СПОСОБ ДОБЫЧИ ГАЗА ИЗ ПОДЗЕМНОЙ ФОРМАЦИИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR GAS PRODUCTION FROM UNDERGROUND FORMATION (VERSIONS)

1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способам добычи газа из подземной формации посредством получения газа из отложения газовых гидратов при его контакте с теплой водой из водоносного слоя с высвобождением связанного газа.
2. Описание предшествующего уровня техники
Газовый гидрат является кристаллическим твердым телом, которое содержит молекулу газа, окруженную молекулами воды. Его структура подобна льду, за исключением того, что кристаллическая структура стабилизирована благодаря присутствию молекулы газа. Эти две молекулы различаются между собой, но механически смешаны без образования истинного химического связывания. Газовые гидраты могут быть образованы некоторыми газами, имеющими соответствующий молекулярный размер. Они включают в себя углекислый газ, сульфид водорода и несколько углеводородов с низким углеродным числом, включая метан. Природные газовые гидраты являются модифицированными структурами льда, вмещающими метан и возможно другие углеводороды.
Гидраты имеют тенденцию к образованию в полостях пор осадочных слоев. Однако они могут также присутствовать в качестве выделений или отложений гидрата в чистом виде. Газовые гидраты стабильны при температуре и давлениях, типичных для установленных на дне океана на глубинах более чем примерно 500 м. Эта глубина может варьировать в зависимости от условий конкретного местоположения, например, гидраты не имеют тенденции к образованию до глубины примерно 800 м в восточной части Соединенных Штатов. Газовые гидраты могут также быть стабильны в ассоциации с вечной мерзлотой, как на побережье, так и на расстоянии от берега. Природные газовые гидраты действуют в качестве газового концентратора, поскольку одна единица объема гидрата эквивалентна примерно 172 единицам объема газа метана, находящимся в стандартных условиях. Часто, однако, сам гидрат в осадочном отложении является разжиженным, занимающим в среднем 2% объема.
2
Газ метана, захваченный в гидратах, представляет огромный потенциальный источник экологически чистой энергии. Одна из ключевых проблем в эксплуатации таких отложений гидратов включает в себя нахождение соответствующих способов получения и сбора газа. Настоящее изобретение описывает продуктивную систему, в которой производится соответствующее вскрытие с отводом теплоты из находящегося ниже водоносного слоя и эффективно высвобождается газ из месторождения гидрата с последующим получением его на поверхности. Кроме того, предлагается связывать диоксид углерод (СО) в форме гидрата в том же самом месте заложения скважины после извлечения метана. Этот процесс не только служит для связывания диоксида углерода и защиты окружающей среды, но его можно также использовать для стабилизации морского дна после извлечения метана.
Известен способ добычи газа из подземной формации, содержащей отложение газового гидрата и источник жидкости, содержащий создание ствола скважины, проходящего через отложение газового гидрата в источник жидкости, перевод жидкости из источника жидкости в отложение газового гидрата и контактирование отложения газового гидрата с жидкостью из источника жидкости для получения газа (см., например, авторское свидетельство СССР 1574796, 30.06.1990).
Однако данный способ не обеспечивает стабилизацию отложения газового гидрата после получения газа.
Целью настоящего изобретения создание эффективного способа добычи газа из подземной формации, содержащей отложение газового гидрата, обеспечивающего стабилизацию отложения газового гидрата после получения газа.
Сущность изобретения
Согласно первому варианту осуществления создан способ добычи газа из подземной формации, содержащей отложение газового гидрата и источник жидкости, содержащий следующие стадии:
создание ствола скважины, проходящего через отложение газового гидрата в источник жидкости;
перевод жидкости из источника жидкости в отложение газового гидрата;
контактирование отложения газового гидрата с жидкостью из источника жидкости для получения газа;
после получения газа введение в отложение газовой смеси диоксида углерода в сверхкритическом состоянии и воды, способной к образованию газового гидрата, для стабилизации отложения газового гидрата.
Сверхкритическим состоянием диоксида углерода является его жидкое состояние при его критических температуре и давлении или более высоких, чем указанные давление и температура.
Ствол скважины может быть обсаженным стволом скважины.
