[發(fā)明專利]一種超臨界二氧化碳射流噴射鉆井開采水合物裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510044567.3
• 申請日: 2015-01-29
• 公開（公告）號: CN104563974B
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 杜玉昆;王瑞和;陳曉紅;陳曉誠
• 申請（專利權(quán)）人: 中國石油大學(xué)（華東）
• 主分類號: E21B43/00
• 分類號: E21B43/00;E21B43/34;E21B7/18
• 代理公司: 青島高曉專利事務(wù)所(普通合伙)37104
• 代理人: 張世功

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水合物鉆采設(shè)備及工藝技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種超臨界二氧化碳射流噴射鉆井開采水合物裝置。

背景技術(shù)

天然氣水合物是由水和天然氣分子組成的結(jié)晶固體，大量的天然氣被困在天然氣水合物儲層，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，1體積的天然氣水合物可以釋放160～180體積的天然氣。天然氣水合物分布在地球上的多年凍土地區(qū)和大陸邊緣的海洋沉積物中。天然氣水合物的全球資源量巨大，是一種重要的潛在接替能源，對天然氣水合物的高效開發(fā)對于緩解目前日益加劇的能源短缺形勢、滿足不斷增長的能源需求，乃至于保障國家的能源安全均具有極其重要的意義。

目前，從天然氣水合物中開采天然氣，一般是采用常規(guī)石油和天然氣開采中使用的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，即采用儲層降壓法、熱刺激法以及水合物抑制劑的注入法，導(dǎo)致天然氣水合物的分解，但上述方法的鉆井過程中所采用的鉆井液均含有水相，在鉆進(jìn)到水合物儲層時(shí)，在水合物沉積物的孔隙空間中水極易與分解的天然氣再次形成水合物，阻斷氣體的分解途徑，造成水合物儲層減產(chǎn)，降低最終采收率。研究發(fā)現(xiàn)，超臨界二氧化碳流體具有接近于氣體的低粘度和易擴(kuò)散性，極易進(jìn)入水合物儲層孔隙，利用不含水相的超臨界二氧化碳作為鉆井液，對水合物儲層噴射鉆井，不會傷害儲層，并且在射流噴射過程中由于焦耳－湯姆遜效應(yīng)導(dǎo)致二氧化碳射流的溫度急劇降低，不會引起水合物的快速分解，有利于防止井噴，而在鉆井后留存在儲層中的二氧化碳可以高效置換天然氣，會形成二氧化碳水合物，其熱力學(xué)特征比天然氣水合物更穩(wěn)定。因此，在充分考慮常規(guī)鉆采技術(shù)及水合物熱力學(xué)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種新的超臨界二氧化碳射流噴射鉆井開采水合物裝置及方法，在高效開發(fā)天然氣水合物的同時(shí)，可以作為一項(xiàng)減少大氣中的溫室氣體排放量并進(jìn)一步封存二氧化碳的方法，能夠維持沉積物的完整性和地質(zhì)力學(xué)穩(wěn)定性，減少地層失穩(wěn)和井噴事故的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，針對目前天然氣水合物的開采中存在的問題，尋求設(shè)計(jì)提供一種超臨界二氧化碳射流噴射鉆井開采水合物裝置，利用超臨界二氧化碳射流噴射進(jìn)行鉆井和開采天然氣。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述超臨界二氧化碳射流噴射鉆井開采水合物裝置的主體結(jié)構(gòu)包括二氧化碳罐車、液體二氧化碳存儲裝置、儲罐制冷裝置、高壓柱塞泵、上部鉆桿、下部鉆桿、鉆頭、水合物儲層、下伏地層、上覆巖層、井筒環(huán)空、井口節(jié)流裝置、三相分離器、氣體分離器、天然氣采出管線、二氧化碳采集裝置、氣體壓縮機(jī)和制冷管線；二氧化碳罐車的尾部連接液體二氧化碳存儲裝置，液體二氧化碳存儲裝置的下部側(cè)面連接有儲罐制冷裝置，液體二氧化碳存儲裝置的頂部與返回鉆井液的制冷管線連通；液體二氧化碳存儲裝置的右端與高壓柱塞泵連接，鉆井的井口設(shè)有井口節(jié)流裝置，由上部鉆桿和下部鉆桿組成的鉆桿設(shè)置在井筒內(nèi)，鉆桿與井壁之間形成環(huán)形空間，井筒為從井口到井底開采天然氣形成的通道；下部鉆桿通過上覆巖層鉆入水合物儲層，水合物儲層的下部為下伏地層；下部鉆桿為直彎結(jié)構(gòu)，下部鉆桿的尾端連接有鉆頭，鉆頭上布置有能形成超臨界二氧化碳射流噴射鉆井的噴嘴；三相分離器的兩端分別與井口節(jié)流裝置和氣體分離器連接，氣體分離器分別與天然氣采出管線和二氧化碳采集裝置連接，氣體壓縮機(jī)的兩端分別與二氧化碳采集裝置和制冷管線連接。

本發(fā)明采用超臨界二氧化碳射流噴射鉆井開采水合物裝置實(shí)現(xiàn)對水合物的開采，具體包括以下步驟：

(1)、將二氧化碳罐車中的二氧化碳充入液體二氧化碳存儲裝置中，二氧化碳經(jīng)過儲罐制冷裝置持續(xù)冷卻至液態(tài)，液態(tài)二氧化碳的壓力高于5MPa，溫度低于5℃；

(2)、高壓柱塞泵將液態(tài)的二氧化碳加壓至30MPa以上，采用現(xiàn)有技術(shù)泵入鉆具進(jìn)行噴射鉆井；其中，在上部鉆桿所處的地層中為溫度低于31.1℃的液態(tài)二氧化碳射流噴射鉆井；在地溫梯度和傳熱的作用下二氧化碳的溫度不斷升高，在下部鉆桿所處溫度超過31.1℃的地層處轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏撼R界態(tài)二氧化碳射流噴射鉆井；

(3)、鉆具鉆進(jìn)至水合物儲層后，鉆頭噴出的高壓超臨界態(tài)二氧化碳射流溫度降低，攜帶出井筒和近井地層的水合物沿環(huán)形空間上返；

(4)、水合物到達(dá)井口節(jié)流裝置后，先經(jīng)過三相分離器排除其中的固相和水相，再經(jīng)過氣體分離器分離天然氣和二氧化碳，其中天然氣經(jīng)天然氣采出管線采出；二氧化碳進(jìn)入二氧化碳采集裝置進(jìn)行采集后，依次經(jīng)過氣體壓縮機(jī)增壓和制冷管線降溫，回到液體二氧化碳存儲裝置，與二氧化碳罐車共同補(bǔ)充鉆井所需的二氧化碳鉆井液量，完成水合物的開采。