一种注海水辅助低频电场加热的海洋水合物藏开采方法与流程

1.本发明属于天然气水合物资源开采技术领域，具体涉及一种注海水辅助低频电场加热的海洋水合物藏开采方法。


背景技术：

2.天然气水合物是甲烷气体和水在高压低温环境下形成的笼型化合物。由于水合物具有能量密度高、储量大、清洁高效等优点，被视为接替常规化石能源的潜在能源。水合物在大陆永久冻土层和深海沉积物中广泛存在，其中，海洋天然气水合物占水合物资源量的90％以上。作为一种新兴的非常规天然气资源，发展海洋天然气水合物藏的高效开采技术意义重大，并引起了世界范围的高度重视。
3.降压法具有实施方便、经济性好等特点，在中国南海神狐海域两轮水合物试采中得到了应用。但从试采结果来看，生产时长和产气速率距离商业化开采的要求还存在较大差距。由于水合物分解大量吸热使得储层温度不断下降，造成单一降压生产效率低下。因此，将注热与降压结合可以取得更好的开采结果。在注热方法中，常规注热水或者热蒸汽方式存在井筒及管道热损失大的问题。低频电场加热技术通过在井底安装电极，以水合物层作为电阻，从而实现储层的原位生热，表现出了很大的开采潜力。然而，从目前的开采效果来看，低频电场加热过程中热量主要集中在井筒周围，单纯依靠热传导难以扩散至水合物层深部，使得水合物分解范围较小；另外，井筒周围过高的温度也会破坏电极设施，这些问题很大程度上制约了低频电场加热技术在水合物资源开采中的应用。
4.本发明针对目前低频电场加热实施过程中出现的问题，考虑到海洋天然气水合物开采矿场天然丰富的海水资源，提出了一种新的注海水辅助低频电场加热开采方法。主要原理在于：(1)通过注入海水引起的强制热对流，将井筒周围热量推进水合物层深部，提高热量利用效率；(2)注采井间的压差为气体生产提供驱动力，进一步增加气体生产效率；(3)海水内的盐组分能够补充水合物层矿化度，增强储层导电性，有利于促进电加热的实施。该方法操作简单、易于实现，能够大幅度提高海洋天然气水合物藏的采收率，有利于实现海洋天然气水合物藏的大规模产业化开采。


