CN102725477A - 确定水底样品的甲烷含量 - Google Patents
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Abstract
包含甲烷水合物晶体的水底样品的甲烷含量通过以下步骤确定：从深水区域中的水底沉积物（3）获取芯样（5）；将所述芯样（5）存储在存储室（4）中；将所述存储室（4）升高到预定水深（BGHZ，即天然气水合物稳定带底界），在所述预定水深下，所述芯样（5）中的所有甲烷水合物晶体分解成水和甲烷；以及测量由升高的芯样（5）释放的甲烷量。
Description
技术领域
本发明涉及用于确定水底样品的甲烷含量的方法和系统。
背景技术
这样的方法和系统可从美国专利6,659,204和以下论文获知：
K.U.Heeschen等人在2007年12月20日出版的期刊MarineChemistry，107卷，第4期，第498-515页（XP002569753）中公开的“In situ hydrocarbon concentrations from pressurized cores insurface sediments，Northern Gulf of Mexico”；和
P.Shultheiss等人在2009年3月7日发行的Scientific DrillingJournal（XP002569762，ISSN：1816-8957）中公开的“Wireline Coringand Analysis under Pressure，Recent Use and Future Developments ofthe Hyacinth System”，所述论文可从以下网址获取：
Http://www.iodp.org/iodpJoumals/7_Wireline_Coring_and_Analysis_SD7.pdf。
从这些现有技术参考文献得知的芯取样方法和系统包括用于估计甲烷水合物资源的芯取样机，其中，芯样在原地压力和温度下存储，以防止当芯样升高到水面时，水合物晶体由于压力降低和/或温度升高而分解。
这些已知的加压芯取样机的缺点是，其较昂贵而且不可靠，其在低于原地压力下和/或在高于原地温度下取回试样频繁失败，这可能造成记录的水合物含量偏离有效芯样的系统偏差。
因此，从这些现有技术参考文献所知的芯样数据的直接测量不可靠，因为水合物可能分解以致不知道多少水合物可能在获取芯样之后损失。
以经济的方式开发通常位于深水和/或寒冷区域中的水合物资源的一个重要挑战在于，发现低成本的方法来寻找和估计浅甲烷水合沉积物。
最大的挑战之一是测量在离岸钻井过程中取回的芯样的实际水合物含量，因为现有技术既不可靠又昂贵。
其他可用的水合物取样和水合物检测技术存在的问题有：
间接地球物理学方法（EM，Seismic（地震法））由于水合物的性质而不可靠。
基于水淡化估计水合物含量的方法由于基线孔隙水盐度方面的不确定而不可靠。
需要提供一种用于测量含水合物芯样的甲烷含量的改进技术，期望所述技术比现有方法和系统更便宜，并且更可靠。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于确定水底样品的甲烷含量的方法，所述方法包括：
从水底中的沉积物获取芯样；
将所述芯样存储在存储室中；
将所述存储室和芯样升高到处于环境压力下的预定水深，在所述处于环境压力下的预定水深，所述芯样中的所有甲烷水合物晶体分解成水和甲烷；
测量由升高的芯样释放的甲烷量；和
根据由升高的芯样释放的甲烷量确定所述水底沉积物的甲烷含量。
如果水底样品位于深水区域中，其中甲烷水合物晶体在所述深水区域处保持稳定，则存储室和芯样可从水底升高到所处的环境压力低于芯样中的所有甲烷水合物晶体的甲烷水合物分解压力的水深，由此使升高的样品中的所有甲烷水合物分解成甲烷和水。由所述芯样释放的甲烷量可通过由管道连接到存储室的甲烷感测装置测量，其位于在水面处漂浮的船舶上。
如果水底样品确定了水底沉积物中的可采收的甲烷水合物量，则可随后从水底沉积物挖掘甲烷水合物，其中，将挖掘的甲烷水合物减压和/或加热，以使甲烷水合物分解并释放甲烷，所述甲烷可随后输出到市场或转变为可销售产品，例如工业或家用的管道天然气、液化天然气（LNG）和/或合成气转油（GTL）产品。
