微生物成矿技术加固海域天然气水合物地层的方法及应用与流程

1.本发明涉及微生物成矿技术加固海域天然气水合物地层的方法及应用。


背景技术：

2.天然气水合物是水分子与碳氢气体分子在低温高压条件下形成的似冰状结晶化合物，具有能量密度高、分布广、储量大等特点，并广泛分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中。
3.随着天然气水合物试采工作的不断进行，海域将成为未来天然气水合物开采的主战场。某些海域的水合物储层以泥质细粉砂岩为主，具有埋深浅、层薄、欠压实、深海浅部地层松软未固结等特点。保障井壁稳定是安全高效开采的前提，然而天然气水合物只在低温高压条件下稳定存在，温度压力的变化会导致水合物分解，从而引起地层孔压增加和有效应力降低，导致土体软化，甚至引起海洋结构如局部开采井筒、钻井平台的失稳以及大范围的海底滑坡等灾害。某些海域天然气水合物埋藏在深水海底浅层，储层未成岩、弱胶结，水平井等复杂结构井钻采面临井口与井眼稳定、造斜难度大、固井质量差、长时间采气储层及上覆地层易失稳等重大技术难题，具有独特的地质属性和力学强度，实现商业化开采面临巨大挑战。
4.目前，大部分地基加固方法是利用机械能或人造材料对土体进行物理化学加固，而在机械施工及材料生产过程中均需要消耗大量的能源。其中，基于水泥、石灰或化学浆材的灌浆技术是一种极为常用的地基加固方法，但水泥、石灰等传统的胶凝材料能改变土体的ph值，侵蚀环境，同时，水泥生产过程中还会排放大量的温室气体，其存在能耗高、污染环境等缺点，势必会对生态环境构成威胁。


技术实现要素：

5.针对某些海域型天然气水合物储层埋深浅、层薄、欠压实、弱胶结等特点，为了至少部分地解决天然气水合物开采过程中由于水合物分解导致的储层失稳、海底滑坡等地质灾害，作出本发明。
6.作为本发明的一个方面，涉及一种微生物成矿技术加固海域天然气水合物地层的方法，包括以下步骤：
7.(1)配制生物酶菌液：配制酶浓度od
600
＝0.8～1.2的产脲酶溶液；
8.(2)配制微生物成矿胶结液：配制含ca
2
的尿素溶液；
9.(3)步骤(1)所配制生物酶菌液和步骤(2)所配制微生物成矿胶结液注入上覆地层。
10.在一个具体实施方式中，上述方法还包括：
11.(4)步骤(1)所配制生物酶菌液和步骤(2)所配制微生物成矿胶结液注入天然气水合物储层。
12.在一个具体实施例中，所述生物酶菌液为产脲酶在ph为6.5～9的培养基中培养所
得。具体来讲，所述培养基为lb培养基。
13.在一个具体实施例中，所述产脲酶为巴氏芽孢杆菌。
14.在一个具体实施例中，所述微生物成矿胶结液中，尿素浓度为30g/l，ca
2
浓度为0.1～0.5mol/l。
15.在一个具体实施例中，ca
2
源自cacl2、ca(ch3coo)2、乳酸钙、葡萄糖酸钙中的任意一种或其组合。
16.在一个具体实施例中，步骤(3)中，所述生物酶菌液与所述微生物成矿胶结液的体积用量匹配关系是1:3。
17.在一个具体实施例中，步骤(4)中，所述生物酶菌液与所述微生物成矿胶结液的体积用量匹配关系是1:3。
18.在一个具体实施例中，在上覆地层隔段执行步骤(3)，每段间距3～8m。
19.在一个具体实施例中，在天然气水合物储层隔段执行步骤(4)，每段间距5～10m。
20.作为本发明的另一个方面，涉及上述方法在加固海域天然气水合物地层中的应用。
21.作为本发明的又一个方面，涉及一种海域天然气水合物地层方法，使用权利要求1中步骤(1)所配制生物酶菌液和步骤(2)所配制微生物成矿胶结液。
22.本发明至少实现了以下有益效果：
23.本发明通过微生物诱导碳酸钙沉积加固上覆地层可以大幅提升直井段井口及井眼稳定性，有效防治钻采过程中浅层气、水合物分解气通过上覆地层运移至海水及大气中，诱发环境危害；通过强化水合物储层稳定性，可以有效延长水平井的水平段长度，大幅提升固井质量，并可避免开采过程中出现储层失稳、海底沉降等情况；再者，一方面基于优化井深结构设计，实现快速造斜，另一方面可作为压裂液进行储层改造，实现增孔增渗。