Способ может дополнительно включать использование, по меньшей мере, одного датчика.
При осуществлении способа жидкость можно отделять от газа и повторно вводить в источник жидкости или в подземную формацию или
Способ может дополнительно включать стадию перфорации обсадной колонны. Перфорации могут быть выполнены в обсадной колонне по существу вблизи источника жидкости или вблизи отложения газового гидрата.
Способ может дополнительно включать стадию обеспечения устройством выборочной изоляции перфораций. Устройство для изоляции представляет собой скользящую муфту.
Способ может дополнительно включать стадию мониторинга температуры отложения газового гидрата.
Способ может дополнительно включать стадию мониторинга пассивной сейсмической активности, используя акустические датчики.
Скорость перевода жидкости из источника жидкости в отложение газового гидрата зависит от входных данных, полученных при мониторинге.
Мониторинг можно проводить из отдельного ствола скважины.
Согласно второму варианту выполнения изобретения создан способ добычи газа из подземной формации, содержащей отложение газового гидрата и источник жидкости, включающий следующие стадии:
создание ствола скважины, проходящего через отложение газового гидрата в источник жидкости;
обеспечение ствола скважины устройством изоляции, размещенным ниже отложения газового гидрата;
перевод жидкости из источника жидкости в отложение газового гидрата;
контактирование отложения газового гидрата с жидкостью из источника жидкости для получения газа;
после получения газа введение в отложение газового гидрата смеси диоксида углерода в сверхкритическом состоянии и воды, способной к образованию газового гидрата, для стабилизации отложения газового гидрата.
Устройство изоляции может представлять собой клапан.
Согласно третьему варианту выполнения изобретения создан способ добычи газа из подземной формации, содержащей отложение газового гидрата и источник жидкости, включающий следующие стадии:
создание ствола скважины, проходящего через отложение газового гидрата в источник жидкости;
обеспечение ствола скважины устройством изоляции, размещенным выше отложения гидрата;
перевод жидкости из источника жидкости в отложение газового гидрата;
контактирование отложения газового гидрата с жидкостью из источника жидкости для получения газа;
после получения газа введение в отложение газового гидрата смеси диоксида углерода в сверхкритическом состоянии и воды, способной к образованию газового гидрата, для стабилизации отложения газового гидрата.
Устройство изоляции может представлять собой клапан.
Вышеописанные способы могут включать в себя одну или несколько установок технологического оборудования, предназначенного для освобождения и сбора газа с использованием одного или нескольких стволов скважин. Типичная установка технологического оборудования для сбора газа может включать в себя две базовые конфигурации. Первая конфигурация включает в себя одиночную скважину, в которой присутствует источник воды и трубопровод или магистраль для получения газа. В этой конфигурации, ствол скважины проходит через и заканчивается в отложении газового гидрата и также далее входит в водопродуктивную зону или водоносный слой. Вторая конфигурация включает в себя две скважины. Первая скважина проходит в водоносную зону и обеспечивает источник воды. Вторую скважину используют для получения газа, высвобожденного из гидрата, и она проходит в отложение гидрата или через него. В любой конфигурации, по меньшей мере, одну скважину бурят более глубоко (то есть, она проходит ниже месторождения гидрата) и заканчивают в водоносном слое или водопродуктивной зоне ниже отложения гидрата. В определенных случаях, в зависимости от конкретной природы водоносного слоя, может быть выполнена операция по разрыву пласта для увеличения потока из водоносного слоя. Вода из более глубокого водоносного слоя должна быть достаточно теплой для нагревания гидрата, дестабилизации гидрата, и таким образом происходит высвобождение газа. Для увеличения выработки, в отложении гидрата может быть образован или создан горизонтальный разрыв. Месторождения гидратов являются обычно неглубоко залегающими, и наиболее вероятной геометрической формой разрыва является горизонтальная форма. Горизонтальный разрыв может быть особенно благоприятен, поскольку способствует нагреванию гидрата из-за возникновения при разрыве большей площади поверхности для теплой воды, осуществляющей контакт с гидратом. Там, где скважину заканчивают в более низкой области отложения гидрата, может оказаться необходимым принятие соответствующих мер предосторожности, которые позволят гарантировать, что гидрат в более высоких областях отложения не окажется дестабилизированным. Например, может быть необходимо проведение мониторинга температуры вдоль поперечной области протяженности гидрата. Если температура превышает определенный порог, то нагревание, возможно, должно быть уменьшено или сокращено.
