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域。

背景技術：

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，據理論計算1立方米的飽和天然氣水合物在標準條件下可釋放出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，世界范圍內針對天然氣水合物大規(guī)模商業(yè)開發(fā)仍持謹慎態(tài)度。目前該領域研究工作仍處于機理探討、開采技術論證以及小規(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理論以及工程技術的創(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甲烷氣的大面積逸散導致嚴重的環(huán)境災害。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)的轉變將破壞這種穩(wěn)定性，引發(fā)坍塌、滑坡、海嘯等地質災害。此外，多數水合物儲層存在滲透率低的特點，分解過程產生大量的水，會進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，為應對可能的環(huán)境和地質風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行儲層改造和保護作業(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行儲層改造和保護的主要目標是降低水合物開采導致的環(huán)境和地質風險，提高產氣速度、延長高效產氣的周期。真正意義上的天然氣水合物儲層改造和保護相關研究在國際上尚處于空白狀態(tài)。國際上已有的現場開采試驗均未進行儲層改造和保護作業(yè)，其結果是試開采獲得的單井產氣量和產氣周期均很不理想，完全達不到商業(yè)開采的要求。

所以要實現水合物的商業(yè)開采，儲層改造和保護是必經之路。而目前國內外缺乏專門相關的研究。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，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，提高產氣率，同時維持地層力學穩(wěn)定性。

為了實現上述目的，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CO₂覆蓋天然氣水合物儲層的上部蓋層，且厚度達到上部蓋層內二氧化碳水合物穩(wěn)定區(qū)厚度的50％-90％時，停止注入CO₂；

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

當采出氣體組成中CO₂摩爾含量大于90％時，或當儲層壓力降到開采壓力時，停止開采，關閉生產井，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水合物的轉化量、范圍、滲透性，CO₂氣體遷移以及降壓生產開始時間點均根據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，降壓可以誘導形成的CO₂蓋層向下遷移，隨著開采的進行蓋層處釋放出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水合物熱力學穩(wěn)定區(qū)域，將天然氣水合物儲層改造/保護與CO₂海底封存結合起來，即向天然氣水合物儲層上方蓋層CO₂水合物穩(wěn)定區(qū)域內注入CO₂并使之轉化為低滲透性且具有一定強度的人造CO₂水合物封蓋層包圍天然氣水合物儲層，然后進行開采作業(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，利于對儲層進行排水減壓作業(yè)，降低水束縛效應，提高氣體滲透率，同時維持地層的膠結狀態(tài)，即力學穩(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。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，壓力的降低導致CO₂水合物蓋層的下邊界不穩(wěn)定而分解，產生的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)進行將導致CO₂蓋層的下移，不僅保護了天然氣水合物采空區(qū)的地質穩(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水合物原理進行天然氣水合物儲層改造與保護，是一種原創(chuàng)性的技術思想。它能夠強化海底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，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生產井

具體實施方式

為了對本發(fā)明的技術特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現對本發(fā)明的技術方案進行以下詳細說明，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中部署一生產井9；穿過上層海水層1，在上覆蓋層2中圍繞生產井9鉆一系列注入井8。

在降壓開始前，封閉生產井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。當地球物理測量結果顯示注入的液態(tài)CO₂覆蓋整個上覆蓋層2后，并且厚度達到上覆蓋層2內二氧化碳熱力學穩(wěn)定區(qū)厚度的90％時，停止注入。注入的液態(tài)CO₂到達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，同時水合物膠結沉積物顆粒增強了上覆蓋層2的力學穩(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蓋層孔隙內的CO₂水合物飽和度達到30％到一定轉化率后，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。

開啟生產井9通過井下泵抽汲水合物儲層內的流體，通過控制抽汲速率來控制井底生產壓力使其保持在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，產生汽水混合物向生產井9運移并隨儲層流體采出并收集于生產平臺。壓力的降低導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氣體，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，膠結甲烷水合物采空區(qū)7的沉積物顆粒并維持其力學穩(wěn)定性。由于CO₂的向下遷移，生產平臺上要不斷監(jiān)測采出氣體組成。當采出氣體組成中CO₂摩爾含量大于90％停止開采，關閉生產井9。若采出氣體組成未達到上述標準，但儲層壓力已經降到設定開采壓力時也要停止生產。

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行排水減壓作業(yè)，降低水束縛效應，提高氣體滲透率，同時維持地層的膠結狀態(tài)，即力學穩(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下，產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時，產出的氣水比極低沒有任何經濟價值。

本發(fā)明的實施例中，注入井8和生產井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、生產井9為直井的情況；或者注入井8和生產井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，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需求。