一种海洋天然气水合物砂浆置换开采方法及开采装置

摘要

本发明公开一种海洋天然气水合物砂浆置换开采方法及开采装置，所述开采方法通过适当放宽机械筛管挡砂精度使地层泥质和砂质细颗粒在可控条件下流入井筒生产管柱并被排出，与此同时，持续向水合物储层中注入粗粒砂浆，通过水合物储层出砂管理技术与砂浆注入技术的配合，实现粗粒砂浆与地层细颗粒、水合物空间的置换；开采装置包括生产套管、生产油管、井筒注水管和砂浆回注管，生产套管下端连接有机械筛管，且在机械筛管内上下两端还分别安装有上机械封隔器和下机械封隔器；生产油管的入口端安装气体分离装置，井筒注水管在上机械封隔器上方位置处与生产油管连通，砂浆回注管穿过上机械封隔器和下机械封隔器延伸至水合物储层生产层段的底界，并与砾石充填工具相连，通过上述方法与装置，达到连续高效生产的目的。

说明书

技术领域

本发明属于海洋天然气水合物高效开采领域，具体涉及一种适用于降压法或地层流体抽取法开采的海域天然气水合物的砂浆置换开采方法及开采装置。

背景技术

天然气水合物是一种稳定存在了百万年且储量巨大的能源，其中约90%以上的天然气水合物资源赋存于深海浅层沉积物中，天然气水合物广阔的能源利用前景激起世界各国浓厚的研究兴趣。如果能安全、有效开采赋存于我国周边海域的天然气水合物，将会极大的促进我国能源结构的改善。2017年由中国地质调查局主持的我国首次海域天然气水合物试采工程，实现了连续排采60天，日均产气量超5000方的历史性突破，同时拉开了我国天然气水合物产业化开采的序幕。

然而，无论是我国首次海域天然气水合物试采，还是国外历次水合物试采，均处于科学实验阶段，离产业化开采还有很多关键技术需要解决。上述科学试验均表明，降压法或地层流体抽取法是最具有应用前景的天然气水合物开采方法。但与此同时，降压法或地层流体抽取法开采仍然面临地层失稳、出砂导致地层亏空、长期开采提产难度大等关键问题。尤其是对于我国周边海域大面积存在的粉砂质储层而言，储层沉积物粒径小、粘土含量极高（≥30%），在水合物分解产出过程中不可避免的会发生粘土及粉砂细颗粒从地层骨架上的脱落及运移产出；如果按照常规油气井开发思路，采用严格的防砂作业对地层泥砂“横加阻拦”，则必然造成井底挡砂介质的严重堵塞，防砂附加表皮系数的成倍增大，从而严重影响水合物生产井的产能。因此，无论采取何种降压条件或地层流体抽取方案，试采过程中的泥砂产出都将是不可避免的，再加上水合物分解本身造成的地层体积亏空，粘土质粉砂型水合物储层长期开采会面临的大面积地层亏空现象。

因此，对于海洋天然气水合物降压开采井或地层流体抽取法开采井而言，从保证地层产能的角度而言，对地层产出砂的处理不应该单纯的强调“防”，而应该是进行合理的“出砂管理”，即使地层泥质及砂质细颗粒组分在可控条件下流入井筒生产管柱，并排出至地面（平台）井口。但必须认识到，在长期开采条件下，上述出砂管理措施将导致近井地层不可避免的发生亏空，地层亏空量小则影响井筒管柱的稳定性，亏空量大则可能导致地层发生失稳垮塌，会对整个海底装置产生严重破坏。

因此降压法或地层流体抽取法必须配合一定的物料置换，才有可能为上述问题提供有效的解决途径。目前科学界研究较多的CO₂置换开采法，虽然能从一定程度上减缓地层的亏空状态，但是近井地层CO₂水合物的形成将导致该区域的渗透率变得更低，地层压力传导能力更差。另外，CO₂置换开采过程所产生的CO₂水合物只能对原有天然气水合物的储存空间起到一定的“置换”作用，而无法对由于地层泥砂产出造成的大面积亏空区域进行有效“填补”。因此从泥质粉砂型天然气水合物长期经济有效开采的角度分析，CO₂置换法不具备工程应用价值。

