天然气水合物地层层内加固防塌、防砂理论及实现方法与流程

1.本发明属于天然气水合物开发过程储层改造领域，具体涉及天然气水合物地层层内加固防塌、防砂理论及实现方法。


背景技术：

2.天然气水合物，又称“可燃冰”，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，一般分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中。2016年，我国将“水合物试采
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水合物商业化开采”列入“十三五”国家重点研发计划之中。并于2017年5月18日，首次实现海域可燃冰试采成功，天然气水合物试采在南海神狐海域连续产气近8天，实现了我国天然气水合物开发的历史性突破。
3.天然气水合物具有其他油气资源无法取代的地位。（1）天然气水合物储量大。天然气水合物是全球第二大碳储存库，仅次于碳酸盐岩，其蕴藏的天然气资源潜力巨大。据保守估算，全球天然气水合物所含天然气的总资源量约为(18～21)
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m3，其热当量相当于全球已知煤、石油和天然气总热当量的2倍。目前，中国的天然气水合物主要分布在南海海域、东海海域、青藏高原和东北冻土带，并且含量较大。研究表明，其折合天然气资源储量分别约为（64.97
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）m3、（3.38
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）m3、（12.5
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）m3、（2.8
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）m3。（2）天然气水合物的能量密度极高。在标准状态( 0℃、101.325kpa) 下，1m3的天然气水合物，分解后可以释放出约164m3的甲烷气体，该能量密度比常规天然气高得多。（3）天然气水合物清洁。与常规天然气相比，天然气水合物主要物质为甲烷等烷烃，其他杂质含量很少，需要的净化工艺更简单，是清洁性更好的能源。可见，水合物资源是21世纪最具商业开发前景的战略资源之一。
4.随着天然气水合物全球性的关注和研究，大量的研究成果不断涌出，开采工程同样取得了阶段性的突破。但是，由于天然气水合物储层的复杂特性，深水浅层的开采环境，给开采开发过程带来诸多亟需解决的问题，尤其是降压开采过程水合物分解易导致一系列安全问题，主要包括：（1）起胶结或支撑作用的固态水合物分解成流动状态的气液混合流体，降低了地层的力学承载能力，同时分解产生的水渗入地层，使井壁地层的含水量增加，颗粒间的联系减弱，造成井壁失稳；（2）不仅会降低地层的力学强度，还会导致地层孔隙压力增加，从而大大降低了水合物地层沉积物的固结强度，在地震或者载荷增大等外力的作用下，将会导致海底滑坡；（3）储层结构破坏，砂粒从骨架砂上被剥落下来变成松散砂，随着油藏开发，地层流体开始流动，流体对砂粒产生拖拽力，导致出砂。
5.水合物历次试采及相关研究表明：降压法是开发水合物最有效的方法，通过降低水合物层压力，破坏水合物稳定存在的压力条件，当储层压力降低到水合物相平衡压力以下时，水合物开始分解。然而，水合物地层压力降低会导致储层有效应力增大和垂向变形，同时由于海洋天然气水合物储层胶结差，强度低，储层应力增大可能引起储层失稳破坏，而水合物又在储层沉积物颗粒间起胶结作用，降压引起的水合物分解会降低储层的强度，进一步加大了储层失稳的风险。杨林（杨林.合物储层在高压水射流作用下的破碎过程及储层改造增产研究 [d]; 吉林大学）等利用水力压裂的方式进行水合物地层改造，实验结果表
明：在结合降压法或其他方法开采时，在射流速度一定时，相对较大的喷距能够在满足破碎深度的基础上，减小破碎体积，减少对储层稳定性的影响。袁益龙等（袁益龙，许天福，辛欣，夏盈莉，李冰. 海洋天然气水合物降压开采地层井壁力学稳定性分析[j]. 力学学报，2020, 52(2)：544
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555）认为降压导致地层有效应力增大，进而引起井周地层发生沉降，且地层的沉降主要发生在降压开采前期，最大沉降位置位于井壁周围，向储层内部延伸地层沉降量快速减小；水合物分解导致井周地层力学强度降低，加剧了储层的沉降；井筒降压造成射孔段井壁应力集中最为明显，从而造成井壁破坏的潜在风险，这些区域正是水合物开采出砂防治的关键区域。cn107446560a公开了一种应用于深水弱胶结地层的固井—地层固化一体液。同时，cn106198933a公开了一种用于深水弱胶结地层固井强度的梯度层模拟的装置，可针对弱胶结地层，模拟固化梯度层。储层稳定性是水合物开采面临的关键问题，是确保水合物开采安全高效的前提。
[0006]
目前，针对天然气水合物地层改造相关研究较少，研究方向大多在于，通过压裂的方式在近井筒周围形成高导流能力的裂缝，从而有效提高水合物矿藏产能。而对于水合物地层加固相关研究还处于探索阶段，国内外相关研究仅通过数值模拟的方式，对水合物开采过程的地层变形和破坏展开初步研究，未提出一种行之有效的水合物地层加固防塌方法。


