一种天然气水合物碳封存稳定性控制方法

：本发明属于非常规油气开采，具体涉及一种天然气水合物碳封存稳定性控制方法。

背景技术

0、背景技术：

1、近年来，世界各海洋大国均根据本国海洋资源条件开发出各具特色的海洋碳封存路线。挪威依托北海海域大量的枯竭油田和深部咸水层实施了co2地质封存，美国利用墨西哥湾丰富的海上油气实施了co2驱油为主的碳封存方式并针对其深水地质资源开展了“深水碳湖”研究。韩国和日本缺乏常规油气资源，但其海域天然气水合物的发现使天然气水合物碳封存成为两国碳封存技术研究重点。co2水合物是由水分子和co2在低温高压(≤10℃，≥5mpa)下形成的固态结晶，而海底浅层沉积物中的热力学环境为co2水合物提供了良好的赋存条件。美国和挪威的商业化碳封存项目中均检测到co2水合物伴生现象并发现水合物不仅捕集和固定了部分孔隙水和游离co2，也填充了沉积物孔隙空间，对碳封存靶区周围的气液流动产生了显著抑制作用，为海洋碳封存提供了一种独特的安全保障。我国南海海域同时拥有储量丰富的常规油气和天然气水合物资源，预示了上述国家的海洋碳封存策略在我国均具有借鉴和应用潜力，但考虑到当前我国沿海地区油气藏资源均处于开发初期，尚无法满足规模化的碳封存需求。因此，结合我国海洋资源环境开展天然气水合物碳封存研究十分必要。

2、天然气水合物碳封存虽然封存潜力巨大且不依赖地质岩层对封存水合物完成圈闭，但受二氧化碳水合物赋存条件和我国南海实际地质环境的影响，如何将co2安全高效地注入适宜天然气水合物生长的地质储层中仍未形成明确的方法。其难点在于，我国适宜天然气水合物赋存的区域主要为泥质粉砂，其本身的气体渗透性差且蠕变性强，既难以将co2快速注入到储层中，又难以通过常规压裂作用形成裂隙网络来提升co2渗流作用。另外，co2注入初期co2水合物在井筒附近的大量生成会堵塞储层内的渗流通道，将导致co2难以注入的情况出现。

3、因此，亟需开发一种碳封存稳定性控制方法，解决天然气水合物碳封存过程中co2如何安全高效地注入的问题。

技术实现思路

0、技术实现要素：

1、本发明的目的是提供一种天然气水合物碳封存稳定性控制方法，通过在液态二氧化碳注入初期调节液态二氧化碳中的空气浓度来抑制水合物生长，提升co2在多孔沉积物中的流动性，在注入中后期结合co2的渗流扩散速率和co2水合物形成速率，来调节co2注入压力实现储层压裂，从而提升co2水合物储层厚度和co2在沉积物中分布的均质性，解决了现有技术水合物碳封存过程中二氧化碳注不进和注不满造成的效率低下的问题，对水合物法碳封存技术的商业化应用具有重要意义。

2、本发明是通过以下技术方案予以实现的：

3、一种天然气水合物碳封存稳定性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、1)将二氧化碳增压液化，然后添加增稠剂，然后再注入空气充分混合并保持二氧化碳的液化状态得到调制好的液态二氧化碳以7-10mpa注入到天然气水合物储层中；注入初期，通过控制液态二氧化碳中空气的气体摩尔分数不超过15％来提升co2在多孔沉积物中的流动性，同时抑制co2水合物的生长；

5、2)当液态二氧化碳注入速率下降，液态二氧化碳注入通量低于正常注入通量的40-70％时，进行注井压裂，通过加压机加压将液态二氧化碳的注入压力由7-10mpa提升至14-16mpa直至液态二氧化碳注入速率达到设定值后恢复至初始注入压力；

6、3)液态二氧化碳注入后期，液态二氧化碳注入通量高于正常注入通量的20-50％，终止注井压裂，将液态二氧化碳注入压力恢复到初始注入压力7-10mpa。

7、步骤1)中增稠剂为乳酸或者聚乙酸乙酯。增稠剂的浓度不低于5wt％。

8、步骤1)中，空气在液态二氧化碳中的气体摩尔分数随注入阶段发生改变，连续记录液态二氧化碳的注入通量q并结合公式对沉积物中表征渗透率k进行求解，当沉积物中的表征渗透率低于120md时，液态二氧化碳中空气的气体摩尔分数介于10-15％，当沉积物中的表征渗透率介于800-120md时，液态二氧化碳中空气的气体摩尔分数介于3-10％，当沉积物中的表征渗透率高于800md时，液态二氧化碳中空气的气体摩尔分数不高于3％，混合压力和注入压力介于7-10mpa。

9、所述天然气水合物储层为泥质粉砂。

10、步骤2)中注井压裂，将调制好的液态二氧化碳注入到天然气水合物储层中时，结合二氧化碳的渗流扩散速率和二氧化碳水合物形成速率，来调节注入压力实现储层压裂并形成裂隙网络。

11、步骤2)注井压裂伴随液态二氧化碳注入的整个过程，直至达到设定二氧化碳封存总量。

12、所述天然气水合物储层为泥质粉砂。

13、本发明步骤1)气体组分调配通过在co2注入初期向co2中混入一定浓度的空气来提升co2在多孔沉积物中的流动性，同时抑制水合物的生长。该方法主要用于应对co2注入初期，co2在井筒附近大量生成水合物从而造成储层中渗流通道堵塞。步骤2)注井压裂通过在co2注入中后期提升co2注入压力，利用液态co2对水合物储层进行压裂并形成裂隙网络。该方法主要应对co2注入中后期，含co2水合物储层形成后为进一步提升co2水合物储层厚度和co2在沉积物中分布的均质性。

