CN102337895A - 一种开采海洋天然气水合物的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种开采海洋天然气水合物的方法与装置；在天然气水合物埋藏区域构建安全井组和开发井组，通过安全井组监控海底地层的稳定性；通过开发井组采出天然气并使用海底集输系统将天然气输送到陆地终端；开发手段采取向天然气水合物储层注入溶解剂使之溶解随后收集溶液并进行气水分离从而获得天然气；采用本发明提出的方法和装置可实现对海洋广大区域天然气水合物的安全开采，保证开采过程中海底的稳定性，减少天然气的逸散，适用于海洋天然气水合物的大规模工业化开采。
Description
技术领域
本发明涉及一种海洋天然气水合物开采方法与装置，属于海洋油气藏开发领域。
背景技术
天然气水合物是低温高压条件下由水和气体分子构成的冰状固体物质，随储层和气源性质不同，其性状也不尽相同。海底天然气水合物的开采方式与现有气藏开采方式有重大差别，文献中常见的开采方法是注热分解法、降压分解法、注入抑制剂分解法和置换分解法等。降压分解法是通过减小气水合物表面压力，使其处于相平衡区域之外从而发生分解。该法面临的最大问题是分解速度过慢，气体产出量有限。注热分解法通过向水合物中注入热量促其升温从而造成水合物分解。注热可由多种手段实现，比如向气水合物中注入热水，蒸汽或特殊介质(比如特殊的酸或碱)，甚至火烧气水合物，也可使用微波加热。前两种方法尚可考虑采用地热来实现，而微波加热必须要考虑巨大的能量来源，以及合理的控制热量波及范围；注入介质的方法需要经过进一步的实验室研究和现场试验，因为大部分沉积层的渗透率并不高，难以保证注入介质的作用范围和最终效果；火烧气水合物则需要考虑更多的技术问题，比如如何注入氧气以及在气水合物中打通燃烧的通道等。还需注意，常规油气藏开发过程中，生产压力通常由地层流体提供，通过注入流体即可基本维持初始生产压差。而对于气水合物，开采时如果注入足够热量，那么其分解时产生的天然气完全有能力造成地层压力的急剧升高，甚至大大高于初始地层压力。注入抑制剂法原理是通过向气水合物层注入化学试剂改变其相平衡从而引起分解。该法可能引起环境污染，不适宜大规模开发应用。置换分解法是一种新颖的开采方法，一旦实现，既能够采出宝贵的资源，又能将温室效应显著的二氧化碳封存在海底。但是相关试验表明，这种方法反应速度过慢，而且二氧化碳在矿藏中的运移将受到地层和气水合物的阻隔，替换效率很低。
发明内容
本发明的目的是提供一种开采海洋天然气水合物的方法与装置。本方法是向海洋天然气水合物中注入溶解剂，使固态气水合物转化为液态后进行收集，之后对该溶液进行分离获得天然气。既能合理有效地开发气水合物，又能保证环境和设备的安全。
本发明所述的开采海洋天然气水合物的方法由如下步骤实现：
1.构建安全井组
安全井组由观察井和加固井组成，其目的是保障海底的稳定性，削弱天然气水合物被采出所带来的影响，安全井组的建设过程遵循如下步骤：
(1)钻观察井
开发初期应在整个作业区域内合理布置观察井，用以了解海底地层的动态；观察井可采用深水钻井技术完成，可使用小井眼钻井技术以降低成本，钻达设计深度后根据地质状况确定是否固井；应保证观察井能够实时准确地取得地层参数。
(2)钻加固井
加固井用于向开采过气水合物的海底地层注入固化剂以稳固矿层骨架，防止海底滑坡或岩层流动；钻井完成后不固井。
加固井采用等直径井身结构，使用套管钻井技术完成；井身为封闭金属筒结构，由悬挂段，剪切接头和口袋段三部分组成；悬挂段连接井身与平台，口袋段封闭井筒，剪切接头连接悬挂段和口袋段，并控制固化剂的注入位置；固化剂的注入有两种工作模式：一是主动注入，即由观察井所得资料表明海底地层可能出现不稳定迹象时，增大加固井中压力，则井身自剪切接头处断开，固化剂即被注入地层；二是被动注入，即地层突然发生流动时将使加固井由剪切接头处剪断，固化剂由断开处注入地层。
