基于地层改造的甲烷水合物开采方法

技术领域

本发明涉及富存于陆域冻土层或海域地层等的砂层型甲烷水合物的开采方法。

背景技术

甲烷水合物作为一种下一代能源资源而被世界所瞩目，各国的研究团队对其开采方法进行了各种各样的研究与讨论(专利文献1、专利文献2)。其中，日本的研究者们通过多次的现场开采试验，确定减压法(降压法)作为甲烷水合物的分解手段是有效的(非专利文献1)。

然而，在国内外实施的现场开采试验中，以往均出现了地层压密和出砂问题，这成为了实现甲烷水合物稳定生产的最大障碍(非专利文献2)。其原因是，固体的甲烷水合物富存于未固结或者固结相对较弱的地层中，其在充填于砂粒孔隙的同时本身也起到了固着砂粒的作用。而当甲烷水合物分解为甲烷气体和水之后，砂粒间的固着力丧失，产生了流动性。这些具有流动性的砂粒随着水和气体的开采而流入井筒内，从而对井内设备造成损坏。

为了避免这种由于出砂而引起的开采障碍，在最近的第二次海洋开采试验中使用了传统的油气开采中常用的砾石充填及割缝筛法。然而，此方法仅对已经流出的砂粒进行阻挡过滤，并不能抑制砂粒产生流动性，因此其作为甲烷水合物开采过程中的出砂对策的效果极为有限。这种不充分性在这次的生产试验中得到证实。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2009-030378号公报

专利文献2：日本特开2011-012451号公报

非专利文献1：山本晃司：“甲烷水合物资源的开发方法”，甲烷水合物资源开发国际研讨会，2010

非专利文献2：甲烷水合物资源开发研究联合：“关于第1次海洋开采试验的结果报告”，经济产业省甲烷水合物开发实施研讨会(第8次)，2007

非专利文献3：甲烷水合物资源开发研究联合：“关于第2次海洋开采试验”，甲烷水合物论坛2017

发明内容

本发明所解决的课题

以往的开采方法会引起地层压密和出砂的问题，本发明提供一种能够解决地层压密和出砂的新型甲烷水合物开采方法。

解决课题的手段

本发明是以存在于陆域冻土层或海洋地层的砂粒间的砂层型甲烷水合物为对象的开采方法，其具有以下(a)-(e)工序：

(a)向成为开发对象的甲烷水合物地层内注入改良剂或充填材的地层改造工序。

(b)在上述地层改造工序(a)之前，进行所注入的改良剂的种类、作业的方式和条件及各参数等的算出、决定的计划工序。

(c)在上述地层改造工序(a)之后，从实施了地层改造后的地层将甲烷水合物分解为甲烷气体和水，回收甲烷气体的生产工序。

(d)在上述地层改造工序(a)之后、上述生产工序(c)之前，在必要的情况下，提高实施了地层改造后的地层的渗透率的水压裂和化学处理工序。

(e)在上述计划工序(b)之后、上述地层改造工序(a)之前，为确保利用充填材形成改良体所需的空间，预先有意地引起出砂而产生空洞的预处理工序。

在上述(a)-(e)工序当中，为实现经济效果的最大化，可将部分工序省略或多次实施，且不限定实施时各工序的先后顺序。

上述改良剂优选在不对地层的渗透率造成大的下降的范围选自能够将构成地层的弱固结砂粒充分固着的改良剂。选自例如水泥系、水玻璃系、高分子系(如丙烯酰胺系、尿素系、氨基甲酸酯系等)、或随着以碳酸钙为代表的沉淀、聚合物以及其他固形物的生成而能将砂粒固着的改良剂。

上述充填材优选选自能够在自然或人工出砂而引起的空洞中形成具有充分的强度和良好渗透率的改良剂的材料。例如：树脂覆膜支撑砂、树脂覆膜陶瓷颗粒、树脂覆膜玻璃砂、以及表面具有上述改良剂涂层或镀层的砂粒、玻璃砂或陶瓷颗粒。