综上所述，天然气水合物由固相分解为气、水两相产出的过程中会导致地层亏空，地层泥砂的产出更进一步加剧井筒周围水合物分解区域的大面积亏空，对地层稳定极为不利。CO₂置换法无法满足置换上述亏空空间的需求且会造成近井地层渗流能力的下降。但长期的水合物开采过程又必须要求对储层亏空进行填充和置换，以维持地层稳定性。

因此，亟待提出一种新型的、能够防止地层大面积亏空的开采方案，配合目前常用的降压法或地层流体抽取法，从根本上解决目前海域天然气水合物试采过程中遇到的地层严重出砂、地层失稳等工程地质灾害，对于延长天然气水合物的开采生命周期至关重要，也有助于有效推进我国的海域天然气水合物产业化进程。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：目前降压法或地层流体抽取法开采粉砂质天然气水合物过程中，为了保证地层产能需要进行适当的出砂管理，而出砂管理必然导致长期开采过程中发生地层亏空、失稳，针对上述矛盾提出一种海洋天然气水合物砂浆置换开采方法及开采装置。

本发明是采用以下的技术方案实现的： 一种海洋天然气水合物砂浆置换开采方法，包括以下步骤:

（1）打开水合物储层上覆地层，利用生产套管下入水合物储层以上地层并进行固井作业；

（2）打开水合物储层并裸眼砾石充填，安装并下入井筒管柱组合；

（3）采用降压法或地层流体抽取法开始水合物开采生产，同时向井筒内注液，携砂生产；

步骤（3）进行的同时，向地层充填大粒径砂浆，持续生产，并在步骤（3）实施过程中，实时调整注液参数和砂浆注入参数，维持生产。

进一步的，所述步骤（2）具体包括：

在水合物储层中下入砾石充填工具和机械筛管至生产层段，生产层段顶界和底界位置处分别安装有上机械封隔器和下机械封隔器；

下入砂浆回注管，对水合物储层进行首次管外砾石充填施工；砂浆回注管位于生产套管内，其入口端连接有砂浆泵，出口端安装有单向阀，且砂浆回注管的出口端穿过下机械封隔器；

下入生产油管及井筒注水管，生产油管和井筒注水管位于生产套管内，且生产油管的入口端安装有气体分离装置，生产油管的入口端穿过上机械封隔器，而气体分离装置位于上机械封隔器的下方，井筒注水管在上机械封隔器的上方与生产油管连通。

进一步的，所述步骤（3）中，具体包括：

沿井筒注水管向气体分离装置上部的生产油管中持续注液，携砂生产，所注入的液体为水合物抑制剂或清水；

降压生产和携砂生产同步进行，观察井底气体分离装置的工作情况和地面产气情况，实时调整砂浆浓度，使砂浆回注管出口压力与地层流体流入井筒的压力达到准平衡状态，通过砂浆回注管向水合物储层中挤入充填砂浆；

并在步骤（3）实施过程中，实时观察井底气液固三相产出情况及砂浆回注管的压力，适时调整井筒注水管的注液量以及砂浆回注管的注砂量，保证生产井的持续生产。

进一步的，步骤（3）中的充填的砂浆包括大粒径充填砾石，充填砾石的尺寸根据机械筛管的挡砂精度确定，且其不能通过机械筛管，机械筛管的挡砂精度根据地层砂的粒度分布规律确定。

本发明另外还提出一种海洋天然气水合物砂浆置换开采装置，包括：生产套管、设置在生产套管内且与生产套管轴线平行的生产油管、井筒注水管和砂浆回注管；生产油管、井筒注水管和砂浆回注管的外壁与生产套管的内壁之间形成的环空为气体流通通道；

所述生产套管下端连接有与其匹配的机械筛管，生产套管位于水合物储层生产层段的上方，而机械筛管位于水合物储层的生产层段，且在机械筛管内，在生产层段的顶界和靠近生产层段的底界位置处分别安装有上机械封隔器和下机械封隔器；

所述生产油管的入口端安装有气体分离装置，且气体分离装置位于上机械封隔器的下方，通过气体分离装置分离出的砂、液两相通过生产油管产出，而气相通过气体流通通道产出；所述井筒注水管在上机械封隔器的上方与生产油管连通，用以向井筒内注入水合物抑制剂或清水，注入流体从气体分离装置上方注入生产油管，增大油管液流量，充分携带地层细沙，有效防止井筒砂沉；

