壓裂置換開采的裝置及方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及能源技術(shù)領域，特別涉及一種陸域天然氣水合物CO2壓裂置換開采的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著傳統(tǒng)化石能源的枯竭，尋找新的替代能源已迫在眉睫，天然氣水合物是在特定條件下由水分子和烴類分子組成的類冰狀籠形化合物，廣泛分布在大陸永久凍土層和海洋陸坡沉積層，據(jù)估算，全球天然氣水合物中碳的含量相當于石油、天然氣、煤等化石能源中碳含量的兩倍，因而被認為是最有前景的新能源之一。
[0003]20世紀90年代以來，天然氣水合物的開采利用逐漸成為國內(nèi)外的研究熱點，傳統(tǒng)的水合物開采主要分為三種:(I)降壓法，在地層溫度條件下，通過降低水合物層的壓力至相平衡壓力之下；(2)加熱法，通過向水合物層注入熱水、熱鹽水、蒸汽，提高水合物層環(huán)境溫度至水合物相平衡溫度之上；(3)注化學劑法，向水合物層注入水合物形成抑制劑(比如鹽類、酒精類試劑等)改變水合物形成相平衡條件。以上三種方法都是通過改變水合物層的環(huán)境，使水合物處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)后分解并釋放出天然氣(CH4),然而，由于氣體水合物的分解，容易破壞水合物地層結(jié)構(gòu)，從而導致地層失穩(wěn)，引發(fā)地質(zhì)災害。
[0004]1986年，Ebinuma及ohgaki等首次提出利用⑶2置換開采天然氣水合物的設想，這種方法是通過向天然氣水合物中引入另一種客體分子C02，降低水合物相中CH4分子的分壓而將其從水合物中置換出來，達到開采的目的，由于置換過程中，水合物結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變，因此不存在地層失穩(wěn)問題，此外，置換反應中CO2形成水合物存儲在地下，也為解決溫室效應問題提供新思路。
[0005]盡管理論上置換法具有可行性，但因置換過程中⑶2水合物的不斷生成并形成蓋層，阻礙CO2氣體的擴散和CH4水合物的分解，導致置換反應效率低、速度慢，[Yoon J H,Kawamura T,Yamamoto Y，et a1.Transformat1n of Methane hydrate to carbond1xide hydrate:1n Situ Raman Spectroscopic Observat1ns.J.Phys.Chem.A,2004,108(23):5057-5059]。因此，對水合物層壓裂改善滲流條件是改善置換效果的有效方法，然而，凍土區(qū)水合物賦存的泥頁巖層水敏、水鎖嚴重，且置換過程中存在CO2氣體與游離水直接生成CO2水合物或溶解在游離水中的現(xiàn)象，常規(guī)水力壓裂存在水資源浪費、地層傷害大、返排不完全造成地下水污染和阻礙CO2置換等缺點，且現(xiàn)有的壓裂與CO2置換聯(lián)合的開采裝置及方法通常需要分步單獨進行，設備和工藝復雜;CO2產(chǎn)生的溫室效應給環(huán)境造成嚴重的破壞，如何利用CO2也是現(xiàn)在科學的一個難題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的是要解決上述現(xiàn)有天然氣水合物開采方法容易破壞水合物地層結(jié)構(gòu)，從而導致地層失穩(wěn)，引發(fā)地質(zhì)災害，而利用CO2置換開采天然氣水合物時，置換反應效率低、速度慢，常規(guī)水力壓裂存在水資源浪費、地層傷害大、返排不完全造成地下水污染和阻礙CO2置換，壓裂與CO2置換聯(lián)合的設備和工藝復雜等問題，而提供一種陸域天然氣水合物CO2壓裂置換開采的裝置及方法。