作为将上述改良剂或充填材注入地层的工艺，优选采用使改良剂渗透至砂粒之间的注浆工艺、利用高压喷射流对砂进行切削而将改良剂或充填材强制注入地层的高压喷射工艺。

发明的效果

本发明通过将未固结或固结较弱的砂层进行人工固着，并在井筒周围形成具有足够的强度及渗透率的改良体，以解决甲烷水合物开采时所引起的地层压密及出砂的问题，并提供一种新的甲烷水合物开采技术。

此外，利用本发明改造后的甲烷水合物的地层具有同传统油气储层相近的特性，能够最大限度的利用已有的油气开发技术进行开采，在经济性方面也具有优势。

附图说明

图1是关于本发明第1实施例的开采方法的说明图。

图2是砂层型甲烷水合物所富存的地层的状况的说明图。

图3是井下注入装置以及利用其注入改良剂的图像的一例示意图。

图4是利用本发明进行甲烷水合物生产的流程的一例。

图5是水平井的示意图。

图6是利用多口水平井对对象地层进行全面改造的情况的示意图。

图7是利用单一直井对对象地层进行部分改造的情况的一例示意图。

图8是关于本发明第2实施例中利用充填材形成多孔质改良体的示意图。

图9是关于本发明第2实施例中在井筒周围形成多孔质改良体的方法的说明图。

具体实施方式

<第1实施方式>

图1是关于本发明的第1实施例的开采方法的说明图。

例如，在日本近海的南海海槽的海底地层富存有甲烷水合物。此处，假定海底水深约为1000m。并在海床下约300米处的地层MH具有甲烷水合物的浓集带。以该对象地层MH为开发对象地层，假定其厚度约为数十米。

如图1所示，在甲烷水合物的开采中，由钻探船1向海底的对象地层MH钻井。井口处设置有BOP(防喷器)108，井筒内设置套管3，井壁与套管的间隙实施水泥固井。另外，在与对象地层MH相当的深度上，通过枪孔穿孔，制作贯通套管和水泥固井部的射孔。由此，能够进行对象地层MH与井内的物质交换。

钻探船1上搭载有改良剂储罐102、注入泵103、卷扬机或注入管升降装置104、泥浆处理设备105。其中，卷扬机或注入管升降装置104用于卷收注入管107，可根据需要伸长或卷曲注入管。改良剂储罐102中的改良剂G通过注入管107送至井下。此外，根据作业条件也可用钻杆代替注入管。

另一方面，将从井内返回来的泥浆通过泥浆管(环空)106返回钻探船1。来自泥浆管(环空)106的泥浆由泥浆处理装置105进行适当的处理。井下注入装置109用于向对象地层注入改良剂。

应当注意，这仅为一例。本发明不仅限于此例，对具有不同深度的海底或地层，或者具有不同厚度的对象地层MH同样适用。另外，在对象地层MH不设置套管而在井壁采用其他支撑方式或者裸眼完井的情况下也可开采。此外，本方法不仅适用于海域对象地层MH，同样适用于陆域天然气水合物地层。

图2是对象地层MH的状况的说明图。

对象地层MH是主要由砂粒11构成的地层，假设砂粒11的孔隙中存有甲烷水合物13。此时的甲烷水合物由于处于稳定范围而呈固体状态。另外，由于固体的甲烷水化物的存在，砂粒彼此牢固地固着。

在该状态下，当压力降低后，甲烷水合物则会分解为水和甲烷气体，故可通过降压法从甲烷水合物中开采甲烷气体。

然而，在这种情况下，如果无任何对策，则甲烷水合物的分解将会使砂粒间的固着力丧失并在砂粒产生流动性。其结果便是，砂粒11也随着水和甲烷气体一起大量流出而形成严重的生产障碍。

因此，为实现甲烷水合物的稳定生产，期待一种能够在避免对象地层MH的渗透率不大幅下降的范围内防止砂粒11流出的方法。

为此，在本发明的地层改造过程中，向对象地层MH中注入能够将砂粒11充分固着的改良剂，人工固着砂粒。通过控制注入条件，改良后的对象地层MH具有开采甲烷水合物的足够的渗透率，并且具有在甲烷水合物分解后也不会产生砂粒的流动、地层压密或出砂的性质。