根据本发明，还提供了一种用于确定水底样品的甲烷含量的系统，所述系统包括：
芯取样装置，用于从水底中的沉积物获取芯样；
存储室，用于存储所述芯样；
用于将所述存储室和芯样升高到处于环境压力的预定水深的装置，在所述处于环境压力下的预定水深，所述芯样中的所有甲烷水合物晶体分解成水和甲烷；
甲烷感测装置，用于测量由升高的芯样释放的甲烷量；和
用于根据由升高的芯样释放的甲烷量确定所述水底沉积物的甲烷含量的装置。
所述芯取样装置可包括：
框架，其安装在腿、轮和/或履带机构上，所述腿、轮和/或履带机构构造用于在水体底部上沿任何方向移动所述框架；和
竖直取芯钻装置，其构造用于将每一个芯样移动到芯样存储室中，所述芯样存储室构造用于在基本上等于围绕所述装置的流体例如海水的环境压力的压力下存储芯样，并且形成芯样存储室束的一部分，所述芯样存储室束作为可旋转和可拆除的转盘组件安装在所述框架上，并且，所述芯样存储室束连接到柔性管道束，所述柔性管道束的柔性管道固定到从浮式船舶悬挂的提升绳。
根据本发明的所述方法和系统的这些和其他特征、实施例和优点描述在所附的权利要求、摘要和对附图中图示的非限制实施例的以下具体实施方式部分中进行描述，说明书中使用的附图标记用于指代附图中图示的相应附图标记。
附图说明
图1显示了水下芯取样装置，其携带有芯取样室束；
图2显示了在从水下芯取样装置取下之后，芯取样室束怎样填充有芯样；
图3显示了芯取样室束怎样升高到高于天然气水合物稳定带底界（BGHZ）的水深；
图4显示了容纳甲烷和水合物耗尽的芯样的芯取样室束随后可怎样升高到轮船或其他浮式船舶，以在海上或陆地上的实验室中进行进一步分析；
图5显示了安装在轮船或其他浮式船舶上的水气分离罐，收集的甲烷从其排出到气体计量和分析装置；
图6显示了可密封芯取样室的替代结构；
图7显示了转盘组件的上下夹爪怎样枢转来密封图6的芯取样室；
图8显示了图6的由上下夹爪密封的芯取样室；
图9显示了将芯取样室升高到高于BGHZ（天然气水合物稳定带底界）的水深之后，甲烷气体（CH4）怎样在减小压力的芯样中通过水合物分解而释放。
具体实施方式
根据本发明的方法和系统提供了一种用于估计包含甲烷水合物的并且从在天然气水合物稳定带底界（BGHZ）内取回的芯样的总甲烷含量的新颖技术。在历史，这一直很难，因为所应用的通常的技术为将芯样取回到水面船舶来进行分析。在向上到达水面过程中，芯样离开天然气水合物稳定带（在比约400m更浅的水深中，取决于温度而定），并且芯样中的甲烷水合物开始分解。当芯样已经到达船舶时（通常受芯取样装置由绞盘吊拉到船舶的速度限制），会已经发生了未知量的分解，并且释出的气体会已逸出，以致不可知分解之前水合物的初始量。已有用于估计释出气体量的技术，例如测量残余水盐度，并且计算已相对于背景初始水平发生的淡化，但是由于初始盐度可能仅为估计，因此很难信赖以该方式获得的水合物含量。
为了克服该缺点，美国专利6,659,204中公开的“压力取芯”技术已经用于在取样点处在气密容器中密封芯样，以在芯样取回到水面船舶时，容器内的压力没有由于减小的环境水压而下降。一旦当取回到船舶后，就可使用x射线或CAT扫描仪分析压力芯样，以使水合物沉积物可视化，并且存在的天然气量可通过以受控方式降低内部压力来测量，其可捕捉和测量释放的气体的体积。
从美国专利6,659,204获知的压力取芯技术存在的问题如下：
高成本：这些是昂贵的芯样容器。
很难处置：其需要钻井设备中非常专业化的处置设施，以获得良好的样品。
低可靠性：其经常不能取回所需压力下的芯样。这通常是由于在允许芯样进入芯样容器的球阀中不能获得气密密封。
由于不能获得气密密封可能与正在取芯的材料的性质有关，因此低可靠性特别成问题。砂样更可能具有差的密封，并且砂样通常最富含水合物。因此，压力取芯系统可能具有内在偏差，因为优选取回具有低水合物含量的样品。
根据本发明的方法和系统目的不是在水合物完好的情况下取回样品到水面船舶。相反，目的是在芯样仍处于水柱内的某个深度下时使芯样中的水合物完全分解。但是，当水合物分解时，收集和/或测量全部释出的气体，从而可知从芯样释出的甲烷的总体积，并且因此可知所述芯的原始甲烷含量。根据该信息以及关于水中某深度处甲烷的溶解度的知识，可以可靠地计算芯样的水合物含量。