(3)建设海底安全监控平台
海底安全监控平台不承担天然气水合物开采任务，只负责检测和控制海底地层的稳定，防止出现滑坡的异常现象。
监控平台的规模和形式应与实际需要相匹配；地质稳定区域勿需建设这类平台；近海区域可使用固定式平台；深海区域则使用浮动式平台；平台上设有观察井资料收集和分析工作区，装有加固井压力和流量监控设备，备有足量固化剂；固化剂可以为水泥或其他类似属性的物质。
2.构建开发井组
开发井组由注入井和收集井组成，其目的是用溶解剂将气水合物进行溶解后再分离产出天然气；开发井组是产出天然气的必要装置，其建设过程可分为如下步骤：
(1)钻注入井
注入井采用水平井，其水平段位于气水合物储层的较低层位；视储层地质条件选择合适的完井方式，保证井眼与储层良好连通；注入井的走向与储层走向一致，以尽可能多得接触气水合物。
注入剂经由注入井进入储层，注入井可使用单一水平井，也可使用多井筒并排注入。
由注入井输入的溶解剂造成气水合物溶解，且产出溶液密度比相同条件下的空隙水密度小，因而在浮力作用下逐渐向地层上部运动。
(2)钻丛式收集井
收集井采用丛式井，用以收集注入井产出的溶液；收集井可为直井或定向井，由现有丛式钻井技术完成；所有井筒均与气水合物上部盖层连通，可根据需要适当开启或关闭部分井眼；开启状态下，地层流体进入井筒，并逐渐上升至开采平台；关闭状态下，井眼与地层隔绝，关井方式有助于控制开发速度。
(3)建设天然气水合物开采平台
开采平台负责开发天然气水合物以产出天然气，是开发过程中的关键装置；视实际需求，开采平台可采用固定式或浮动式结构形式。收集井与注入井均可布置在开采平台上；平台上设有溶解剂配置与储存系统、气液分离系统、净化系统、压力监控系统、排水系统。
本发明所用的溶解剂为普通淡水、净化后的海水或化学剂；对溶解剂的要求是低温、高压条件下可溶解较大量的天然气(主要成分为甲烷)；使用降压或升温等简易措施即可使溶液分解产出天然气；无毒、无腐蚀，不造成环境破坏。
3.构建海底集输气系统
海底集输气系统用以将开发井组采出的天然气及时输送到陆地上的存储和使用单位；该系统主要由集气站、流量、压力监控系统、海底气体输送管道组成；该系统可使用现有海底储运技术所实现的长输管线；输送终端为陆上配气站或液化天然气站。
4.启动开发方案
待开发井组和安全井组构建完成，相应的储运系统具备工作条件后，即可启动开发方案；由注入井输入溶解剂，溶解剂扩散进入储层，与气水合物形成稳定溶液；溶液密度较小，在浮力作用下向地层上部运动并进入收集井；开采平台将对溶液进行分离，产出天然气；天然气经由集气站进入海底管道并被输送到相应陆上设施。
本发明与现有开采方法相比具有如下优势：
(1)使用安全井组实时检测地层动态，可根据实际状况采取地层加固措施，很大程度上保持海底地层的稳定；
(2)采用溶解气水合物的方法将天然气溶液运移至开采平台上，一方面不至破坏储层原始条件，不会引起气水合物的无节制分解；另一方面易于实现对开采过程的控制，可根据需要调整注入速度。特殊情况下，还可实现向注入井中通入固化剂以加固地层；
(3)通过有选择地开关丛式收集井有助于合理控制开采速率，调配开采平台生产负荷；
(4)经由海底管道集输系统可将产出的天然气迅速转运到陆上终端，可实现天然气水合物的大规模开发。
附图说明
图1天然气水合物开采方法相应装置在局部海域范围内的配置图。
图2a加固井与观察井分布格局图。
图2b加固井主动注入固化剂的工作状态图。
图2c加固井被动注入固化剂的工作状态图。
图3使用溶解法采出气水合物中的天然气原理图。
其中：
1.陆地，2.海底集输管道，3.大洋底，4.天然气水合物储层，5.加固井，6.观察井，7.丛式收集井，8.注入井，9.深海天然气集输管道，10.海底安全监控平台，11.浮动式天然气水合物开采平台，12.固定式天然气水合物开采平台，13.近海天然气集输管道，501.悬挂段，502.剪切接头，503.口袋段，504.输入管，506.固化剂，701.输送管道，702.管道，801.注入井输入管，802.管道，803.稳定溶液，804.少量逸散，
