一种冻土区可燃冰综合开采方法
阅读说明：本技术 一种冻土区可燃冰综合开采方法 (Comprehensive exploitation method for combustible ice in frozen soil area ) 是由 赵春晨 于 2020-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种冻土区可燃冰综合开采方法,通过将主力井布置到下伏煤层或泥页岩以下,可以通过同一口井开采多层位的天然气,并通过水平压裂增产,提高钻井和经济效率,降低施工成本采用主力井产出的天然气作为循环介质,克服了常规垂直钻井降压开采时,由于可燃冰富集的不均匀性导致的出气速率慢,开采效率低,将钻孔布置到可燃冰富集层下伏的煤层段和页岩段,可以提高主力井初始的产气量,增加初始加热循环介质的供应量,提高产气量和产气效率。(The invention relates to a comprehensive exploitation method of combustible ice in a frozen soil area, which can exploit natural gas at multiple layers through the same well by arranging a main power well below a coal bed or shale under the main power well, increase production through horizontal fracturing, improve drilling and economic efficiency, reduce construction cost and adopt the natural gas produced by the main power well as a circulating medium, overcome the defects of slow gas outlet rate and low exploitation efficiency caused by non-uniformity of combustible ice enrichment during conventional vertical drilling depressurization exploitation, and arrange drill holes to a coal bed section and a shale section under a combustible ice enrichment layer, thereby improving the initial gas yield of the main power well, increasing the supply of the initial heating circulating medium and improving the gas yield and the gas production efficiency.)
技术领域
本发明属于油气勘探领域，尤其涉及一种冻土区可燃冰综合开采方法。
背景技术
可燃冰又称天然气水合物，是由具有相对较低分子质量的气体(如甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、氮气等)和水在低温高压条件(通常T为0-10℃，P>10MPa)下形成的一种内含笼形结构的固态类冰状物质，主要赋存于海底沉积物、陆域永久冻土带以及一些深水湖泊底部沉积物中；因其能量密度高、分布广、规模大、埋藏浅、成藏物化条件优越，被视为是21世纪最具潜力的代替煤炭、石油和天然气的新型洁净能源之一。
我国曾于90年代末开始可燃冰调查，2007年在我国南海神狐海域首次钻获可燃冰实物样品，2017年我国南海天然气水合物试采成功。在2020年3月26日我国海域天然气水合物（可燃冰）第二轮试采再次迎来历史性突破——创造了“产气总量86.14万立方米，日均产气量2.87万立方米”两项新的世界纪录，攻克了深海浅软地层水平井钻采核心技术，实现了“探索性试采”向“试验性试采”的重大跨越，在产业化进程中，取得重大标志性成果。在我国，除海域具有潜力巨大的天然气水合物资源外，陆域天然气水合物资源前景亦为广阔。中国作为第三大冻土面积的国家，具备天然气水合物形成条件。我国曾于2008年首次在祁连山地区冻土带钻获了水合物实物样品，实现了我国陆域水合物研究的重大突破。