技术实现要素：

[0007]
本发明的目的是提出一种天然气水合物地层层内加固防塌、防砂理论及实现方法。
[0008]
水力压裂是通过向地层内注入压裂液，生成压裂裂缝或扩展地层内的天然裂缝，提高渗透率和传热传质效率，从而达到增产的目的。在常规油气藏地层中水力压裂技术已相对完善。而对于天然气水合物地层，沉积物主要组成是粉砂和黏土，呈现弱胶结或未胶结状态，增加了水力压裂的难度。然而，水合物以胶结物的形式存在于颗粒接触点附近，或以孔隙充填物的形式赋存于沉积物中，极大提高了水合物层胶结特性，有利于水力压裂的进行。在压裂的基础上，向地层裂缝内注入固化液，并维持一定的泵注压力，防止裂缝的闭合和固化液被挤出，同时，固化液滞留于裂缝中固化形成“肋板”结构且具有一定强度的加固体。加固体与周围地层具有良好的胶结性能，在水合物分解后，能够有效支撑地层，防止塌陷并兼顾防砂作用。基于以上思路，本发明提出“天然气水合物地层层内加固防塌、防砂理论”。
[0009]
本发明将天然气水合物压裂产生的压裂裂缝及周围地层作为研究区，采用压裂注浆方式，在水合物地层内形成一系列的加固体，同时，固化液渗透地层中，与水合物地层良好的胶结，提高了固化效果，有效避免水合物分解导致地层塌陷、出砂等问题，为提高天然气水合物地层稳定性提供一种创新性解决方案，为天然水合物开发的安全性、高效性提供重要保证。
[0010]
本发明所述的天然气水合物地层层内加固防塌、防砂实现方法，通过以下步骤实现：（1）采集天然气水合物地层样本或基于已有现场资料，明确目标地层的温度、压力环境参数；
（2）分析目标地层物性参数，并根据目标地层物性参数及其赋存方式，采用力学性能较好、粒径合适的固化颗粒材料，确定模拟地层配方；以水定量、气过量的方式，控制水合物饱和度，根据目标地层温度、压力条件，监测水合物稳定性；在目标地层温度、压力条件下，对模拟地层进行养护，测试其物性参数，对比目标地层参数，调整试验设计参数，直至模拟地层与目标地层的物性参数相同或相似；（3）利用固化液体系，采用压裂的方式，使其固化实施在模拟地层，形成加固体进行层内加固；所述加固体具有合理的渗透率和强度；（4）根据目标地层所需加固范围，结合加固体特性，调控压裂注浆施工工艺，包括：注浆管柱割缝参数和固化液注入参数，直至满足地层固化需求。
[0011]
所述步骤（2）中物性参数包括但不限于密度、孔隙度、渗透率、粒径分布、水合物饱和度、原始地层强度。
[0012]
进一步的，所述固化液具有良好的渗透特性，能够通过裂缝并向地层渗入一定的深度；所述固化液要适用于天然气水合物地层温度、压力条件，在泵入地层前具有较小的稠度，保证其在施工过程的流动特性；固化后的加固体与目标地层具有良好的胶结、合理的渗透特性和强度性能。
[0013]
进一步的，所述注入参数包括：注入压力差和注入流量；所述注浆管柱割缝参数包括：割缝形状及其形状参数；所述加固体特性包括：加固体的深度、截面形态、加固体的数量以及加固体自身强度。
[0014]
进一步的，所述水合物地层层内加固采用地层压裂方法，压裂参数应根据水合物地层的物性参数、力学参数来确定；室内模拟可以采用现有的水合物储层层内加固模拟装置实施和监测。
[0015]
进一步的，所述固化液体系在侯凝进而形成加固体的过程中，需在目标地层温度条件下，维持一定时间的泵压，防止裂缝的闭合和固化液被挤出；所述泵压的大小可以根据注入压力差确定：所述维持泵压的时间可以根据固化液侯凝特性确定。
[0016]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：（1）针对水合物地层开发过程中，水合物分解导致出砂、地层塌陷等问题，首次提出水合物地层压裂注浆层内加固理论，在压裂改造的同时，向裂缝内注入固化液，形成具有一定强度的加固体，有效提高地层稳定性，为天然气水合物安全、高效开发提供重要指导；（2）加固体与周围地层具有良好的胶结特性，在水合物分解后，能够有效防止砂脱落，造成出砂等问题；（3）加固体具有良好的渗透率，在水合物开采过程中，有效避免水合物分解气的流通；（4）水合物地层压裂、注入固化液同时进行，根据目标地层环境条件，维持一定时间压力后，固化液形成加固体，此方法避免了对地层的二次破坏。
