利用人工储层开发水合物的开采系统及方法

技术领域

本发明涉及油田化学及天然气水合物开采领域，特别涉及利用人工储层开发水合物的开采系统及方法。

背景技术

天然气水合物(简称水合物)具有分布范围广、资源量丰富，资源量丰富、环境污染小等优点，被视为未来潜在替代新型清洁能源。水合物主要赋藏于陆上冻土和深海沉积物中，其中海域水合物储层埋藏较浅，储层主要为弱固结或未固结的砂质和泥质粉砂沉积物，这使得水合物开采过程中会导致储层力学性质发生变化，诱发储层沉降、井眼出砂等一系列风险问题，从而导致水合物开采只能在近井筒周围进行，无法持续往更远端深入；同时，在降压开采过程中，水合物二次生成及结冰容易造成冰堵现象。

从世界范围内已进行的水合物试采项目来看，水合物开采过程中的井筒失稳、出砂堵塞以及冰堵是水合物开采过程中不可避免的现象，成为制约水合物安全、高效、持续开采的三大主要因素。

在储层或井筒失稳方面，很多研究从布置生产井、辅助井上考虑进行防治。中国专利CN111255419 A公开了一种天然气水合物复合开采方法，利用二氧化碳水合物稳定性好的优点，保证地层的稳定，避免地质灾害和水合物大量分解，但是单纯通过CO

在防砂技术上，国内外从射孔段加装防砂筛网、粉砂分离回填、“粗+细”砾石充填以及类似GeoFORM防砂系统等方面进行了大量研究和实践，也获得了一定的认识和成功经验。中国专利CN113107437 A公开了一种泥质粉砂天然气水合物储层开采的多级防砂方法，通过加装筛管、粗细砾石充填、防止金属纤维隔层以及泵注絮凝剂的方法来进行防砂，但措施仅局限于井筒附近，无法让生产深入储层内部。

在预防和处理水合物开采中冰堵的问题上，近年来对化学生热剂的研究较多，但还没有形成一种公认技术可靠经济的试采系统及应用方法。中国专利CN109281643 A公开了一种延缓自生热体系，所述体系是由氯化铵水溶液和油包水型亚硝酸钠组成，通过将亚硝酸钠制备出油包水型乳液，达到减缓二者接触的目的，但这对于水合物的高效激发分解作用较小，而且仅限于近井地带。

目前来看，还未有现有技术从水合物安全、高效、持续开采上面统一考虑，提出合适的水合物开采系统及方法。

发明内容

本发明要克服现有技术的不足，提供利用人工储层开发水合物的开采系统及方法，应用于天然气水合物开采试采工程领域，可满足直井、斜井、水平井开采天然气水合物的工艺要求。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案如下：

利用人工储层开发水合物的开采系统，包括开采井、人工储层系统以及防砂、解堵系统，其特征在于:

所述开采井可以为直井、斜井、水平井，优选为水平井；

所述人工储层系统：通过多簇密集射孔，多尺度多级加砂压裂+相变压裂建立的，该多簇密集射孔是将水平段的每一级射孔簇间距减小，簇数增加的布孔方式，目的是为大范围、密集人工储层的建立提供更多的起裂、进砂通道；该多尺度多级加砂压裂+相变压裂是利用不同类型支撑剂、不同粒径支撑剂以及不同支撑充填形式来建立大范围的人工储层，所述不同粒径支撑剂为石英砂和相变支撑剂，所述不同支撑充填形式采用多组合粒径充填以及相变充填补偿；

所述防砂、解堵系统：包括自聚防砂工作液、解堵工作液体系以及地面配套设备；所述自聚防砂工作液包括如下质量百分比的组成：智能自聚防砂剂1％～1.5％、乙二醇10％～15％，其余部分为水；

