本發(fā)明屬于天然氣水合物開采領(lǐng)域，涉及到一種結(jié)合注入熱海水增強(qiáng)甲烷開采和二氧化碳封存的天然氣水合物置換方法。

背景技術(shù)：

天然氣水合物廣泛存在于大陸永久凍土帶和深海海底，具有分布廣、埋藏淺、規(guī)模大、能量密度高的特點(diǎn)，被看作為一種潛在的非常規(guī)能源，其已探明儲(chǔ)量相當(dāng)于全球已探明化石燃料(煤、石油、天然氣)總量的二倍。傳統(tǒng)的天然氣水合物開采方法主要有降壓法、熱激法和注入抑制劑法，但均存在缺陷：降壓法開采效率低、熱激法能量耗散大以及注入抑制劑法破壞環(huán)境。二氧化碳置換是一種新型、環(huán)境有好的天然氣水合物開采方法，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)甲烷開發(fā)作為能源供給和二氧化碳封存緩解溫室效應(yīng)的目的，并且在開采過程中由于二氧化碳水合物的形成能夠保證儲(chǔ)層的穩(wěn)定性，避免引發(fā)海洋地質(zhì)災(zāi)害。

二氧化碳置換作為最有前途的天然氣水合物開采方法，在實(shí)際工程中仍存在許多問題：首先，甲烷水合物由6個(gè)大穴、2個(gè)小穴組成，二氧化碳分子的體積比甲烷大，其大小介于甲烷水合物的大穴和小穴之間，理想狀況下甲烷的開采率最高只能達(dá)到75％；其次，開采前期，二氧化碳在甲烷水合物表面快速置換，隨著置換反應(yīng)的進(jìn)行，逐漸在水合物表面形成致密的甲烷、二氧化碳混合水合物層，導(dǎo)致滲透率下降，不利于二氧化碳向水合物內(nèi)部擴(kuò)散，置換速率迅速降低，嚴(yán)重情況下導(dǎo)致置換反應(yīng)基本停止。因此，針對甲烷開采率、二氧化碳封存率和置換速率低的問題，亟待一種新型的天然氣水合物置換方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)里存在的問題，本發(fā)明提供一種新型的天然氣水合物置換方法，在置換中期結(jié)合注入熱海水，使致密的二氧化碳、甲烷混合水合物層發(fā)生分解，提高甲烷開采率和二氧化碳封存率，同時(shí)促進(jìn)二氧化碳擴(kuò)散，提高置換速率。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種結(jié)合注入熱海水增強(qiáng)甲烷開采和二氧化碳封存的天然氣水合物置換方法，具體步驟如下：

1)選取水合物藏開采目標(biāo)區(qū)域，搭建海上注入平臺(tái)和產(chǎn)氣平臺(tái)，分別進(jìn)行二氧化碳及熱海水注入井、甲烷產(chǎn)氣井鉆井；鉆井完成后，水合物儲(chǔ)層壓力降低，井筒周圍的天然氣水合物處于亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。

2)通過二氧化碳及熱海水注入井向水合物儲(chǔ)層注入二氧化碳，并控制儲(chǔ)層壓力在對應(yīng)儲(chǔ)層溫度的二氧化碳水合物相平衡壓力以上，促使在離井筒較近的天然氣水合物藏開采淺層發(fā)生置換反應(yīng)，被置換出的甲烷氣體和殘余的二氧化碳?xì)怏w通過甲烷產(chǎn)氣井收集。根據(jù)二氧化碳、二氧化碳水合物以及甲烷水合物的相平衡條件和氣體分離條件，可選擇二氧化碳的最優(yōu)注入條件。

3)通過二氧化碳及熱海水注入井同時(shí)向水合物儲(chǔ)層注入熱海水和二氧化碳，利用熱海水使天然氣水合物藏開采淺層因置換反應(yīng)而形成的致密的二氧化碳、甲烷混合水合物發(fā)生部分分解，打開二氧化碳向深層水合物藏流動(dòng)運(yùn)移的通道，提高二氧化碳的置換速率，同時(shí)利用熱海水將無法被二氧化碳直接置換的天然氣水合物小孔穴中的甲烷釋放出來，提高甲烷開采率和二氧化碳封存率；被釋放出甲烷氣體和二氧化碳通過甲烷產(chǎn)氣井收集。

上述熱海水和二氧化碳的同時(shí)注入，一方面因?yàn)槭够旌纤衔锊糠址纸?，而不發(fā)生水合物藏的大面積分解、坍塌，避免引發(fā)海洋地質(zhì)災(zāi)害能夠保證儲(chǔ)層穩(wěn)定性；另一方面相對于常規(guī)的熱激法，熱海水結(jié)合二氧化碳的注入過程無需加熱整個(gè)水合物儲(chǔ)層，因此具有較低的能量耗散。依據(jù)不同的儲(chǔ)層溫度、壓力、滲透率以及水合物飽和度等儲(chǔ)層條件，可選擇最優(yōu)的注入條件。

