CN103410488B - 天然气水合物排水采气开采装置及其开采方法 - Google Patents

Abstract

天然气水合物排水采气开采装置及其开采方法，属于天然气水合物的开采技术领域。与天然气水合物层（29）连通的进料腔（12）连接有井内气液分离器（7），井内气液分离器（7）的排气腔（8）连通采气套管（17），井内气液分离器（7）的排水口连通下部的存液腔（2）。利用上述装置的开采方法首先对天然气水合物层（29）进行加热，利用井内气液分离器（7）对天然气水合物分解产生的气水混合物进行分离，同时利用液位监控装置调节电潜泵（4）的排水速度，控制天然气水合物的分解速度，本发明具有有效防止天然气水合物开采井积液、提高采气效率、工作安全可靠、保护环境、使用寿命长等优点。

Description

天然气水合物排水采气开采装置及其开采方法

技术领域

天然气水合物排水采气开采装置及其开采方法，属于天然气水合物的开采技术领域，具体涉及一种综合利用加热法和排水降压法开采天然气水合物的装置及使用此装置的开采方法。

背景技术

天然气水合物（natural gas hydrate，简称NGH），是天然气在一定的低温、高压下与水形成的非化学计量笼形化合物，也被称为“可燃冰”。1m³天然气水合物可含164m³甲烷气和0.8m³的水。“可燃冰”是天然气的附生产品，应用范围与天然气大致相同，是一种典型的石油替代品。“可燃冰”极易燃烧，在同等条件下，“可燃冰”燃烧产生的能量比煤、石油、天然气要高出数十倍，被誉为“属于未来的超级能源”。

我国的可燃冰储量十分丰富，根据调查研究，我国的天然气水合物主要分布在南海海域、东海海域、青藏高原冻土带以及东北冻土带。

人为地打破天然气水合物稳定存在的相平衡条件，促使其分解，是目前开发天然气水合物的主要方法。根据天然气水合物的平衡相图，大体上可分为加热法、化学法、降压法三类。

加热法：此方法主要是将蒸汽、热水、热盐水或其它热流体介质从地面泵入天然气水合物储层，也可采用开采重油时使用的火驱法或利用钻柱加热器。热开采技术的主要不足是会造成大量的热损失，效率很低。

添加化学剂：某些化学剂，诸如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等化学剂可以改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定温度。添加化学剂最大的缺点是费用太昂贵。由于大洋中天然气水合物的压力较高，因而不宜采用此方法。

降压法：通过降低压力而引起天然气水合物稳定的相平衡曲线的移动，从而达到促使天然气水合物分解的目的。开采水合物层之下的游离气是降低储层压力的一种有效方法，另外通过调节天然气的提取速度可以达到控制储层压力的目的，进而达到控制水合物分解的效果。降压法最大的特点是不需要昂贵的连续激发，因而其可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一。

CN 200910059321.8公开了一种通过水泵向天然气水合物开采井外排水的装置和方法，通过排水降低天然气水合物层的压力，促进天然气水合物层的分解。但是单纯采用降压法提供的分解推动力小，且天然气水合物分解造成温度降低，当温度降低到0℃以下，还会造成冰堵塞和天然气水合物分解的停滞，CN 20111048906.4公开了一种排水降压的同时加热的方法开采天然气水合物，连续促进水合物的分解，上述两种方法都是利用水合物分解后气体上逸，水由于自重下落，水泵将水排出天然气水合物开采井外，但实际上分解气体上逸时携带大量的水汽，上逸速度很慢，开采效率很低，而且实验中发现分解气体中的水汽在到达地面之前凝结成为水或凝析液滞留在天然气水合物开采井内，在采气套管内容易形成液柱，很容易对气藏造成额外的静水回压，此时水泵抽的只是天然气水合物开采井底部存液腔内的水，无法抽出采气套管内的水柱，聚集的液柱终将会把气压死，造成天然气水合物开采井积液，导致天然气水合物开采井停产。而且CN 20111048906.4中利用水平井燃烧加热，首先钻水平井的成本非常高，而且随着开采的逐渐深入一个水平井肯定是不够的，其次在天然气水合物开采井内燃烧加热不安全，天然气水合物开采井内外都有可燃气体，使用明火直接加热非常危险。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种采气效率高、有效防止天然气水合物开采井积液的天然气水合物排水采气开采装置及其开采方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该天然气水合物排水采气开采装置，包括加热装置、排水装置和气体收集装置，加热装置固定在天然气水合物开采井内对天然气水合物层进行加热，排水装置包括电潜泵和液位监控装置，电潜泵固定在天然气水合物开采井底部的存液腔内，液位监控装置与电潜泵连接并实时监控存液腔内的液位，气体收集装置通过采气套管连通天然气水合物开采井内部，其特征在于：所述天然气水合物开采井在存液腔的上方设有与天然气水合物层连通的进料腔，进料腔连接有井内气液分离器，井内气液分离器的排气腔连通采气套管，井内气液分离器的排水口连通下部的存液腔。井内气液分离器在天然气水合物开采井内对气水混合物进行快速实时分离，有效防止气水混合物在直接上升过程中水汽凝结造成天然气水合物开采井积液，同时气体经过井内气液分离器分离后含水量明显降低，密度减小，气体上逸的速度加快，提高了采气效率。