所述砂浆回注管穿越上机械封隔器和下机械封隔器延伸至生产层段的底界位置处，用于将地面粒径较粗的砂粒回填至地层，砂浆回注管的入口端连接有砂浆泵，其出口端设置有单向阀，且单向阀位于下机械封隔器的下方，砂浆回注管的出口端还连接有砾石填充工具。

可通过适当放宽机械筛管挡砂精度，使地层泥质和砂质细颗粒在可控条件下流入井筒生产管柱并被排出，与此同时，通过向天然气水合物分解、出砂综合作用产生的空间注入粗粒砂浆，实现水合物分解空间、地层砂产出空间与粗粒砾石的置换充填，解决由于过度防砂造成的粉砂质储层产能提高难题，更重要的是达到防止地层大面积亏空、维持地层稳定性的效果。

进一步的，所述砂浆包括利用砂浆泵向地层注入的大粒径充填砾石，充填砾石的尺寸根据机械筛管的挡砂精度确定，保证充填砾石不能通过机械筛管，机械筛管的挡砂精度根据地层砂的粒度分布规律确定。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1.本发明提出的砂浆置换开采方案，在水合物试采过程中，允许地层细砂颗粒流入井筒生产管柱，通过井筒注水管补水将流入井筒的地层细砂排到平台井口；并在试采平台井口安装砂浆泵，在天然气水合物降压生产井井筒设置砂浆回注管，天然气水合物降压开采过程中，不断向井筒周围地层补充粒径较大的充填砾石，对天然气水合物分解、出砂综合作用产生的空间进行“置换”充填，从而解决由于过度防砂造成的粉砂质储层产能提高难题，更重要的是达到防止地层大面积亏空、维持地层稳定性的效果；

2.而且，通过砂浆置换，利用出砂管理技术与砂浆回填技术的配合，克服粉砂质海洋天然气水合物储层高泥质含量的先天性不足，大量的地层泥质含量及细质颗粒的排出，有效疏通近井地层，改善孔渗参数，促进水合物的分解效率及开采井产能的提高；而且，持续向地层注入回填砂浆，对上部地层起支撑作用，能维持近井地层的长期稳定性，有效延长降压开采周期及降压开采井防砂作业措施的有效期，具有广泛的应用前景；

3、本发明提出的砂浆置换开采方案适合于高泥质、粉砂质等不适合进行完全防砂工艺设计的海洋天然气水合物储层，也可应用于低泥质含量、但是容易发生沉降的浅层中粗砂海洋天然气水合物储层。集合了CO₂置换法和出砂管理技术的长处，克服了浅层水合物储层防砂作业“一防就死，不防就堵”的“怪象”，以及“置换法”不适合进行粉砂质水合物开采的“怪论”，有效解决了我国海域天然气水合物开采产能提高难和储层失稳风险大的难题，促进水合物商业化开采技术的发展。

附图说明

图1为本发明实施例2中开采装置的结构及原理示意图；

图2为本发明实施例2中开采装置管柱布局俯视示意图；

其中，1、生产套管；2、生产油管；3、井筒注水管；4、砂浆回注管；5、气体分离装置；6-1、下机械封隔器；6-2、上机械封隔器；7、水合物储层；8、单向阀；9、机械筛管；10、砾石充填工具；11、生产层段；12、气体流通通道。

具体实施方式

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。

实施例1、本实施例公开一种海洋天然气水合物砂浆置换开采方法，包括以下步骤：（1）打开水合物储层上覆地层，利用生产套管下入水合物储层以上地层并进行固井作业；（2）打开水合物储层并裸眼砾石充填，安装并下入井筒管柱组合；（3）采用降压法或地层流体抽取法开始水合物开采生产，同时向井筒内注液，携砂生产；步骤（3）进行的同时，向地层充填大粒径砂浆，持续生产，并在步骤（3）实施过程中，实时调整注液参数和砂浆注入参数，维持生产。

按照常规程序，采用大井眼钻头打开一口水合物生产井，采用挡砂精度较低（即孔径较大）的机械筛管，进行“裸眼筛管+管外砾石充填”防砂完井作业，通过水合物储层出砂管理技术与砂浆回填技术的配合，实现地层粉砂与地层细颗粒、水合物的置换，促进粉砂质天然气水合物储层的高效降压开采的同时，可防止地层大面积亏空，结合图1和图2进行介绍，具体的：

