利用自发热材料加热辅助降压开采水合物的装置及方法与流程

本发明属于天然气水合物开采领域，特别涉及一种利用自发热材料加热辅助降压开采水合物的装置及方法。

背景技术：

天然气水合物是由水分子和天然气在低温高压条件下形成的具有笼状结构的似冰雪状结晶化合物。天然气水合物是一种储量巨大的、清洁的非常规能源。其资源密度高，全球分布广泛，具有极高的资源价值。在自然界中，天然气水合物大多存在于大陆永久冻土带和深海沉积物中，在我国南海北部神狐海域，天然气水合物储量丰富。

目前，天然气水合物的开采方法主要有降压法、热激法、化学试剂法以及固态流化开采法。其基本思路是破坏天然气水合物存在的温压条件，使天然气水合物发生分解。降压法是目前十分具有前景的方法。降压法是通过降低天然气水合物储层压力促使其分解的一种方法。2017年7月29日，我国首次海域天然气水合物试采圆满结束。截至7月9日14时52分，我国天然气水合物试开采连续试气点火60天，累计产气30.9万立方米，平均日产5151立方米。此次开采天然气水合物采用的是降压法。降压法开采天然气水合物，不能忽略储层的渗透性对于开采效率的影响。降压开采时，天然气水合物会二次生成，阻塞井筒，影响产气效率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术中降压开采天然气水合物时，天然气水合物会二次生成，阻塞井筒，影响产气效率，提供一种利用自发热材料加热辅助降压开采水合物的装置及方法，利用自发热材料在井中与水反应，放出热量，加热天然气水合物储层，促进天然气水合物分解，防止天然气水合物二次生成，辅助降压开采，提高降压开采产气率。

本发明提出了一种利用自发热材料加热辅助降压开采水合物的装置，其特征是：包括监测仪器、数据采集与处理系统、压裂泵车、储砂罐、混砂装置、自发热材料存储装置、压裂液存储装置、气液分离装置、天然气收集装置及井口压力传感器，所述监测仪器设置在压裂井的分支水平井段，同时监测仪器连接到位于地表的数据采集与处理系统；所述储砂罐、自发热材料存储装置及压裂液存储装置均通过输送管道与混砂装置密封连接，并在自发热材料存储装置与混砂装置之间的输送管道上设置有阀门；所述压裂泵车的一端与混砂装置连接，压裂泵车的另一端与压裂井连通；所述气液分离装置一端与开采井连通，另一端与天然气收集装置密封连接；所述井口压力传感器设置在开采井的井口处；

其中压裂泵车和混砂装置内壁涂覆有防水层、耐高温层及耐腐蚀层；

其中自发热材料存储装置包括密封箱体、进料口、出料口、温度传感器、干燥装置及搅拌机，所述密封箱体的内壁涂覆有防水层、耐高温层及耐腐蚀层；所述进料口位于密封箱体的顶部；所述出料口设置在密封箱体的侧壁上；所述温度传感器及干燥装置均设置在密封箱体内顶壁上；所述搅拌机安装在密封箱体的内部。

所述监测仪器包括温度传感器、压力传感器及流量传感器。

本发明还提出了一种利用自发热材料加热辅助降压开采水合物的方法，其特征是，该方法采用上述利用自发热材料加热辅助降压开采水合物的装置进行开采，具体步骤如下：

步骤一、获取天然气水合物待开采区域的勘探数据，所述勘探数据包括天然气水合物储层的厚度及天然气水合物储层的分布范围，根据勘探数据实施压裂井钻进，钻进至目标天然气水合物储层，压裂井由竖直井段和分支水平井段构成，分支水平井段与竖直井段的底部连通，分支水平井段的数量为两个以上，钻进完成后对压裂井进行完井，同时在压裂井的分支水平井段布置监测仪器，将所述监测仪器连接到位于地表的数据采集与处理系统；

步骤二、启动压裂泵车，利用监测仪器对天然气水合物储层的信息进行实时监控，压裂液与砂在混砂装置中混合经由压裂泵车泵入压裂井，压裂液与自发热材料在混砂装置中混合，通过压裂泵车进入天然气水合物储层的压裂缝隙中，其中压裂液储存在压裂液存储装置中，自发热材料存储在自发热材料存储装置中；

步骤三、根据步骤一中压裂井的分支水平井段分布情况，实施一口竖井作为开采井，开采井底部位于天然气水合物储层，并在开采井的井口处安装井口压力传感器，开采井通过压裂裂缝与压裂井连通，通过开采井对天然气水合物实施降压开采；

步骤四、通过井口压力传感器对开采井内的压力进行监控，采用在开采井井口以定出口压力的方式将天然气水合物储层中的流体取出来，通过气液分离设备获得天然气，并将所得的天然气储存在天然气储存装置中。

所述开采井的井底位于压裂井的分支水平井段的中点处。

按重量百分比计，所述自发热材料包括铁粉31％、镁粉62％、氯化钠2％及硅藻土5％。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明通过对天然气水合物储层进行压裂改造，加热，再联合降压法对天然气水合物进行开采，为天然气水合物安全、高效的开采提供了一种新方法。该方法具有经济、高效、环保的特点，还解决了由于天然气水合物储层渗透性差导致降压开采效率低下的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明利用自发热材料加热辅助降压开采水合物的原理图。

图2为本发明中自发热材料存储装置的结构示意图。

图3为本发明压裂井监测仪器布置示意图。

图中各标记如下：1-监测仪器、101-温度传感器、102-压力传感器、103-流量传感器、2-数据采集与处理系统、3-压裂泵车、4-储砂罐、5-混砂装置、6-自发热材料存储装置、601-密封箱体、602-进料口、603-出料口、604-温度传感器、605-干燥装置、606-搅拌机、7-压裂液存储装置、8-气液分离装置、9-天然气收集装置、10-井口压力传感器、11-压裂井、12-开采井、13-海水层、14-上覆地层、15-天然气水合物储层、16-压裂裂缝、17-下伏地层。

