專利名稱：用于利用掃掠氣從水合物儲層中生產(chǎn)烴的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及地下含烴水合物儲層中烴的生產(chǎn)。
背景技術：
當水和某些氣體分子放在一起時，在較高壓力和較低溫度的適宜條件下，就會形成天然氣水合物(NGH或天然氣的籠形水合物)。在這些條件下，'主'水分子將形成籠或格結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部捕集'客'氣體分子。大量氣體通過該機構(gòu)密集在一起。例如，一立方米的甲烷水合物包含0. 8立方米的水，并通常包含164立方米、有時高達172立方米的甲烷氣。 雖然地球上自然存在的最普通的籠形化合物是甲烷水合物，但是，其他氣體也會形成水合物，包括烴氣、諸如乙烷和丙烷，以及非烴類氣體、諸如二氧化碳(CO2)和硫化氫(H2S)。NGH自然存在，并且廣泛存在于水深通常在中緯度到低緯度大于500米(1600英尺)、在高緯度大于150-200米(500-650英尺)的有關北極地區(qū)和大陸邊緣的深層永久凍結(jié)帶中。水合物穩(wěn)定區(qū)域的厚度隨溫度、壓力、水合物形成氣體的組分、下層地質(zhì)條件、水深和其他因素而變化。世界上甲烷水合物的天然氣蘊藏量估計接近700000萬億立方英尺一相比人們目前已經(jīng)探明的天然氣儲量5500萬億立方英尺，這是一個大得驚人的數(shù)字。迄今為止，大部分甲烷水合物研究已經(jīng)集中在基礎研究以及水化物沉積物的檢測和表征上。商業(yè)上可行并且環(huán)境上可接受的提取方法仍然處于初期階段。開發(fā)安全、成本低廉的用于生產(chǎn)甲烷水合物的方法對于水合物沉積物的開采來說仍是一個重大技術挑戰(zhàn)和經(jīng)濟挑戰(zhàn)。越來越多的工作表明，當開采水合物儲層時，分離前部(front)將形成在水合物層的底部和頂部。水合物層底部上的分離前部的出現(xiàn)是因為地球的較深部分通常比較淺部分熱。水合物分離是一個強吸熱過程(即，水合物必須從周圍環(huán)境中吸取熱量)。而且，水合物儲層下方的地層的熱量不斷地由下方更熱的地層提供和置換；從而為水合物儲層提供大體上不間斷的新熱量供應。水合物層頂部的分離前部的出現(xiàn)不是顯而易見的現(xiàn)象，但是如果水合物分離吸熱性質(zhì)強，將變得很明顯，甚至來自水合物層上方的地層的熱量會被吸入到水合物儲層中。主要區(qū)別在于，水合物層上方的淺土比水合物儲層下方的深土冷得多。另外，水合物層上方的淺土(無論是深海底部沉積物還是北極永凍層)不斷地從上方冷卻。任何熱量，一旦被拉到下方的水合物層中，就不會輕易被置換。值得注意的是，水合物層頂部和底部上的分離前部幾乎是水平的，并很快從井眼移出很大的徑向距離。在分離前部形成的初始分離階段之后，分離前部慢慢地朝著彼此前進，最終在水合物沉積物中間某個位置相遇，在該位置水合物儲層將完全分離。任何儲層生產(chǎn)的氣體由于其固有浮性而上升。從水合物分離生產(chǎn)的氣體將向上流動，并匯聚在水合物儲層的頂部。水合物儲層上方的淺土初始較冷，而且沒有熱量置換，這導致一種狀態(tài)，即'頂部空間'氣體非常冷，在細微壓降下就會容易地恢復成水合物。
