一種超臨界二氧化碳射流噴射鉆井開采水合物裝置及方法
【技術領域】
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[0001]本發(fā)明屬于水合物鉆采設備及工藝技術領域，涉及一種超臨界二氧化碳射流噴射鉆井開采水合物裝置及方法，特別是一種在水合物中利用超臨界二氧化碳射流噴射鉆井來開米天然氣的方法。
【背景技術】
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[0002]天然氣水合物是由水和天然氣分子組成的結晶固體，大量的天然氣被困在天然氣水合物儲層，在標準條件下，I體積的天然氣水合物可以釋放160?180體積的天然氣。天然氣水合物分布在地球上的多年凍土地區(qū)和大陸邊緣的海洋沉積物中。天然氣水合物的全球資源量巨大，是一種重要的潛在接替能源，對天然氣水合物的高效開發(fā)對于緩解目前日益加劇的能源短缺形勢、滿足不斷增長的能源需求，乃至于保障國家的能源安全均具有極其重要的意義。
[0003]目前，從天然氣水合物中開采天然氣，一般是采用常規(guī)石油和天然氣開采中使用的標準技術，即采用儲層降壓法、熱刺激法以及水合物抑制劑的注入法，導致天然氣水合物的分解，但上述方法的鉆井過程中所采用的鉆井液均含有水相，在鉆進到水合物儲層時，在水合物沉積物的孔隙空間中水極易與分解的天然氣再次形成水合物，阻斷氣體的分解途徑，造成水合物儲層減產，降低最終采收率。研宄發(fā)現，超臨界二氧化碳流體具有接近于氣體的低粘度和易擴散性，極易進入水合物儲層孔隙，利用不含水相的超臨界二氧化碳作為鉆井液，對水合物儲層噴射鉆井，不會傷害儲層，并且在射流噴射過程中由于焦耳一湯姆遜效應導致二氧化碳射流的溫度急劇降低，不會引起水合物的快速分解，有利于防止井噴，而在鉆井后留存在儲層中的二氧化碳可以高效置換天然氣，會形成二氧化碳水合物，其熱力學特征比天然氣水合物更穩(wěn)定。因此，在充分考慮常規(guī)鉆采技術及水合物熱力學穩(wěn)定性的基礎上，設計一種新的超臨界二氧化碳射流噴射鉆井開采水合物裝置及方法，在高效開發(fā)天然氣水合物的同時，可以作為一項減少大氣中的溫室氣體排放量并進一步封存二氧化碳的方法，能夠維持沉積物的完整性和地質力學穩(wěn)定性，減少地層失穩(wěn)和井噴事故的潛在風險。

【發(fā)明內容】

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[0004]本發(fā)明的目的在于克服現有技術存在的缺點，針對目前天然氣水合物的開采中存在的問題，尋求設計提供一種超臨界二氧化碳射流噴射鉆井開采水合物裝置及方法，利用超臨界二氧化碳射流噴射進行鉆井和開采天然氣。
[0005]為了實現上述目的，本發(fā)明所述超臨界二氧化碳射流噴射鉆井開采水合物裝置的主體結構包括二氧化碳罐車、液體二氧化碳存儲裝置、儲罐制冷裝置、高壓泵、上部鉆桿、下部鉆桿、鉆頭、水合物儲層、下伏地層、上覆巖層、井筒環(huán)空、井口節(jié)流裝置、三相分離器、氣體分離器、天然氣采出管線、二氧化碳采集裝置、氣體壓縮機和制冷管線；二氧化碳罐車的尾部連接液體二氧化碳存儲裝置，二氧化碳存儲裝置的下部側面連接有儲罐制冷裝置，液體二氧化碳存儲裝置的頂部與返回鉆井液的制冷管線連通；液體二氧化碳存儲裝置的右端與高壓柱塞泵連接，鉆井的井口設有井口節(jié)流裝置，由