一种结合注入热海水增强甲烷开采和二氧化碳封存的天然气水合物置换方法

技术领域

本发明属于天然气水合物开采领域，涉及到一种结合注入热海水增强甲烷开采和二氧化碳封存的天然气水合物置换方法。

背景技术

天然气水合物广泛存在于大陆永久冻土带和深海海底，具有分布广、埋藏浅、规模大、能量密度高的特点，被看作为一种潜在的非常规能源，其已探明储量相当于全球已探明化石燃料(煤、石油、天然气)总量的二倍。传统的天然气水合物开采方法主要有降压法、热激法和注入抑制剂法，但均存在缺陷：降压法开采效率低、热激法能量耗散大以及注入抑制剂法破坏环境。二氧化碳置换是一种新型、环境有好的天然气水合物开采方法，能够同时实现甲烷开发作为能源供给和二氧化碳封存缓解温室效应的目的，并且在开采过程中由于二氧化碳水合物的形成能够保证储层的稳定性，避免引发海洋地质灾害。

二氧化碳置换作为最有前途的天然气水合物开采方法，在实际工程中仍存在许多问题：首先，甲烷水合物由6个大穴、2个小穴组成，二氧化碳分子的体积比甲烷大，其大小介于甲烷水合物的大穴和小穴之间，理想状况下甲烷的开采率最高只能达到75％；其次，开采前期，二氧化碳在甲烷水合物表面快速置换，随着置换反应的进行，逐渐在水合物表面形成致密的甲烷、二氧化碳混合水合物层，导致渗透率下降，不利于二氧化碳向水合物内部扩散，置换速率迅速降低，严重情况下导致置换反应基本停止。因此，针对甲烷开采率、二氧化碳封存率和置换速率低的问题，亟待一种新型的天然气水合物置换方法。

发明内容

为了克服现有技术里存在的问题，本发明提供一种新型的天然气水合物置换方法，在置换中期结合注入热海水，使致密的二氧化碳、甲烷混合水合物层发生分解，提高甲烷开采率和二氧化碳封存率，同时促进二氧化碳扩散，提高置换速率。

为了实现上述功能，本发明提供的技术方案是一种结合注入热海水增强甲烷开采和二氧化碳封存的天然气水合物置换方法，具体步骤如下：

1)选取水合物藏开采目标区域，搭建海上注入平台和产气平台，分别进行二氧化碳及热海水注入井、甲烷产气井钻井；钻井完成后，水合物储层压力降低，井筒周围的天然气水合物处于亚稳态状态。

2)通过二氧化碳及热海水注入井向水合物储层注入二氧化碳，并控制储层压力在对应储层温度的二氧化碳水合物相平衡压力以上，促使在离井筒较近的天然气水合物藏开采浅层发生置换反应，被置换出的甲烷气体和残余的二氧化碳气体通过甲烷产气井收集。根据二氧化碳、二氧化碳水合物以及甲烷水合物的相平衡条件和气体分离条件，可选择二氧化碳的最优注入条件。

3)通过二氧化碳及热海水注入井同时向水合物储层注入热海水和二氧化碳，利用热海水使天然气水合物藏开采浅层因置换反应而形成的致密的二氧化碳、甲烷混合水合物发生部分分解，打开二氧化碳向深层水合物藏流动运移的通道，提高二氧化碳的置换速率，同时利用热海水将无法被二氧化碳直接置换的天然气水合物小孔穴中的甲烷释放出来，提高甲烷开采率和二氧化碳封存率；被释放出甲烷气体和二氧化碳通过甲烷产气井收集。

上述热海水和二氧化碳的同时注入，一方面因为使混合水合物部分分解，而不发生水合物藏的大面积分解、坍塌，避免引发海洋地质灾害能够保证储层稳定性；另一方面相对于常规的热激法，热海水结合二氧化碳的注入过程无需加热整个水合物储层，因此具有较低的能量耗散。依据不同的储层温度、压力、渗透率以及水合物饱和度等储层条件，可选择最优的注入条件。

4)停止注入热海水，利用二氧化碳及热海水注入井向水合物储层注入二氧化碳，并控制储层压力在对应储层温度的二氧化碳水合物相平衡压力以上，促使在离井筒较远的天然气水合物藏开采深层发生置换反应，被置换出的甲烷气体和残余的二氧化碳气体通过甲烷产气井收集；同时残余的热海水和注入的二氧化碳生成二氧化碳水合物，提高储层稳定性并增强二氧化碳的封存量。

5)针对步骤2)、3)和4)中从海上产气平台的甲烷产气井收集的产品，首先进行气、水分离，再对气体进行分离得到纯净甲烷气体，最终完成对甲烷气体的储藏与运输。

进一步的，上述步骤5)中所述的甲烷提纯后，将残留的二氧化碳气体再次注入水合物储层中进行封存，提高二氧化碳的封存量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明同时实现了水合物安全高效开采和封存二氧化碳以减轻温室效应的目的。相对传统的置换开采，结合注入热水过程能够有效地提高置换速率、甲烷开采率和二氧化碳封存率；相比传统的热激法，同时注入热海水和二氧化碳能使混合水合物部分分解，而不发生水合物藏的大面积分解、坍塌，引发海洋地质灾害，另一方面结合注入过程无需加热整个水合物储层，因此具有较低的能量耗散。

