一种二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法

摘要

本发明涉及一种二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法。该方法包括：(a)对甲烷水合物储层进行水力压裂，所述甲烷水合物储层形成人造裂缝；(b)向所述人造裂缝中注入二氧化碳，所述二氧化碳置换出甲烷水合物中的甲烷，并形成二氧化碳水合物，停止向所述人造裂缝中注入二氧化碳后施加电场；(c)关闭所述电场，进行焖井，使得所述甲烷水合物充分分解得到气液混合物；向所述人造裂缝中注入二氧化碳后施加电场的电场强度≥80V/m；向所述人造裂缝中注入二氧化碳后施加电场的电场频率≤50GHz。该方法能提高甲烷水合物的开采效率，同时兼具地下封存二氧化碳，实现减碳和保持水合物储层稳定性的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及甲烷水合物开采领域，具体而言，涉及一种二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法。

背景技术

甲烷水合物是一种高效清洁能源，其燃烧后仅产生少量的二氧化碳和水，污染远小于煤、石油等化石能源，且储量巨大，在当前国内国际双碳背景下，甲烷水合物被公认为是石油、煤炭的主要替代能源之一。甲烷水合物广泛分布于深海或陆域永久冻土中，如何安全高效的开发是当前研究的热点。截至目前，研究人员已提出多种甲烷水合物开采技术，主要包括加热法、降压法和化学抑制剂注入法，但这些方法由于涉及水合物的分解，易导致地层塌陷、甲烷泄漏等地质或环境灾害，从而限制了甲烷水合物的商业化生产，因此需要探索新的安全高效的甲烷水合物开采技术。

甲烷水合物和二氧化碳水合物的结构具有相似性，基于此，提出了用二氧化碳置换甲烷水合物中甲烷的技术，由于该技术在置换过程中可以保持水合物储层的稳定性，又可以实现二氧化碳地下埋存而受到广泛关注。Ebinuma在1993年首次提出了该技术，并从热力学或动力学的角度评估了该技术的可行性和机理。Ors等人发现气体置换仅发生在水合物表面，水合物内层的甲烷不能被二氧化碳有效置换。为了提高二氧化碳置换甲烷效率，Zhang等人提出了一种加热辅助二氧化碳置换甲烷方法，通过加热来提高二氧化碳的扩散效率，从而获得了64.63％的甲烷置换率。Tupsakhare等人在加热置换技术的基础上，提出使用二氧化碳和氮气的混合气体置换甲烷的方法，进一步提升了置换效率。

由于电场的热效应以及电场与极性分子之间的相互作用，电场在许多领域得到了实际应用，在电场对水合物分解和生长的影响方面，人们也已开展了大量研究工作。English等人针对振荡电场和静电场对水合物分解动力学和结构的影响进行了大量理论研究。Waldron等人发现当电场强度大于某一阈值时，水合物才开始分解。Ghaani等人发现电场的频率高于某一阈值时，丙烷水合物分解速度显著降低。Waldron和English发现，当电场被移除时，甲烷水合物的分解是不可逆的。Luis等人研究表明，在静电场中，甲烷可以扩散到远离水笼的地方。总之，电场可促进甲烷水合物的分解，并可增强甲烷分子的扩散能力，且较高的电场强度和较低的电场频率更有利于水合物分解。另外，通过调节电场强度和频率容易控制水合物的部分分解，从而控制水合物层的稳定性。

综上所述，二氧化碳置换甲烷和电场激励甲烷水合物分解都是有效的甲烷水合物开采方式，各有优缺点，但截至目前，未发现综合二者优点进行甲烷水合物开采的技术。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法，所述的方法甲烷水合物的开采效率高，同时兼具地下封存二氧化碳，实现减碳和保持水合物储层稳定性的优点。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法，包括以下步骤：

(a)对甲烷水合物储层进行水力压裂，所述甲烷水合物储层形成人造裂缝；

(b)向所述人造裂缝中注入二氧化碳，所述二氧化碳置换出甲烷水合物中的甲烷，并形成二氧化碳水合物，停止向所述人造裂缝中注入二氧化碳后施加电场；

(c)关闭所述电场，进行焖井，使得所述甲烷水合物充分分解得到气液混合物；

向所述人造裂缝中注入二氧化碳后施加电场的电场强度≥80V/m；

和/或，向所述人造裂缝中注入二氧化碳后施加电场的电场频率≤50GHz。

所述的二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法，联合二氧化碳置换甲烷和电场激励甲烷水合物分解两项技术，能够提高甲烷水合物的开采效率，同时兼具地下封存二氧化碳，实现减碳和保持水合物储层稳定性的优点。