所述解堵工作液为自生热体系或抑制剂溶液中的一种，其中：所述自生热体系以NH

优选的，所述射孔簇间距控制在5～6m/簇，所述射孔簇数每段在10簇以上；

所述多尺度多级加砂压裂+相变压裂的目的是利用不同类型支撑剂、不同粒径支撑剂以及不同支撑充填形式来建立大范围的人工储层；

优选的，所述不同类型支撑剂为石英砂和相变支撑剂，所述不同支撑充填形式是指多组合粒径充填以及相变充填补偿；

优选的，所述多组合粒径充填是采用石英砂完成的；

优选的，所述相变充填补偿是由相变支撑剂完成的；

优选的，所述石英砂为70/140目、40/70目、30/50目的一种或多种组合；

优选的，所述相变支撑剂是在常规压裂结束后泵入的相变压裂液相变而成的，其设计量为石英砂总量的10％～15％；

所述多尺度多级加砂压裂中引入一种智能自聚防砂剂，能够在地层中大范围地自动捕捉砂粒，自聚成团，提高人工储层充填层强度，并且保持较好的渗透率；

优选的，所述相变压裂液是利用自生热体系在地层中生热加温引发相变的，其相变温度可在10～120℃范围内调整。

优选的，所述智能自聚防砂剂是由松香改性环氧树脂、碳九石油树脂、丙基三乙酰氧基硅烷、环氧树脂乳化剂Disponil LS500、间苯二甲胺为主要成分，在有机溶剂中一定的反应条件下制备而成；

进一步的，所述智能自聚防砂剂推荐用量是0.8％～1.5％，可以根据储层要求优化其作用温度，作用范围10～150℃可调；

优选的，所述自生热体系优选以NH

所述防砂、解堵系统包含自聚防砂工作液、解堵工作液体系以及地面配套设备。

优选的，所述自聚防砂工作液包括如下质量百分比的组成：智能自聚防砂剂1％～1.5％、乙二醇10％～15％，其余部分为水；

优选的，所述解堵工作液为权4所述自生热体系或抑制剂溶液中的一种；

本发明还提供利用人工储层开发水合物的方法、流程及相关参数控制等，详细如下：

S01、开采井钻完井，推荐井型为水平井；

S02、综合方案设计：包括水平井分段分簇、工作液优化设计、多尺度多级加砂压裂+相变压裂设计以及水合物开采过程中防砂、解堵方案优化设计等；

S03、建立人工储层：

S03-1、首先进行多尺度多级加砂压裂加入多种粒径的石英砂组合支撑，加砂压裂中过程中加入智能自聚防砂剂，将人工储层支撑充填层有效固结，提高强度，防止出砂；

S03-2、泵注复配过自生热主剂的相变压裂，停注相变压裂液后倒换催化剂溶液，顶替入地层与自生热主剂溶液反应生热，使得相变压裂液在一定温度作用下相变成支撑剂，在人工储层外侧进行充填和补偿，进一步扩大人工储层规模。

S04、水合物复合开采：

S04-1、针对水合物开采过程中出砂情况普遍的现象，通过防砂、解堵系统不定期的向人工储层注入一定量的自聚防砂工作液，在人工储层外围设置一层屏障，防止出砂堵塞井筒；

S04-2、开采过程中如果发现产量明显降低，判断人工储层或井筒可能存在冰堵，通过防砂、解堵系统向地层注入解堵工作液，有效防止和消除开采过程中可能出现的冰堵，同时也对水合物储层起到自生热原位激发分解或化学抑制水合物二次生成的作用。

将本发明所述的系统及方法应用于天然气水合物的开采施工中，保障井筒、储层安全稳定性和水合物开发的持续性，利于水合物的安全、安全、高效、深度开发。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

从天然气水合物的长远开发考虑，在开采井周围建立较为庞大的人工储层，扩大井筒对外接触面积，保障井筒、储层安全稳定性和水合物开发的持续性，利于水合物的安全、高效、深度开发。