图1显示了根据本发明的芯取样装置1，所述装置1包括安装在可动腿1B上的框架1A，可动腿1B使装置1能够在水底3上沿任何方向移动。框架1A携带一束芯取样室4，芯取样室4包括多个管，所述多个管每一个足够大来容易地容纳从水底3获得的一个芯样5。所述管可以是PVC管，所述PVC管通常直径为约10cm，长度在1到2m之间。
图1显示出，多个芯取样室4作为一束固定到转盘组件8，转盘组件8可旋转地安装在框架1A上。
图1还显示出，框架1A携带传统的海底钻井装置9，例如从国际专利申请WO 2009/089528获知的Benthic Geotech PROD钻井装置，其从水底3收集多个含水合物芯样5，并且将收集的芯样插入芯取样室4中，所述芯取样室4由可旋转的转盘组件8支撑。
当芯取样装置1保留在水底3上时，将所述束装有芯样5的气体收集室4从转盘组件8取下。该类操纵任务使用例如工作级ROV（远程操纵机器人）应不是很困难。可将底部开放的芯取样室4与转盘组件8集成，以使得完全避免该转移步骤。
如图2-4中更详细所示，芯取样室4为管，其在底部开放，并且在顶部封闭，并且每一个管的封闭的顶部4A包括孔9，所述孔9通到柔性气密管道6，柔性气密管道6在其上端连接到浮式船舶（未示出）处的甲烷感测组件。
图2和3显示出，在从芯取样装置1取出之后，将所述束芯取样室4例如通过连接到浮式船舶（未示出）上的绞盘的提升绳升高到低于天然气水合物稳定带底界（BGHZ）的水深，例如在100m到400m之间的水深，其中每一个芯取样室4包括单个芯样5。在这些变化的环境条件下，芯样5中的水合物将开始分解，释出甲烷（CH4）气体11和淡水。释放的甲烷（CH4）气体11将在浮力作用下在芯取样室4中升高，并且通过孔5逸出到柔性管道6中。在逸出室4后，甲烷（CH4）将通过浮力在管道6中升高，并且如由图3中箭头所示，漂浮到用于测量和分析的甲烷感测装置（未示出）。
图4显示出，在全部水合物已经从芯样9分解之后（这可从停止甲烷在具有开放底部的室4顶部中的收集而得到证实），可将所述束收集室4取回到水面船舶，在水面船舶中，芯样可从收集室4取出，并且收集室4中残余的沉积物和水可取回用于后面的分析。
如果根据本发明的方法和系统确定了水底中存在的可开采水合物沉积物，则可将生产系统安装在取得芯样的位置处，所述生产系统可从水底挖掘出甲烷水合物、沉积物和海水浆体，并且将挖掘的浆体向上泵送通过立管到达水面处的生产平台，在生产平台中，甲烷可与浆体分离，并且运送到市场。图5显示了可任选的水面船舶顶部设备，包括水气分离罐20，其连接到图3中所示的管道6的上端，并且还连接到排水管道21和排气管道22。
排水管道21包括水泵23，其将收集的水泵送到水处理罐中，或在可任选的清洁之后，泵送到水体24中。
分开的水分离罐20可连接到每一个柔性气/水管道6，并且因此连接到每一个底部开放的钢样品存储室4。在该情况下，每一个管道6进入分开的气液分离罐20中，气液分离罐20开始时装有水。该罐20可具有带刻度的玻璃侧窗或易于确定罐20中的水面高度的一些其他装置。水泵23连接到罐20的底部，水泵23逐渐从存储罐抽出海水，使水通过柔性气/水管道6从样品存储室4吸入。经过水泵23的水可被清洁，然后排放到大海中，或存放用于后面的分析（例如盐度分析，用于证实由于水合物分解而淡化）。
当水合物分解，并且气体进入底部开放的样品存储室4的顶部中时，气水混合物向上通过柔性水/气管道6进入水气分离罐20。当进入罐20中时，混合物的气态部分升高到罐20的顶部，水部分与已经存在于存储罐20中的水混合。因而，所有从芯取样室4释出的甲烷气体（CH4）收集在存储罐20中。气体体积可容易地测量，并且其可从存储罐20顶部抽出，用于分开存储和/或分析（例如组分分析）。
根据本发明的方法可用于多个替代实施例中，例如：
A）在分解过程中，省除用于将气体收回到水面船舶的柔性管道6，而是简单地使底部开放的样品收集室4足够大来存储全部释出的气体。底部开放的样品收集室4中的气体量可以在采收之前通过观察底部开放的管中的水面高度可靠地估计，例如使用声学装置如底部开放的管中的回声探测仪来估计含气部分的高度。
