一种利用CO2和地热能开采天然气水合物藏的井结构设计与方法与流程

本发明设计属于地热开发和天然气水合物开采领域，尤其涉及一种利用co2和地热能开采天然气水合物藏的井结构设计与方法。

背景技术：

随着传统化石能源储量的急剧减少，世界各国对新能源的利用与发展给予了特别的关注，其中天然气水合物和地热被寄予了重大的期望。

地热是一种储量丰富的清洁可再生能源，其能量来自于地球内部，能量巨大且用之不竭，干热岩中的热能是人们开发利用地热能众多方式中的一种。干热岩是指一般温度大于200℃，埋深千米至数千米，内部不存在流体或者仅有少量流体的高温岩体。因此，一般在干热岩开发的过程中需要对干热岩地层进行压裂，并向地层中注入大量的流体，通过流体的循环将干热岩地层中的热能开采出来。天然气水合物是指天然气和水在特定温度和压力下生产的晶体物质。随着能源短缺的加剧，天然气水合物逐渐引起了国内外科学家的关注，并进行了相关的勘探开发与实验研究。目前，传统的天然气水合物的开采方法主要有改变水合物藏的温度，降低压力或者注入抑制剂法，这些方法的原理都基于破坏水合物的相平衡条件。

co2膨胀性比较大，且粘度比较低，作为溶剂对地层岩石矿物的溶解性很低，十分有利于地热系统的开发；某一特定的压力范围内，天然气水合物会分解，而co2则易于形成二氧化碳水合物并保持稳定。把空气中或者工业生产中产生的co2注入到干热岩地层和天然气水合物地层中，可以实现co2的地质埋存，有效减缓co2产生的温室效应，同时实现经济效益和环境效益，因此co2应用于地热开采和天然气水合物藏的开发具有重要的意义。然而目前尚没有一种利用co2与地热能量协同开采天然气水合物的方法，本发明将co2开发地热与co2开发天然气水合物藏相结合，将干热岩地层加热后的co2注入天然气水合物藏，同时实现天然气水合物藏的热开采和co2置换开采，实现co2地质埋存的同时提高天然气水合物藏的采收率。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于将co2对地热和天然气水合物的开发相结合，提供一种利用co2和地热能开采天然气水合物藏的井结构设计与方法，该方法可以大幅度的提高天然气水合物的采收率。

本发明的目的主要通过以下方法实现：以co2作为流动载体，将干热岩中的热量运移到天然气水合物藏中对其进行加热，实现天然气水合物藏的热开采和co2置换开采，提高天然气水合物藏开发效果的同时实现co2的地质埋存，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据天然气水合物藏的地质资料，选择距离天然气水合物藏底部10-50m处存在干热岩地层的地质结构，其干热岩地层厚度范围为80-150m；

(2)分别钻取两口井，所述两口井均使用套管完井，其中一口为注入水平井，钻至干热岩地层，所述注入水平井的垂直段钻穿天然气水合物藏，且在天然气水合物藏段进行水力压裂产生压裂缝；所述注入水平井的水平段位于干热岩地层中，水平段长度范围为300～700m，且不进行水力压裂，也不进行套管射孔；所述注入水平井中的油管在水平井趾端不封堵，与所述套管连通，迫使注入的co2通过所述油管与所述套管之间的环空区域上返至天然气水合物藏；所述注入水平井中的油管在天然气水合物藏顶部至干热岩地层顶部的部分，以及所述注入水平井中的套管在天然气水合物藏底部至干热岩层顶部的部分，都覆盖有以聚乙烯为材料的隔热层，从而减少加热后上返的co2的热损失；所述注入水平井在垂直段通过套管射孔连通天然气水合物藏；所述注入水平井中的油管与套管之间距离天然气水合物藏顶部3-5m处放置封隔器进行封堵；另一口为开采直井，钻至天然气水合物藏，所述开采直井通过套管射孔连通天然气水合物藏，并在天然气水合物藏段进行水力压裂；

(3)所述注入水平井通过油管注入co2至干热岩地层，所述co2注入速度为0.08-0.2pv/a，经所述干热岩地层加热后的co2通过油管与套管之间的环空区域上返到天然气水合物藏；