因此，由于焦耳-湯姆遜效應，甚至很小的壓降(例如與能夠使氣體朝著井眼流動的生產(chǎn)井的必要較低壓力有關的壓降)都可能導致充足的降溫結(jié)果，導致在上面的'頂部空間'重新形成水合物。水合物的這種形成可能阻礙或制約進一步生產(chǎn)。目前僅有的解決方案是將壓降減少至水合物重新形成不再發(fā)生的程度(即降低生產(chǎn)率)但這仍然沒有緩和。這樣的低生產(chǎn)率的負面經(jīng)濟后果是不言而喻的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種用于從含烴水合物儲層生產(chǎn)烴的方法。該方法包括提供至少一個與生產(chǎn)設備以及含烴水合物儲層流體連通的生產(chǎn)井。水合物儲層與配置在水合物地層上方的頂部空間流體連通。頂部空間容納分離的烴和水。該方法還包括使掃掠氣掃掠過頂部空間以移除來自水合物儲層的已分離的氣體和水，并將已分離的氣體和水輸送至所述至少一個生產(chǎn)井。理想的是，生產(chǎn)井將已分離的烴和水輸送至一生產(chǎn)設備。優(yōu)選地，利用一個或更多個噴射井將掃掠氣引入到所述頂部空間內(nèi)。通過噴射掃掠氣，形成一壓力梯度，有助于將已分離的氣體驅(qū)至生產(chǎn)井。必須小心防止掃掠氣的噴射壓力相對于儲層頂部空間溫度狀況變得太高，以免形成新的水合物。掃掠氣在引入頂部空間之前可以本身就是熱的，或者人為加熱，或者不加熱。掃掠氣提供的附加熱量有助于防止分離的頂部空間氣體重新形成水合物。否則，這種重新形成的水合物可能在儲層中形成堵塞，制約生產(chǎn)井的生產(chǎn)率。受熱的掃掠氣還會增加水合物儲層的分離率。掃掠氣的非限制性的例子可以包括天然氣、甲烷、氮氣或這些氣體的混合物。本發(fā)明還公開了一種用于從含烴水合物地層生產(chǎn)烴的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括地下含烴水合物地層、頂部空間、生產(chǎn)井和將掃掠氣引入頂部空間的管道。理想的是含烴水合物地層包含烴，諸如甲烷、乙烷和丙烷。頂部空間配置在水合物儲層上方，并與之流體連通。頂部空間容納來自水合物儲層的已分離的氣體和水。生產(chǎn)井與生產(chǎn)設備流體連通，并將來自水合物儲層和頂部空間的已分離的氣體和水生產(chǎn)至生產(chǎn)設備。管道向頂部空間國內(nèi)供應掃掠氣，以幫助輸送分離的氣體和水至生產(chǎn)井?？蛇x擇地，掃掠氣還可以幫助加熱分離的氣體和水。管道可以包括至少一個噴射井。所述至少一個噴射井可以包括隔離管，用于防止掃掠氣的熱量逸出到周圍的地下地層或海洋中。


參照下文的描述、附帶的權(quán)利要求以及附圖，本發(fā)明的這些及其他目標、特征和優(yōu)點將變得更加透徹，其中圖1是一對噴射井的示意圖，所述噴射井將"掃掠氣"引入水合物儲層的頂部空間內(nèi)，以在頂部空間的分離的氣體中添加熱量和/或建立壓力梯度，從而將分離的氣體驅(qū)至生產(chǎn)井。掃掠氣幫助提高水合物分解率，并防止水合物的重新形成，否則將會放慢分離的氣體到生產(chǎn)井的生產(chǎn)。
具體實施例方式本發(fā)明概括來說涉及一種方法和系統(tǒng)，其利用一個或更多個噴射井，將'掃掠氣'引入水合物地層的頂部空間中，并將全部新分離的氣體驅(qū)至生產(chǎn)井?！畳呗託?可以起到建立壓力梯度以物理推動分離的氣體的作用，或者可用于向頂部空間供應熱量，或者兩者都有。這使得整個水合物儲層的生產(chǎn)率明顯改善。掃掠氣可以是若干氣體中任何一種或多種氣體的組合，包括但不限于熱天然氣、甲烷或氮氣。熱天然氣(例如來自附近的常規(guī)天然氣生產(chǎn))將是一種特別有利的掃掠氣，這是因為它的使用不會引起水合物氣體的稀釋，并且?guī)缀醪恍枰蛘卟恍枰魏胃郊拥募訜?。較少量的這種掃掠氣就會大大提高水合物儲層生產(chǎn)率。作為例子而不是限制，圖1顯示了一個示例性實施例。替換配置可以包括使用以任何類型的布置的一個或更多個噴射井和一個或更多個生產(chǎn)井，包括交替或?qū)R的網(wǎng)格模式。圖1描繪了用于從地下地層22生產(chǎn)烴的系統(tǒng)20。系統(tǒng)20包括水合物地層22，所述水合物地層22容納水合物中夾帶的烴。