B）使气体经由计量装置从底部开放的样品收集室4的顶部逸出，所述计量装置计量通过样品收集室4的顶部中的孔释放的气体体积和成分。计量装置可通过实时数据传输电缆连接到船舶，或其可配备有无线测量数据传输系统或附接用于以后检索数据的记录装置。在后一种情况下，记录装置将需要记录计量的体积相对于压力，因为给定量的气体的体积是取决于压力的。用于计量数量的时间信号也可用于该目的，因为在通常的测量情况下，测量设备的水下深度是记录时间的，因此可从时间转换到深度，并进而转换到压力。
C）在水下操纵装有芯样的管证明困难的情况下，在从钻柱取下时，可使用气密密封系统来使芯样管气密密封。在将钻机升高到BGHZ上方时，天然气水合物将开始分解，并且驱出的气体可通过气体管路收集（传送到船舶或存储在钻机上）或如上面所述进行计量。
虽然密封件的气密性不需要达到保存天然气水合物所需的高压级别，如在从美国专利6,659,204获知的压力取芯技术所要达到的，但是可在基本上密封的样品存储室中存储芯样和降低芯样的压力。
图6-9显示了芯样可怎样在基本上密封的样品存储室中存储和减小压力。
图6中，箭头60显示了芯样5怎样升离芯取样装置1的钻杆61（如图1中所示），然后插入芯样钢保持管62中，所述芯样钢保持管在其下端配备有芯样获取器63。
图7中，箭头64显示了芯样保持管62怎样移动到转盘组件8（如图1中所示）的压力密封设备的可枢转夹爪65,66中。
图8显示了夹爪65,66怎样围绕枢轴70,71枢转，以使弹性密封件72,73抵靠芯样保持管62的上端和下端加压。上夹爪65包括开口75，其连接到柔性气体释放管道76。
图9显示了芯样5怎样通过将密封的芯样管62升高到小于BHGZ的水深来减小压力，其中，减小压力通过气体释放管道的柔性壁76实现，所述柔性壁用作管道76的外部和内部之间的均压膜，以使芯样5的孔中的流体压力基本上等于周围海水77的环境压力，所述压力处于小于BHGZ的水深，以使芯样7中的所有甲烷水合物分解成水和甲烷（CH4），并且所有甲烷将通过并且沿着芯样5升高，流入管道76中，如箭头78所标示。由芯样5释放的甲烷78的通量可由与上夹爪65中的开口75相邻安装的甲烷通量计79计量。释放的甲烷通量78可释放到海水77中或存储在图5中所示的气体存储罐中，以用于进一步分析。应可理解，图5-9中所示的密封芯样保持管组件优于图1-4中所示的具有开放底部的芯样管4的一个优点是，由于没有芯样5中的水底沉积物的碎裂部分从由图5-9中所示的密封芯样保持管62形成的芯样保持室的开放底部落下，因此芯样5保持得更完好无损以用于在芯样研究实验室中进一步分析。
总之，根据本发明的方法和系统提供了一种装置，其中，芯样的甲烷含量通过在芯样在水柱中从取样深度升高到高于天然气水合物稳定带底界（BGHZ）的高度时测量由含天然气水合物的芯样释出的气体体积来估计。
用于根据本发明的系统中的芯样存储室优选包括底部开放的管，用于容纳芯样和从芯样释出的气体。
如此释出的气体可从底部开放的管升高到水面船舶，在水面船舶测量释出的气体的体积。
替代地，可使释出的气体经由气体计量系统从底部开放的管的顶部逸出，由此测量释出的气体的体积。
替代地，释出的气体可被收集在底部开放的管的顶部中，并且可测量气体柱的高度，由此测量释出的气体的体积。
气体收集装置可以是海底钻井和取芯装置的一体部件，由此不需要将芯样从芯盒转移到气体收集装置，其中，气密密封件形成在海底钻机的存储转盘内的芯样管周围，由此不需要将芯转移到转盘内的底部开放的管中。
应可理解，根据本发明的方法可应用在任何水体的任何深水区域中，例如大洋、海、峡湾、湖或河，并且提到的深海和/或海底应理解为适应于任何水体和/或任何水体的底部。
总之，根据本发明，水下的包含甲烷水合物的水底沉积物（3）的甲烷含量可通过以下步骤确定：
从水底沉积物（3）获取芯样（5）；
将所述芯样（5）存储在存储室（4）中；
将所述存储室（4）升高到预定水深（已知为BGHZ，即天然气水合物稳定带底界），在所述水深处，所述芯样（5）中的甲烷水合物晶体分解成水和甲烷；和
测量由升高的芯样（5）释放的甲烷量。
Claims (14)
1.一种用于确定水底样品的甲烷含量的方法，所述方法包括：
从水底中的沉积物获取芯样；
将所述芯样存储在存储室中；
将所述存储室和芯样升高到处于环境压力下的预定水深，在所述处于环境压力下的预定水深，所述芯样中的所有甲烷水合物晶体分解成水和甲烷；