图3为注入改良剂G的说明图。

如图3所示，井内设有套管3，井壁与套管3之间实施水泥固井。套管3和水泥固井部开有多个射孔31以贯穿套管内部与对象地层MH，通过射孔31，地层和套管内的物质(流体或固体颗粒)能够进行交换。

井下注入装置109具有主体、连接部(吊具)、上端封隔器71、下端封隔器73，并通过注入管77连接地面(或船上)设备。主体为中空圆筒形结构，其侧壁上开有改良剂或泥浆流出的流出孔。此外，根据作业条件，也可使用钻杆等代替注入管77。

改良剂可通过以下步骤注入。需要说明的是，根据现场实际情况，也可对其进行调整或改动。

·在上端封隔器71、下端封隔器73收缩的状态下，将井下注入装置109下至所需的深度。

·利用油压或压缩气体使上端封隔器71、下端封隔器73膨胀，使之能够密切贴合套管3的内壁。

·通过注入管77，从地面(或船上)设备向井下注入装置输送改良剂G。井下注入装置内的改良剂G从流出孔充满上端封隔器71、下端封隔器73之间，并通过射孔31注入对象地层MH。

·经过改良剂G的胶凝时间，砂粒之间通过固化的改良剂G而固着，即使甲烷水化物分解，砂中也不会产生流动化。

此处须留意的是，据改良剂的种类和胶凝时间，有可能在注入管(或钻杆)77或井下注入装置109内固化而使该装置陷入不能再次使用的状态。在这种情况下，在改良剂G注入完成之后，可通过注入管(或钻杆)77进行泥浆循环，将装置内残余的改良剂G排出。

图4是本实施方式的开采流程的一例。

<步骤1-计划工序>

步骤1中，应根据开发对象的地质及储层条件等信息，结合开采数值模拟及经济效果评价而计算、决定所用的改良剂的种类、作业方式和条件及各参数。

上述计划工序中，需要预先掌握以下信息(a)-(e)中的部分或全部作为输入数据或判断材料。

(a)地质构造、地层连续性、岩相、粒径、推算可采储量

(b)储层的形状、边界、各处的深度、层厚、孔隙率、渗透率、饱和率、温度、压力

(c)甲烷水合物的稳定范围及分解条件

(d)各种改良剂的适用对象、适用条件及适用限度

(e)各种改良剂的反应机理、以及随着反应进行而引起的温度、压力、孔隙率、渗透率、各相流体饱和率、渗透率的定量变化等

其中，上述信息(a)、(b)可由甲烷水合物开发项目联合(石油公司等)处获知，或者自行勘察、测定；信息(c)由可以往文献调查获知；信息(d)除了可从改良剂厂家取得之外，也可通过自行试验取得；信息(e)为本发明的关键点之一，由独自的试验或模拟而得出。