(1)本发明提出了人工储层建立的相关技术及方法，是水合物开采能否持续、稳定开采的关键；

(2)本发明能够很好地解决了水合物开采过程中出砂、冰堵等问题，进一步提高水合物开采效率；

(3)可进行水合物储层原位激发分解或抑制生成，促进水合物开采向深部进发；

(4)本发明可以满足直井、斜井、水平井试采天然气水合物的工艺要求，提高开采效率，节约生产成本，可操作性强。

附图说明

图1为本发明提供的利用人工储层开发水合物的开采系统示意图；

图2为本发明提供的水合物开采系统井下剖面示意图；

图3为本发明提供智能自聚防砂体系与支撑剂固结后的效果展示；

图4为本发明提供的利用人工储层开发水合物的开采系统及方法的现场实施流程示意图。

具体实施方式

本具体实施方式提供利用人工储层开发水合物的开采系统及方法，该开采系统包括开采井、人工储层系统以及防砂、解堵系统。所述开采井可以为直井、斜井、水平井，优选为水平井。所述人工储层系统在分段布孔时将射孔簇间距控制在5～6m/簇，单段射孔簇数10簇以上；建立人工储层时，首先利用多尺度多级加砂压裂将多种组合粒径的石英砂加入到水合物储层形成人工储层充填层，并通过智能自聚防砂剂来大范围地自动捕捉砂粒，自聚成团，提高充填层强度；随后利用相变压裂液在人工储层外侧发生相变后进行相变充填和补偿，从而建立大范围的人工储层。所述防砂、解堵系统包含自聚防砂工作液、解堵工作液体系以及地面配套设备。两种工作液分别用于储层出砂和冰堵的预防和处理，以保证水合物开采安全、高效、持续进行。

本具体实施方式还提供利用人工储层开发水合物的方法、流程及相关参数控制等，详细如下：

S01、开采井钻完井，推荐井型为水平井；

S02、综合方案设计：包括水平井分段分簇、工作液优化设计、多尺度多级加砂压裂+相变压裂设计以及水合物开采过程中防砂、解堵方案优化设计等；

S03、建立人工储层：对开采井的水平井段进行多尺度多级加砂压裂+相变压裂，在井筒周围建立人工储层；水合物复合开采过程中；

S04、水合物复合开采：通过自聚防砂体系的注入为人工储层设置屏障防止出砂，通过向地层注入抑制剂或自生热剂有效防止和消除开采过程中可能出现的冰堵。

下面通过一系列的室内实验对利用人工储层开发水合物的开采系统及方法中所应用的工作液进行阐述和说明。

1、本发明提供的智能自聚防砂剂的优化实验

本发明提供的智能自聚防砂剂溶于水后，交联、固结分子之间能够形成三维网络结构将砂粒捕捉，从而实现砂粒的自聚成团效果。不同产品组分见表1，对应性能参数见表2，智能自聚防砂体系与支撑剂固结后的效果展示见图3。

表1不同智能自聚防砂剂的组分

表2智能自聚防砂剂性能参数

通过大量的试验研究，对智能自聚防砂剂合成组分进行调整，可以满足较宽温度范围内的防砂要求。根据组分和用量优化，1、3号防砂剂的固结作用温度在10-25℃，固结时间8-14小时；2、4号防砂剂的固结作用温度都在26℃以上，固结时间相对较短。对于水合物储层，储层温度在20℃左右，并且可能更低，因此用于水合物储层的防砂剂优选1号和3号两种，其更多使用比例根据现场需要结合室内实验数据库进行调整。

2、本发明提供的相变压裂液地层温度下相变性能优化

根据对水合物储层参数的分析研究，一般在水平段中部温度不高于20℃，对于相变压裂液的相变温度要求较高，而相变温度的主要因素为相变调节剂的改变，所以在固定相变主剂30％的情况下，进行不同相变调节剂用量下相变时间测定，实验结果见表3。

表3不同相变调节剂用量下压裂液相变时间

从实验结果可以看出，相变调节剂用量需达到0.4％，相变压裂液才能在较短的时间内，在低于20℃的水合物储层中相变产生作用。

3、本发明提供的自生热体系优化实验

在相同的实验温度20℃条件下进行生热反应实验，考察不同生热主剂加量，不同生热控制剂加量下体系的生热速度、升温温峰的变化情况，为自生热体系的现场应用提供依据。实验配方及实验结果统计见表4。

表4不同配方下生热体系反应升温实验结果

从实验结果可以看出，NH

当然，以上几个实验仅仅列举了较优的实验结果，是关于本发明所提供工作液配方实验的很小一部分，配方的优化是个长久、复杂的实验过程。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