4)停止注入熱海水，利用二氧化碳及熱海水注入井向水合物儲(chǔ)層注入二氧化碳，并控制儲(chǔ)層壓力在對應(yīng)儲(chǔ)層溫度的二氧化碳水合物相平衡壓力以上，促使在離井筒較遠(yuǎn)的天然氣水合物藏開采深層發(fā)生置換反應(yīng)，被置換出的甲烷氣體和殘余的二氧化碳?xì)怏w通過甲烷產(chǎn)氣井收集；同時(shí)殘余的熱海水和注入的二氧化碳生成二氧化碳水合物，提高儲(chǔ)層穩(wěn)定性并增強(qiáng)二氧化碳的封存量。

5)針對步驟2)、3)和4)中從海上產(chǎn)氣平臺(tái)的甲烷產(chǎn)氣井收集的產(chǎn)品，首先進(jìn)行氣、水分離，再對氣體進(jìn)行分離得到純凈甲烷氣體，最終完成對甲烷氣體的儲(chǔ)藏與運(yùn)輸。

進(jìn)一步的，上述步驟5)中所述的甲烷提純后，將殘留的二氧化碳?xì)怏w再次注入水合物儲(chǔ)層中進(jìn)行封存，提高二氧化碳的封存量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明同時(shí)實(shí)現(xiàn)了水合物安全高效開采和封存二氧化碳以減輕溫室效應(yīng)的目的。相對傳統(tǒng)的置換開采，結(jié)合注入熱水過程能夠有效地提高置換速率、甲烷開采率和二氧化碳封存率；相比傳統(tǒng)的熱激法，同時(shí)注入熱海水和二氧化碳能使混合水合物部分分解，而不發(fā)生水合物藏的大面積分解、坍塌，引發(fā)海洋地質(zhì)災(zāi)害，另一方面結(jié)合注入過程無需加熱整個(gè)水合物儲(chǔ)層，因此具有較低的能量耗散。

(1)本發(fā)明采用二氧化碳置換和熱海水注入結(jié)合的方式，能夠使甲烷水合物無法被置換的小孔穴被開發(fā)，提高甲烷的開采率，小孔穴發(fā)生分解產(chǎn)生的自由水與二氧化碳結(jié)合生成二氧化碳水合物，提高二氧化碳封存率；

(2)本發(fā)明在置換中期結(jié)合注入熱海水，能夠有效地破壞致密的甲烷、二氧化碳混合水合物層，提高儲(chǔ)層滲透率，促進(jìn)二氧化碳的擴(kuò)散，提高置換速率。

(3))結(jié)合注入熱海水和二氧化碳使混合水合物部分分解，在提高置換率的同時(shí)而不發(fā)生水合物藏的大面積分解、坍塌，引發(fā)海洋地質(zhì)災(zāi)害，保證儲(chǔ)層穩(wěn)定性。

(4)相比傳統(tǒng)的熱激法，熱海水結(jié)合二氧化碳的注入過程無需加熱整個(gè)水合物儲(chǔ)層，因此具有較低的能量耗散。

(5)殘余的熱海水會(huì)和注入的二氧化碳生成二氧化碳水合物，在進(jìn)一步提高儲(chǔ)層穩(wěn)定性的同時(shí)，增強(qiáng)二氧化碳的封存量。

附圖說明

附圖1是一種結(jié)合注入熱海水增強(qiáng)甲烷開采和二氧化碳封存的天然氣水合物置換方法示意圖。

附圖2是開采淺層置換示意圖。

附圖3是熱海水結(jié)合二氧化碳注入階段示意圖。

附圖4是開采深層置換示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

如附圖1所示，天然氣水合物藏常存在于海平面下1200-1500米的海洋沉積物中，其溫度、壓力條件為275-285K，3.2-11MPa?，F(xiàn)選取海平面下1200米、儲(chǔ)層溫度275K、儲(chǔ)層壓力3.2MPa的水合物藏作為目標(biāo)區(qū)域，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化開采流程描述，并進(jìn)行最優(yōu)條件說明。

(1)搭建海上注入平臺(tái)和產(chǎn)氣平臺(tái)，如附圖1所示，進(jìn)行二氧化碳及熱海水注入井、甲烷產(chǎn)氣井鉆井。鉆井完成后，水合物儲(chǔ)層壓力降低，井筒周圍的天然氣水合物處于亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。