此外，对于个别开发方案，不排除需要以上信息之外的其他信息的可能性。

在利用上述已知信息的部分或全部进行生产模拟及经济效果评价并制定地层改造计划。制定计划时，应考虑以下要素(a)-(e)的部分或全部：

(a)改良剂的种类。

(b)最佳的改造位置及范围。范围用地层内的改造半径或者改良剂的到达范围表示。

(c)改良剂的浓度、配比及使用量。

(d)改良剂的注入位置、注入工艺、注入顺序、注入压力、注入流量等。

(e)改良剂的最佳凝胶时间。

(f)与改良剂配合使用的添加剂的种类、浓度、使用量、使用时机等。

(g)改良剂反应的生成物的种类、质量、浓度、化学特性、浸润性等。

(h)改造后的对象地层MH的孔隙率、渗透率、压力、温度、强度等。

(i)剩余未反应的改良剂的量、浓度、粘性及其变化倾向。

(j)改造后的地层中的流体组成、粘度、pH值等。

(k)将未反应的改良剂排出的作业工艺、泥浆的密度、粘度、泥浆循环流量等。

(l)判断是否需对对象地层进行恢复渗透率的后处理作业，并决定其作业种类及方案。

(m)甲烷气体与水的预期产量、以及反映地层性质的各参数的预期变化。

(n)表示上述条件及参数下的作业成本及经济效果的各项指标。

其中，(a)改良剂应从能够通过开采井注入地层，并能够将构成地层的固结弱的砂粒充分固着的改良剂中选取。并且，在作业中可根据需要切换为其他改良剂。

目前可选的改良剂有：水泥系、水玻璃系、高分子系(如丙烯酰胺系、尿素系、氨基甲酸酯系等)、或能够通过以碳酸钙为代表的沉淀、聚合物以及其他固形物的生成而将砂粒固着的类型的改良剂。

此外，不仅限于以上种类，今后预计开发更好的改良剂。开发时也基于“能够通过开采井注入地层，并能够将构成地层的固结弱的砂粒充分固着的观点”来选择。

<步骤2-地层改造工序>

步骤2中，以如图3所示的方法将改良剂注入对象地层MH。

改良剂的注入分为对对象地层MH进行全面改造模式和仅进行部分改造模式。前者(全面改造)通过交互注入·交互生产(如图6所示)，对象地层改造为具有同传统油气储层相近的性质(砂粒不易产生流动性的性质)，其优点是可最大限度地利用已有的油气开发生产技术。

另一方面，后者(部分改造)为对井筒周围有限的部分注入改良剂的模式(用图7进行说明)。改造后的地层具有过滤层的作用，在阻止外围砂粒进入井内的同时仅允许水和甲烷气体等流体透过。此种模式的优点是，在起到防出砂效果的同时，可将改造范围(预算)降至最低。

<步骤3-水压裂和化学处理工序>

步骤3中，以上述步骤2中改造后的对象地层MH为对象进行试井，主要评价地层的渗透率、生产能力。根据需要，以对象地层MH为对象，进行提高渗透率的作业。例如进行水压裂(a)或化学处理(b)。

水压裂(a)原本主要用于页岩气、页岩油的开发，是在低渗透率的页岩层形成裂缝(压裂)的技术。而在本发明中，以渗透率因改良剂的固化或反应生成物而大幅下降的改造部为对象实施水压裂(a)。

另一方面，化学处理(b)为主要利用盐酸或氢氟酸除去孔隙内的细小颗粒等，并以此提高地层渗透率的作业。此外，为消除在地层改造过程中由于反应物过量或反应副产物的生成而引起的渗透率低下现象，也可加入与该物质反应试剂，促使产物为液体或气体，或者促使其溶解于地层流体。

另外，而若经上述步骤2改造后的地层具有良好的渗透率，则不必实施此步骤。

<步骤4-生产工序>

步骤4中，利用降压法等手段，从通过上述步骤改造后的对象地层MH使甲烷水合物分解，回收甲烷气体。

此外，根据实际气体生产的实施结果等，对当初的生产方案及地层改造的效果进行评价，并作为今后制定生产计划、改良剂G的开发、改良的参考。

图5是采用多条水平井101的情况的该水平井的示意图。

水平井101在对象地层MH内设有水平井段111，并在水平井段111处开有多个射孔31(如图3所示)，以实现井内与地层间的改良剂、生成物的物质交换。

为追求切实的地层改造及生产范围的最大化，井101如图5(2)所示，在对象地层MH内按照一定方向并排布置多条水平井(第1井101a、第2井101b和第3井101c)。

另外，在实际开发中，不仅限于图示的井网布置，可根据地质条件、储层条件以及经济效果评价等由图4所示的流程所确定。

图6是利用多条水平井通过交互注入·交互生产对对象地层MH进行全面改造的情况的示意图。

图6(1)为交互注入的第1阶段的说明图。根据储层条件，将各井101按照互相间隔的方式分为生产井组和注入井组。

在从第1井101a注入改良剂的同时，利用降压法从第2井101b和第3井101c进行甲烷气体的开采。

图6(2)为交互注入的第2阶段的说明图。

如图6(1)所示，如果从第2井101b及第3井101c继续开采，则产生地层的压实及出砂的可能。因此，在甲烷水化物分解至一定程度的阶段，过渡到图6(2)所示的第2阶段的开采。