具体实施方式
本发明所述的开采海洋天然气水合物的装置由加固井5，观察井6，丛式收集井7，注入井8，深海天然气集输管道9，海底安全监控平台10，浮动式天然气水合物开采平台11，固定式天然气水合物开采平台12，近海天然气集输管道13构成；加固井5和观察井6位于大洋底部，加固井5井眼上部为悬挂段501，下部为口袋段503，中间由剪切接头502连接，其内部存有足量固化剂506，口袋段503位于天然气水合物储层4处，剪切接头位于地层结构松散处，加固井6与输入管504连接，输入管504与海底安全监控平台10连接，观察井6分布在加固井5周围，与海底安全监控平台10连接控制和收集数据；丛式收集井7和注入井8位于观察井6和加固井5附近；注入井8的水平段位于天然气水合物储层的底部，注入井采用裸眼或筛管完井方式，其垂直段与输入管801连接；收集井7位于注入井8上方，为丛式井，井筒全部或部分为直井，所有井口置于同一浮动式天然气水合物开采平台11或固定式天然气水合物开采平台12上，由输送管道701与深海天然气集输管道9和近海天然气集输管道13连接，收集井覆盖区域面积应与注入井控制体积相匹配，深海天然气集输管道9和近海天然气集输管道13与集气站连接，集气站通过海底集输管道2与陆地1上的用户连接。
下面结合附图对发明内容做进一步说明：
如图1所示，在经勘探确定的天然气水合物矿藏区域布置观察井6，详查地层动态，掌握足够地质资料，确保储层具有良好的开采条件。根据观察井获得数据确定地层薄弱区域，并于该区域布置加固井5。图2说明了加固井的工作原理。加固井由套管钻井技术完成，钻井完成后不固井。井眼上部为悬挂段501，下部为口袋段503，中间由剪切接头502连接。剪切接头未断开时，加固井处于封闭状态，其内部始终存有足量固化剂506。一旦剪切接头断开，固化剂流入地层，加固井即完成加固任务。应保证剪切接头位于地层结构松散处，以便固化剂扩散进入地层。图2(a)为加固井与观察井分布格局，每口加固井周围应布置多口观察井，以取得足够地层信息。图2(b)为加固井主动注入固化剂的工作状态，当由观察井取得资料表明地层出现不稳定迹象时，即通过加固井输入管504增大井内压力，剪切接头在内压作用下胀裂，口袋段与悬挂段分离，固化剂由断口处压入地层，从而增加地层强度，提高稳定性；图2(c)为加固井被动注入固化剂的工作状态，即当地层在不可预知的情况下发生塑性流动或滑移时，口袋段因被地层携带而发生偏转，剪切接头因弯矩作用剪断，从而将固化剂送入地层。此种工作状态是对突发性地层运动的应急处理，虽然固化效果难以预计，但可在一定程度上减缓或阻止地层的运动。
安全井组只布置在地质条件薄弱的区域，地层坚固稳定的区域勿需构建这一井组。
构筑安全井组的同时即可进行开发井组的钻进。图3说明了开发井组工作的原理。该井组由水平注入井8和丛式收集井7组成。注入井由常规海洋钻井技术完成，其水平段位于天然气水合物储层的底部。为尽量保持储层自然状态，注入井采用裸眼或筛管完井方式。视地质条件，可使用压裂等措施以提高井眼与地层的连通性。收集井采用丛式钻井技术完成，井筒全部或部分为直井。所有井口放置于同一操作平台，便于钻井和后期的开采管理。收集井覆盖区域面积应与注入井控制体积相匹配。