通过研究显示，陆地天然气水合物及其异常现象主要产出在冻土层下100-400米之间，在一个钻进回次内，只有少部***隙内可以观察水合物实物样品，即使两条相邻的裂缝，也很可能出现一个有水合物一个无水合物的现象，饱和度较低，在空间分布上具有非常强的非均质性，并且水合物产出的岩石类型具有低孔隙度，低渗透率和高力学的特征。因此在用降压开采时，钻孔进入到水合物层抽水泄压，地下水合物分解释放速度较慢，产气量太小，进而影响开采效率；此外，常规的降压法开采具有采气速度慢，且后期会在水合物表面形成一层冰膜，抑制水合物的分解，水合物分解吸热，使裂隙中的水结冰，进一步抑制天然气的溢出，经济效率差。针对上述问题，本申请提出一种全新的冻土区可燃冰综合开采方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种冻土带可燃冰综合开采方法，可以实现冻土区可燃冰开采效率的极大提升，增加强非均质性区域可燃冰开采的经济效率。
本发明为实现上述目的采用的技术方案是：本发明冻土区可燃冰综合开采方法包括以下步骤：
步骤一：根据区域地质资料、物探资料和可燃冰钻井资料，综合编制出开采区内可燃冰厚度和深度的分布图、冻土带厚度分布图以及工区内断裂分布图，并结合钻井采集可燃冰样品的情况评定出可燃冰甜点区；
步骤二：根据区域煤炭的勘探和开采资料，编制出工区内主力煤层及煤系地层泥页岩厚度、成熟度、瓦斯含量分布图，对于采掘过程中瓦斯突出较大的区域，需重点关注；
步骤三：根据步骤一与步骤二中编制的资料，综合评价圈定出可布置可燃冰开采主力井的位置；
步骤四：根据上述步骤确定的井位，采取三开的方式实施主力井的钻进，先采用安装有随钻测井装置的取心钻井工艺钻进到指定深度，终孔孔径为100mm，然后进行扩孔，并记录有气测显示层位的深度和长度，根据气测显示特征和钻出岩心判断气测段为水合物层段、页岩气层段和煤层气层段，下入相应直径的套管，其中所述钻孔的指定深度为钻进至下伏煤系地层底界以下2米；当存在多套下伏煤系地层时，需钻透最下层煤系地层；
步骤五：在孔口套管与岩壁之间进行封孔止水处理，并对上述气测显示层位进行套管射孔，使相应套管形成花管段，在孔口安装采气树、抽水降压设备、加热设备和集气装置，其中抽水降压设备包括抽水设备、排水管、输电电缆及液位传感器等；
步骤六：开启抽水降压设备对井孔内水进行抽采，收集降压释放出的初始天然气，通过加热设备和压缩设备对初始释放出的天然气进行加热并通过双层钻杆注入到井底，对井下水合物层段、煤层气层段、页岩气层段等进行加热解析，以便释放更多的天然气，对于采出的天然气除了满足作为加热循环气体外，剩余部分储存在集气装置中，并根据井口出气量大小实时补偿气量，满足加热循环气体的最低需求量；
步骤七：对产气量进行实时监测，当出现明显降低时，从主力井中下入导向装置，对各个含气层段（包括水合物层段、煤层气层段、页岩气层段）开侧向分支水平定向孔，进行压裂处理，并在套管的各个压裂层段位置布置压力传感器，用于监测各个层段的产气速度和变化趋势；
步骤八：水平压裂后，当日产气量超过10000m3/天时，无需要再注入加热过的天然气；当日产气量出现明显下降，且降低于10000m3/天时，需要向井下注入高温的天然气对含气层段进行加热驱动天然气的解析，提高产能；
步骤九：重复上述步骤七-八步骤，并根据压力传感器的监测数据判断各个含气层的产气能力，对于产气能力较弱的层段，逐步终止对其的压裂改造，直至所有的采气结束。