具体地说，将第1井101a切换为甲烷气体的生产井，而将第2井101b和第3井101c切换为改良剂G的注入井。由此，两井组在不引起地层压密或出砂的前提下，在一定程度上实现均匀、稳定的地层改造。

图6(3)为交互注入的第3阶段的说明图。

随着图6(2)的改造的进行，如图6(3)所示，在第2井101b和第3井101c的改造范围进一步扩大，并超过图6(1)所示第1井101a的改良范围。

图6(4)为交互注入的第4阶段的说明图。

甲烷水合物分解到一定程度之后，再次将第1井101a切换为注入井，注入改良剂。另一方面，第2井101b和第3井101c再次切换为生产井。如此反复进行交互注入·交互生产，直至完成对地层的全面改造。

图6(5)为交互注入的第5阶段的说明图。

进行至第4阶段时，已完成对对象地层MH的全面改造，此时的地层MH具有同传统的油气地层相近的性质，不易产生地层压密或出砂。因此，此时可利用全部井组第1井101a、第2井101b、第3井101c进行甲烷气体的开采。

在以上的方式中，能够通过交替注入进行改良，同时交替开采甲烷气体，通过应用水平井，能够实现改良·开采范围的最大化和回收率的提高。

须注意的是，图6仅为一例。井的数量、形态、改良剂的交互注入次数可根据现场实际情况而定。另外，也可利用与降压法不同的增进回收法。

图7为利用单一直井对对象地层MH进行部分改造的说明图。

在贯穿对象地层MH的直井(101)的适当深度上，利用图3所示的井下注入装置进行改良剂注入作业。此时，改良剂在具有渗透性的地层MH的井周围扩散，并通过图2所示的原理将砂粒人工固着，使其不再产生地层压密或出砂。之后，根据需要以改良体为对象进行水压裂(压裂)或化学处理，以提高地层改造部的渗透率。如此便可形成具有足够的渗透率及强度的改造部。该改造部能够在阻止砂粒从外围流入的同时，仅允许水和甲烷气体等流体流入井筒，以达到一种过滤效果。此方式仅对井筒周围的地层进行改造，可在达到防出砂目的同时将地层改造的成本削减到最低。

<第2实施方式>

本发明的第2实施方式中，利用充填材在井筒周围的对象地层中形成多孔结构的改良体，以防止甲烷水合物生产时产生的井下出砂。图8是本发明第2实施方式的基于充填材的多孔质改良体制造的示意图。

本发明中的充填材为颗粒21表面涂覆固着剂22的颗粒21而成的材料。颗粒21可为直径0.1至10mm的硅砂、陶瓷颗粒或者玻璃砂等。固着剂22在常温、干燥状态下呈固体，但在受热或者有水、配合剂或者催化剂存在的环境下能够发生化学反应，并生成碳酸钙沉淀或者高分子聚合物等固形物而将颗粒21固着。

充填作业时，先将充填材分散至作为其搬运介质的携砂液24，调制成为具有一定粘度的液状或悬浊液的注入材。之后，将此注入材通过井下注入装置送入井内，注入对象地层的空洞。关于注入的注入材，由于携砂液24渗入对象地层，剩余的充填材可以充填空洞，使得颗粒和颗粒紧密结合。根据注入材的注入量、注入流量、注入压力等，可推算空洞的充填率。

待空洞被重复充填之后，向该井内注入可促进基于固着剂22的化学反应的热水、配合剂或催化剂。由此，固着剂22引起化学反应，生成固形物，能够固着颗粒21。固着后的颗粒21之间存在孔隙23并允许流体的通过。如此便可形成具有足够的强度和良好的渗透性的多孔质改良体，在防止出砂的同时实现气体的稳定生产。

所述充填材优选选自能够在甲烷水合物存在的地层环境形成具有足够的强度及良好渗透性的改良体的物质，例如选自树脂覆膜砂(resin coated sand)、树脂覆膜陶瓷颗粒、覆膜玻璃砂、以及表面涂覆有上述改良剂的砂粒、陶瓷颗粒或者玻璃砂。