所述步骤（2）具体通过以下方式实现：

1）、打开水合物储层7，在水合物储层7中下入砾石充填工具10，并按照地层砂粒度分布规律设计机械筛管9的挡砂精度，所述机械筛管9与生产套管1相匹配，且安装在水合物储层7的生产层段11，机械筛管9的上下两端分别安装有上机械封隔器6-2和下机械封隔器6-1；

2）、下入砂浆回注管4，对地层进行首次管外砾石充填施工：砂浆回注管4位于生产套管1内，且砂浆回注管4的入口端连接有砂浆泵，其出口端安装有单向阀8，砂浆回注管4的出口端穿过下机械封隔器6-1，下机械封隔器6-1安装在靠近水合物储层7生成层段11的底界位置处并通过机械压紧，且单向阀8位于下机械封隔器下方，下机械封隔器6-1的主要作用是保证砂浆回注过程中，注入井底的砂浆能从井底进入地层，而不会通过生产油管和井筒生产管柱的注水管上返；

3）、下入生产油管2及井筒注水管3，生产油管2和井筒注水管3位于生产套管内，且生产油管2的入口端安装有气体分离装置5，上机械封隔器安装在生成层段11的顶界位置处，生产油管2的入口端穿过上机械封隔器6-2，气体分离装置5位于上机械封隔器6-2的下方，井筒注水管3在上机械封隔器6-2的上方与生产油管2连通；

步骤（3）具体通过以下方式实现：

1）、沿井筒注水管3向气体分离装置上部的生产油管中持续注入液体，携砂生产；所注入的液体为水合物抑制剂或清水，水合物抑制剂的主要作用是防止水合物储层产出多相多组分流体在管路中流动时的水合物二次生成，注入清水的主要目的是防止地层产水不足条件下，井筒沉沙，有效将流入井筒的地层细砂颗粒携带至平台井口；

2）、降压生产和携砂生产同步进行，观察井底气体分离装置5的工作情况和地面产气情况，实时调整砂浆浓度，使砂浆回注管出口压力与地层流体流入井筒的压力达到准平衡状态，通过砂浆回注管向水合物储层7中挤入充填砂浆；

3)、并在步骤（3）实施过程中，实时观察井底气液固三相产出情况及砂浆回注管的压力，适时调整井筒注水管的注液量以及砂浆回注管的注砂量，保证生产井的持续生产。

本实施例中，填充所用的砂浆包括利用砂浆泵向地层注入的大粒径充填砾石和水的混合物，在开采过程中，砂浆中的水返出过程中流经前期已经回填的充填区域，能够对已回填区域形成“冲洗”效果，带走已回填层中滞留的地层细质成分，进一步降低充填区域的表皮系数，提升产能，充填砾石的尺寸根据机械筛管的挡砂精度确定，保证充填砾石不能通过机械筛管，并能阻挡粒径较大的水合物储层砂，同时疏通较小颗粒的地层砂和泥质成分，在高泥质含量（40%）条件下不会发生筛管堵塞，以顺利的排出地层的气液固相，具体可以利用常规油气井裸眼砾石充填施工时，阻挡砾石层的筛管挡砂精度的设计方法进行反向计算，得到最佳的回填砂浆砾石尺寸，所述机械筛管可以是常规的大直径预充填筛管、网布筛管、金属棉筛管或其他的新型机械筛管。

本实施例采用较粗的挡砂精度设计水合物开采井挡砂精度，保证水合物降压开采过程中，近井地层的泥质及颗粒较细的地层砂全部能够流入井筒生产管柱，从而有效降低了防砂表皮系数，防止筛管堵塞，而大量的地层泥质含量及细质颗粒排出，又进一步疏通了管外近井地层，提高近井地层渗透率，降低近井地层压耗梯度，改善近井渗流条件，有利于水合物开采井产能的增大。而且，通过本开采装置的设计，在实际施工过程初期，起主要防砂作用的是机械筛管9，而在置换开采后期，由于置换回填砂浆中砾石的挤压充填作用，后期起主要防砂作用的是回填砾石层，则进一步帮助缓解地层产出流体对筛管的直接冲蚀，有效延长防砂有效期。

