采用纳米流体提高水合物藏开采效率的方法及装置

1.本发明属于海域天然气水合物开采领域，具体地，涉及一种采用纳米流体提高水合物藏开采效率的方法及装置。


背景技术：

2.天然气水合物主要赋存于世界海洋大陆边缘和高纬度冻土带。由于其具有能量密度高、分布广、规模大、埋藏浅等特点，且产出的天然气能满足能源、经济、环境和效率需要等特点，天然气主要由甲烷组成，故也被称为甲烷水合物。在标准状况下，一立方米的甲烷水合物分解，最多可产生164立方米的甲烷气体与0.8立方米的水。甲烷水合物的能量密度很高，是常规天然气能量能量密度的2-5倍，而且其燃烧值很高，燃烧后几乎不产生任何残渣，是国际公认的最具商业开发前景的新型清洁能源，也是石油天然气最理想的接替能源。
3.自然界中尤其是海底环境下的天然水合物储层上方盖层和下方盖层即上覆层和下伏层通常为不成岩沉积物，具有渗透性高的特点，即盖层是不封闭的。开采过程天然气水合物分解产生的甲烷气体会从不封闭的盖层大面积逸散影响开采效率，同时导致严重的环境灾害。此外，在采用降压法开采水合物层时，会通过降低水合物层的原始压力激发水合物分解，水合物层压力的降低会导致其与盖层间产生压差，盖层的压力会高于水合物层，造成盖层中的自由水或盖层上部的海水向水合物层流动，使水合物层的孔隙水含量增多造成水锁损害；同时，盖层孔隙水的流动会使地层中的粘土矿物、细小砂粒等地层微粒发生迁移导致水合物层的孔隙堵塞，降低水合物层的渗透率，造成渗透率损害，进一步降低开采效率；并且，由于微粒迁移引起的地层颗粒重新分布会产生应力集中现象，影响开采安全。
4.因此，在针对海域天然气水合物进行开采工程时，通过对现有的不封闭的盖层进行改造，使其变成封闭的盖层，从而提高开采效率、保障开采安全是海域水合物安全高效开采的前提。


技术实现要素：

5.鉴于背景技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供了一种采用纳米流体提高水合物藏开采效率的方法及装置，通过向天然气水合物层的上覆层和下伏层分别注入含亲水型纳米颗粒的纳米流体形成阻水层，防止降压开采过程中上覆层和下伏层的孔隙水在压差作用下侵入天然气水合物层造成水锁效应，从而影响开采效率。同时向天然气水合物层注入含疏水型纳米颗粒的纳米流体，减小分解水在储层孔隙内部的流动阻力和在孔壁的吸附特性，避免降压开采过程中地层微粒大量迁移和粘土矿物膨胀造成堵塞孔隙，导致渗透率损伤的问题。
6.为了实现上述目的，本发明提出了一种用于向天然气水合物开采区域注入纳米流体的装置，其特征在于，包括：套管、注入管和中心管；
7.所述套管具有从上至下依次设置的套管上花管、套管中花管和套管下花管，套管上花管、套管中花管和套管下花管分别与上覆层、天然气水合物层和下伏层区域位置相对
应；
8.所述注入管位于套管的内部，注入管和套管之间形成环状间隙，注入管具有从上至下依次设置的注入管上花管、注入管中花管和注入管下花管，注入管上花管与套管上花管对应设置，注入管中花管与套管中花管对应设置，套管下花管与注入管下花管对应设置，注入管和套管之间的环状间隙中从上至下依次设置有注入管上密封、注入管中密封、注入管下密封及注入管底部密封，用于将注入管与套管间的环状间隙分成三个空间区域，注入管上密封与注入管中密封形成的空间用于使得注入管上花管与套管上花管是唯一联通的，注入管中密封与注入管下密封形成的空间用于使得注入管中花管与套管中花管是唯一联通的，注入管下密封与注入管底部密封形成的空间用于使得注入管下花管与套管下花管是唯一联通的；