(1)本发明采用二氧化碳置换和热海水注入结合的方式，能够使甲烷水合物无法被置换的小孔穴被开发，提高甲烷的开采率，小孔穴发生分解产生的自由水与二氧化碳结合生成二氧化碳水合物，提高二氧化碳封存率；

(2)本发明在置换中期结合注入热海水，能够有效地破坏致密的甲烷、二氧化碳混合水合物层，提高储层渗透率，促进二氧化碳的扩散，提高置换速率。

(3))结合注入热海水和二氧化碳使混合水合物部分分解，在提高置换率的同时而不发生水合物藏的大面积分解、坍塌，引发海洋地质灾害，保证储层稳定性。

(4)相比传统的热激法，热海水结合二氧化碳的注入过程无需加热整个水合物储层，因此具有较低的能量耗散。

(5)残余的热海水会和注入的二氧化碳生成二氧化碳水合物，在进一步提高储层稳定性的同时，增强二氧化碳的封存量。

附图说明

附图1是一种结合注入热海水增强甲烷开采和二氧化碳封存的天然气水合物置换方法示意图。

附图2是开采浅层置换示意图。

附图3是热海水结合二氧化碳注入阶段示意图。

附图4是开采深层置换示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

如附图1所示，天然气水合物藏常存在于海平面下1200-1500米的海洋沉积物中，其温度、压力条件为275-285K，3.2-11MPa。现选取海平面下1200米、储层温度275K、储层压力3.2MPa的水合物藏作为目标区域，进行标准化开采流程描述，并进行最优条件说明。

(1)搭建海上注入平台和产气平台，如附图1所示，进行二氧化碳及热海水注入井、甲烷产气井钻井。钻井完成后，水合物储层压力降低，井筒周围的天然气水合物处于亚稳态状态。

(2)如附图2所示，从二氧化碳及热海水注入井向水合物储层注入二氧化碳，并控制储层压力在对应储层温度的二氧化碳水合物相平衡压力以上。此处将压力控制在1.5MPa(275K时二氧化碳水合物的相平衡压力)以上，使离井筒较近的水合物藏开采浅层发生置换反应，被置换出的甲烷气体和残余的二氧化碳气体通过甲烷产气井收集。

根据二氧化碳、二氧化碳水合物以及甲烷水合物的相平衡条件，二氧化碳置换天然气水合物的温度、压力条件可以分为三个置换区域：A区域(二氧化碳、二氧化碳水合物以及甲烷水合物相平衡曲线之上)、B区域(二氧化碳相平衡曲线之下，二氧化碳水合物以及甲烷水合物相平衡曲线之上)和C区域(二氧化碳以及甲烷水合物相平衡曲线之下，二氧化碳水合物相平衡曲线之上)，其中A区域(液态二氧化碳具有较强的扩散能力)和C区域(甲烷水合物处于非稳定区域)的置换率和置换速率较优于B区域。

基于上述描述，在储层温度为275K时，储层压力控制在1.5-3.2MPa和3.7MPa以上为较优条件；考虑到气体分离、甲烷收集问题，储层压力控制在1.5-3.2MPa为最优开采条件。

(3)从二氧化碳及热海水注入井同时向水合物储层注入热海水和二氧化碳，并通过甲烷产气井收集产品。

如附图3所示，注入热海水的目的是使水合物藏开采浅层因置换反应而形成地致密的二氧化碳、甲烷混合水合物发生部分分解：一方面打开二氧化碳向水合物藏开采深层流动运移的通道，提高置换速率；另一方面使无法被置换的水合物小孔穴中的甲烷得到开发，提高甲烷开采率和二氧化碳封存率。热海水的注入温度和流量尤为关键，较优的注入条件能够保证储层稳定性和较低的能量耗散：一方面因为较优的注入条件使混合水合物部分分解，而不发生水合物藏的大面积分解、坍塌，引发海洋地质灾害，这也是同时注入二氧化碳的目的；另一方面相对于常规的热激法，热海水结合二氧化碳的注入过程无需加热整个水合物储层，因此具有较低的能量耗散。

基于上述描述，依据不同的储层温度、压力、渗透率以及水合物饱和度等条件，存在不同的最优注入条件。此处在储层温度为275K，压力为1.5-3.2MPa，水合物饱和度为40-60％的条件下，热海水的注入温度选定为40℃，注入时间为20min，热海水和二氧化碳的注入比为1:20。

(4)停止注入热海水，利用二氧化碳及热海水注入井向水合物储层注入二氧化碳，并控制储层压力在对应储层温度的二氧化碳水合物相平衡压力以上，此处将压力控制在1.5-3.2MPa，如图4所示，使离井筒较远的水合物藏开采深层发生置换反应，被置换出的甲烷气体和残余的二氧化碳气体通过甲烷产气井收集。值得注意的是，残余的热海水会和注入的二氧化碳生成二氧化碳水合物，在进一步提高储层稳定性的同时，增强二氧化碳的封存量。

(5)针对步骤(2)、(3)和(4)中从海上产气平台的甲烷产气井收集的产品，首先进行气、水分离，再利用深冷分离工艺得到纯净甲烷气体，最终完成对甲烷气体的储藏与运输。甲烷提纯步骤残留的含二氧化碳气体可再次注入水合物储层中进行封存。

以上实施例是本发明具体实施方式的一种，本领域技术人员在本技术方案范围内进行的通常变化和替换应包含在本发明内。