附图说明
[0017]
图1为本发明水合物地层压裂注浆层内加固示意图。
具体实施方式
[0018]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明了，下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。
[0019]
天然气水合物地层层内加固防塌、防砂实现方法，由以下步骤实现：（1）采集天然气水合物地层样本或基于已有现场资料，明确目标地层的温度、压力环境参数；（2）分析目标地层物性参数，并根据目标地层物性参数确定模拟地层配方；以水定量、气过量的方式，控制水合物饱和度；在目标地层温度、压力条件下，对模拟地层进行养护，测试其物性参数，对比目标地层参数，调整试验设计参数，直至模拟地层与目标地层的物性参数相同或相似；所述物性参数包括但不限于密度、孔隙度、渗透率、粒径分布、水合物饱和度、原始地层强度；（3）利用固化液体系，采用压裂的方式，使其固化实施在模拟地层，形成加固体进行层内加固；所述加固体具有合理的渗透率和强度；（4）根据目标地层所需加固范围，结合加固体特性，调控压裂注浆施工工艺，包括：注浆管柱割缝参数和固化液注入参数，直至满足地层固化需求；所述加固体特性包括加固体的深度、截面形态、加固体的数量以及加固体自身强度。
[0020]
所述步骤（3）进一步包括：（3
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1）对适于水合物地层固化液体系进行分析。固化液体系主要组成为可硬化材料、乳化液、可渗透微球、增渗剂和流变调节剂，且适于低温、高压的深水浅层环境，且具有较好的流动性和渗透特性；固化产物自身具有较高的渗透率和强度，与周围地层能够良好的胶结特性；（3
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2）采用固化液作为压裂工作液，对模拟地层进行压裂处理。在已有水合物地层压裂施工工艺基础上，设计注浆管柱割缝参数（割缝形状及该形状参数）、固化液注入参数（注入压力差、注入流量及注入方向角等），分析其对压裂裂缝延伸深度、宽度和厚度的影响规律，并基于此对上述参数进行调控，使其满足水合物地层加固范围需求。
[0021]
所述步骤（4）进一步包括：（4
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1）固化液注入模拟地层后，依据目标地层环境条件，维持一定时间的压力，使得固化液滞留于裂缝中固结形成加固体。加固体形成后改变温度、压力，水合物失稳分解，收集称重脱落软土，得出加固体胶结软土占比，以此分析压裂注浆地层改造的防砂作用；对比加固体形态和裂缝形态间的差异，调整压裂注浆的注浆管柱割缝参数和注入参数，建立加固体特性的调控方法；（4
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2）对固化后的模拟水合物地层进行抗压、抗剪强度测试，分析其加固效果，并基于此分析加固体形态以及加固体自身强度对加固效果的影响，建立水合物地层层内加固调控方法。
[0022]
压裂注浆层内加固使得弱胶结的水合物地层整体强度提高，有效支撑地层，避免开发过程中水合物分解导致地层塌陷，同时加固体与地层良好的胶结及加固体间形成的网络结构，能够有效降低软土脱落量，避免出砂等问题，为水合物开发的安全性、高效性提供重要保障。
[0023]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的
原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、改进、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。