一种结合二氧化碳抑制剂的天然气水合物置换开采方法与流程

本发明属于海洋天然气水合物开采技术领域，具体涉及一种结合二氧化碳抑制剂的天然气水合物置换开采方法。

背景技术：

天然气水合物俗称“可燃冰”，是在低温高压条件下由甲烷和水相互作用形成的非化学计量形笼形固态晶体物质。自然界中的天然气水合物主要存在于海底、湖泊与冻土区，其储量非常巨大，据测算全球天然气水合物矿藏中的所蕴含的有机碳总量是现有化石能源中有机碳含量的两倍。因此，天然气水合物也被认为是一种重要的可以替代传统化石能源的清洁能源。

目前，传统的天然气水合物的开采方法，主要有降压法，注热法，注化学试剂法。这些方法的基本原理都是打破水合物存在的平衡条件，使其发生分解，进而可以开采出甲烷气体。但是，采用这种破坏水合物相平衡开采的原理，有可能导致水合物分解后地质储层的不稳定性，进而甚至会引发地质灾害，造成无法挽回的灾难性后果。二氧化碳置换法开采是一种新型的水合物开采方法，主要利用二氧化碳生成水合物的焓变较甲烷生成水合物低的原理；利用二氧化碳在原位条件下将天然气水合物转化为二氧化碳水合物，置换出其中的甲烷分子而不改变笼形基本结构，进而达到开采甲烷气体的目的。它既可以开采甲烷气体，又能保持原有地层的结构，还能够达到封存二氧化碳的作用。随着二氧化碳排放量的不断增多，温室效应的日益严重，置换开采也引起了人们越来越多的关注。

二氧化碳置换法虽然有诸多优点，但是较低的置换效率和开采速率限制了置换法的实际应用。分析其原因，主要为置换反应首先发生在注入井周围，反应生成的二氧化碳水合物阻碍了二氧化碳与天然气水合物的进一步接触，导致二氧化碳你无法输送到距离注射井较远区域，从而使置换反应停止，开采结束。

本发明针对目前天然气水合物置换开采方法所存在的缺陷，结合抑制剂法，提出了一种新的水合物开采方法。

技术实现要素：

针对置换开采天然气水合物置换效率低、置换速率慢的问题，本发明的目的采用提供一种结合抑制剂法的天然气水合物置换开采方法，提高置换开采的效率和速率。

具体技术方案为：

一种结合抑制剂法的天然气水合物置换开采方法，包括以下步骤：

(1)根据水合物矿藏的成藏位置，选取钻井位置，采用低密度泥浆钻井方法钻取开采井至天然气水合物储层内部，所述开采井包括注入井和收集井；

(2)初期开采；方案一：降低收集井压力至天然气水合物相平衡压力以下，天然气水合物分解，进行初期开采；方案二：将天然气水合物抑制剂通过收集井注入到水合物储层，促进天然气水合物分解，进行初期开采；

(3)初期开采结束后，方案一：首先，将二氧化碳水合物抑制剂通过注入井注入到天然气水合物储层，再将二氧化碳注入到含有二氧化碳水合物抑制剂的水合物层，进行置换开采；方案二：将二氧化碳水合物抑制剂和二氧化碳同时通过注入井注入到天然气水合物储层，进行置换开采；两种方案中所述二氧化碳水合物抑制剂的添加浓度为保证不完全抑制二氧化碳水合物生成；所述的二氧化碳水合物抑制剂包括热力学抑制剂、动力学抑制剂和生物氨基酸类抑制剂中的一种或两种以上；

(4)将置换开采出的混合气体进行分离得到纯净的甲烷气体。

在上述方法中，优选地，所述的二氧化碳水合物抑制剂的热力学抑制剂包括甲醇、乙醇、异丙醇中的一种或两种以上；动力学抑制剂包括聚乙烯基己内酰胺(pvcap)、n-乙烯基吡咯烷酮(nvp)中的一种或两种；生物氨基酸类抑制剂包括甘氨酸、丙氨酸和缬氨酸中的一种或两种以上。

在上述方法中，优选地，步骤(3)初期开采结束后，通过控制收集井的压力调节注入井与收集井之间的压力差，利用压力差促进二氧化碳水合物抑制剂和二氧化碳在注入井和开采井之间的扩散，提高置换深度和置换效率。

在上述方法中，优选地，所述的开采井包括垂直井段和位于天然气水合物储层中的水平井段，其中注入井和收集井的水平井段在垂直方向上交错分布。

在上述方法中，优选地，步骤(4)对开采出来的混合物质进行分离，并对收集的天然气进行储藏与运输，将分离出的抑制剂和二氧化碳重新注入井中进行循环利用。

本发明的有益效果为：通过本发明在置换开采过程中注入抑制剂，可以有效延长注入井筒周围二氧化碳水合物的生成时间，从而增大二氧化碳扩散距离和扩散深度，从而增大置换反应的接触面积，提高置换开采深度和效率，同时还能够增大二氧化碳的封存量和封存效率。

附图说明

图1为一种结合抑制剂法的天然气水合物置换开采方法的示意图。

图中：1注入井；2开采井水平井段；3天然气水合物储层；4天然气收集井；5上覆盖层；6下覆盖层。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种结合抑制剂法的天然气水合物置换开采方法，其步骤如下：

(1)根据水合物矿藏的成藏位置，选取合适的钻井位置，采用低密度泥浆钻井方法钻取多口开采井至天然气水合物储层内部，一种作注入井，另一种作为天然气收集井，且成交错分布；