优选地，向所述人造裂缝中注入二氧化碳的速度为1000～3000m

优选地，向所述人造裂缝中注入二氧化碳的浓度为90vol％～94vol％；

优选地，单次向所述人造裂缝中注入二氧化碳的量为10000～30000m

优选地，所述二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法的开采区域的温度为1～4℃。

优选地，所述甲烷水合物储层的饱和度为40％～60％。

优选地，所述甲烷水合物储层的渗透率为50～200md。

优选地，所述甲烷水合物储层的孔隙度为41％～65％。

优选地，所述二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法的开采区域的压力为6～10MPa。

优选地，所述焖井的时间为1～10天。

优选地，所述二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法还包括步骤(d)：

将所述气液混合物中的甲烷、水和二氧化碳进行气液分离，得到气体混合物。

优选地，所述二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法还包括步骤(e)：

将所述气体混合物中甲烷和二氧化碳分离。

优选地，循环进行所述步骤(b)～(e)。

优选地，所述水力压裂前，在所述甲烷水合物储层内构造井轨迹。

优选地，在所述甲烷水合物储层内构造井轨迹的形式包括垂直井和/或水平井。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法，联合二氧化碳置换甲烷和电场激励甲烷水合物分解两项技术，能够提高甲烷水合物的开采效率，同时兼具地下封存二氧化碳，实现减碳和保持水合物储层稳定性的优点。

(2)本发明提供的二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法，结合甲烷水合物储层的实际情况，根据电场作用下二氧化碳水合物和甲烷水合物的相图，依据温压传感器的实时数据，动态调整二氧化碳的注入速度以及施加的电场强度和频率，使得开采区域的温度和压力稳定在设定区间内，确保在提升甲烷水合物分离速度和甲烷扩散速度的同时，保证水合物储层既具有一定的支撑力，防止地层塌陷，还具有一定的渗透率，使得二氧化碳可渗透通过，继续置换深处甲烷水合物中的甲烷，进而提高开采效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明二氧化碳置换甲烷的甲烷水合物开采井结构示意图。

附图标记：

1-二氧化碳储气罐、2-甲烷储气罐、3-气体分离器、4-油管、5-法兰、6-环空、7-气液分离器、8-增压泵、9-单向阀、10-电极、11-温压传感器、12-套管、13-地平面、14-甲烷水合物储层、15-阀门。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

一种二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法，包括以下步骤：

(a)由地平面13对甲烷水合物储层进行水力压裂，所述甲烷水合物储层形成人造裂缝；

(b)向所述人造裂缝中注入二氧化碳，所述二氧化碳置换出甲烷水合物中的甲烷，并形成二氧化碳水合物，停止向所述人造裂缝中注入二氧化碳后施加电场；

(c)关闭所述电场，进行焖井，使得所述甲烷水合物充分分解得到气液混合物；

向所述人造裂缝中注入二氧化碳后施加电场的电场强度≥80V/m；

和/或，向所述人造裂缝中注入二氧化碳后施加电场的电场频率≤50GHz。

在一些具体的实施方式中，向所述人造裂缝中注入二氧化碳后施加电场的电场强度例如可以为，但不限于80V/m、150V/m、200V/m、250V/m、300V/m、350V/m或400V/m。

在一些具体的实施方式中，向所述人造裂缝中注入二氧化碳后施加电场的电场频率例如可以为，但不限于50GHz、40GHz、30GHz、20GHz、10GHz、5GHz、1GHz或0.1GHz。

所述的二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法，联合二氧化碳置换甲烷和电场激励甲烷水合物分解两项技术，能提高甲烷水合物的开采效率，同时兼具地下封存二氧化碳，实现减碳和保持水合物储层稳定性的优点。

优选地，向所述人造裂缝中注入二氧化碳的速度为1000～3000m

优选地，向所述人造裂缝中注入二氧化碳的浓度为90vol％～94vol％(例如90vol％、91vol％、92vol％、93vol％或94vol％)。

优选地，单次向所述人造裂缝中注入二氧化碳的量为10000～30000m

优选地，所述二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法的开采区域的温度为1～4℃。

在一些具体的实施方式中，所述二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法的开采区域的温度例如可以为，但不限于1℃、2℃、3℃或4℃。

优选地，所述甲烷水合物储层的饱和度为40％～60％(例如40％、45％、50％、55％或60％)。

优选地，所述甲烷水合物储层的渗透率为50～200md(例如50md、70md、90md、110md、130md、150md、170md、190md或200md)。

