水合物储层压裂-开采-加固的多过程联合高效开采方法

本发明属于能源工程和岩土工程，涉及一种天然气水合物储层加固及安全高效开采方法，尤其涉及一种水合物储层压裂-开采-加固的多过程联合高效开采方法，适用于解决天然气水合物开采时的产气速率低及储层易失稳的问题。

背景技术：

1、天然气水合物被认为是目前最有潜力替代常规油气的清洁能源，据估计我国南海深海沉积物中的天然气水合物储量约为800亿吨油当量。我国天然气水合物主要赋存于高压低温环境的深海沉积物中，目前降压开采被公认为是天然气水合物开采最经济和有效的方法。我国南海水合物储层沉积物主要为泥质粉砂，平均粒度约为12μm，渗透率低，平均渗透率为毫达西级，降压开采时压力传递慢、不利于降压区扩大，导致开采效率低。采用主动注液压裂井周沉积物在井周形成裂隙，是常规地下能源开采时提高井周渗透性的常用方法，如果用于天然气水合物的开采，可望提高井周渗透性同时扩大降压分解区，提高开采产气效率。

2、与传统油气开采不同，天然气水合物开采是一个固相转化为液相水和气相甲烷气的相变过程，含水合物沉积物固相的损失会减弱土骨架之间的胶结及支撑作用，孔隙间液气二相流的流动往往携带大量土颗粒运移，开采出砂的风险将增加，进而可能导致堵塞开采井，日本在南开海槽进行的两次天然气水合物试采均因出砂问题被迫中止；同时固相的分解会造成骨架强度降低而造成储层变形，甚至导致开采井倾斜或储层塌陷，引起严重的工程灾变。

3、目前，我国南海水合物储层渗透性低导致有效开采范围小、产气效率低，同时存在开采出砂、储层失稳坍塌等工程灾变风险，是制约天然气水合物商业化开采的瓶颈难题。因此，探索一种能在低渗透沉积物储层中进行高效和持续开采、同时保证储层变形在安全可控范围内的开采方法，是实现天然气水合物能源高效、安全、长期开采目标首要解决的关键难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种水合物储层压裂-开采-加固的多过程联合高效开采方法。本发明利用包含高渗性多孔材料支撑剂的特定粘度压裂液压裂储层，之后进行降压、注热等形式的开采，同时利用加固剂的胶结加固作用对已开采区进行加固；在上述基础上根据开采范围需要继续压裂未开采区，扩大水合物开采范围，可填补水合物储层压裂、开采和加固的多过程开采这一领域的空白。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种水合物储层压裂-开采-加固的多过程联合高效开采方法，包括以下步骤：

3、步骤一：开采井内设置液体注入管道

4、在开采井内设置若干耐压管道，分别用于输送压裂液和加固剂，耐压管道上端与海上开采平台上对应的高压液体注入系统连接；

5、步骤二：开采井上设置开采孔及喷嘴

6、在开采井与天然气水合物储层接触的部分，每间隔一定距离设置压裂、加固和开采的开孔及喷嘴，喷嘴向外侧从开孔中伸出，喷嘴外端与防砂筛网平齐；

7、步骤三：喷嘴分别与对应的高压液体注入系统连接

8、将压裂和加固的喷嘴分别与对应的耐压管道下端连接，以使开采井上压裂和加固的喷嘴分别与海上开采平台上对应的高压液体注入系统连接，以控制压裂液和加固剂通过喷嘴独立地注入水合物储层；

9、步骤四：制备压裂液并注入水合物储层

10、制备压裂液，并利用海上开采平台上的高压液体注入系统，通过开采井上的压裂液喷嘴将压裂液注入水合物储层，以在水合物储层中形成压裂裂缝，且压裂液中的多孔材料支撑剂沉积固定于裂缝中；

11、步骤五：水合物开采

12、通过开采井上的开采开孔对水合物储层进行降压或降压-热激联合方式的开采，以使压裂区水合物快速分解产出；

13、步骤六：制备加固剂并注入水合物储层加固

14、制备加固剂，并利用海上开采平台上的高压液体注入系统，通过开采井上的加固剂喷嘴将加固剂由压裂产生的裂缝注入开采后的水合物储层，静置一段时间，对已开采区进行加固；