(2)如附圖2所示，從二氧化碳及熱海水注入井向水合物儲(chǔ)層注入二氧化碳，并控制儲(chǔ)層壓力在對應(yīng)儲(chǔ)層溫度的二氧化碳水合物相平衡壓力以上。此處將壓力控制在1.5MPa(275K時(shí)二氧化碳水合物的相平衡壓力)以上，使離井筒較近的水合物藏開采淺層發(fā)生置換反應(yīng)，被置換出的甲烷氣體和殘余的二氧化碳?xì)怏w通過甲烷產(chǎn)氣井收集。

根據(jù)二氧化碳、二氧化碳水合物以及甲烷水合物的相平衡條件，二氧化碳置換天然氣水合物的溫度、壓力條件可以分為三個(gè)置換區(qū)域：A區(qū)域(二氧化碳、二氧化碳水合物以及甲烷水合物相平衡曲線之上)、B區(qū)域(二氧化碳相平衡曲線之下，二氧化碳水合物以及甲烷水合物相平衡曲線之上)和C區(qū)域(二氧化碳以及甲烷水合物相平衡曲線之下，二氧化碳水合物相平衡曲線之上)，其中A區(qū)域(液態(tài)二氧化碳具有較強(qiáng)的擴(kuò)散能力)和C區(qū)域(甲烷水合物處于非穩(wěn)定區(qū)域)的置換率和置換速率較優(yōu)于B區(qū)域。

基于上述描述，在儲(chǔ)層溫度為275K時(shí)，儲(chǔ)層壓力控制在1.5-3.2MPa和3.7MPa以上為較優(yōu)條件；考慮到氣體分離、甲烷收集問題，儲(chǔ)層壓力控制在1.5-3.2MPa為最優(yōu)開采條件。

(3)從二氧化碳及熱海水注入井同時(shí)向水合物儲(chǔ)層注入熱海水和二氧化碳，并通過甲烷產(chǎn)氣井收集產(chǎn)品。

如附圖3所示，注入熱海水的目的是使水合物藏開采淺層因置換反應(yīng)而形成地致密的二氧化碳、甲烷混合水合物發(fā)生部分分解：一方面打開二氧化碳向水合物藏開采深層流動(dòng)運(yùn)移的通道，提高置換速率；另一方面使無法被置換的水合物小孔穴中的甲烷得到開發(fā)，提高甲烷開采率和二氧化碳封存率。熱海水的注入溫度和流量尤為關(guān)鍵，較優(yōu)的注入條件能夠保證儲(chǔ)層穩(wěn)定性和較低的能量耗散：一方面因?yàn)檩^優(yōu)的注入條件使混合水合物部分分解，而不發(fā)生水合物藏的大面積分解、坍塌，引發(fā)海洋地質(zhì)災(zāi)害，這也是同時(shí)注入二氧化碳的目的；另一方面相對于常規(guī)的熱激法，熱海水結(jié)合二氧化碳的注入過程無需加熱整個(gè)水合物儲(chǔ)層，因此具有較低的能量耗散。

基于上述描述，依據(jù)不同的儲(chǔ)層溫度、壓力、滲透率以及水合物飽和度等條件，存在不同的最優(yōu)注入條件。此處在儲(chǔ)層溫度為275K，壓力為1.5-3.2MPa，水合物飽和度為40-60％的條件下，熱海水的注入溫度選定為40℃，注入時(shí)間為20min，熱海水和二氧化碳的注入比為1:20。

(4)停止注入熱海水，利用二氧化碳及熱海水注入井向水合物儲(chǔ)層注入二氧化碳，并控制儲(chǔ)層壓力在對應(yīng)儲(chǔ)層溫度的二氧化碳水合物相平衡壓力以上，此處將壓力控制在1.5-3.2MPa，如圖4所示，使離井筒較遠(yuǎn)的水合物藏開采深層發(fā)生置換反應(yīng)，被置換出的甲烷氣體和殘余的二氧化碳?xì)怏w通過甲烷產(chǎn)氣井收集。值得注意的是，殘余的熱海水會(huì)和注入的二氧化碳生成二氧化碳水合物，在進(jìn)一步提高儲(chǔ)層穩(wěn)定性的同時(shí)，增強(qiáng)二氧化碳的封存量。

(5)針對步驟(2)、(3)和(4)中從海上產(chǎn)氣平臺(tái)的甲烷產(chǎn)氣井收集的產(chǎn)品，首先進(jìn)行氣、水分離，再利用深冷分離工藝得到純凈甲烷氣體，最終完成對甲烷氣體的儲(chǔ)藏與運(yùn)輸。甲烷提純步驟殘留的含二氧化碳?xì)怏w可再次注入水合物儲(chǔ)層中進(jìn)行封存。

以上實(shí)施例是本發(fā)明具體實(shí)施方式的一種，本領(lǐng)域技術(shù)人員在本技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換應(yīng)包含在本發(fā)明內(nèi)。