石吞吐置换开采I类水合物系统的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及海域天然气水合物开发领域，具体涉及一种基于温海水吞吐-砾石置换的海洋I类水合物系统降压开采方法。

背景技术

[0002] 天然气水合物储量巨大，是公认的未来潜在能源，其中约90％以上的天然气水合物资源赋存于海洋，激起许多国家浓厚的研究兴趣与开发热情。如何安全、有效开采天然气水合物，已成为天然气水合物领域的热点问题。

[0003] 海洋水合物藏根据水合物子层与下伏游离气子层或含水子层的共生关系，可以分为I类水合物系统、Ⅱ类水合物系统和III类水合物系统，其中I类水合物系统是指上部子层为水合物层，下伏共生游离气子层，上部水合物层与下伏游离气子层同属于同一个水合物成藏系统，两个子层之间的界面处于动态变化过程之中。这类储层是天然气水合物试采优先考虑的储层，尤其是对于含有浅层块状水合物的I类水合物系统而言，该水合物系统从上至下依次分布块状水合物子层、分散状水合物子层及下伏游离气子层。近年来调查显示，浅层天然气水合物资源比重正在大幅提升。中国海域也获取了浅层水合物的实物样品，证实了该种类型的天然气水合物在海域内广泛存在，表明该类型水合物的资源量巨大。

[0004] 与深层扩散型水合物相比，I类水合物系统有其独特的资源优势。然而，由于开采基础理论尚不清楚，受开采技术制约，国际上尚未进行过任何浅层块状水合物试采尝试，主要存在以下关键问题需要解决：

[0005] 1.浅层大面积的块状水合物矿体若要分解，需要补充大量的热量，因此简单的降压法并不适合块状水合物的连续开采；

[0006] 2.由于浅层块状水合物是海底沉积物骨架的组成部分，有的矿体的水合物厚度可达数十米，这些水合物由固相分解为气水两相产出的过程中会导致地层的大面积亏空，可导致地层快速塌陷而引起环境与生态灾难；

[0007] 3.如果块状水合物储层下面的海底存在着游离天然气，当水合物储层分解后，相当于盖层被破坏，下伏天然气就会逸出到海洋和大气中，引起局部地质灾害，对海洋生态环境造成不可逆转的灾害。

[0008] 因此，要有效开采海洋浅层块状水合物，首先要摸清矿体的具体情况，包括具体的地质构造、是否存在下伏天然气层，以及矿体的面积、厚度等。针对该类矿体，亟待提出一种技术可行的开采技术与方法，能够解决上述的技术难点，实现浅层块状I类水合物系统的持续、环保开采，推进我国的海域天然气水合物产业化进程。

发明内容

[0009] 本发明提出一种全新的、适用于海洋浅层块状水合物开采的基于温海水吞吐-砾石置换开采浅层块状I类水合物系统的方法，实现安全、持续地开采浅层块状水合物的目的。

[0010] 本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于温海水吞吐-砾石置换开采I类水合物系统的方法，包括以下步骤：

[0011] S1、针对海洋浅层块状I类水合物系统，打一垂直主井眼贯穿水合物储层和游离气层，并在游离气层射孔；然后对井筒与水合物储层下伏游离气同时降压，使水合物储层下表面、主井眼的块状水合物逐步分解，降压开采下伏游离气；

[0012] S2、当降压开采出气量减少时，向水合物储层注入表层温海水，静置一段时间进行热量交换，通过海水的热量交换，促使块状水合物表面分解，储层水合物进一步分解后，然后抽出海水降压，实现降压与加热联采，采用表层海水吞吐法、流体抽取降压法相结合的开采技术，使块状水合物逐步分解；

[0013] S3、根据出气量判断降压开采程度，当水合物分解在井筒附近和水合物储层底部产生孔洞时，通过管道间歇式地输送特定量的砾石逐步弥补亏空，通过向地层中注入一定粒径的砂砾，不断填补由块状水合物分解造成的地层亏空空间，保持地层的完整，而且砾石的渗透率很高，不会影响气、液的流动，在维持地层稳定的同时提高近井渗透率，促进水合物的有效分解；