[0007]本發(fā)明之一種陸域天然氣水合物C02壓裂置換開采的裝置是由CO2控制系統(tǒng)、天然氣水合物控制系統(tǒng)和發(fā)電控制系統(tǒng)組成，發(fā)電控制系統(tǒng)分別連接在CO2控制系統(tǒng)、天然氣水合物控制系統(tǒng)上，CO2控制系統(tǒng)與天然氣水合物控制系統(tǒng)相連接；
[0008]CO2控制系統(tǒng)包括監(jiān)測儀器、壓裂栗車、密閉混砂車、⑶2增壓栗、數(shù)個⑶2儲罐、⑶2制備車、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)和第一井口密封裝置，監(jiān)測儀器設置在注入井內(nèi)，監(jiān)測儀器通過數(shù)據(jù)線連接在數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)上，第一井口密封裝置固定設置在注入井上端，第一井口密封裝置通過管線連接在壓裂栗車上，壓裂栗車、密閉混砂車、CO2增壓栗、CO2儲罐和CO2制備車通過數(shù)個管線依次連接，數(shù)個CO2儲罐并聯(lián)設置，管線上具有流通閥門，監(jiān)測儀器內(nèi)具有溫度傳感器，壓力傳感器，流量傳感器和聲能傳感器；
[0009]所述CO2增壓栗車的排量2 2m3/min，耐壓>2.2MPa以上，容積大于5m3，輸砂速度>500kg/min，輸出功率2 1471kW，C02增壓栗車的柱塞栗密封圈為金屬密封圈；
[0010]天然氣水合物控制系統(tǒng)包括氣體采集裝置、氣液分離裝置、氣體分離裝置、天然氣儲罐和第二井口密封裝置，第二井口密封裝置固定設置在開采井上端，第二井口密封裝置通過管線連接在氣體采集裝置上，氣體采集裝置、氣液分離裝置、氣體分離裝置和天然氣儲罐通過管線依次連接，氣體分離裝置通過管線連接在CO2儲罐與CO2制備車之間的管線上；[0011 ]發(fā)電控制系統(tǒng)包括風力發(fā)電機、太陽能電板、控制器、蓄電池和DC/AC逆變器，風力發(fā)電機、太陽能電板、控制器、蓄電池和DC/AC逆變器通過電線依次連接。
[0012]本發(fā)明之一種陸域天然氣水合物C02壓裂置換開采的方法如下:
[0013]—、節(jié)能發(fā)電，將風力發(fā)電機和太陽能電板安裝到地面場地中，分別利用風能和太陽能產(chǎn)生直流電并存儲到蓄電池中，經(jīng)DC/AC逆變器變換為交流電后供CO2控制系統(tǒng)和天然氣水合物控制系統(tǒng)的用電設備使用；
[0014]二、鉆出兩口豎井，分別是注入井和開采井，通過定向鉆進技術(shù)在水合物層實施水平對接井，鉆井完成后，分別進行固井和完井;完井后下方監(jiān)測儀器和輔助設備，所述數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)接收并處理監(jiān)測儀器傳遞的儲層信息及壓裂信息，可以及時了解儲層內(nèi)水合物分解情況，滲透率變化，以此來調(diào)整控制水合物分解氣的開采速度和儲層滲透率的改善處理，達到高效安全開采；
[0015]三、降壓開采，水合物層因環(huán)境壓力降低而發(fā)生降壓分解，分解的氣體由地表氣體采集裝置采集，并經(jīng)氣液分離裝置和氣體分離裝置分離提純后存儲在天然氣儲罐中；