具体实施方式

如图1、图2及图3所示，本发明提出了一种利用自发热材料加热辅助降压开采水合物的装置，包括监测仪器1、数据采集与处理系统2、压裂泵车3、储砂罐4、混砂装置5、自发热材料存储装置6、压裂液存储装置7、气液分离装置8、天然气收集装置9及井口压力传感器10，所述监测仪器1设置在压裂井11的分支水平井段，同时监测仪器1连接到位于地表的数据采集与处理系统2，所述监测仪器1包括温度传感器101、压力传感器102及流量传感器103；所述储砂罐4、自发热材料存储装置6及压裂液存储装置7均通过输送管道与混砂装置5密封连接，并在自发热材料存储装置6与混砂装置5之间的输送管道上设置有阀门；所述压裂泵车3的一端与混砂装置5连接，压裂泵车3的另一端与压裂井11连通；所述气液分离装置8一端与开采井12连通，另一端与天然气收集装置9密封连接；所述井口压力传感器10设置在开采井12的井口处；

压裂泵车3和混砂装置5内壁涂覆有防水层、耐高温层及耐腐蚀层；

自发热材料存储装置6具有防水、密封、耐高温、耐腐蚀，并且能长时间保持储存环境内干燥的特点，自发热材料存储装置6包括密封箱体601、进料口602、出料口603、温度传感器604、干燥装置605及搅拌机606，所述密封箱体601的内壁涂覆有防水层、耐高温层及耐腐蚀层；所述进料口602位于密封箱体601的顶部；所述出料口603设置在密封箱体601的侧壁上；所述温度传感器604及干燥装置605均设置在密封箱体601内顶壁上，温度传感器604对自发热材料存储装置6内部环境进行监控，干燥装置605吸收自发热材料存储装置6内的水分；所述搅拌机606安装在密封箱体601的内部；将自发热材料各个成分按照比例由进料口602投入自发热材料存储装置6中，开启搅拌机606，将自发热材料各成分均匀混合，混合均匀后，打开自发热材料存储装置6与混砂装置5之间的输送管道上设置的阀门，自发热材料通过输送管道输送到混砂装置5内。

本发明还提出了一种利用自发热材料加热辅助降压开采水合物的方法，针对拟开采天然气水合物储层15，在压裂井11的分支水平井段内，实施压裂工艺，自发热材料由压裂液携带，通过压裂井11进入天然气水合物储层15中，与水反应，放出大量的热，防止井筒内天然气水合物再生成，并加热天然气水合物储层15，促进天然气水合物分解，辅助开采井12对天然气水合物进行开采；开采气体通过气液分离装置8分离，获取天然气，本发明之方法包括以下步骤：

步骤一、获取天然气水合物待开采区域的勘探数据，所述勘探数据包括天然气水合物储层15的厚度及天然气水合物储层15的分布范围，天然气水合物储层15位于上覆地层14和下伏地层17之间，上覆地层14上部为海水层13，压裂井11由竖直井段和分支水平井段构成，分支水平井段与竖直井段的底部连通，分支水平井段的数量为两个以上，根据勘探数据确定压裂井11的分支水平井段的数量和分支水平井段的长度，实施压裂井11钻进，钻进至目标天然气水合物储层15，例如，在珠江口盆地，天然气水合物储层15的厚度为45m,可实施两个分支水平井段钻进，分支水平井段长度为950m,钻进完成后对压裂井11进行完井，同时在压裂井11的分支水平井段布置监测仪器1，所述监测仪器1包括温度传感器101、压力传感器102及流量传感器103；对分支水平井段内部进行温度、压力及流量参数进行监测，将所述监测仪器1连接到位于地表的数据采集与处理系统2，数据采集与处理系统2接收监测仪器1向其发送的采集数据，并对所得数据进行分析，指导天然气水合物的开采；

步骤二、启动压裂泵车3，利用监测仪器1中的温度传感器101、压力传感器102及流量传感器103对天然气水合物储层15的信息进行实时监控，压裂液与储砂罐4中的砂在混砂装置5中混合，由压裂泵车3泵入压裂井11，压裂液与自发热材料在混砂装置5中混合，通过压裂泵车3进入天然气水合物储层15的压裂裂缝16中。压裂液储存在压裂液存储装置7中，自发热材料存储在自发热材料存储装置6中。自发热材料遇水放出大量热，加热天然气水合物储层15，促进天然气水合物分解，辅助开采井12对天然气水合物进行开采，提升开采效率，按重量百分比计，所述自发热材料包括铁粉31％、镁粉62％、氯化钠2％及硅藻土5％，镁粉、铁粉与氯化钠溶液构成无数微小的原电池，氯化钠溶液是电解质溶液，增加溶液的导电性。硅藻土，孔隙大，可以控制反应速率。

步骤三、根据步骤一中压裂井11的分支水平井段分布情况，实施一口竖井作为开采井12，所述开采井12的井底位于压裂井11的分支水平井段的中点处，开采井12底部位于天然气水合物储层15内，并在开采井12的井口处安装井口压力传感器10，开采井12通过压裂裂缝16与压裂井11连通，通过开采井12对天然气水合物实施降压开采；

步骤四、通过井口压力传感器10对开采井12内的压力进行监控，采用在开采井12井口以定出口压力的方式将天然气水合物储层15中的流体抽取出来，通过气液分离设备8分离获得天然气，并将所得的天然气储存在天然气储存装置9中，压裂井11内充满水，不进行降压开采。