理想的是，烴包括甲烷、乙烷和丙烷，這些物質(zhì)在水合物地層中出現(xiàn)適宜的溫度和壓力時被從水合物釋放或分離。水合物地層22上方的是覆蓋地層層對，諸如巖石或永凍層，所述覆蓋地層層M提供頂部密封，并且通常由于地溫梯度的原因而比該處的水合物地層22更冷，但是，一旦生產(chǎn)開始，其提供了有限的熱量去支撐水合物至水合物地層22頂部的吸熱分離。其中水合物已經(jīng)分離成水和氣體的大體上砂漏狀的分離區(qū)域26坐落在生產(chǎn)井36的徑向外部且處于水合物地層22的徑向內(nèi)部。坐落在水合物地層22與分離區(qū)域沈中間的是分離前部觀，在分離前部28中，水合物被分離成包含水和天然氣的組分。坐落在水合物地層22和分離區(qū)域沈下方的是支撐地層層30。 通常情況下，因為支撐地層層30更接近地心，支撐地層層由于地溫梯度的原因而處于比水合物地層22高的溫度下。一旦生產(chǎn)開始，支撐地層層30就向水合物地層22的底部供應大量的熱量。支撐地層層30可以包含自由氣體(即包括1級水合物儲層系統(tǒng))，或活動蓄水層(即包括2級水合物儲層系統(tǒng))，或者可以充當密封特征(即包括3級水合物儲層系統(tǒng))。在該例子中，一對噴射井34將受熱的或者沒有受熱的掃掠氣引入到配置在水合物地層22上方的頂部空間內(nèi)。生產(chǎn)井和/或噴射井的配置可以包括以任何布置形式的一個或更多個噴射井和一個或更多個生產(chǎn)井，包括交替或?qū)R的網(wǎng)格模式。從水合物地層22 分離的氣體和水被收集，并由生產(chǎn)井36生產(chǎn)。生產(chǎn)井36在生產(chǎn)管上具有穿孔38，其允許水合物地層22與對所生產(chǎn)的流體進行處理的生產(chǎn)設備(未顯示)所在的地表之間的流體連通。受熱的掃掠氣提供的附加熱量有助于防止分離的氣體重新形成含烴水合物，有助于提高水合物地層22頂部的分離率。噴射井34中掃掠氣的噴射將建立一壓力梯度，這有助于將分離的氣體驅(qū)至生產(chǎn)井36。必須小心控制噴射壓力變得過高，否則會導致在頂部空間形成水合物。本發(fā)明公開了一種方法，其中使用一個或更多個噴射井，將'掃掠氣'導入頂部空間32內(nèi)。掃掠氣將新分離的氣體驅(qū)至生產(chǎn)井?！畳呗託?可以起到物理推動所生產(chǎn)的氣體的作用，或者可用于供應熱量，或者同時起到上述兩種作用。掃掠氣提供的這種作用將引起整個水合物儲層的生產(chǎn)率明顯改善。掃掠氣可以是若干氣體中任何一種或多種氣體的組合，包括但不限于熱天然氣、甲烷或氮氣。當然，熱天然氣(例如來自附近的常規(guī)天然氣生產(chǎn))將是一種特別有利的掃掠氣，這是因為它的使用不會引起水合物氣體的稀釋，并且?guī)缀醪恍枰蛘卟恍枰魏胃郊拥募訜?。根?jù)地質(zhì)及其他特性，較少量的這種掃掠氣就會大大提高水合物儲層生產(chǎn)率。
雖然在上文中已經(jīng)就某些優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，并且為了說明已經(jīng)闡述了許多細節(jié)，但是，對本領域技術人員來說，顯而易見，本發(fā)明易于改變，而且再次所述的某些其他細節(jié)可以改變很大，這都不會脫離本發(fā)明的基本原理。
權(quán)利要求