本发明的有益效果在于：1）本发明采用主力井产出的天然气作为循环介质，无需另外准备热传媒介质，对于资源比较紧张的冻土带地区显得尤其珍贵，且对冻土带的环境影响很小，可重复利用性高；2）本发明克服了常规垂直钻井降压开采时，由于可燃冰富集的不均匀性导致的出气速率慢，开采效率低，将钻孔布置到可燃冰富集层下伏的煤层段和页岩段，可以提高主力井初始的产气量，增加初始加热循环介质的供应量，提高产气量和产气效率；3）通过将主力井布置到下伏煤层或泥页岩以下，可以通过同一口井开采多层位的天然气，并通过水平压裂增产，提高钻井和经济效率，降低施工成本；4）循环介质采用风电加热；5）控制系统优化，PLC+CRT控制，人工远程控制；采用以微处理器为基础的可编程序控制器（PLC）进行程序控制，由集中控制运行站、PLC装置构成分层结构型式。程序控制逻辑设计符合工艺系统要求，控制系统对整个工艺系统进行集中监视、管理和自动程序控制，并可实现远方自动和本地手动操作；6）本发明有效解决了关于可燃冰气体来源的争议，通过对不同层位产出的天然气进行采样，并进行气体成分和碳氢同位素的测试，能够准确分析可燃冰气体的来源。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2位本发明的远程控制系统图。
附图标记：1.可燃冰层；2.煤层；3.泥页岩层；4.套管；5.双层钻杆；6.抽水装备。
具体实施方式
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、完整地描述。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。
如图1所示，本发明冻土区可燃冰综合开采方法包括以下步骤：
步骤一：根据区域地质资料、物探资料和可燃冰钻井资料，综合编制出开采区内可燃冰厚度和深度的分布图、冻土带厚度分布图以及工区内断裂分布图，并结合钻井采集可燃冰样品的情况评定出可燃冰甜点区；
步骤二：根据区域煤炭的勘探和开采资料，编制出工区内主力煤层及煤系地层泥页岩厚度、成熟度、瓦斯含量分布图，对于采掘过程中瓦斯突出较大的区域，需重点关注；
步骤三：根据步骤一与步骤二中编制的资料，综合评价圈定出可布置可燃冰开采主力井的位置；
步骤四：根据上述步骤确定的井位，采取三开的方式实施主力井的钻进，先采用安装有随钻测井装置的取心钻井工艺钻进到指定深度，终孔孔径为100mm，然后进行扩孔，并记录有气测显示层位的深度和长度，根据气测显示特征和钻出岩心判断气测显示层位为水合物层段、页岩气层段和煤层气层段，下入相应直径的套管4，其中所述钻孔的指定深度为钻进至下伏煤系地层底界以下2米；当存在多套下伏煤系地层时，需钻透最下层煤系地层；
步骤五：在孔口套管与岩壁之间进行封孔止水处理，并对上述气测显示层位进行套管射孔，使相应套管形成花管段，在孔口安装采气树、抽水降压设备、加热设备、集气装置以及双层钻杆5，其中抽水降压设备包括抽水设备6、排水管、输电电缆及液位传感器等，所述抽水降压设备连接在双层钻杆5末端，放入井底；
步骤六：开启抽水降压设备对井孔内水进行抽采，收集降压释放出的初始天然气，通过加热设备和压缩设备对初始释放出的天然气进行加热并通过双层钻杆5注入到井底，对井下可燃冰层1、煤层2、泥页岩层3等进行加热解析，以便释放更多的天然气，对于采出的天然气除了满足作为加热循环气体外，剩余部分储存在集气装置中，并根据井口出气量大小实时补偿气量，满足加热循环气体的最低需求量；
步骤七：对产气量进行实时监测，当出现明显降低时，从主力井中下入导向装置，对各个含气层段（包括水合物层段、煤层气层段、页岩气层段）开侧向分支水平定向孔，进行压裂处理，并在套管的各个压裂层段位置布置压力传感器，用于监测各个层段的产气速度和变化趋势；
步骤八：水平压裂后，当日产气量超过10000m3/天时，无需要再注入加热过的天然气；当日产气量出现明显下降，且降低于10000m3/天时，需要向井下注入高温的天然气对含气层段进行加热驱动天然气的解析，提高产能；
步骤九：重复上述步骤七-八步骤，并根据压力传感器的监测数据判断各个含气层的产气能力，对于产气能力较弱的层段，逐步终止对其的压裂改造，直至所有的采气结束。
所述步骤一中的可燃冰调查资料，包括调查井的井资料和区域内的物探资料，以及相应的地球化学资料等；
在所述步骤四中，所述气测显示层位包括水合物层段，煤层气层段以及泥页岩的含页岩气层段；
在所述步骤四中，进行主力井采用三开方式钻进，从上到下扩孔孔径及套管依次为：（1）扩孔孔径为300mm，下Φ215.9mm套管深度为26.5m；（2）二级孔径为200mm，下Φ177.8mm套管深度为280.58m；（3）三级孔径为152mm，下Φ139.7mm套管目标深度为500m，但以终孔深度为准；由于钻透地层多为泥质岩、粉砂岩、煤层等稳固性较差的岩层，在钻井过程中，从井口投入一定量的砾石，提高井孔稳定性；