若未特别指出，实施例中涉及到的化学用品均可从常规手段获得。

若未特别指出，实施例中涉及到的百分号“％”均为质量百分比。

实施例1

如图1所示，公开了利用人工储层开发水合物的开采系统示意图，包括由上至下的防砂、解堵系统，注入系统，输气装置，开采井、水合物储层以及人工储层系统。其中注入系统是为防砂、解堵系统工作的，目的是根据施工需求将工作液泵入储层，输气装置是水合物正常排采流程，开采井一直下入到水合物储层中，此处的水平段按垂直方向示意，整个示意图的核心即是人工储层系统，首先是在水平段上进行细分簇射孔，然后进行压裂施工，压裂液携带支撑剂从每个射孔孔眼进入储层，形成水力裂缝中并将支撑剂铺展开来，从而形成一道道的支撑充填层，密集的支撑充填层即建立起井筒周围的人工储层。

实施例2

如图2所示，公开了本发明提供的水合物开采系统井下剖面示意图。通过示意图展示，人工储层系统建立后，类似在开采井井筒周围筑起一道道砂墙，既保障了井筒和储层的稳定性，又在水力裂缝和支撑剂充填层支撑的作用下具有良好的渗透性，利于水合物流体或分解气体流过人工储层进入井筒，最终排采出地面。所以人工储层的尺寸大小直接影响到水合物开采的持续时间、产量等。假设通过每一个射孔簇建立起来的人工储层长度为L、宽度为D、高度为H，按照最简单正方体体积估算，单簇人工储层的规模V＝L*D*H，开采井水平段S，射孔间距为d，所以该井人工储层规模为V

假定开采井水平段长S＝300m，射孔间距为d＝5m，建立的人工储层长度为L＝10、宽度为D＝5、高度为H＝2，改造系数按0.7算，则设计加砂量应达到4200m

实施例3

本实施例公开了建立人工储层的主体方案及实施流程，其流程可参照图4。

南海某水合物储层水平井，储层泥质粉砂含量超过30％，储层温度20℃，布井水平井段长300m，拟对该水平井采取的开采方案如下：

主体方案包括：水平井分段分簇、工作液优化设计、压裂设计等。

分段分簇：按目标水平井300m水平段考虑，以长段多簇为分段原则，减少分段数量，降低桥塞数量，减少下桥塞和钻磨桥塞的时间和风险，降低完井成本，因此将水平段分成4段，每段75m；

为了形成紧密支撑充填层，建立稳定的人工储层，需要对施工段进行密集切割，所以设计射孔簇间距5m以内，单段射孔簇15簇，总计射孔簇数60簇。

工作液优化：

压裂液：可在线施工一体化生物复合乳液，四川申和新材料科技有限公司规模化应用体系；具有溶胀速度快、携砂性能好、低伤害无残渣等优点，在海上平台进行在线配液、压裂一体化施工，降低场地和设备占用率。

防砂剂及防砂液：加砂压裂过程中，压裂液中复配智能自聚防砂剂，可以在储层中将支撑剂大范围捕集形成致密的支撑剂充填，根据室内实验研究结果，选择智能自聚防砂剂1号样，其设计加量为1.2％。

相变压裂液：考虑水合物储层温度20℃以内，根据室内实验结果，确定相变主剂30％固含量的情况下，相变调节剂用量需达到0.4％，体系才能在低于20℃的条件下较好地相变形成支撑剂；相变支撑剂设计用量为石英砂支撑剂总量的10％，则根据相变主剂固含量(30％)推算相变压裂液的用量为石英砂支撑剂总量的33％。

自生热体系：防砂液和相变压裂液的作用必须要在一定的温度下完成的，为尽可能提高固砂和相变支撑效果，采用自生热体系对水合物储层自生热升温，同时可促进促进水合物分解，所以将防砂液、相变压裂液和自生热体系混合使用，达到1+1+1＞3的作用效果，同时极大地提高水合物储层开发效果；

因此，考虑到压裂过程中入井液较多，应尽可能多地对储层提高热量，根据室内实验结果，优选生热效果最优的配方：12％NH

多粒径石英砂组合：在一体化生物复合乳液压裂液携带下，利用小粒径支撑剂(70/140、40/70石英砂)进入狭小裂缝、支撑支缝和主缝前端，利用大粒径支撑剂(30/50石英砂)主缝内和主缝末端支撑，通过多粒径组合优势互补，减少小粒径支撑剂返排，增加支撑充填层长度，保持高导流能力，同时也利于相变支撑剂在后期进行相变充填补偿，进一步提高人工储层强度。