Технологические устройства подземной скважины, включающие в себя клапаны, трубы и датчики, позволяют управлять потоком воды из водоносного слоя в отложение гидрата при заканчивании. Это заканчивание может включать в себя разрыв, в частности горизонтальный разрыв. Технологические устройства могут также обеспечить получение высвобожденного газа через (возможно включающее другой горизонтальный гидравлический разрыв), расположенное выше в зоне гидрата через тот же самый или другой вертикальный или горизонтальный ствол скважины. В обширных отложениях гидратов (то есть толщиной несколько сотен метров), несколько слоев вскрытий/горизонтальных разрывов могут сначала использовать для эффективного высвобождения и сбора газа. Для более тонких отложений гидрата одиночное вскрытие/горизонтальный разрыв можно осуществить в верхней части отложения гидрата. Установленные технологические устройства могут в дальнейшем использовать для чередования потока воды из теплого водоносного слоя и получения высвобожденного газа на поверхности. В определенных случаях, может быть выгодным получить воду, закачанную в область гидрата вместе с высвобожденным газом и пополнить зону гидрата новой теплой водой из водоносного слоя. Добытая вода может быть или повторно введена в водоносный слой или выведена наружу соответственно.
Любое количество датчиков может быть размещено для слежения за работой подземной скважины посредством измерения температуры, давления и скоростей потоков в продуктивной скважине или в отдельных скважинах, используемых для мониторинга. Например, температуру можно контролировать через боковой отвод скважины, чтобы гарантировать, что верхние части слоя гидрата как вблизи, так и на расстоянии от продуктивной скважины не разлагаются с целью предотвращения утечки метана в атмосферу. Также могут использовать газовые и акустические детекторы. Исходные данные от датчиков могут быть использованы в качестве причины для запуска соответствующего клапана подземной скважины, контролирующей нагревание осадочного отложения с помощью регулируемого закачивания воды. Продуктивные скважины обычно связывают с большим трубопроводом, по которому направляют полученный газ в компрессорную станцию и далее для последующей обработки/распределения. Для гидрата, образованного в осадочных отложениях, разрывы могут значительно увеличить процесс производства. Так как постоянное нагревание слоя гидрата может оказаться необходимым, воду, введенную в отложение гидрата, вероятно, придется извлекать периодически и пополнять новой теплой водой из водоносного слоя, расположенного ниже.
Кроме того, скважины газового гидрата могут использоваться для связывания диоксида углерода в форме гидрата с помощью введения диоксида углерода в низ скважины и в отложение гидрата, предварительно обедненной метаном. Гидраты диоксида углерода и метана могут образовываться при близком давлении/температуре и состоянии воды. Температуру и давление в подземной скважине, необходимые для образования гидрата диоксида углерода, обычно выбирают так, чтобы обеспечить образование гидрата диоксида углерода. В таком случае, установленные технологические устройства могут использоваться для введения диоксида углерода, который находится обычно в жидкой форме, в месторождении, где он смешивается на месте с водой и образует гидрат.
Способ связывания диоксида углерода, описанный выше, может быть применен не только на самом современном экологически чистом предприятии, но и мог бы также служить для стабилизации/укрепления структуры подземной скважины. Хорошо известно, что некоторые отложения гидратов, расположенные под морским дном, представляют большую опасность, связанную с дестабилизацией морского дна. Предложенный способ связывания диоксида углерода обеспечивает решение с помощью замещения гидрата метана и укрепления существующей структуры. Акустические детекторы можно использовать для помощи при прогнозировании любых надвигающихся нестабильностей в месторождении и решения о том, когда необходимо перейти от производства метана к связыванию диоксида углерода.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет схему настоящего варианта воплощения изобретения одним стволом скважины.
Фиг.2 - схему варианта воплощения изобретения несколькими стволами скважин.