Paull和Ussler(2003)指出，3000m水深处的1L海水可溶解常压下4.25L甲烷气，而气水分离只需简单的降压处理即可实现。本发明即使用了溶解的方法采出气水合物中的天然气，但溶解剂并不限于海水。其过程是：由注入井输入管801不断向井中输入溶解剂，溶解剂扩散进入天然气水合物储层，打破气水合物的原有的溶解平衡，使气水合物与溶解剂形成稳定溶液803。溶液的密度小于原地孔隙水密度，故在浮力作用下向地层上方运动，直至进入收集井控制范围。收集井不断向井筒内吸入地层流体，故可将绝大部分溶液收集起来输送至开采平台的处理装置。溶液经气水分离后即可产出天然气，由管道701输送到海底集输气系统，产出水则处理后由管道702排出；溶解剂则可处理后由管道802回注入水平注入井。由于开采过程中溶解剂不可避免会发生少量逸散804，故要求其无毒、无腐蚀、无环境危害。可以采用的溶解剂为普通淡水、净化后的海水或特殊配置的化学药剂。
深水区域(水深大于400m)时考虑使用浮式平台，近海区域使用固定式平台。海底安全监控平台和天然气开采平台均需配备必要的设施以实现各自功能。
为将天然气输送到陆地上的加工和使用单位，应建设海底集输系统。该系统主要包括集气站和输送管道。开采平台产出的天然气首先进入集气站，经脱水、加压等处理后进入海底管道并输送到用户终端。管道的铺设应与开发规模相匹配，既满足工程需求，又便于维护和改造。
Claims (7)
1.一种开采海洋天然气水合物的方法，其特征在于：
(1)构筑安全井组，该井组由观察井和加固井组成；观察井用以收集海底信息，实时检测地层动态；加固井用于向地层中注入固化剂，以固结地层，安全井组统一使用海底安全监控平台操作；
(2)构筑开发井组，该井组由注入井和收集井组成；由注入井向天然气水合物储层注入溶解剂形成稳定的天然气溶液，溶液扩散进入收集井，经处理后产出天然气，开发井组统一由天然气开采平台操作；
(3)建设海底集输气系统，该系统由集气站和海底管道组成，负责将开采平台产出的天然气输送到陆地上的处理和使用终端；
溶解剂为淡水、净化后的海水或化学剂；
固化剂为水泥或其他类似属性的物质。
2.根据权利要求1所述的开采海洋天然气水合物的方法，其特征在于：步骤(1)中的加固井，井筒由悬挂段、剪切接头和口袋段三部分组成，全井密闭，内部充满有一定内压的固化剂，剪切接头位于地层薄弱区域。
3.根据权利要求1所述的开采海洋天然气水合物的方法，其特征在于：步骤(2)中的注入井为水平井，水平段位于天然气水合物储层底部，采用裸眼或筛管完井方式；注入井不断向储层中注入溶解剂，溶解剂与气水合物形成稳定溶液。
4.根据权利要求1所述的开采海洋天然气水合物的方法，其特征在于：步骤(2)中的溶液密度比相同条件下的孔隙水密度小。
5.根据权利要求1所述的开采海洋天然气水合物的方法，其特征在于：步骤(2)中的收集井为丛式井，井眼为直井或定向井，收集井覆盖区域大于注入井控制区域；收集井不断由地层中吸入流体并输送至开采平台。
6.根据权利要求1所述的开采海洋天然气水合物的方法，其特征在于：所述的溶解剂可回收返回注入井重新使用。
7.一种权利要求1所述的开采海洋天然气水合物的装置，由加固井，观察井，丛式收集井，注入井，深海天然气集输管道，海底安全监控平台，浮动式天然气水合物开采平台，固定式天然气水合物开采平台，近海天然气集输管道构成；其特征在于：加固井和观察井位于大洋底部，加固井上部为悬挂段，下部为口袋段，中间由剪切接头连接，其内部存有足量固化剂，口袋段位于天然气水合物储层处，剪切接头位于地层结构松散处，加固井与输入管连接，输入管与海底安全监控平台连接；观察井分布在加固井周围，与安全监控平台相连，收集海底动态数据；收集井和注入井位于观察井和加固井附近；注入井的水平段位于天然气水合物储层的底部，采用裸眼或筛管完井方式，其垂直段与输入管连接；收集井位于注入井上方，为丛式井，井筒全部或部分为直井，所有井口置于同一个浮动式天然气水合物开采平台或固定式天然气水合物开采平台上，由输送管道与深海天然气集输管道和近海天然气集输管道连接，收集井覆盖区域面积与注入井控制体积相匹配；深海天然气集输管道和近海天然气集输管道与集气站连接，集气站通过海底集输管道与陆地上的用户连接。
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