附图说明
24.图1是本发明微生物成矿技术加固海域天然气水合物地层前期示意图。
25.图2是本发明微生物成矿技术加固海域天然气水合物地层后期示意图。
26.图3是本发明微生物成矿原理图
27.图中：1-上覆地层；2-天然气水合物储层；3-下伏地层；4-储层加固浆液注入口；5-储层加固区域；6-直井段侧窗；7-表层套管；8-井口装置；9-钻具；10-上覆地层加固区域；11-钻井船；12-浆液注入口；13-钻井装置；14-仪表撬；15-注入泵；16-a液储存罐；17-b液储存罐；18-吸力锚；19-海平面；20-加固浆液注入系统；21-未钻遇上覆地层。
具体实施方式
28.下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例所用试剂或仪器或方法指导未注明提供来源者，均为可以通过市购获得的常规产品或可从申请人处获得。
29.本发明实施例所用原料试剂：cacl2购买于麦克林试剂，cas号:10043-52-4；尿素购买于麦克林试剂，cas号:57-13-6；菌种选用巴氏芽孢杆菌，购买于德国生物保藏中心
(dsmz)，培养液采用dsmz推荐培养液；蜡状芽孢杆菌、微杆菌购买于环凯微生物科技有限公司，培养基用环凯推荐。常用试剂由实验室提供。
30.生物酶菌液的配制：将菌种以1:300的体积比接种至培养液中，然后将盛有菌液的锥形瓶放入摇床内(30℃、频率130r/min)培养，选用培养24～28h阶段的菌液，将浓度调整od
600
＝0.8～1.2。
31.微生物成矿胶结液的配制：将cacl2和尿素按摩尔浓度比1:1混合，尿素浓度为30g/l，ca
2
浓度为0.1～0.5mol/l。
32.本发明所用撬装设备指设备框架和设备整体组合的一种形式，即一组设备固定在底盘上，无需在中间安装阀门、仪器，直接连接管线联通就可使用，移动方便。
33.如图1所示，海平面(19)下有天然气水合物储层(2)，天然气水合物储层(2)位于上覆地层(1)和下伏地层(3)之间，钻井装置(13)位于钻井船(11)上，采用机械破碎或者水力破碎的方法，通过钻井装置(13)钻至上覆地层(1)底部5-20m处，如图1(21)所示，在此期间下入表层套管(7)。在表层套管(7)预定位置(6)开侧窗，形成井眼和上覆地层(1)之间的孔隙，作为柔性连续油管注浆通道。
34.在钻井船(11)上配制生物酶菌液(a液)装入a液储存罐(16)中，配制微生物成矿胶结液(b液)装入b液储存罐(17)中，通过混液系统先后将a液和b液输送至撬装注液泵组，通过注入泵撬(15)增压先后将a液与b液经浆液注入口(12)以柔性连续油管注入上覆地层(1)中，采用隔段注浆方式，每段间距3～8m，通过诱导矿化沉积碳酸钙来加固地层，上覆地层强化区域如图1(10)所示。
35.上覆地层强化之后，采用钻井装置(13)在直井段预定位置开始造斜，以水平井钻进至天然气水合物储层(2)中，钻具(9)位于储层中间，由于水平井段较长，采用分段方式注入加固液浆，每段间距5～10m。加固地层的a液和b液的用量根据预加固地层体积、预提升地层强度进行设计。根据发明人的实验数据总结，加固地层100m3，地层力学强度提升25％～60％，一般需要a液50～220m3，b液150～650m3。泵注过程中应控制井下注入压力略低于地层的破裂压力，注入流量根据井下注入压力进行优化，注入流量一般为500～2500l/min。a液和b液通过注入泵撬(15)增压依次将加固浆液经储层加固浆液注入口(4)以柔性连续油管注入天然气水合物储层(2)中。通过生物酶诱导矿化沉积碳酸钙来加固地层，天然气水合物储层强化区域如图1(5)所示。储层加固过程中采用钻杆回拉方式实现分段注浆，在注浆过程中，同一区域可多次注浆，一般为2～3次，强化加固效果。图1为水合物储层加固前期示意图，图2为加固后期示意图。