Фиг.3 - схему, показывающую конфигурацию ствола скважины с повторным вводом добываемой воды.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Настоящее изобретение относится к способу получения газа из месторождений газовых гидратов, используя относительно более теплую воду из водоносного слоя или другого водоносного пласта или зоны, находящейся ниже месторождения гидрата.
На фиг.1 показан первый вариант воплощения изобретения, в котором один обсаженный ствол 10 скважины используют для получения воды из водоносного слоя 12 или другого водоносного пласта или зоны и для получения газа из отложения 14 газового гидрата. Ствол скважины проходит через отложение газового гидрата и через водоносный слой. Указанный водоносный слой предпочтительно расположен или находится существенно ниже (то есть, глубже) отложения газового гидрата. В зависимости от конкретных особенностей водоносного слоя, может быть желательным осуществить стимулирующее действие для увеличения поступления воды. Это действие может включать в себя гидравлический разрыв пласта, кислотную обработку пласта или тому подобное. Точно так же, может быть желательным разрыв отложения гидрата перед обработкой водой из водоносного слоя. Там где необходимо, для воды из водоносного слоя может быть соответственно создано избыточное давление с использованием подходящего насосного устройства.
Как только ствол скважины заканчивают в водоносном слое, воду можно доставлять вверх в отложение газового гидрата. Приток относительно теплой воды из водоносного слоя приводит в результате к высвобождению газа, захваченного или изолированного в гидрате. Вводимая вода может относительно быстро охладиться и, поэтому, предпочтительно получать воду и повторно вводить свежую горячую воду. Полученная вода может иметь метан, выделенный в или с водой. Эта смесь воды и газа может быть разделена на месте или на поверхности. Отделенная вода может быть повторно введена в отложение гидрата, в водоносный слой или в альтернативное место хранения, такое как альтернативный водоносный слой. Любая подходящая схема расположения клапанов 18 или другого оборудования или устройства для контроля потока в стволе скважины может быть использована для управления потоком воды из водоносного слоя 12 в отложение 14 гидрата. Предпочтительными являются откидные клапаны, шаровые клапаны и клапаны для разобщения пластов (такие как описаны в патентах США № 6352119 и 6691785). В наиболее предпочтительном варианте воплощения, системой 18 клапанов выборочно управляют на поверхности с помощью подходящей системы управления. Эта система управления может включать в себя электрическую или гидравлическую систему связи так, чтобы провода или линии 20 передачи проходили от поверхности к клапанам. Система управления может также включать в себя любую подходящую беспроводную технику.
В дополнение к предусмотренному устройству для выборочного управления потоком воды из водоносного слоя, также может быть желательным установить устройство абсолютной надежности для предотвращения потока воды и/или газа через ствол скважины на поверхность или потока морской воды в ствол скважины в случае случайного отказа оборудования на поверхности скважины. Такое устройство может быть любым подходящим устройством, однако, система на основе клапанов 30 является предпочтительной. Более конкретно, предпочтительными являются откидные клапаны, шаровые клапаны и клапаны для разобщения пластов. В качестве альтернативного варианта воплощения, противовыбросные превенторы могут быть использованы для предотвращения выхода потока или продукта в стволе скважины в виде газожидкостной смеси на поверхность.
Как показано на фиг.1, в обсадной колонне 22 должны быть выполнены перфорации для обеспечения сообщения между стволом скважины и отложением гидрата. В зависимости от размера отложения гидрата, может быть полезным или желательным размещение или локализация перфораций в нескольких местах 24, 25, 26. Как только в обсадной колонне созданы перфорации, в отложении гидрата можно также осуществить разрывы или другую обработку. Для выбора мест и временных интервалов для введения воды и мест и временных интервалов получения газа, устройство 28 внутренней изоляции должно включать в себя средства закрытия или блокирования перфораций. В предпочтительном варианте воплощения, может использоваться устройство скользящей муфты для выборочного открытия или закрытия перфораций. В качестве альтернативного варианта воплощения, химическое устройство закрытия может быть использовано для закрытия перфораций. Такое химическое устройство закрытия может включать в себя цемент, или вещество на основе полимера, или любое другое вещество, подходящее для существенного предотвращения или ограничения потока газо-жидкостной смеси в или из перфораций.