14、步骤1)对注入co2进行气体组分调配的主要依据在于，co2水合物在沉积物中的形成和稳定赋存主要受到co2水合物相平衡条件的影响。当沉积物中的孔隙压力高于co2水合物相平衡压力时，co2会与沉积物中孔隙水结合并形成固态co2水合物。然而，由于沉积物中的毛细现象和各种溶质的存在，co2水合物的相平衡压力会随着水饱和度的降低和溶质浓度的升高而上升。上述因素虽然能够带来co2水合物相平衡压力1-3mpa的上升，但是co2水合物的相平衡压力仅有1.5-4.0mpa，而注入的co2则普遍高于7mpa，因此上述因素不足有效抑制co2水合物的形成。值得注意的是，co2水合物的相平衡条件还受到客体分子的影响。大量实验表明，以氮气为主的空气水合物在海底环境下的赋存压力超过15mpa，因此，向co2中混入空气会进一步引起co2水合物的相平衡压力大幅提升，阻碍co2水合物的形成，为防止co2水合物对井筒附近co2渗流通道的堵塞提供了解决方案。

15、流体在沉积物中的渗流力学研究进一步指出了气体组分调配在co2注入初期的优势，首先，氮气自身的黏度较低，根据达西渗流公式可知，流体粘度的降低能够差压不变的条件下提升co2的渗流通量。另外，混合气体在大空间尺度中的渗流过程极易产生气体分离现象，即扩散性较强的n2和o2分子在压力梯度的驱动下拥有比co2更快的渗流速率，最终逐渐在渗流前沿富集，使得注入的n2和o2分子承担驱替沉积物中孔隙自由水的作用，而n2和o2分子形成水合物所需压力远远高于co2，同时，驱替后的沉积物中水饱和度降低，对co2水合物的相平衡压力升高，避免了co2在高水饱和度沉积物中快速形成水合物。

16、需要指出的是，调制好的液态二氧化碳中空气的浓度不能无限制的加大。首先，co2必须保持液态以维持co2注入流量，另外，过多的空气注入co2地质储层中会降低co2的储量，同时，阻碍了含co2水合物在合适的区域大规模形成。因此，结合混合气体相图和co2注入压力可知，co2在室温下保持液态所能包含的空气浓度不宜超过15wt％。

17、为避免过多的空气注入co2地质储层中，本专利结合实验和数值模拟结果提出了以表征渗透率作为气体组分调配的依据。表征渗透率ka的表达式由达西渗流公式演化而来，其表达式如下所示：

18、

19、公式(1)中，q为co2注入通量(kg/h)，μ为空气-co2混合气体的动力粘滞系数(pa·s)，δp为co2注入压力与地层初始孔隙压力之差(pa)，l为气体有效渗流长度(m)，a为井筒有效截面积(m2)。在实际应用中，l，a和μ均为定值，而表征渗透率ka在恒定流场中也为定值，因此，本公式中可进一步简化为：

20、

21、基于公式(2)，沉积物的co2表征渗透率k可以通过调节注入压力来获得co2注入通量q与δp之间的线性关系，k即为q与δp之间斜率值。

22、对co2封存点展开注井压裂的主要依据在于，co2水合物对沉积物颗粒具有较好的胶结作用，常规泥质粉砂的最大剪应力和割线模量随着水合物的饱和度的上升而上升，加之co2水合物对渗流孔隙的封堵作用，因此，高压液态co2对高硬度的含水合物沉积物层表现出压裂而不是蠕变，有利于拓展co2的赋存空间。

23、注井压裂方法运用于co2注入中后期的依据在于，在co2注入初期，泥质粉砂中co2水合物含量较少，孔隙自由水含量较多，高压co2在沉积物孔隙中主要表现为驱替和渗流，不易在局部沉积物区域形成较高的压力梯度来实施压裂。而在co2注入中后期，co2水合物已经在沉积物中大规模形成，沉积物渗透率低，硬度大，为co2压裂提供了理想的条件。此时，对地层孔隙施加较高的压力则比较容易在局部区域形成较高的压力梯度，诱发沉积物裂隙的形成。本专利在大量试验研究中发现，含水合物沉积物在14-16mpa下的压裂裂纹明显且裂隙网络分布较大，能明显提升沉积物渗透率。

24、在液态co2中加入乳酸或者聚乙酸乙酯作为增稠剂的依据在于，乳酸或者聚乙酸乙酯虽然对液态co2的增稠效果并不显著，但是乳酸是海底厌氧性生物的代谢产物而聚乙酸乙酯具有良好的生物降解性，同时低廉的价格使两者的大量使用不会对地质储层中带来额外的环境污染。

25、本发明的有益效果是：

26、(1)本发明依据水合物碳封存的基本原理提出了天然气水合物碳封存稳定性控制方法：针对co2注入初期，co2可能在井筒周围形成co2水合物进而堵塞co2渗流通道的问题，提出在液态co2中混入一定浓度的空气以抑制co2水合物在井筒周围形成；针对co2注入中后期，co2水合物已经在沉积物中大规模形成，提出根据储层渗透率变化来实施co2储层压裂以进一步提升co2封存密度；解决了现有技术天然气水合物碳封存过程中二氧化碳注不进和注不满造成的效率低下的问题，

27、(2)本发明在液态co2中加入乳酸或者聚乙酸乙酯作为增稠剂，降低了液态co2的增稠压裂成本和对环境的影响。