优选地，所述甲烷水合物储层的孔隙度为41％～65％(例如41％、45％、50％、55％、60％或65％)。

优选地，所述二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法的开采区域的压力为6～10MPa。

在一些具体的实施方式中，所述二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法的开采区域的压力例如可以为，但不限于6MPa、7MPa、8MPa、9MPa或10MPa。

通过动态调整二氧化碳注入速度以及施加的电场强度和频率，使得开采区域的温度稳定在3℃左右时，同时压力稳定在8MPa左右，目的是在提升甲烷水合物分离速度和甲烷扩散速度的同时，保证甲烷水合物部分分解，使得水合物储层既具有一定的支撑力，防止地层塌陷，还具有一定的渗透率，使得二氧化碳可渗透通过，继续置换深处甲烷水合物中的甲烷。

优选地，所述焖井的时间为1～10天。

在一些具体的实施方式中，所述焖井的时间例如可以为，但不限于1天、3天、5天、7天、9天或10天。

优选地，所述二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法还包括步骤(d)：

将所述气液混合物中的甲烷、水和二氧化碳进行气液分离，得到气体混合物。

优选地，所述二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法还包括步骤(e)：

将所述气体混合物中甲烷和二氧化碳分离。

优选地，循环进行所述步骤(b)～(e)。

优选地，所述水力压裂前，在所述甲烷水合物储层内构造井轨迹。

优选地，在所述甲烷水合物储层内构造井轨迹构造的形式包括垂直井和/或水平井。

如图1所示，本发明提供了一种电场激励下二氧化碳置换甲烷的甲烷水合物开采井结构，包括二氧化碳储气罐1、甲烷储气罐2、气体分离器3、油管4、法兰5、气液分离器7、增压泵8、单向阀9、电极10、温压传感器11、套管12和阀门15。

所述油管4和套管12均为中空圆柱体形状，油管4和套管12之间形成环空6。

所述油管4用于注入二氧化碳。

所述法兰5用于连接油管4和水射流喷嘴，以及油管4和甲烷水合物开采装置。

所述环空6用于输送二氧化碳和甲烷混合气体。

所述气液分离器7用于将开采出来的气液混合物中的液体过滤掉，只允许气体通过。

所述气体分离器3用于将二氧化碳和甲烷混合气体分离，分离后的二氧化碳进入二氧化碳储气罐1，分离后的甲烷进入甲烷储气罐2。

所述单向阀9用于阻止分离出的甲烷、水以及未消耗的二氧化碳等流体进入油管4。

所述增压泵8用于调整二氧化碳的注入速度。

所述电极10用于施加一定强度和频率的振荡电场以及静电场。

下面将结合具体的实施例和对比例对本发明的实施方案进行详细描述。

实施例1

本实施例提供的二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法，包括以下步骤：

步骤1：以垂直井方式钻遇甲烷水合物储层14，安装套管12和油管4，油管4下方通过法兰5连接水射流喷嘴，通过水射流喷嘴喷射高压含砂压裂液对甲烷水合物储层14开展压裂，并做防沙处理；

步骤2：甲烷水合物储层14压裂后，通过提升油管4取出水射流喷嘴，油管4底端通过法兰5连接甲烷水合物开采装置，甲烷水合物开采装置内布有电极10、气液分离器7、增压泵8、单向阀9、温压传感器11，在甲烷水合物开采装置下到甲烷水合物储层14预定位置后，气液分离器7向四周伸展占据对应的环空位置；

步骤3：打开二氧化碳储气罐1的阀门15，二氧化碳流经油管4和单向阀9，最终进入甲烷水合物储层14中的人造裂缝，并进行二氧化碳置换甲烷，同时形成新的二氧化碳水合物，对地层形成支撑作用，二氧化碳的浓度等自身参数以及注入速度和注入量等参数根据甲烷水合物储层14的饱和度、渗透率等储层参数以及温压传感器11的实时数据进行设定，其中增压泵8可根据温压传感器11的实时数据动态调整泵频，进而调整二氧化碳的注入速度，比如对中国青海木里某天然气水合物储层，注入二氧化碳的浓度为92％左右，注入速度为1000m