15、步骤七：水合物储层压裂-开采-加固多过程开采

16、根据水合物开采范围需求，重复步骤四至步骤六，先压裂未开采水合物储层形成压裂区，然后对压裂区的水合物进行开采，压裂区水合物分解开采完毕后注入加固剂将压裂区转化为加固区，而后继续压裂未开采水合物储层扩大压裂区，对水合物储层进行压裂-开采-加固的多过程联合高效开采。

17、进一步地，所述步骤一中，开采井内输送不同液体的管道各自独立，管道为能够承受内外压力差的耐压管道。

18、进一步地，所述步骤二中，开采井上设有若干开采开孔，为天然气水合物开采时液气产出的传输通道；开采井外侧包裹有防砂筛网。

19、进一步地，所述步骤二中，喷嘴上的喷孔为圆形喷孔，每组喷嘴由压裂液喷嘴和加固剂喷嘴组成，其中，压裂液喷嘴上设有一个用于压裂液喷出的喷孔，加固剂喷嘴上设有加固剂加固母液喷孔和加固剂反应剂喷孔；每组喷嘴围绕在一个开采开孔周围，喷嘴从开采井井壁向外伸出，穿过包裹在开采井外侧的防砂筛网，喷嘴最外端与防砂筛网最外端平齐。

20、进一步地，所述步骤四中，压裂液为具有粘度的液体，压裂液为高粘度压裂液或低粘度压裂液，高粘度压裂液包括胍胶压裂液和硅油压裂液，低粘度压裂液包括氯化钠溶液压裂液。

21、进一步地，所述步骤四中，支撑剂包括多孔陶瓷颗粒、多孔碳酸钙颗粒、聚酯纤维材料中的一种或多种混合；支撑剂均匀混合在压裂液中，形成悬浊液。

22、进一步地，所述步骤四中，高压液体注入系统包括恒压注入和恒流注入，注入压裂液的压力或注入速率根据开采前钻探获得的水合物储层力学参数和压力条件确定，最小注入压力pmin的计算公式为：

23、

24、式中，k0为水合物储层该处的静止土压力系数，φ为水合物储层沉积物内摩擦角，ρ'为水合物储层及上覆沉积物层的平均有效密度，g为重力加速度，z为水合物储层该处的埋深，np为水合物粘聚作用系数，ch为水合物的粘聚力。

25、进一步地，所述步骤六中，加固剂由加固母液和反应剂组成，加固母液和反应剂的比例根据所需反应时间和加固强度确定；加固母液由加固剂加固母液管道和加固剂喷嘴上的加固剂加固母液喷孔注入开采后的水合物储层进行加固，反应剂由加固剂反应剂管道209和加固剂喷嘴上的加固剂反应剂喷孔注入开采后的水合物储层进行加固；加固流程为：先注入加固母液一段时间后，再注入反应剂，使其均匀填充土骨架孔隙，静置一段时间等待胶结体或结晶体生成，完成对已开采区域的加固。

26、进一步地，所述加固母液和反应剂反应时在水合物储层孔隙中形成胶结体或结晶体，其形成原理如下式所示：

27、

28、所述胶结体或结晶体具有多孔特征，所述胶结体或结晶体在土骨架接触处生成。

29、进一步地，所述步骤六中，加固剂注入时压力小于等于压裂液的最小注入压力pmin。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

31、本发明适用于海域天然气水合物开采领域，能够采用主动劈裂的方法提高井周水合物储层渗透性和形成优势渗流路径，采用化学反应或微生物诱导结晶加固的方法加固压裂后的水合物储层，并且通过压裂-开采-加固的多过程联合方法，多次重复不断扩大压裂区域及水合物分解区域，提高水合物开采的效率和储层稳定性。

32、本发明方法新颖，思路清晰，填补了天然气水合物储层压裂-开采-加固的多过程联合高效开采技术的空白，为深海天然气水合物安全高效开采提供新的技术，解决目前天然气水合物开采时由于储层渗透性低导致的产气速率低及由于储层出砂导致的开采井堵塞及储层失稳的问题。