测量由所述升高的芯样释放的甲烷量；和
根据由所述升高的芯样释放的甲烷量确定水底沉积物的甲烷含量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述水底沉积物位于甲烷水合物晶体保持稳定的深水区域中，并且所述存储室从水底升高到所处的环境压力小于所述芯样中的所有甲烷水合物晶体的甲烷水合物分解压力的水深处，由此使升高的所述芯样中的所有甲烷水合物分解成甲烷和水。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，由所述芯样释放的甲烷量通过甲烷感测装置测量，所述甲烷感测装置通过管道连接到所述存储室，其位于在水面漂浮的船舶上。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述存储室为具有开放底部和密封顶部的管，所述管道穿过所述密封顶部，以使释放的甲烷通过所述管道渗透到所述甲烷感测装置中。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述芯样通过水底取芯钻机获取。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述水底取芯钻机能够在水底上移动自身。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述水底取芯钻机包括框架、竖直取芯钻装置，所述框架安装在腿、轮和/或履带机构上，所述竖直取芯钻装置构造用于将每一个芯样移动到芯样存储室中，所述芯样存储室形成芯样存储室束的一部分，所述芯样存储室束作为可旋转和可拆除的转盘组件安装在所述框架上。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述芯样存储室束连接到柔性管道束，柔性管道束的柔性管道固定到从浮式船舶悬挂的提升绳。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述水深大于400米，并且所述芯样存储室束由所述提升绳升高到高于水合物稳定带的水深，在所述高于水合物稳定带的水深处，环境水压力小于所述芯样中的所有甲烷水合物晶体的甲烷水合物分解压力，所述区域位于小于400米水深处。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，如果所述水底样品确定了水底沉积物中的可采收的甲烷水合物量，则随后从所述水底沉积物挖掘甲烷水合物，其中，将挖掘的甲烷水合物减压和/或加热，以使甲烷水合物分解并释放甲烷。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，将生产的甲烷转变为可销售产品，例如管道天然气、液化天然气（LNG）和/或气转油（GTL）产品。
12.一种用于确定水底样品的甲烷含量的系统，所述系统包括：
芯取样装置，用于从水底中的沉积物获取芯样；
存储室，用于存储所述芯样；
用于将所述存储室和芯样升高到处于环境压力的预定水深的装置，在所述处于环境压力下的预定水深，所述芯样中的所有甲烷水合物晶体分解成水和甲烷；
甲烷感测装置，用于测量由升高的芯样释放的甲烷量；和
用于根据由升高的芯样释放的甲烷量确定所述水底沉积物的甲烷含量的装置。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述芯取样装置包括：
框架，安装在腿、轮和/或履带机构上，所述腿、轮和/或履带机构构造用于在水体底部上沿任何方向移动所述框架；和
竖直取芯钻装置，构造用于将每一个芯样移动到芯样存储室中，所述芯样存储室构造用于在基本上等于围绕所述竖直取芯钻装置的流体的环境压力的压力下存储芯样，并且形成芯样存储束室的一部分，所述芯样存储室束作为可旋转和可拆除的转盘组件安装在所述框架上。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述芯样存储室束连接到柔性管道束，所述柔性管道束的柔性管道固定到从浮式船舶悬挂的提升绳。
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