36.产脲酶诱导碳酸钙矿化沉积加固后，上覆地层及天然气水合物储层3天强度大于2mpa，7天强度大于5mpa，上覆地层直井段根据后续施工需求可作为生产井及监测井的直井段使用。
37.微生物成矿技术加固上覆地层时，基于井群优化设计，实现上覆地层的区域性加固，可以大幅提升直井段井口及井眼稳定性，有效防治钻采过程中浅层气、水合物分解气通过上覆地层运移至海水及大气中，诱发环境危害。
38.本发明所提供微生物成矿技术加固海域天然气水合物地层的方法，包括：
39.步骤一、配制生物酶菌液(a液)
40.步骤二、配制微生物成矿胶结液(b液)
41.步骤三、利用钻井装置在上覆地层构建满足设计深度的井眼，并下入表层套管(914.4mm)固井；
42.步骤四、在表层套管不同位置开侧窗，并利用柔性连续油管将a液、b液分别注入上覆地层中，注液压力大于上覆地层初始压力，注入范围如图1中(10)所示；
43.步骤五、注液后，微生物诱导碳酸钙矿化沉积，基于井群设计优化区域性加固上覆地层，实现井口与直井段的稳定，并防止游离气穿过上覆地层逃逸；
44.步骤六、上覆地层强化后，在已有井眼基础之上通过柔性连续油管将a液、b液分别注入天然气水合物储层，通过微生物诱导碳酸钙矿化沉积强化储层稳定性；注浆压力大于水合物储层初始压力，基于井群设计优化实现天然气水合物储层的区域性预加固。
45.进一步，步骤一中，所述生物酶为巴氏芽孢杆菌，od
600
＝0.8～1.2，培养基ph为6.5～9。
46.进一步，步骤二中，以钙源和尿素为原料制备b液，其中钙源为cacl2、ca(ch3coo)2、乳酸钙、葡萄糖酸钙任意一种。发明人在实验中发现，不同钙源碳酸钙沉积晶型不同，并不会影响沉积碳酸钙的质量。
47.优选的，步骤二中，b液为尿素和cacl2等钙源混合液，尿素浓度为30g/l，ca
2
浓度为0.1～0.5mol/l。
48.优选的，步骤二中，加固地层的a液和b液的用量根据预加固地层体积、预提升地层强度进行设计，加固地层100m3，地层力学强度提升25％～60％，一般需要a液50～220m3，b液150～650m3。
49.进一步，步骤三中，钻进上覆地层距水合物储层5～20m处停钻；若采用水平井，钻具位置处于水合物储层中间。
50.进一步，步骤四中，a液与b液通过柔性连续油管注入上覆地层，泵注过程中应控制井下注入压力略低于地层的破裂压力，实现加固浆液在地层孔隙空间中的深穿透注入。
51.优选的，步骤四中，所述柔性连续油管对上覆地层注浆采用分段注浆方式，每段间距3～8m，注入流量根据井下注入压力进行优化，注入流量一般为500～2500l/min。
52.进一步，步骤五中，注浆一定时间后，微生物诱导矿化沉积碳酸钙是通过新陈代谢来实现的，其原理如下：
53.微生物诱导矿化沉积碳酸钙的过程是一个复杂的生物化学过程，产脲酶在新陈代谢过程中会产生一种脲酶，而脲酶可催化尿素水解，使周围溶液的ph值升高，并最终生成铵根离子和碳酸根离子，细菌表面带负电荷，钙离子吸附在细胞壁表面，当周围溶液中碳酸根离子和钙离子过饱和时，钙离子和碳酸根离子就会以细胞为晶核形成碳酸钙结晶，如下式所示：
[0054][0055]
2nh3 2h2o
→
2nh
4- 2oh-[0056]
co2 oh-→
hco
3-[0057]
ca
2
cell
(带负电的微生物细胞)
→
cell-ca
2
[0058]
cell-ca
2
hco
3- oh-→
cell-caco3↓
(碳酸钙沉淀)
h2o进一步，步骤五中，基于井群优化设计，实现上覆地层的区域性加固，并防止浅层气、水合物分解气等游离气体穿过上覆地层逃逸。
[0059]
优选的，步骤五中，上覆地层直井段根据后续施工需求可作为生产井及监测井的直井段使用。
[0060]