9.所述中心管置于注入管的内部并能够相对于注入管轴向上下移动，中心管和注入管之间形成环状间隙，中心管具有中心管花管，中心管和注入管间的环状间隙内设置有中心管上密封和中心管下密封，中心管上密封和中心管下密封用于使得中心管在注入管内部上下移动过程中中心管花管与注入管的注入管上花管、注入管中花管或注入管下花管是唯一对应且联通的。
10.进一步，所述注入管上密封、注入管中密封、注入管下密封、注入管底部密封、中心管上密封和中心管下密封均采用桥塞。
11.进一步，所述注入管上密封、注入管中密封、注入管下密封、注入管底部密封、中心管上密封和中心管下密封均采用封隔器。
12.本发明还提出了一种采用纳米流体提高水合物藏开采效率的方法，该方法基于所述用于向天然气水合物开采区域注入纳米流体的装置，具体包括如下步骤：
13.步骤一、在待天然气水合物开采区域部署开采井，并下入套管至指定位置；
14.步骤二、下入注入管，注入管位于套管内部；
15.步骤三、向注入管中下入中心管，使得中心管花管、注入管中花管及套管中花管区域位置对应；
16.步骤四、配置含有亲水型纳米颗粒的纳米流体，然后向中心管内泵送所述含有亲水型纳米颗粒的纳米流体，该纳米流体依次通过中心管花管、注入管上花管及套管上花管进入上覆层，形成上覆层亲水纳米颗粒注入区，从而形成阻水层，上覆层亲水纳米颗粒注入区的位置在轴向上位于距天然气水合物层上边界1m～10m的范围内；当上覆层的渗透率大于20毫达西时，上覆层亲水纳米颗粒注入区阻水层厚度大于1m；当上覆层的渗透率小于20毫达西时，上覆层亲水纳米颗粒注入区阻水层的厚度小于1m且大于等于0.5m；纳米流体的注入范围完全覆盖天然气水合物开采区域时，停止注入；
17.步骤五、下移中心管，使得中心管花管、注入管下花管及套管下花管区域位置对应，然后向中心管内泵送步骤四中已配置好的所述含有亲水型纳米颗粒的纳米流体，该纳米流体依次通过中心管花管、注入管下花管及套管下花管进入下伏层，形成下伏层亲水纳米颗粒注入区，从而形成阻水层，下伏层亲水纳米颗粒注入区的位置在轴向上位于距天然气水合物层下边界1m～10m的范围内；当下伏层的渗透率大于30毫达西时，下伏层亲水纳米颗粒注入区阻水层厚度大于1m；当下伏层的渗透率小于30毫达西时，下伏层亲水纳米颗粒注入区阻水层的厚度小于1m且大于等于0.5m；纳米流体的注入范围完全覆盖天然气水合物
开采区域时，停止注入；
18.步骤六、配置含有疏水型纳米颗粒的纳米流体，上移中心管至中心管花管、注入管中花管及套管中花管区域位置对应，然后向中心管内泵送已配置好的含有疏水型纳米颗粒的纳米流体，该纳米流体依次通过中心管花管、注入管中花管及套管中花管进入天然气水合物层，形成疏水纳米颗粒注入区，疏水纳米颗粒注入区的区域位置在轴向上包括整个天然气水合物层，且该纳米流体的注入范围为距离开采井井壁5m～15m的半径内；
19.步骤七、经过步骤一至步骤六，注入纳米流体后，静止1～3天，然后对天然气水合物层进行降压开采。
20.进一步，所述开采井采用直井时钻进至天然气水合物层底部以下4m～25m。
21.进一步，含有亲水型纳米颗粒的纳米流体和含有疏水型纳米颗粒的纳米流体的注入压力均为1mpa～10mpa。