上部鉆桿和下部鉆桿組成的鉆桿設置在井筒內，鉆桿與井壁之間形成環(huán)形空間，井筒為從井口到井底開采天然氣形成的通道；下部鉆桿通過上覆巖層鉆入水合物儲層，水合物儲層的下部為下伏地層；下部鉆桿為直彎結構，下部鉆桿的尾端連接有鉆頭，鉆頭上布置有能形成超臨界二氧化碳射流噴射鉆井的噴嘴；三相分離器的兩端分別與井口節(jié)流裝置和氣體分離器連接，氣體分離器分別與天然氣采出管線和二氧化碳采集裝置連接，氣體壓縮機的兩端分別與二氧化碳采集裝置和制冷管線連接。
[0006]本發(fā)明采用超臨界二氧化碳射流噴射鉆井開采水合物裝置實現對水合物的開采，具體包括以下步驟:
[0007](I)、將二氧化碳罐車中的二氧化碳充入二氧化碳存儲裝置中，二氧化碳經過儲罐制冷裝置持續(xù)冷卻至液態(tài)，液態(tài)二氧化碳的壓力高于5MPa，溫度低于5°C ;
[0008](2)、高壓泵將液態(tài)的二氧化碳加壓至30MPa以上，采用現有技術泵入鉆具進行噴射鉆井；其中，在上部鉆桿所處的地層中為溫度低于31.1°C的液態(tài)二氧化碳射流噴射鉆井；在地溫梯度和傳熱的作用下二氧化碳的溫度不斷升高，在下部鉆桿所處溫度超過31.1°C的地層處轉變?yōu)楦邏撼R界態(tài)二氧化碳射流噴射鉆井；
[0009](3)、鉆具鉆進至水合物儲層后，鉆頭噴出的高壓超臨界態(tài)二氧化碳射流溫度降低，攜帶出井筒和近井地層的水合物沿環(huán)形空間上返；
[0010](4)、水合物到達井口節(jié)流裝置后，先經過三相分離器排除其中的固相和水相，再經過氣體分離器分離天然氣和二氧化碳，其中天然氣經天然氣采出管線采出；二氧化碳進入二氧化碳采集裝置進行采集后，依次經過壓縮機增壓和制冷管線降溫，回到液體二氧化碳存儲裝置，與二氧化碳罐車共同補充鉆井所需的二氧化碳鉆井液量，完成水合物的開采。
[0011]本發(fā)明與現有技術相比，利用不含水相的超臨界二氧化碳作為鉆井液，對水合物儲層噴射鉆井，不會引起大量天然氣水合物的再次形成和造成水合物儲層的減產，并且在射流噴射過程中由于焦耳一湯姆遜效應導致二氧化碳射流的溫度急劇降低，不會像常規(guī)鉆井液那樣引起水合物的快速分解和釋放，有利于防止井噴事故的發(fā)生，而在鉆井后留存在儲層中的二氧化碳可以高效置換天然氣，會形成二氧化碳水合物，其熱力學特征比天然氣水合物更穩(wěn)定，其使用的裝置結構簡單，操作方便，維護成本低，開采方法簡便，原理科學，開采過程安全，既能高效開發(fā)天然氣水合物，又可以作為一項減少大氣中的溫室氣體排放量并進一步封存二氧化碳的方法，而且能夠維持沉積物的完整性和地質力學穩(wěn)定性，減少地層失穩(wěn)和井噴事故的潛在風險。
【附圖說明】
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[0012]圖1為本發(fā)明涉及的超臨界二氧化碳噴射鉆井開采水合物工藝流程圖，其中包括二氧化碳罐車1、液體二氧化碳存儲裝置2、儲罐制冷裝置3、高壓泵4、上部鉆桿5、下部鉆桿6、鉆頭7、水合物儲層8、下伏地層9、上覆巖層10、井筒環(huán)空11、井口節(jié)流裝置12、三相分離器13、氣體分離器14、天然氣采出管線15、二氧化碳采集裝置16、氣體壓縮機17和制冷管線18?！揪唧w實施方式】:
[0013]下面通過實施例并結合附圖作進一步說明。
[0014]實施例:
[0015]本實