进一步，步骤六中，基于井群优化设计，实现天然气水合物储层区域性全覆盖加固。
[0061]
优选的，步骤六中，储层加固过程中采用钻杆回拉方式实现分段注浆，注浆间隔5～10m。
[0062]
进一步，步骤四与步骤六中，a液与b液先后注入上覆地层及天然气水合物储层，两种浆液在目的层中混合并实现诱导碳酸钙矿化沉积；a液与b液先后注入目的层，可避免两种浆液在进入目的层前发生碳酸钙矿化沉积，弱化加固效果。
[0063]
优选的，步骤四与步骤六中，a液与b液用量比为1:3，同一区域可通过重复注浆2～3次，以强化加固效果。
[0064]
进一步，步骤五与步骤六中，碳酸钙矿化沉积加固后，上覆地层及天然气水合物储层3天强度大于2mpa，7天强度大于5mpa。
[0065]
以下所有实施例和对比例均按照上述具体实施方法进行。实施例为按照本发明提供方法所举的较佳的实施例，对比例未遵循本发明所提供的方法。
[0066]
实施例1
[0067]
所用产尿酶为巴氏芽孢杆菌，配制微生物加固浆液，a液od
600
＝0.8；b液尿素浓度30g/l，ca
2
浓度0.1mol/l，按上述具体实施方法对水合物地层进行注浆加固，a液与b液用量配比为1:2，注浆次数2次，注浆速率500l/min。
[0068]
实施例2
[0069]
所用产尿酶为巴氏芽孢杆菌，配制微生物加固浆液，a液od
600
＝0.8；b液尿素浓度30g/l，ca
2
浓度0.3mol/l，按上述具体实施方法对水合物地层进行注浆加固，a液与b液用量配比为1:2，注浆次数2次，注浆速率500l/min。
[0070]
实施例3
[0071]
所用产尿酶为巴氏芽孢杆菌，配制微生物加固浆液，a液od
600
＝0.8；b液尿素浓度30g/l，ca
2
浓度0.5mol/l，按上述具体实施方法对水合物地层进行注浆加固，a液与b液用量配比为1:2，注浆次数2次，注浆速率500l/min。
[0072]
实施例4
[0073]
所用产尿酶为巴氏芽孢杆菌，配制微生物加固浆液，a液od
600
＝1.0；b液尿素浓度30g/l，ca
2
浓度0.3mol/l，按上述具体实施方法对水合物地层进行注浆加固，a液与b液用量配比为1:2，注浆次数3次，注浆速率500l/min。
[0074]
实施例5
[0075]
所用产尿酶为巴氏芽孢杆菌，配制微生物加固浆液，a液od
600
＝1.0；b液尿素浓度30g/l，ca
2
浓度0.5mol/l，按上述具体实施方法对水合物地层进行注浆加固，a液与b液用量配比为1:2，注浆次数2次，注浆速率500l/min。
[0076]
实施例6
[0077]
所用产尿酶为巴氏芽孢杆菌，配制微生物加固浆液，a液od
600
＝1.2；b液尿素浓度30g/l，ca
2
浓度0.1mol/l，按上述具体实施方法对水合物地层进行注浆加固，a液与b液用量配比为1:2，注浆次数2次，注浆速率500l/min。
[0078]
实施例7
[0079]
所用产尿酶为巴氏芽孢杆菌，配制微生物加固浆液，a液od
600
＝1.2；b液尿素浓度30g/l，ca
2
浓度0.3mol/l，按上述具体实施方法对水合物地层进行注浆加固，a液与b液用量配比为1:2，注浆次数3次，注浆速率500l/min。
[0080]
实施例8
[0081]
所用产尿酶为巴氏芽孢杆菌，配制微生物加固浆液，a液od
600
＝1.2；b液尿素浓度30g/l，ca
2
浓度0.5mol/l，按上述具体实施方法对水合物地层进行注浆加固，a液与b液用量配比为1:2，注浆次数3次，注浆速率500l/min。
[0082]
对比例1
[0083]
所用产尿酶为巴氏芽孢杆菌，配制微生物加固浆液，a液od
600
＝0.6；b液尿素浓度20g/l，ca
2
浓度0.08mol/l，按上述具体实施方法对水合物地层进行注浆加固，a液与b液用量配比为1:2，注浆次数2次，注浆速率500l/min。
[0084]
对比例2