22.通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出了一种采用纳米流体提高水合物藏开采效率的方法及装置，通过向天然气水合物层的上下盖层(上盖层即上覆层，下盖层即下伏层)中注入亲水型纳米流体形成阻水层，将原始的渗透性盖层改造成非渗透盖层，防止降压开采过程中上下盖层和海水侵入储层，造成水锁损害，有利于提高天然气水合物层降压开采的气体渗透率，提高气体采收率；同时通过向天然气水合物层注入疏水型纳米流体防止了地层微粒迁移导致的渗透率降低，进而导致的产气效率降低和大规模出砂造成的井壁坍塌问题。同时防止了由于粘土膨胀造成的孔隙缩小以及堵塞造成的渗透率降低导致的产气效率降低和力学性质弱化造成的储层失稳问题。从而达到提高单井开采效率，延长开采周期，降低水合物开采过程中地质灾害发生的可能性的效果。
附图说明
23.图1为采用纳米流体提高水合物藏开采效率的方法实施结构示意图。
24.附图标记说明：1-海水；2-上覆层；3-天然气水合物层；4-下伏层；5-上覆层亲水纳米颗粒注入区；6-下伏层亲水纳米颗粒注入区；7-疏水纳米颗粒注入区；8-套管；9-注入管；10-中心管；81-套管上花管；82-套管中花管；83-套管下花管；91-注入管上密封；92-注入管中密封；93-注入管上花管；94-注入管下密封；95-注入管中花管；96-注入管底部密封；97-注入管下花管；101-注入通道；102-中心管上密封；103-中心管花管；104-中心管下密封。
具体实施方式
25.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
26.如图1所示，一种用于向天然气水合物开采区域注入纳米流体的装置，该装置包括套管8、注入管9和中心管10，其中在钻井成井后，向井中下入套管8，在整个开采过程中套管8不发生移动。
27.所述套管8具有从上至下依次设置的套管上花管81、套管中花管82和套管下花管83，所述套管8的上部为带孔的花管，即套管上花管81，对应位置为上覆层2，通过套管上花管81向上覆层2中注入纳米流体；套管8的中部为带孔的花管，即套管中花管82，对应区域位
置为天然气水合物层3，通过套管中花管82向天然气水合物层3中注入纳米流体，同样降压开采过程中产出的分解气和分解水也通过套管中花管82进入井筒；套管8的下部为带孔的花管，即套管下花管83，对应区域位置为下伏层4，通过套管下花管83向下伏层4注入纳米流体。套管8分为套管上花管81、套管中花管82及套管下花管83三段，保证纳米流体能过准确注入指定的地层。
28.所述注入管9位于套管8的内部，注入管9包括七部分，分别为注入管上密封91、注入管中密封92、注入管上花管93、注入管下密封94、注入管中花管95、注入管底部密封96及注入管下花管97；其中注入管上花管93的位置与套管上花管81相对应，注入管中花管95的位置与套管中花管82相对应，注入管下花管97的位置与套管下花管83相对应，保证注入管9和套管8配合后各段花管结构与不同地层间的连通性。注入管上密封91、注入管中密封92、注入管下密封94及注入管底部密封96将注入管9与套管8间的环状间隙分为三个部分，并保证注入管9与套管8相对应位置的花管连通，其中注入管上密封91与注入管中密封92保证注入管上花管93与套管上花管81是唯一联通的，注入管中密封92与注入管下密封94保证注入管中花管95与套管中花管82是唯一联通的，注入管下密封94与注入管底部密封96保证注入管下花管97与套管下花管83是唯一联通的，保证采用注入管9，通过套管8能够准确向不同的地层注入不同的纳米流体，确保各层之间不会发生窜流。