技术实现要素：

5.本发明涉及一种通过注海水辅助低频电场加热的海洋水合物藏开采方法，主要包括以下步骤：
6.(1)根据海洋水合物藏的地质资料，优选开采区块，钻取多个开采井组，所述每个井组至少包括两口直井组成一定形状的井网，所述直井完钻层位位于水合物层下方的盖层；所述井网包括但不局限于五点法井网、七点法井网、菱形井网和九点法井网；在所述每口直井井筒内水合物层顶部位置和水合物层底部位置安装电绝缘材料，以阻绝低频电场加热时电流通过井筒传导；
7.(2)所述的所有直井均作为生产井，选择合适的井底压力控制每口生产井降压开
采，以最大程度上利用水合物藏自身的压力和温度为水合物分解和气体生产提供动力，同时避免过大的生产压差导致井筒附近发生结冰现象，所述井底压力使用下述公式确定：
[0008][0009]
其中：p
wf
为所述每口生产井的井底压力，为水合物层的平均压力，p
ice
为冰点压力，q
g
为产气速率，q
gmax
为降压生产时产气速率的最高值，α为与水合物饱和度、水合物层厚度和海水矿化度有关的无量纲参数，其表达式为：
[0010][0011]
其中：s
h
为水合物饱和度，x
i
为海水中盐的质量分数，h为水合物层厚度，a、b、c为待定系数；
[0012]
(3)水合物分解吸热导致产气速率不断降低，当产气速率不能满足经济临界值时，在所述每个井组安装低频电场加热装置，主要包括电缆、低频交流电源和电极，所述电极布置在水合物层内，距离盖层的距离设置为2
‑
4m，开启低频交流电源，设置恒定电场加热功率或者恒定电压模式为水合物分解原位补充热量；选择一口所述直井由生产井转换为注入井，以恒定的速率注入海水，其余所述直井仍然以恒定的井底压力降压开采，海水注入过程将井筒附近的热量对流至水合物层深部，大幅度提高水合物分解速率和电场加热效率；所述电场加热功率、电压和海水注入速率的确定包括如下步骤：
[0013]
①
使用修正的archie模型计算水合物层的初始电阻率：
[0014][0015]
其中：r
t
为水合物层的初始电阻率，r
w
(t1)为温度为t1时的地层水电阻率，t1为环境温度，t2代表水合物层的温度，φ为水合物层的有效孔隙度；τ为经验参数；
[0016]
②
根据水合物层中剩余的水合物分解所需要的热量，通过下式计算得到预估电场加热功率及电压：
[0017][0018][0019]
其中：p
eleh
为预估电场加热功率，u为预估电压，e
r
为实施低频电场加热时水合物层的分解程度，v
hbl
为水合物层的表观体积，ρ
h
为水合物密度，δh
reat
为水合物分解反应焓变；r为水合物层的电阻，m
h
为水合物摩尔质量，η为低频电场加热效率；δt为低频电场加热持续时间；
[0020]
③
在预估电场加热功率和电压的基础上，通过数值模拟方法和优化算法确定最终的电场加热功率、电压和海水注入速率，以充分利用海水注入过程，在水合物层内实现低频电场均衡加热的目的，优化过程中目标函数的表达式为：
[0021][0022]
其中：m
dis
为累计分解水合物的质量，m0为总的水合物质量；β为能量效率的加权系数，v
pg
为累计产出甲烷气体的体积，δh
m
为甲烷气体的燃烧焓，e
in
为低频电场加热的累计生热量；
[0023]
(4)由于海水冲刷和气体生产引起水合物层出砂，当所述生产井井筒积砂导致产气速率不能满足开采要求时，将所述注入井和所述生产井轮换，水合物层内流体流动方向逆转，从而将井筒内积砂逆向推进至水合物层内部，实现井筒除砂目的，保证产气连续高产。
[0024]
本发明的有益效果及优点在于：
[0025]
(1)生产初期阶段，利用本发明提出的方法选择合适的井底压力生产，可以充分利用水合物藏自身能量贡献于气体生产，明显提高海域水合物藏开采经济性；
[0026]
(2)在低频电场原位补热过程中注入海水，能够强化热量利用效率，为气体生产提供驱动压差，并为水合物层补充矿化度，最终极大地促进水合物分解；对于海洋水合物藏而言，可以直接在海上开采平台使用海水，具有“就地取材”的优势；
[0027]
(3)生产井和注入井交换能够实现井筒除砂目的，保证气体稳定生产；
[0028]
(4)本发明提出的开采方法结构简单、易于操作，能够极大提升气体采收率，为海洋天然气水合物藏安全高效开采提供了切实可行的技术。
附图说明
[0029]
图1是海洋天然气水合物藏生产初期降压生产示意图。
[0030]
图2是海洋水合物藏注海水辅助低频电场加热开采示意图。
[0031]
图3是海洋水合物藏注入井和生产井轮换除砂示意图。
[0032]
图中：1、盖层
①
；2、水合物层；3、盖层
②
；4、直井
①
；5、井口装置；6、直井
②
；7、电绝缘材料；8、射孔；9、低频交流电源；10、电缆；11、电极。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明的实施范围。
[0034]
(1)根据海洋水合物藏的地质资料，优选开采区块，并钻取多个开采井组，以一个开采井组为例，包括两口直井，如图1所示，直井
①
和直井
②
的完钻层位均位于水合物层下方的盖层
②
，在直井
①
和直井
②
井筒内水合物层2的顶部位置和水合物层2的底部位置安装电绝缘材料7，以阻绝低频电场加热时电流通过井筒传导；
[0035]
(2)直井
①
和直井
②
均作为生产井，选择合适的井底压力控制每口生产井降压开采，以最大程度上利用水合物藏自身的压力和温度为水合物分解和气体生产提供动力，同时避免过大的生产压差导致井筒附近发生结冰现象，井底压力使用下述公式确定：
[0036]
[0037]
其中：p
wf
为直井
①
和直井
②
的井底压力，为水合物层2的平均压力，p
ice
为冰点压力，q
g
为产气速率，q
gmax
为降压生产时产气速率的最高值，α为与水合物饱和度、水合物层2的厚度和海水矿化度有关的无量纲参数，其表达式为：
[0038][0039]
其中：s
h
为水合物饱和度，x
i
为海水中盐的质量分数，h为水合物层2的厚度，a、b、c为待定系数；
[0040]
(3)如图2所示，水合物分解吸热导致产气速率不断降低，当产气速率不能满足经济临界值时，在井组内安装低频电场加热装置，主要包括电缆10、低频交流电源9和电极11，所述电极11布置在水合物层2内，电极11上部距离盖层
①
以及电极11下部距离盖层
②
的距离均设置为3m，开启低频交流电源9，设置恒定电场加热功率或者恒定电压模式为水合物分解原位补充热量；选择直井
②
由生产井转换为注入井，以恒定的速率注入海水，直井
①
仍然以恒定的井底压力降压开采，海水注入过程将井筒附近的热量对流至水合物层2深部，大幅度提高水合物分解速率和电场加热效率；通过如下步骤确定所述电场加热功率、电压和海水注入速率：
[0041]
①
使用修正的archie模型计算水合物层2的初始电阻率：
[0042][0043]
其中：r
t
为水合物层2的初始电阻率，r
w
(t1)为温度为t1时的地层水电阻率，t1为环境温度，t2代表水合物层2的温度，φ为水合物层2的有效孔隙度；τ为经验参数；
[0044]
②
根据水合物层2中剩余的水合物分解所需要的热量，通过下式计算得到预估电场加热功率及电压：
[0045][0046][0047]
其中：p
eleh
为预估电场加热功率，u为预估电压，e
r
为实施低频电场加热时水合物层2的分解程度，v
hbl
为水合物层2的表观体积，ρ
h
为水合物密度，δh
reat
为水合物分解反应焓变；r为水合物层2的电阻，m
h
为水合物摩尔质量，η为低频电场加热效率；δt为低频电场加热持续时间；
[0048]
③
在预估电场加热功率和电压的基础上，通过数值模拟方法和优化算法确定最终的电场加热功率、电压和海水注入速率，以充分利用海水注入过程，在水合物层2内实现低频电场均衡加热的目的，优化过程中目标函数的表达式为：
[0049][0050]
其中：m
dis
为累计分解水合物的质量，m0为总的水合物质量；β为能量效率的加权系数，v
pg
为累计产出甲烷气体的体积，δh
m
为甲烷气体的燃烧焓，e
in
为低频电场加热的累计生
热量；
[0051]
(4)由于海水冲刷和气体生产引起水合物层2出砂，当所述生产井(直井
①
)的井筒积砂导致产气速率不能满足开采要求时，如图3所示，将所述注入井(直井
②
)和所述生产井(直井
①
)轮换，水合物层2内流体流动方向逆转，从而将直井
①
井筒内的积砂逆向推进至水合物层2内部，实现井筒除砂目的，保证产气连续高产。上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。