1.一種用于從含烴水合物儲層生產(chǎn)烴的方法，該方法包括(a)提供與含烴水合物儲層和生成設備流體連通的生產(chǎn)井，水合物儲層與配置在水合物地層上方且容納已分離的烴和水的頂部空間流體連通；和(b)使掃掠氣掃掠過頂部空間，以將來自水合物儲層的已分離的烴和水移除，并將已分離的氣體和水輸送至生產(chǎn)井。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括利用噴射井，將掃掠氣導入所述頂部空間內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括利用多個布置在生產(chǎn)井周圍的噴射井將掃掠氣導入所述頂部空間內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中掃掠氣選自由天然氣、甲烷和氮氣中的一種或更多種所構(gòu)成的組。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中掃掠氣是天然氣。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中掃掠氣是甲烷。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中掃掠氣是氮氣。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中掃掠氣向頂部空間添加熱量；由此，相比沒有提供受熱的掃掠氣的情況，頂部空間中熱量的引入使得生產(chǎn)井以較高的生產(chǎn)率生產(chǎn)。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中掃掠氣在被引入至少一個噴射井之前被加熱。
10.一種用于從含烴水合物地層生產(chǎn)烴的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括地下含烴水合物儲層；配置在水合物儲層上方并與之流體連通的頂部空間，所述頂部空間容納從水合物儲層分離的氣體和水；與生產(chǎn)設備流體連通的生產(chǎn)井，其將已分離的氣體和水從水合物儲層和頂部空間生產(chǎn)至生產(chǎn)設備；和管道，該管道向頂部空間供應掃掠氣，以幫助輸送分離的氣體和水至生產(chǎn)井。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中供應掃掠氣的管道包括至少一個噴射井。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中供應掃掠氣的管道包括多個噴射井。
13.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個噴射井包括隔離管，用于防止掃掠氣的熱量逸出到周圍的地下地層或海洋中。
14.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中掃掠氣選自天然氣、甲燒和氮氣中的至少一種。
全文摘要
本申請公開了一種用于從含烴水合物儲層中生產(chǎn)烴的方法和系統(tǒng)。該方法包括提供至少一個與生產(chǎn)設備以及含烴水合物儲層流體連通的生產(chǎn)井。水合物儲層與配置在水合物地層上方的頂部空間流體連通。頂部空間容納已分離的烴和水。掃掠氣掃掠頂部空間以從水合物儲層移除已分離的氣體和水，并將已分離的氣體和水輸送至至少一個生產(chǎn)井。優(yōu)選地，利用一個或更多個噴射井將掃掠氣引入到頂部空間內(nèi)。可以加熱掃掠氣。掃掠氣提供的附加壓力和/或熱量有助于防止分離的氣體和水重新形成水合物，從而使生產(chǎn)率提高。附加熱量還有助于增加水合物地層的臨近頂部空間的上部分的分離率。掃掠氣的非限制性的例子可以包括天然氣、甲烷、氮氣或這些氣體的混合物。
文檔編號E21B43/295GK102395751SQ200980153213
公開日2012年3月28日 申請日期2009年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者J·T·鮑爾克茲韋斯基 申請人:雪佛龍美國公司