[0014] S4、重复执行步骤S2和S3，通过不断的海水吞吐循环、降压开采、注入砾石，使浅层块状水合物矿体不断分解直至开采结束，注入的砾石取代了水合物矿体而维持了地层的稳定性，达到了安全、持续地开采浅层块状水合物的目的。

[0015] 进一步的，所述步骤S1中降压开采下伏游离气时，具体通过以下方式实现：

[0016] (1)首先确定浅层块状水合物埋藏深度、分布面积、厚度、下伏游离气位置、延伸方向、储层渗透率和力学强度等，并据此设计主井眼的钻井方案和井身结构；在生产井施工前，首先布设用于监测块状水合物储层分解状态、波及面积、地层稳定性和甲烷气体溢出情况的监测井；

[0017] (2)然后将吸力锚置入海底泥面以下，吸力锚内预制安装20"套管与井口头，利用钻采船钻一垂直主井依次钻穿表层沉积物、水合物储层和游离气层后，并在游离气层射孔，固井后安装生产套管至游离气层；

[0018] (3)使用防砂工具完井，建立游离气层与井筒的流动通道；

[0019] (4)在大直径主井筒中，分别安装一套用于水合物降压开采的大功率电泵和一套用于注表层海水及砾石填充的高压注入泵，大功率电泵和高压注入泵两套系统通过自动切换开关，在左右两侧交替使用，气-水-砂三相分离器置于大功率电泵前端；

[0020] (5)关闭RMR钻井系统吸入装置的环形BOP，启动RMR钻井系统的举升装置来降低井底压力，实现降压生产。

[0021] 进一步的，所述步骤S1中，为了增大水合物分解表面积，在水合物储层的主井眼打多个分支孔，所述分支孔沿主井眼圆周方向布设，分支孔的长度根据实际开采情况可延伸至数百米。

[0022] 进一步的，所述步骤S2中，通过高压注入泵注入表层温海水进行热量交换、促使储存水合物进一步分解后，再次打开高压注入泵，抽取井内流体降压，启动降压开采程序继续降压生产，并重复执行该步骤。

[0023] 进一步的，所述步骤S3中，根据产气产水量获得块状水合物的分解体积，并结合监测井的监测数据得到水合物储层亏空情况，通过高压注入泵向孔洞中注入砾石，以保持地层稳定。

[0024] 与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

[0025] 本发明方案所提出的间歇式海洋浅表层块状水合物开采技术，采用表层海水吞吐法、流体抽取降压法相结合的开采技术，使块状水合物逐步分解；通过间歇式向地层中注入一定粒径的砂砾，不断填补由块状水合物分解造成的地层亏空空间，维持地层稳定的同时提高近井渗透率，促进水合物的有效分解；循环往复，进行表层温海水吞吐、砾石置换的水合物开采，达到了安全、持续地开采浅层块状水合物的目的，既实现了天然气水合物的持续性、规模性开采，又维护了海底环境及生态系统的稳定，体现了绿色环保开发理念，是一种具有广阔应用前景的海洋浅表层块状水合物开采方法。

附图说明

[0026] 图1为基于温海水-砾石吞吐置换开采I类水合物系统的工作原理图；

[0027] 图2为基于温海水-砾石吞吐置换开采I类水合物系统的井身结构示意图；

[0028] 其中：1、填充砾石；2、海平面；3、砾石注入通道；4、海水；5、表层温海水注入通道；6、多相产出通道；7、海底；8、水合物储层；9、砾石；10、防砂工具；11、游离气层；12、气液混输管路；13、泥线；14、RMR；15、水下测试树；16、水下井口；17、连续油管；18、吸力锚；19、导管；
20、连续油管；21、裸眼；22、多分支井；23、监测井。

具体实施方式

[0029] 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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0030] 一种基于温海水吞吐-砾石置换开采I类水合物系统的方法，结合图1和图2所示，包括以下步骤：