此外，作为上述搬运介质的携砂液24可使用为了与地层压力取得平衡而调整了比重并且为了使分散的充填材不容易沉淀而调整了粘度的泥水或其他液体。

图9是本发明第2实施方式的在井筒周围形成改良体的方法的说明图。

如图9所示，钻井直至对象地层MH。井内下套管3并在井壁和套管3之间实施水泥固井。套管3及水泥固井部开有多个射孔33以连通套管内与对象地层MH。通过这些射孔31，可以实现地层与套管内之间的物质(流体或固体颗粒)交换。

改良体的形成按下述顺序实施：

·利用电潜泵(ESP泵)41实施降压，使对象地层MH内所含的甲烷水合物分解。随着甲烷水合物的分解，构成地层的砂粒丧失其固着力，并随着水的产出流入井内，并由电潜泵41排出至地面(或船上)。由于砂粒被排出，在井筒周围的对象地层MH中形成一个充满地层流体的空洞C。

·在地面(或船上)对水和砂粒的排出速率和累计排出量进行监测，并以此估算井筒周围所形成的空洞的规模(高度及半径等)。

·当判断空洞的估算规模达到预期值时，停止排砂作业，将电潜泵41回收至地面(或船上)。

·利用图3所示的井下注入装置。与第1实施方式中的改良剂的注入方法同样，向排砂而形成的空洞中注入注入材(将充填材分散至其中的携砂液)以及促进充填材F固化的热水、配合剂或者催化剂。

·注入作业完成后，通过注入管(或钻杆)77循环水或泥浆，将注入装置内残留的注入材排出。

·将井下注入装置回收至地面(或船上)。

如此操作，可将充填材F注入至井筒周围的对象地层。充填材F固结后可形成具有足够的强度及良好渗透率的多孔质改良体，在防止出砂的同时实现稳定的气体生产。

此外，在上述人工引起出砂的手段中，除了可使用基于电潜泵的降压法以外，也可利用热水循环或者阻碍剂等化学物质的投入来促进甲烷水合物的分解。另外，作为在对象地层中形成空洞的手段，除了上述促进甲烷水合物分解的手段之外，也可利用通过高压流体喷射进行的地层切削、或通过送入井筒内的机械进行的地层切削。另外，作为向地层空洞中注入充填材的方法，除了图3所示的井下注入装置以外，也可使用其它装置及工艺。

由于具有这样的实施方式，所以可避免在甲烷水合物开采过程中产生不必要的出砂。

在不改变本发明要旨的范围内，可对本发明的构造、系统、程序、材料、各部分的连接、所用化学物质等进行适当变更。

材质可在金属、塑料、陶瓷、复合材料、混凝土等中自由选择。

例如，可将多个部件整合为一体，相反，由多个不同部件构成一个部件进行连接。

另外，可在改良剂中添加促进或改善其效果的添加剂(吸附促进剂、表面活性剂、催化剂等)，也可在改良剂中添加氮气、二氧化碳等气体的气泡或微气泡以使改造后的地层具有渗透性。

另外，不仅限于对单一地层进行单次改造，也可对多个井段进行分次改造。相反，也可对多个薄层进行同时改造。

另外，由设置于地面或钻探船上的控制端进行控制，也可由设置于海底、井口、井内的控制模块进行控制。

另外，工序的顺序等也可适当变更，只要其具有相应的效果。

符号说明

1：钻探船

3：套管

7：井下注入装置

11：砂粒

13：甲烷水合物

21：充填材颗粒

22：充填材固着剂

23：孔隙

24：携砂液

31：射孔

41：电潜泵

71：上端封隔器

73：下端封隔器

74：开孔

75：井下注入装置主体

77：注入管

79：连接部

101：井

102：改良剂储罐

103：注入泵

104：卷扬机等升降装置

105：泥浆处理设备

106：泥浆管(环空)

107：注入管

108：BOP(防喷器)

109：井下注入装置

111：水平井段

C：空洞

F：充填材

MH：对象地层

G：改良剂