[0016]四、CO2干法壓裂，降壓開采速率較低時，利用堵頭封閉開采井，CO2制備車制備CO2,CO2并在溫度為-34?-40°c，壓力為1.4?1.6MPa的條件下以液態(tài)的形式存儲在CO2儲罐中，數(shù)個CO2儲罐并聯(lián)，并依次與CO2增壓栗車、密閉混砂車、壓裂栗車和第一井口密封裝置連通，將支撐劑裝入密閉混砂車中，并注入液態(tài)CO2預冷，然后對管線和井口試栗、試壓，若試壓結(jié)果符合要求則繼續(xù)進行工作，液態(tài)CO2以-25?-15°C溫度注入到注入井內(nèi)，通過橋塞實現(xiàn)分段壓裂，壓開地層并使裂縫延伸，然后打開密閉混砂車注入支撐劑，支撐劑注完后進行頂替，直到支撐劑剛好完全進入地層，然后停止注入支撐劑；
[0017]五、壓裂施工結(jié)束后，關井1.5?2.5h，當開始返排后，既要控制返排速度以防吐砂，又要最大限度地利用CO2能量快速返排，可以先使用小口徑油嘴控制放噴速度，隨后逐漸加大油嘴口徑，當孔內(nèi)壓力下降到CO2置換開采合理的溫壓區(qū)域內(nèi)時，燜井憋壓，并開始進行置換反應；
[0018]六、置換反應結(jié)束后，利用地表氣體采集裝置采集開采井中的氣體，并經(jīng)氣液分離裝置和氣體分離裝置分離提純，將混合的水蒸汽和CO2分離出來，然后將天然氣存儲在天然氣儲罐中，裝滿后的天然氣儲罐等待運輸，分離出的CO2氣體存儲在數(shù)個CO2儲罐中，C02氣體使循環(huán)利用。
[0019]本發(fā)明的有益效果:
[0020]1、本發(fā)明聯(lián)合CO2干法壓裂與CO2置換，在CO2干法壓裂反排過程中直接開始水合物的CO2置換開采，解決了單獨采用CO2置換開采水合物存在的速度慢和效率低，以及壓裂與CO2置換聯(lián)合的設備和工藝復雜的問題，將水合物開采與溫室氣體埋存集于一體，同時保證了開采過程中水合物層的穩(wěn)定；
[0021]2、開采過程中能夠?qū)崟r采集到壓裂和開采過程中水合物層的壓力，溫度和滲透性等信息，以此來調(diào)整控制水合物分解氣的開采速度和儲層滲透率的改善處理，達到高效安全開采的目的；
[0022]3、將高原區(qū)域豐富的可再生清潔能源的風能和太陽能收集轉(zhuǎn)換為電能，用于滿足開采系統(tǒng)的電力需求，清潔環(huán)保，充分利用C02，封存了 C02，緩解溫室效應。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的工作原理示意圖。
【具體實施方式】
[0024]請參閱圖1所示，本發(fā)明之一種陸域天然氣水合物CO2壓裂置換開采的裝置是由CO2控制系統(tǒng)1、天然氣水合物控制系統(tǒng)2和發(fā)電控制系統(tǒng)3組成，發(fā)電控制系統(tǒng)3分別連接在CO2控制系統(tǒng)1、天然氣水合物控制系統(tǒng)2上，CO2控制系統(tǒng)I與天然氣水合物控制系統(tǒng)2相連接；
[0025]CO2控制系統(tǒng)I包括監(jiān)測儀器11、壓裂栗車12、密閉混砂車13、CO2增壓栗14、數(shù)個CO2儲罐15、C02制備車16、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)17和第一井口密封裝置18，監(jiān)測儀器11設置在注入井41內(nèi)，監(jiān)測儀器11通過數(shù)據(jù)線111連接在數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)17上，第一井口密封裝置18固定設置在注入井41上端，第一井口密封裝置18通過管線19連接在壓裂栗車12上，壓裂栗車12、密閉混砂車13、C02增壓栗14、C02儲罐15和⑶2制備車16通過數(shù)個管線19依次連接，數(shù)個CO2儲罐15并聯(lián)設置，管線19上具有流通閥門191，監(jiān)測儀器I內(nèi)具有溫度傳感器，壓力傳感器，流量傳感器和聲能傳感器；
[0026]所述CO2增壓栗車14的排量2 2m3/min，耐壓>2.2M