[0031] S1、针对海洋浅层块状I类水合物系统储层，打一垂直主井眼贯穿水合物储层和游离气层，并在游离气层射孔；为了增大水合物分解表面积，在水合物储层的主井眼打多个分支孔，所述分支孔沿主井眼圆周方向布设，分支孔的长度根据实际开采情况可延伸至数百米，然后对井筒与水合物储层下伏游离气同时降压，使水合物储层下表面、主井眼及分支井的块状水合物逐步分解，降压开采下伏游离气；

[0032] S2、当降压开采出气量减少时，向水合物储层注入表层温海水，静置一段时间进行热量交换，通过海水的热量交换，促使块状水合物表面分解，储层水合物进一步分解后，然后抽出海水降压，实现降压与加热联采，采用表层海水吞吐法、流体抽取降压法相结合的开采技术，使块状水合物逐步分解；

[0033] S3、根据出气量判断降压开采程度，当水合物分解在井筒附近和水合物储层底部产生孔洞时，通过管道间歇式的输送特定量的砾石(20目左右)逐步弥补亏空，通过间歇式向地层中注入一定粒径的砂砾，不断填补由块状水合物分解造成的地层亏空空间，保持地层的完整，而且砾石的渗透率很高，不会影响气、液的流动，在维持地层稳定的同时提高近井渗透率，促进水合物的有效分解；

[0034] S4、重复执行步骤S2和S3，通过不断的海水吞吐循环、降压开采、注入砾石，使浅层块状水合物矿体不断分解直至开采结束，注入的砾石取代了水合物矿体而维持了地层的稳定性，达到了安全、持续地开采浅层块状水合物的目的。

[0035] 具体实施时：

[0036] (1)首先通过矿体精细刻画技术确定浅层块状水合物埋藏深度、分布面积、厚度、下伏游离气位置、延伸方向、储层渗透率和力学强度等，并据此设计垂直主井眼的钻井方案和井深结构；在生产井施工前，首先布设用于监测块状水合物储层分解状态、波及面积、地层稳定性和甲烷气体溢出情况的监测井；

[0037] (2)然后将吸力锚置入海底泥面以下12m-15m，吸力锚内预制安装20"套管与井口头，利用钻采船钻一垂直主井眼依次钻穿表层沉积物、水合物储层和游离气层后，利用连续油管在水合物储层的主井眼打多个分支孔，以增大水合物分解表面积，并在游离气层射孔，固井后安装生产套管至游离气层，如图1所示；

[0038] (3)使用Georform防砂工具完井，建立游离气层与井筒的流动通道，如图2所示；

[0039] (4)在大直径主井筒中，分别安装一套用于水合物降压开采的大功率电泵和一套用于注表层海水及砾石填充的高压注入泵，大功率电泵和高压注入泵两套系统通过自动切换开关，在左右两侧交替使用，气-水-砂三相分离器置于大功率电泵前端；

[0040] (5)关闭RMR钻井系统吸入装置的环形BOP，启动RMR钻井系统的举升装置来降低井底压力，实现降压生产，如图2所示，降压到一定程度，将水合物分解产生的甲烷气体上移到RMR钻井系统的吸入装置，然后通过举升装置，在主井眼内通过旋流除砂器和气液分离器进一步分选，经泥浆回流管线上升到地面进入地面测试流程；

[0041] (6)经三相分离后的气体，在甲板上经净化、干燥后制备成液化天然气，储存在甲板上的天然气液化装置里，以液化气的形式进行储运。

[0042] (7)当降压开采出气量减少时，利用生产套管向水合物储层注入表层温海水，静止一段时间进行热量交换，使得储层水合物进一步分解；

[0043] (8)再次打开高压注入泵，抽取井内流体降压，启动降压开采程序继续降压生产，并重复执行步骤(7)和(8)；

[0044] (9)当降压生产到一定程度，水合物分解会在井筒附近产生孔洞，根据产气产水量获得块状水合物的分解体积，并结合监测井的监测数据得到水合物储层亏空情况，通过高压注入泵向孔洞中注入砾石，以保持地层稳定；

[0045] (10)重复步骤(5)-(9)，注入海水、抽水降压开采、再注入砾石。循环往复，进行表层温海水吞吐、砾石置换的水合物开采，在保持地层稳定的前提下实现了海洋浅层水合物安全、高效开采，符合海洋生态环境要求。

[0046] 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。