[发明专利]一种CO2/N2地下置换开采天然气水合物的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物开采方法，尤其是涉及一种CO₂/N₂地下置换开采天然气水合物的方法，属于能源技术领域。

背景技术

天然气水合物是指天然气与水在特定温度和压力（低温高压）下生成的一种笼型晶体物质，似冰雪状，因其可以点燃，故俗称为“可燃冰”。研究初期，主要是为了抑制输气管道中天然气水合物的生成，但随着经济不断发展，能源需求日益增加，能源短缺日趋加剧，因此天然气水合物逐步引起了国内外科学家的关注，并进行了相关的勘探、开采与实验研究。作为一种高密度能源，天然气水合物分布广、储量大和埋藏浅，成为21世纪理想的替代能源。另一方面，近年来全球变暖引起了世界各国的重视，利用气体水合物方法来回收和储存CO₂的技术受到研究者的关注。1986年，Ebinuma及 Ohgaki 等提出了 CO₂置换开采天然气水合物的设想后，随着CH₄水合物开采技术和CO₂水合物储存技术的研究逐步深入，CO₂置换法开发CH₄水合物的构想受到众多学者追捧。

天然气水合物主要分布在海洋、湖泊与冻土区，基于水合物的特点，它与常规能源的开发不同，当温压条件发生变化时，天然气水合物可能会发生相变，从固体变为气体，如何经济、安全、高效和环境友好开采天然气水合物，这是在天然气水合物开采中遇到的一个难题。目前，天然气水合物的开采方法主要有降压法、热激发、化学试剂法以及这三种方法的综合应用，其基本思路是人为的打破天然气水合物存在的温压平衡条件，使天然气水合物发生分解，然后将天然气采至地面，但是这些方案会有可能导致海底滑坡或者沉降等问题。前苏联、加拿大、美国和日本均进行过试采工程，并获得了成功，但还没有达到商业化开采的程度。最近基于置换原理的二氧化碳置换开采天然气水合物的技术越来越引起人们的重视，陈朝阳等在专利CN102213090中提出了通过井下燃烧加热生成的CO₂置换开采天然气水合物，范勇等在专利CN101915075中提出利用CO₂置换开采出的CH₄通入到低温固体氧化物燃料电池发生电化学反应，产生电能，然后将产生的CO₂通入水合物储层，置换出CH₄，持续循环运转开采天然气水合物。通过二氧化碳将天然气水合物中的天然气置换出来，得到二氧化碳水合物与天然气，这样既可以实现天然气水合物的开采，又可以实现二氧化碳地下封存，减小温室效应。由于纯甲烷和二氧化碳水合物均为I型水合物，因此其理论置换率最高为75%。为了尽可能提高甲烷开采率，Huen Lee 等在专利US7988750B2中提出采用CO₂/N₂混合气体置换CH₄水合物，并给出了不同气体比例下的置换率，但其并没有给出将该方法用于实际开采上的相关工艺。

由于天然气水合物的传热传质效率较低，且水合物储层的导流渗透性较差，采用上述的方法开采天然气水合物并不能取得较为理想的效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种CO₂/N₂地下置换开采天然气水合物的方法，该方法可以提高置换开采效果，为天然气水合物的大规模、高效开采提供一种新方法。该方法具有经济、环保和安全的优点，开采天然气的同时还封存了二氧化碳，还解决了由于水合物层低传热传质和低渗透性带来的开采效率的问题。

本发明之方法是在含水合物区实施两口竖井，通过水平井连通，水平井设置在水合物层；然后针对拟开采层实施压裂工艺；排除压裂液，进行降压开采；一段时间后开采速率明显降低，注入CO₂/N₂，控制井内压力，进行置换开采；开采气体通过气液分离设备和气体分离设备，获取天然气。

本发明之方法的具体步骤如下：

钻出两口竖井，通过定向钻进技术在水合物层实施水平对接井，钻井完成后进行固井和完井；完井后下入监测仪器和辅助设备，将所述监测仪器连接到地表的数据采集与处理系统；所述的监测仪器包括温度传感器、压力传感器和流量计；

使用压裂泵车将密闭泥砂装置中的压裂液和砂泵入到孔中，通过桥塞实现分段压裂，所述压裂液可采用常规压裂液，也可采用液态CO₂；