[0085]
所用产尿酶为巴氏芽孢杆菌，配制微生物加固浆液，a液od
600
＝1.4；b液尿素浓度30g/l，ca
2
浓度1.0mol/l，按上述具体实施方法对水合物地层进行注浆加固，a液与b液用量配比为1:2，注浆次数2次，注浆速率500l/min。
[0086]
对比例3
[0087]
所用产尿酶为巴氏芽孢杆菌，配制微生物加固浆液，a液od
600
＝1.0；b液尿素浓度30g/l，ca
2
浓度0.8mol/l，按上述具体实施方法对水合物地层进行注浆加固，a液与b液用量配比为1:2，注浆次数3次，注浆速率500l/min。
[0088]
对比例4
[0089]
所用产尿酶为蜡状芽孢杆菌，配制微生物加固浆液，a液od
600
＝1.0；b液尿素浓度30g/l，ca
2
浓度0.3mol/l，按上述具体实施方法对水合物地层进行注浆加固，a液与b液用量配比为1:2，注浆次数2次，注浆速率500l/min。
[0090]
对比例5
[0091]
所用产尿酶为微杆菌，配制微生物加固浆液，a液od
600
＝0.8；b液尿素浓度30g/l，ca
2
浓度0.5mol/l，按上述具体实施方法对水合物地层进行注浆加固，a液与b液用量配比为1:2，注浆次数3次，注浆速率500l/min。
[0092]
对比例6
[0093]
所用产尿酶为巴氏芽孢杆菌，配制微生物加固浆液，a液od
600
＝1.0；b液尿素浓度30g/l，ca
2
浓度0.5mol/l，按上述具体实施方法对水合物地层进行注浆加固，a液与b液用量配比为1:2，注浆次数4次，注浆速率500l/min。
[0094]
对比例7
[0095]
所用产尿酶为巴氏芽孢杆菌，配制微生物加固浆液，a液od
600
＝0.8；b液尿素浓度30g/l，ca
2
浓度0.3mol/l，按上述具体实施方法对水合物地层进行注浆加固，a液与b液用量配比为1:2，注浆次数1次，注浆速率500l/min。
[0096]
实施例与对比例的加固效果如下：
[0097]
表1
[0098][0099][0100]
由表1可知，对于本发明来说，尿素水解率与产脲酶浓度有关，实施例1至实施例8为本发明的实验条件，od
600
值为0.8～1.2，此时的尿素水解率》82％,而对比例1和对比例2中，当od
600
值为0.6和1.4时，尿素水解率均《70％，因此，在本发明实施过程中，od
600
值过高、过低都会影响尿素水解率，进一步影响caco3生成量。对比例4和对比例5为本发明外的产脲酶微生物，将对比例4与同等条件下的实施例4和实施例5相比较，蜡状芽孢杆菌尿素水解率明显较低，仅有68％；将对比例5与同等条件下的实施例1至实施例3相比较，微杆菌的尿素水解率仅为63％。因此，优选巴氏芽孢杆菌为本发明的产脲酶菌。
[0101]
caco3生成量是本发明加固效果的直观体现，在本发明条件下，按照实施例所述方法加固地层强度后，caco3生成量高于5个对比例；分析对比例3，水合物地层加固效果不仅与生物菌液od
600
值有关，ca
2
浓度也是影响因素之一，ca
2
浓度过高，caco3生成量降低，弱化加固效果，这是由于当ca
2
浓度过高，初期生成caco3质量过多，堵塞注浆通道，从而弱化加固效果。
[0102]
从对比例6可以得出，当注浆次数为4时，碳酸钙生成量为85％，与实施例5效果一样，从对比例7可以得出，当注浆次数为1时，碳酸钙生成量为72％，小于实施例2的83％。因此，较少次注浆，地层加固效果不佳，过高次注浆，并不会增加地层加固效果，而是存在一个
阈值。本发明注浆次数为2～3次为较优值。
[0103]
地层强度是本发明的最终目的，从表1可以看出，利用本发明所述方法加固水合物地层后，地层强度的到较大提升，远高于本发明外的方法。
[0104]
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。