步骤4：停止注入二氧化碳，通过电极10施加一定强度和频率的振荡电场提升甲烷水合物的分解速度，通过电极10施加静电场用于加快甲烷向甲烷水合物开采井方向扩散，施加的振荡电场的强度和频率以及静电场的强度根据甲烷水合物储层14的实际情况，温压传感器11的实时数据以及二氧化碳水合物和甲烷水合物的相图进行动态调整，确保开采区域的温度稳定在3℃左右时，同时压力稳定在8MPa左右；电场强度为100V/nm，频率为50GHz；

步骤5：通过电极10断电，关闭电场，停转增压泵8和关闭阀门15，进行焖井作业，使得已注入的二氧化碳充分置换甲烷，同时重新生成二氧化碳水合物；

步骤6：分离后的甲烷、水和未消耗的二氧化碳经过气液分离器7进行气液分离，甲烷和二氧化碳可通过气液分离器7进入环空6；

步骤7：环空6内的二氧化碳和甲烷混合气体到达气体分离器3，气体分离器3将二氧化碳和甲烷分离，分离后的二氧化碳经由二氧化碳储气罐1和增压泵8再次注入甲烷水合物储层14，实现二氧化碳循环利用，分离后的甲烷进入甲烷储气罐2存储，最终实现甲烷水合物中甲烷的开采；

步骤8：循环进行步骤3-步骤7，持续开采甲烷水合物。

本实施例二氧化碳置换甲烷的效率为65％。

实施例2

本实施例提供的二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法，包括以下步骤：

步骤1：同实施例1；

步骤2：同实施例1；

步骤3：打开二氧化碳储气罐1的阀门15，二氧化碳流经油管4和单向阀9，最终进入甲烷水合物储层14中的人造裂缝，并进行二氧化碳置换甲烷，同时形成新的二氧化碳水合物，对地层形成支撑作用，二氧化碳的浓度等自身参数以及注入速度和注入量等参数根据甲烷水合物储层14的饱和度、渗透率等储层参数以及温压传感器11的实时数据进行设定，其中增压泵8可根据温压传感器11的实时数据动态调整泵频，进而调整二氧化碳的注入速度，比如对中国青海木里某天然气水合物储层，注入二氧化碳的浓度为92％左右，注入速度为2000m

步骤4：停止注入二氧化，通过电极10施加一定强度和频率的振荡电场提升甲烷水合物的分解速度，通过电极10施加静电场用于加快甲烷向甲烷水合物开采井方向扩散，施加的振荡电场的强度和频率以及静电场的强度根据甲烷水合物储层14的实际情况，温压传感器11的实时数据以及二氧化碳水合物和甲烷水合物的相图进行动态调整，开采区域的温度稳定在3℃左右时，同时压力稳定在8MPa左右；电场强度为80V/m，频率为40GHz；

步骤5：同实施例1；

步骤6：同实施例1；

步骤7：同实施例1；

步骤8：同实施例1。

本实施例二氧化碳置换甲烷的效率为64％。

实施例3

本实施例提供的二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法，包括以下步骤：

步骤1：同实施例1；

步骤2：同实施例1；

步骤3：打开二氧化碳储气罐1的阀门15，二氧化碳流经油管4和单向阀9，最终进入甲烷水合物储层14中的人造裂缝，并进行二氧化碳置换甲烷，同时形成新的二氧化碳水合物，对地层形成支撑作用，二氧化碳的浓度等自身参数以及注入速度和注入量等参数根据甲烷水合物储层14的饱和度、渗透率等储层参数以及温压传感器11的实时数据进行设定，其中增压泵8可根据温压传感器11的实时数据动态调整泵频，进而调整二氧化碳的注入速度，比如对中国青海木里某天然气水合物储层，注入二氧化碳的浓度为92％左右，注入速度为3000m

步骤4：停止注入二氧化碳，通过电极10施加一定强度和频率的振荡电场提升甲烷水合物的分离速度，通过电极10施加静电场用于加快甲烷向甲烷水合物开采井方向扩散，施加的振荡电场的强度和频率以及静电场的强度根据甲烷水合物储层14的实际情况，温压传感器11的实时数据以及二氧化碳水合物和甲烷水合物的相图进行动态调整，开采区域的温度稳定在3℃左右时，同时压力稳定在8MPa左右；电场强度90V/m，频率为45GHz；

步骤5：同实施例1；

步骤6：同实施例1；

步骤7：同实施例1；

步骤8：同实施例1。

本实施例二氧化碳置换甲烷的效率为67％。

对比例1

本对比例提供的二氧化碳置换甲烷的天然气水合物开采方法，与实施例1的区别仅在于向人造裂缝中注入二氧化碳后未施加电场，二氧化碳置换甲烷的置换效率为20％。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。