Блок датчиков включает в себя, но этим не ограничен, температурные датчики (например, в виде системы от компании "Шлюмберже", которая отслеживает распределения температур, как описано в патенте США № 5286109), датчики давления, газовые датчики и акустические датчики (например, сейсмографы), которые могут размещаться для наблюдения за процессом заводнения и инициировать активацию любого из клапанов управления подземной скважиной и оборудование, требуемое для адекватного управления разработкой месторождения гидрата. Например, могут осуществляться отключение или сокращение времени закачивания воды в гидрат и открытие скользящей муфты или другого клапана для запуска производства газа. Отдельная скважина может также использоваться для контроля температуры или пассивных сейсмических волн вдали от продуктивной скважины с целью лучшего управления технологическим процессом и предупреждения дестабилизации отложения гидрата.
В другом варианте воплощения настоящего изобретения, как показано на фиг.2, первый ствол 100 скважины проходит от поверхности 102 через отложение 104 газового гидрата и входит в водоносный слой или водоносный пласт или зону 106. Второй ствол 108 скважины проходит от поверхности 102 и входит в отложение 104 газового гидрата. Первый ствол скважины обеспечивает сообщение между водоносным слоем и газовым гидратом, обеспечивающую контакт воды, извлеченной из водоносного слоя, с газовым гидратом. Предпочтительно, первый ствол скважины закрывают или изолируют на поверхности (выше уровня отложения гидрата), не допуская, чтобы и вода и газ достигали или оказывались на поверхности. В качестве альтернативы, воду и/или газ можно получить из первого ствола скважины, затем вводят воду в отложение гидрата до тех пор, пока не устанавливается сообщение со вторым стволом скважины. Как только сообщение установлено, первый ствол скважины может быть изолирован от поверхности. Предпочтительно, клапанная система 110 используется для обеспечения изоляции водоносного слоя, если это необходимо. Клапаны, пригодные для использования в настоящем изобретении, включают в себя, но этим не ограничены, откидные клапаны, шаровые клапаны и клапаны для разобщения пластов. В предпочтительном варианте воплощения, подходящая схема расположения устройств управления потоков (таких как клапаны или затворы трубопровода) может быть использована для доставки воды к месторождению гидрата, получения и отделения газа и затем повторно для ввода воды в водоносный слой. Этот вариант воплощения особенно полезен там, где не происходит непрерывного таяния гидрата.
Поскольку вода из водоносного слоя контактирует с гидратом, то происходит высвобождение газа. Этот высвобожденный газ, совместно с водой, может быть получен и доставлен на поверхность через второй ствол скважины. Второй ствол скважины может включать любое число соответствующих устройств, служащих для регулирования и измерения потока. Предпочтительно, второй ствол скважины будет включать, по меньшей мере, одно клапанное оборудование или систему 112 для управления потоком полученных газо-жидкостных смесей из формации на поверхность.
В еще одном варианте воплощения настоящего изобретения, как показано на фиг.3, ствол 200 скважины проходит от поверхности 202 через отложение 204 гидрата и в водоносный слой или другой водоносный пласт 206. Ствол скважины имеет расположенный в нем трубопровод 208, проходящий от поверхности до водоносного слоя. Трубопровод может быть выполнен из любого подходящего материала, содержать колонну бурильных труб, обсадную колонну или намотанную трубу. Первое устройство 210 управления потоком размещают ниже отложения гидрата и выше водоносного слоя для управления потоком воды из водоносного слоя в отложение гидрата. Это устройство может включать любое подходящее устройство или материал, но предпочтительно является клапаном. Более предпочтительно клапан может управляться находящимся на поверхности оператором. Второе устройство 212 управления потоком размещают, главным образом, вблизи области или зоны в пределах отложения гидрата, которую нужно обработать или в которой осуществляют контакт с водой из водоносного слоя. В предпочтительном варианте воплощения вторым устройством управления потока является скользящая муфта, однако, следует понимать, что может использоваться любое подходящее устройство. Скользящая муфта может быть оператором выборочно открыта и закрыта. В зависимости от конкретной природы отложения гидрата и условий обработки, любое число устройств управления потоком может быть размещено в пределах отложения гидрата, каждое соответствует обычно области или зоне, которая будет обработана.