29.所述中心管10包括四个部分，分别为注入通道101、中心管上密封102、中心管花管103及中心管下密封104。中心管10可在注入管9的内部上下移动，中心管上密封102及中心管下密封104保证中心管10在注入管9内部上下移动过程中中心管花管103与注入管9各部分的花管结构是唯一联通的。当中心管花管103、注入管上花管93及套管上花管81位置对应时，可向上覆层2注入纳米流体；当中心管花管103、注入管中花管95及套管中花管82位置相对应时，可向天然气水合物层3注入纳米流体；当中心管花管103、注入管下花管97及套管下花管83位置向对应时，可向下伏层4注入纳米流体。中心管上密封102和中心管下密封103保证中心管花管103只与注入管9上的单一花管保持连通，不会与其他两个花管窜流。注入管上密封91、注入管中密封92、注入管下密封94、注入管底部密封96、中心管上密封102和中心管下密封104均采用钻探工程领域用的桥塞或封隔器。
30.本发明中的套管上花管81、套管中花管82、套管下花管83、注入管上花管93、注入管中花管95和中心管花管103采用的钻探工程中所用的注浆花管。
31.本发明提供了一种采用纳米流体提高水合物藏开采效率的方法，该方法是在上覆层2和下伏层4注入亲水型纳米流体，基于亲水型纳米流体中的纳米颗粒具有较高的表面能而附着在地层的孔隙壁表面，使孔隙的表面润湿性变为强亲水性，增大孔隙内水流动的阻力，同时增大水在孔隙壁面的吸附，限制了孔隙水的流动，在亲水纳米颗粒注入区形成阻水带，防止盖层(即上覆层2和下伏层4)中的孔隙水和上部海水1侵入天然气水合物层3。在天然气水合物层3注入疏水型纳米流体，基于纳米流体中的纳米颗粒具有较高的表面能而附着在地层的孔隙壁表面，使孔隙的表面润湿性变为强疏水性，减小了孔隙内水流动的阻力，导致地层中的粘土和粉砂等地层微粒受到水流的冲击力减小，抑制了地层微粒的迁移。同时水在孔隙壁面的吸附量减少，抑制了蒙脱石等膨胀性粘土矿物的水化膨胀，具体所述方法包括以下步骤：
32.步骤一、采用常规钻进方法形成开采井，并下入套管8，套管8整体分别通过海水1、
上覆层2、天然气水合物层3和下伏层4到达开采井井底；
33.步骤二、下入注入管9，注入管9位于套管8内部；
34.步骤三、向注入管9中下入中心管10；
35.步骤四、配置含有亲水型纳米颗粒的纳米流体，保证中心管花管103、注入管中花管95及套管中花管82位置相对应，然后向中心管10内泵送已配置好的含有亲水型纳米颗粒的纳米流体，该纳米流体沿着注入通道101向下流动后，依次通过中心管花管103、注入管上花管93、套管上花管81进入上覆层2，形成上覆层亲水纳米颗粒注入区5，从而形成阻水层。上覆层亲水纳米颗粒注入区5的位置在轴向上位于距天然气水合物层3上边界1m～10m的范围内；当上覆层2的渗透率大于20毫达西时，需要上覆层亲水纳米颗粒注入区5阻水层厚度大于1m；当上覆层2的渗透率小于20毫达西时，上覆层亲水纳米颗粒注入区5阻水层的厚度可小于1m，但不能低于0.5m；当纳米流体的注入范围完全覆盖水合物开采区域，即停止注入；
36.步骤五、下移中心管10，保证中心管花管103与注入管下花管97、套管下花管83位置相对应，然后向中心管10内泵送步骤四已配置好的含有亲水型纳米颗粒的纳米流体，该纳米流体沿着注入通道101向下流动后，纳米流体依次通过中心管花管103、注入管下花管97、套管下花管83进入下伏层4，形成下伏层亲水纳米颗粒注入区6，从而形成阻水层。下伏层亲水纳米颗粒注入区6的位置在轴向上位于距天然气水合物层3下边界1m～10m的范围内；当下伏层4的渗透率大于30毫达西时，下伏层亲水纳米颗粒注入区6阻水层的厚度大于1米；当下伏层4的渗透率小于30毫达西时，下伏层亲水纳米颗粒注入区6阻水层的厚度可小于1m，但不能低于0.5m；当纳米流体的注入范围完全覆盖水合物开采区域，即停止注入；