在所述步骤五中，所述抽水设备采用潜水泵，潜水泵具有抽水量大，抽水速度快，能够快速达到降压的目的；所述潜水泵地表开关开启后，即将孔内的地下水泵到地表，当出现砂堵、空转、过载等情况时，地表开关通过检测电流情况，自动跳闸，保护井下的潜水泵，实现孔内降水到距孔底2米以下自动停泵的目的；所述排水管采用的是Φ73单壁钻杆，与潜水泵相连，水经排水管排出孔外，以达到降压的目的；所述的潜水泵采用具有防砂功能的潜入式电动泵；
所述步骤六中，通过降压释放的初始天然气，除了可燃冰抽水降压释放的天然气，更重要的，还包括下伏煤层和泥页岩释放出的煤层瓦斯和泥页岩中的页岩气，大大提高了初始天然气的释放量，保证了可用于热传媒的天然气用量，提高了可燃冰的开采效率和降低了开采成本；其中加热后的天然气通过双层钻杆注入到井底后，先对下伏的煤层瓦斯和泥页岩中的页岩气进行加热解吸，释放出更多量的天然气，然后再对上部的可燃冰层进行加热，打破可燃冰的温压平衡，促进可燃冰层更高效的解吸，一次性解气量更大；
所述加热系统，利用从主力井出来的天然气作为循环介质，然后通过压缩机和加热器进行增压、加热，再将加热后的压缩天然气分别通过双层钻杆的外管将热量传递给地层，促进天然气水合物的分解，并持续不断的从主力井抽出，形成一个循环回路；
所述加热设备采用风光电补偿发电技术和/或多组小功率电磁加热器；
在所述步骤七中，由于存在多层水合物富集层，多层薄煤层，多层页岩层，在钻水平定向钻孔和压裂时，可在相近层位钻一个水平钻孔，并进行压裂，从而提高水平钻孔的效率和降低成本；当存在水合物层与煤层气层相近时，其也可以共用一个水平钻孔压裂，联合开采，其他层位也可以采取类似开采方式；
在压裂开采过程中，需要在井底布置液位传感器，或者在抽水设备下端固定一个液位传感器，用来检测和显示井底水位，并保持水位不高于2米；
此外，在主力井钻进过程中，在钻遇到可燃冰层进行井口气体采样，在钻遇到下伏的泥页岩和煤层时根据深度进行多次的井口气体采样，对所采样品进行成分和碳氢同位素测试，可准确分析可燃冰气源的来源，便于人们认识冻土区可燃冰形成机理，也为开发利用提供理论支撑；
所述风光电补偿发电技术采用风光互补供电系统，主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成，该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统；
所述风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电；所述光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；
所述逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；
所述控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；
所述蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用；
所述风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模式下运行：风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电；
对控制系统进行优化，采用PLC+CRT控制，人工远程控制；采用以微处理器为基础的可编程序控制器（PLC）进行程序控制，由集中控制运行站、PLC装置构成分层结构型式。程序控制逻辑设计符合工艺系统要求，控制系统对整个工艺系统进行集中监视、管理和自动程序控制，并可实现远方自动和本地手动操作。正常的运行方式为远方自动，其他运行方式为其在特定工况下的补充。以上功能的选择在控制室控制柜上的“手动/自动开关”实现；
在某冻土带可燃冰试采区，可燃冰层下伏有中侏罗统江仓组和木里组和上三叠统尕勒得寺组，均是煤系地层，其中煤层及周边的炭质页岩均达到成熟窗口，有机质含量丰富，具有很强的产气能力；下二叠统和石炭系地层均具有泥页岩地层，其埋藏深热成熟度高，具有一定的页岩气潜力，采用上述方法开采，具有很好的产气效果，绿色环保，经济效益大。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。