Как только первый клапан 210 открыт и вода из водоносного слоя протекает вверх, скользящая муфта 212 может быть открыта для обеспечения контакта воды с гидратом. Поскольку газ получен, то он вместе с водой из водоносного слоя проходит вверх к поверхности. На поверхности вода и газ могут быть разделены. В определенных случаях может быть желательно повторное введение воды в водоносный слой, использованный для получения газа, или другой водоносный слой, используя отдельную скважину или тот же самый ствол скважины. В таком случае, скользящая муфта(ы) может быть перемещена в закрытое положение для предотвращения поступления отделенной воды в отложение гидрата при повторном введении воды вниз или через трубопровод. В качестве альтернативы, второй трубопровод 214 может быть использован для осуществления повторного введения воды в водоносный слой. Таким образом, воду и газ получают на поверхности через первый трубопровод, а воду повторно вводят через второй трубопровод. В результате этого, добычу газа не приходится прерывать для осуществления повторного введения отделенной воды. При обработке в отложении гидрата нескольких зон может быть желательным выборочно обработать более низкую зону, а затем верхнюю зону.
Оператор, управляющий устройством(ами) 212 управления потока, обеспечивает выборочную обработку определенных зон.
В виду того, что гидрат преобразуют в газ, область вокруг отложений гидрата, так же как и само отложение, может быть дестабилизирована. Там, где имеется риск дестабилизации, может быть желательным проектировать или размещать ствол скважины так, чтобы минимизировать этот риск. Например, карманы в отложении гидрата могут быть выборочно выполнены на расстоянии, достаточно большом друг от друга, и отложение гидрата останется стабильным. В качестве альтернативы, сеть или стволы скважин и/или трубопроводов можно ввести в действие таким образом, чтобы уменьшить или минимизировать эффекты оседания породы, связанные с разработкой гидратного отложения или выемкой. Для предотвращения полной дестабилизации температурный мониторинг скважин может быть осуществлен на верхней части отложения гидрата. По мере изменения температуры, водный поток может быть отрегулирован для получения контролируемого нагревания слоя гидрата.
2
Диоксид углерода (СО) вводится или иным способом размещается в отложении гидрата так, чтобы эффективно заменить извлеченный метан. Таким образом, диоксид углерода может быть аккумулирован или иным способом обезврежен, и он служит для стабилизации отложения газового гидрата после удаления метана. Предпочтительно, диоксид углерода вводят в виде жидкости, смешивают с водой и вводят в слой гидрата, при этом диоксид углерода вводят в сверхкритическом состоянии, т.е. в жидком состоянии при его критических температуре и давлении или более высоких, чем эти давление и температура.
Диоксид углерода может быть помещен, используя тот же самый ствол скважины, который использовался для получения метана в отложении гидрата. В качестве альтернативы, могут быть обеспечены дополнительные стволы скважин в зависимости от конкретной природы проводимой работы. Например, в одном варианте воплощения, метан может быть получен из первого ствола скважины. После завершения работ по производству метана, диоксид углерода можно ввести вниз того же самого ствола скважины. В другом варианте воплощения, первый ствол скважины можно первоначально использовать для получения воды из водоносного слоя и ввода в отложение газового гидрата. Второй ствол скважины может быть использован для доставки метана к поверхности. Этот первый ствол скважины может быть использован для размещения диоксида углерода в отложении гидрата, как только достаточное количество воды было введено в отложение.
В качестве альтернативного варианта воплощения, диоксид углерода может быть доставлен или размещен в отложение гидрата через гибкие насосно-компрессорные трубы малого диаметра. Труба может быть пропущена в стволе скважины и размещена вблизи отложения гидрата. Подходящие устройства изоляции ствола скважины, такие как пакеры, могут использоваться для предотвращения миграции диоксида углерода из или от месторождения гидрата. Диоксид углерода можно также смешивать с водой и вводить в отложение.
Вышеописанные конкретные варианты воплощения не должны рассматриваться в качестве ограничения объема настоящего изобретения, поскольку можно использовать любую подходящую конфигурацию оборудования.