(2)初期开采；降低收集井压力至天然气水合物相平衡压力以下，天然气水合物分解，进行初期开采；初期开采结束后，启动注入泵，将浓度为3.5mol％的甘氨酸(或者4.0mol％丙氨酸、3.8mol％的缬氨酸)，通过注入井注入到天然气水合物储层中，当各注入井水平井段充满甘氨酸后停止注入，甘氨酸经水平井段开始向天然气水合物储层周围扩散；在置换开采初期甘氨酸会破坏天然气水合物平衡条件，促进部分天然气水合物分解，打开天然气水合物储层的孔隙通道，提高水平井周围地层中的渗透率。在置换开采过程中，甘氨酸可以抑制井筒周围二氧化碳水合物的生成，延长二氧化碳水合物的生成时间，与普通置换法相比，能使得二氧化碳扩散到更远的天然气储层区域，在较远处进行置换反应时能源源不断地得到二氧化碳供应，增大置换反应的接触面积和置换深度，从而增大开采深度，提高置换开采效率，同时还能够封存更多的二氧化碳。

(3)甘氨酸注入完成后，待天气然收集井产气量下降到初始产量的1/5后，将二氧化碳注入到井中，等待足够的时间进行置换反应；通过控制天然气收集井的压力来调节注入井与天然气收集井之间的压力差，利用压力差促进抑制剂和二氧化碳在两个开采井之间的扩散；一定时间后(60天)，打开天然气收集井，将开采的混合物质收集上来并进行分离得到纯净的甲烷气体；

对于收集上来的混合物质，分离出的抑制剂和二氧化碳可以重新通过注入井循环使用。

实施例2

(1)根据水合物矿藏的成藏位置，选取合适的钻井位置，采用低密度泥浆钻井方法钻取多口开采井至天然气水合物储层内部，一种作注入井，另一种作为天然气收集井，且成交错分布；

(2)初期开采；将天然气水合物抑制剂通过收集井注入到水合物储层，促进天然气水合物分解，进行初期开采；初期开采结束后，启动注入泵，将浓度为23ppmw的聚乙烯基己内酰胺(或者28ppmw的n-乙烯基吡咯烷酮)，通过注入井注入到天然气水合物储层中，当各注入井水平井段充满聚乙烯基己内酰胺后停止注入，聚乙烯基己内酰胺经水平井段开始向天然气水合物储层周围扩散；在置换开采初期聚乙烯基己内酰胺会破坏天然气水合物平衡条件，促进部分天然气水合物分解，打开天然气水合物储层的孔隙通道，提高水平井周围地层中的渗透率。在置换开采过程中，聚乙烯基己内酰胺可以抑制井筒周围二氧化碳水合物的生成，延长二氧化碳水合物的生成时间，与普通置换法相比，能使得二氧化碳扩散到更远的天然气储层区域，在较远处进行置换反应时能源源不断地得到二氧化碳供应，增大置换反应的接触面积和置换深度，从而增大开采深度，提高置换开采效率，同时还能够封存更多的二氧化碳。

(3)聚乙烯基己内酰胺注入完成后，待天气然收集井产气量下降到初始产量的1/5后，将二氧化碳注入到井中，等待足够的时间进行置换反应；通过控制天然气收集井的压力来调节注入井与天然气收集井之间的压力差，利用压力差促进聚乙烯基己内酰胺和二氧化碳在两个开采井之间的扩散；一定时间后(60天)，打开天然气收集井，将开采的混合物质收集上来并进行分离得到纯净的甲烷气体；

对于收集上来的混合物质，分离出的抑制剂和二氧化碳可以重新通过注入井循环使用。

实施例3

(1)根据水合物矿藏的成藏位置，选取合适的钻井位置，采用低密度泥浆钻井方法钻取多口开采井至天然气水合物储层内部，一种作注入井，另一种作为天然气收集井，且成交错分布；

(2)初期开采；降低收集井压力至天然气水合物相平衡压力以下，天然气水合物分解，进行初期开采；初期开采结束后，启动注入泵，将浓度为35％的甲醇溶液，通过注入井注入到天然气水合物储层中，当各注入井水平井段充满甲醇后停止注入，甲醇经水平井段开始向天然气水合物储层周围扩散；在置换开采初期甲醇会破坏天然气水合物平衡条件，促进部分天然气水合物分解，打开天然气水合物储层的孔隙通道，提高水平井周围地层中的渗透率。在置换开采过程中，甲醇可以抑制井筒周围二氧化碳水合物的生成，延长二氧化碳水合物的生成时间，与普通置换法相比，能使得二氧化碳扩散到更远的天然气储层区域，在较远处进行置换反应时能源源不断地得到二氧化碳供应，增大置换反应的接触面积和置换深度，从而增大开采深度，提高置换开采效率，同时还能够封存更多的二氧化碳。

(3)甲醇注入完成后，待天气然收集井产气量下降到初始产量的1/5后，将二氧化碳注入到井中，等待足够的时间进行置换反应；通过控制天然气收集井的压力来调节注入井与天然气收集井之间的压力差，利用压力差促进抑制剂和二氧化碳在两个开采井之间的扩散；一定时间后(60天)，打开天然气收集井，将开采的混合物质收集上来并进行分离得到纯净的甲烷气体；

对于收集上来的混合物质，分离出的抑制剂和二氧化碳可以重新通过注入井循环使用。

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的保护范围内。