通过持续向地层注入回填砂浆，不仅延长水合物防砂有效期，而且对上部地层也起到支撑作用，防止在长期开采条件下由于地层亏空量过大造成的地层整体沉降和滑塌，可以实时补充由于地层细质成分产出和水合物分解造成的地层亏空量，解决了“一次性裸眼砾石充填完井+降压开采”模式下由于地层亏空造成的充填砾石蠕动和松动现象。从长期开采的角度出发，经过一段时间的置换回填开采后，地层有原来的单一粉砂质储层演变为：外围是粉砂质储层、内部是粗砾石充填层的“双重”介质，而且改善了近井渗流条件，进一步增加产能，为我国海域粉砂质水合物开采提供新思路

实施例2、基于实施例1所提出的开采方法，本实施例提出一种海洋天然气水合物砂浆置换开采装置，按照“1+3”的原则进行设计，即一根大直径套管+三根小直径套管（或油管），参考图2，包括生产套管1、设置在生产套管1内且与生产套管轴线平行的生产油管2、井筒注水管3和砂浆回注管4；生产油管2、井筒注水管3和砂浆回注管4的外壁与生产套管1的内壁之间形成的环空为气体流通通道12。

具体的，如图1所示的原理结构示意图，所述生产套管1下端连接有与其匹配的机械筛管9，且生产套管1位于水合物储层7的生产层段11上方，而机械筛管9位于水合物储层的生产层段11处，且在机械筛管9内，在生产层段11的顶界和靠近生产层段11的底界位置处分别安装有上机械封隔器6-2和下机械封隔器6-1；生产油管2的入口端安装有气体分离装置5，且气体分离装置5位于上机械封隔器6-2的下方，试采时，通过气体分离装置5分离出的砂、液两相通过生产油管2产出，而气相通过气体流通通道12单独产出；所述井筒注水管3在上机械封隔器6-2的上方与生产油管2相连通，用以向生产油管2内注入水合物抑制剂或清水；所述砂浆回注管4穿过上机械封隔器6-2和下机械封隔器6-1延伸至生产层段12的底界，用于将地面粒径较粗的砂粒回填至地层，砂浆回注管4的入口端连接有砂浆泵（未示意），其出口端设置有单向阀8，且单向阀8位于下机械封隔器6-1的下方，砂浆回注管4的出口端还连接有砾石填充工具10。

在水合物开采过程中，以一定的速率持续将地面砂浆通过砂浆泵及砂浆回注管4泵入井底，并定期定时通过砾石充填工具10将砂浆挤入生产套管1外的地层，砂浆回注管4单向阀8的设置只允许砂浆注入，而不允许砂浆从该通路反排，有效实现充填置换；降压开采水合物过程中，气体、液体及细颗粒固相从底层产出，水合物储层7产出的多相多组流体经过气体分离装置5分离后，液相携带地层细砂从生产油管2产出，气相则从气体流通通道12单独产出，有效避免了气液混合输送条件下水合物的二次生成和管道堵塞风险。

而且，通过井筒注水管3不断的向井筒中补液（水合物抑制剂或清水），注入流体从气体分离装置5上方注入生产油管2，注入水合物抑制剂的主要作用是防止水合物储层产出多相多组分流体在管路中流动时的水合物二次生成；注入清水的主要目的是防止地层产水不足条件下井筒沉沙现象，有效将流入井筒的地层细砂颗粒携带至井口，增大油管液流量，充分携带地层细沙，防止井筒砂沉及粉砂质储层在产液不足的条件下造成携砂不充分和由此造成的管道砂堵问题。

另外，通过上机械封隔器6-2分隔水合物储层7和上部管柱（生产油管2、井筒注水管3和生产套管4），保证地层产出的流体全部流经气体分离装置5，下机械封隔器6-1则保证砂浆回注过程中，注入井底的砂浆能从井底进入地层，而不会通过生产油管2和井筒注水管路3上返。

上述所述的充填砂浆包括大粒径充填砾石，充填砾石的尺寸根据机械筛管的挡砂精度确定，保证其不能通过机械筛管，机械筛管的挡砂精度根据地层砂的粒度分布规律确定，具体依据实施例1所述的方式或其他形式进行反向计算；且在实际施工过程初期，起主要防砂作用的是机械筛管；在置换开采后期，由于置换回填砂浆中砾石的挤压充填作用，后期起主要防砂作用的是回填砾石层，有助于缓解地层产出流体对筛管的直接冲蚀，延长防砂有效期。

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，关于施工顺序等操作可以根据需要进行调整，在不脱离本申请原理的情况下，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。