(4)天然气水合物分解后的产物与冷却的co2一起通过所述开采直井生产至地面，实现天然气水合物藏的热开采和co2置换开采。

本发明的有益效果是：将co2对地热和天然气水合物的开发相结合，将干热岩地层的能量通过co2传递至天然气水合物藏，促进天然气水合物的分解；同时co2在水合物地层中发生置换作用，有利于水合物的分解；在这个过程中也实现了co2的地质埋存，减少了co2的温室效应。

附图说明

图1为一种利用co2和地热能开采天然气水合物藏的井结构设计与方法的结构示意图；

图2为表面覆盖有隔热层油管与套管的剖面图；

其中，1.隔层，2.天然气水合物藏，3.干热岩地层，4.套管，5.油管，6.封隔器，7.隔热层，8.压裂缝，9.生产井，10.co2流动方向，11.热量传递方向。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明，但不限定本发明的实施范围。

一种利用co2和地热能开采天然气水合物藏的井结构设计与方法，其包括一个用于注入co2的水平井与一个用于开采天然气水合物分解产物的直井，以co2作为流动载体，将干热岩中的热量运移到天然气水合物藏中对其进行加热，实现天然气水合物藏的热开采和co2置换开采，提高天然气水合物藏开发效果的同时实现co2的地质埋存，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据天然气水合物藏的地质资料，选择距离天然气水合物藏2底部20m处存在厚度为100m的干热岩地层3；

(2)分别钻取两口井，所述两口井均使用套管完井，其中一口为注入水平井，钻至干热岩地层，所述注入水平井的垂直段钻穿天然气水合物藏2，且在天然气水合物藏段进行水力压裂产生压裂缝8；所述注入水平井的水平段位于干热岩地层3中，水平段长度范围为500m，且不进行水力压裂，也不进行套管射孔；所述注入水平井中的油管5在水平井趾端不封堵，与所述套管4连通，迫使注入的co2通过所述油管5与所述套管4之间的环空区域上返至天然气水合物藏2；所述注入水平井中的油管5在天然气水合物藏2顶部至干热岩地层3顶部的部分，以及所述注入水平井中的套管4在天然气水合物藏2底部至干热岩层3顶部的部分，都覆盖有以聚乙烯为材料的隔热层7，从而减少加热后上返的co2的热损失；所述注入水平井在垂直段通过套管射孔连通天然气水合物藏2；所述注入水平井中的油管5与套4管之间距离天然气水合物藏2顶部5m处放置封隔器6进行封堵；另一口为开采直井9，钻至天然气水合物藏2，所述开采直井9通过套管射孔连通天然气水合物藏2，并在天然气水合物藏段进行水力压裂；

(3)所述注入水平井通过油管5注入co2至干热岩地层3，所述co2注入速度为0.1pv/a，经所述干热岩地层3加热后的co2通过油管5与套管4之间的环空区域上返到天然气水合物藏2；

(4)天然气水合物分解后的产物与冷却的co2一起通过所述开采直井9生产至地面，实现天然气水合物藏的热开采和co2置换开采。

技术特征：

技术总结
本发明提供一种利用CO2和地热能开采天然气水合物藏的井结构设计与方法，其包括一个用于注入CO2的水平井与一个用于开采天然气水合物分解产物的直井，所述结构设计适用于天然气水合物藏底部存在干热岩地层的地质结构；所述注入水平井的垂直段钻穿天然气水合物藏，水平段位于干热岩层中，用于将注入的CO2运输至干热岩层中进行加热，并将加热后的CO2上返至天然气水合物藏；所述开采直井钻至天然气水合物藏，用于将天然气水合物分解后的产物与冷却的CO2一起开采至地面。本发明以CO2作为流动载体，将干热岩中的热量运移到天然气水合物藏中对其进行加热，实现天然气水合物藏的热开采和CO2置换开采，提高天然气水合物藏开发效果的同时实现CO2的地质埋存。

技术研发人员：侯健;王文斌;刘永革;张广福;赵海峰;刘璟垚;刘晓宇
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2017.07.14
技术公布日：2017.09.01