实施流程如下：

(1)多簇密集射孔：按照设计分段分簇射孔；

(2)多尺度多级加砂压裂：组织压裂液、支撑剂、压裂管汇及压裂设备等，进行逐级加砂压裂施工，加入多组合石英砂进行充填，加砂压裂中过程中加入智能自聚防砂剂，有效固结支撑充填层，防止出砂；

(3)相变压裂：泵注复配过自生热主剂相变压裂液，倒换催化剂溶液，泵注设计量后再用抑制剂溶液将催化剂溶液全部顶替入地层与自生热主剂溶液反应生热，使得相变压裂液在一定自生热体系生热加温作用下相变成支撑剂，在人工储层外侧进行充填和补偿，进一步扩大人工储层规模。

实施例4

本实施例公开了人工储层的维护以及水合物开采的保障措施，其流程可参照图4。

(1)工作液准备：

所述防砂、解堵系统包含自聚防砂工作液、解堵工作液体系以及地面配套设备。

自聚防砂工作液：

水合物开采过程中，人工储层会出现一定的出砂现象，严重时可能造成生产孔眼砂埋甚至是井筒堵塞，为此，需要在开采过程中进行多次不定期的防砂、固砂工作，结合防砂剂室内实验研究结果及经济成本因素，选择1号智能自聚防砂剂，配方选择智能自聚防砂剂1.0％、乙二醇15％，其余为海水，即可满足储层条件下的防砂、固结作用要求，同时，采用海水即配即用，进一步降低了生产成本。

自生热体系：

针对水合物开采过程中的分解吸热可能会出现结冰导致产层或井筒冰堵的问题，结合室内实验结果和经济因素考虑，选择生热效果适中，成本相对较低的自生热配方：10％NH

抑制剂溶液：5％的聚乙烯己内酰胺-顺丁二烯二酰胺，其余为水。

(2)地面配套设备：泵注设备、注入系统等

(3)防止地层或人工储层出砂：监测水合物排采时出砂情况，不定期的利用地面配套设备注入一定量的自聚防砂工作液，可以及时清理井筒滞留的粉砂，同时为人工储层设置屏障防止出砂；

(4)开采过程中如果发现产量明显降低，判断人工储层或井筒可能存在冰堵，根据产气、压力情况，选择解堵工作液，利用地面配套设备注入，消除井筒或储层冰堵，同时也对水合物储层起到自生热原位激发分解或化学抑制水合物二次生成的作用。

本发明提供了一种利用人工储层开发水合物的开采系统及方法，据检索，在以往的专利、文献报道中并未提出过，这是针对天然气水合物开采难点，从天然气水合物的长远开发考虑而提出的创造性技术。该技术采用多种技术方案进行优化和组合，目的是在开采井周围建立较为庞大的人工储层，扩大井筒对外接触面积，保障井筒、储层安全稳定性和水合物开发的持续性，同时采用一定的技术手段保障水合物安全、高效、深度开发。

结合室内研究实验及实施例可以看出，本发明的提供一种利用人工储层开发水合物的开采系统及方法，主要技术方案分为人工储层建立以及开采过程中的防砂、解堵。

首先，要在井筒周围建立庞大、稳定的人工储层，运用了多级加砂压裂、多组合粒径支撑、相变压裂、智能自聚防砂剂、自生热体系等，各个环节相辅相成，缺一不可。利用多级加砂压裂和多组合粒径支撑，使储层初步建立庞大的支撑充填层，再结合相变压裂、智能自聚防砂剂，利用自生热体系的生热催化作用，对支撑充填层充填补偿，加密固结，进一步形成稳定的人工储层。

其次，水合物开采过程中不免会出现出砂、结冰等现象，要进行长期、稳定的开发就必须解决相应的问题，本发明提出了防砂、解堵系统，利用智能自聚防砂剂和自生热体系的优势，通过室内实验研究以及经济成本考虑，形成了相应的技术方案，满足水合物的持续、安全、高效、深度开发。

因此，本发明是在现有技术都无法根本解决天然气水合物安全、高效、深度开发的背景下提出来的，具有独创性，现场适用性和可操作性强，对天然气水合物的开发具有深远的指导意义。

上述实施方式旨在举例说明本发明可为本领域专业技术人员实现或使用，对上述实施方式进行修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，故本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。