37.步骤六、配置含有疏水型纳米颗粒的纳米流体，上移中心管10至中间位置，保证中心管花管103与注入管中花管95、套管中花管82位置相对应，然后向中心管10内泵送已配置好的含有疏水型纳米颗粒的纳米流体,该纳米流体依次通过中心管花管103与注入管中花管95、套管中花管82进入天然气水合物层3，形成疏水纳米颗粒注入区7。疏水纳米颗粒注入区7的区域位置在轴向上包括整个天然气水合物层3，该纳米流体的注入范围为距离开采井井壁5m～15m的半径内，针对不同的天然气水合物层3渗透率选择不同注入半径，天然气水合物层3的渗透率越大选择注入纳米流体的注入范围越大，但在纳米流体的过程中，注入的距离越远需要的注入压力越大，纳米流体的注入压力过大也会对天然气水合物层3的渗透率造成损伤，故纳米流体的注入范围为距离开采井井壁最大不超过15mm，确保纳米流体的注入不会损伤天然气水合物层3的原始渗透率。
38.步骤七、经过步骤一至步骤六，注入纳米流体后，静止1～3天，使纳米颗粒能过完全附着在孔隙壁表面，保证在开采过程中纳米颗粒不会被水合物分解产生的气-水渗流携带出地层，造成改造失效，然后对天然气水合物层3进行降压开采。
39.在本发明提供的方法中，对降压开采的开采温度没有要求，本领域常规温度即可。
40.进一步，在本发明提供的方法中，优选地，开采井为直井。
41.进一步，在本发明提供的方法中，优选地，开采井为多口直井，本发明的描述中，“多口”的含义是至少两口，例如两口，三口等，除非另有明确具体的限定。
42.所述开采井采用直井时钻进至天然气水合物层3底部以下4m～25m。
43.本发明中所用含有亲水型纳米颗粒的纳米流体和含有疏水型纳米颗粒的纳米流
体均为工业领域常用配方，作为本发明的优选方案，所述含有亲水型纳米颗粒的纳米流体由基液、稳定剂和亲水型纳米颗粒组成，基液为工业用水，稳定剂为无水乙醇或正硅酸乙酯，稳定剂占纳米流体总质量的0.1％～30％；亲水型纳米颗粒为经油酸钠表面改性后具有强亲水性的纳米二氧化硅颗粒；所述含有疏水型纳米颗粒的纳米流体由基液、稳定剂和疏水型纳米颗粒组成，基液为工业用水；稳定剂为甲苯，稳定剂占纳米流体总质量的0.1％～30％；疏水型纳米颗粒为经十二烷基三乙氧基硅烷表面改性后具有强疏水性的纳米二氧化硅颗粒。亲水型纳米颗粒和疏水型纳米颗粒的粒径相同，粒径范围为1nm～100nm，含有亲水型纳米颗粒的纳米流体中亲水型纳米颗粒的质量占总质量的0.01％～50％，含有疏水型纳米颗粒的纳米流体中疏水型纳米颗粒的质量占总质量的0.01％～50％。
44.进一步，含有亲水型纳米颗粒的纳米流体和含有疏水型纳米颗粒的纳米流体的注入压力均为1mpa～10mpa，根据不同的盖层(即上覆层2和下伏层4)厚度和渗透率选择不同的注入压力，确保在实现阻水功能条件下不超过天然气水合物层3的上部盖层的破裂压力，造成地层破裂。
45.进一步，本发明中含亲水型纳米颗粒的纳米流体在上覆层2和下伏层4的注入范围为能够完全覆盖天然气水合物层3的实际开采范围，上覆层2和下伏层4是指全面覆盖天然气水合物层3实际开采范围的上覆层2和下伏层4。