所述加热装置为固定在进料腔上方的微波发生器。微波发生器直接对天然气水合物加热，能力利用率高，无明火，安全可靠。

所述进料腔与天然气水合物层之间设有防砂装置，进料腔上下两端通过封隔器与天然气水合物开采井其他部分隔开。防砂装置能够防止天然气水合物分解产生的砂石进入天然气水合物开采井内，防止砂石损坏井内气液分离器、电潜泵等设备，同时避免砂石堵塞天然气水合物开采井。

所述气体收集装置包括地面气液分离器和采出水处理设备，地面气液分离器将采气套管内的气体再次分离后，干燥气体输送入外输气管道，分离出的水输送入后续采出水处理设备。地面气液分离器对分解气体进行二次分离，进一步干燥分解气体，采出水中含有大量的难以降解的有机污染物，利用采出水处理设备处理后再排放，保护环境。

所述外输气管道与地面气液分离器之间设有天然气压缩机。利用天然气压缩机的抽吸作用对井下进行快速降压并增强采气套管内气体携液能力，提高采气效率，减少气体在天然气水合物开采井内上逸的时间，防止气体内的水汽在天然气水合物开采井内凝结造成积液，同时对采出的天然气进行增压输送。

所述液位监控装置为固定在存液腔上方的井下液位检测探头和地面的变频器，井下液位检测探头与变频器通过信号线缆，电潜泵的动力线缆与变频器连接。通过液位检测探头实时检测存液腔内的液位高度，并通过变频器控制电潜泵的排水速度，是存液腔内的液位保持在设定的高度。

所述井下液位检测探头外安装有导波管，导波管为一上部管壁开孔的空心铁管。导波管可以防止存液腔内液体飞溅及其他部件对井下液位检测探头发射波束的回波干扰，提高液位检测精度与稳定度，上部管壁开孔使管内外压力相等。

所述动力线缆和信号线缆穿过进料腔的部位外侧套有穿线管，穿线管竖直固定在进料腔内，动力线缆和信号线缆密封穿过穿线管两端。进料腔内的气水混合物流速较大，穿线管可以防止气水混合物对动力线缆和信号线缆造成冲刷，提高设备的使用寿命。

所述信号线缆还连接有安装在地面的监控设备。通过监控设备工作人员可以实时监控井下设备的工况机液位高度。

一种利用上述的天然气水合物排水采气开采装置的开采方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、通过加热装置对天然气水合物层进行加热；

步骤2、在天然气水合物开采井内对气水混合物进行分离，天然气水合物分解形成气水混合物进入进料腔，气水混合物经过井内气液分离器分离，气体进入采气套管，水向下进入存液腔；

步骤3、液位监控装置检测存液腔内液位高度，自动控制电潜泵的排水速度，使存液腔内的水位保持在设定的高度，从而控制天然气水合物开采井内的压力，控制天然气水合物的分解速度。

与现有技术相比，本发明天然气水合物排水采气开采装置及其开采方法所具有的有益效果是：

1、加热法与排水降压法提高天然气水合物的分解速度，提高采气效率。利用井内气液分离器在天然气水合物开采井内对气水混合物进行分离，首先将水排到进料腔下面的存液腔，然后利用电潜泵将水排出天然气水合物开采井，有效防止气水混合物在直接上升过程中水汽凝结造成天然气水合物开采井积液，同时气体经过井内气液分离器分离后含水量明显降低，密度减小，气体上逸的速度加快，进一步提高了采气效率。

2、采用微波发生器对天然气水合物层加热，热量损失小，能源利用率高，而且相对于明火加热导热介质或直接加热天然气水合物开采井内的天然气水合物，工作安全可靠。

3、天然气水合物开采井的进料腔与天然气水合物层之间设有防砂装置，有效防止天然气水合物分解后产生的砂石落入天然气水合物开采井底部的存液腔，避免砂石造成存液腔液位测量不准确，甚至砂石将电潜泵堵死，造成无法排水，将直接造成天然气水合物开采井停产。

4、分解气体输送到地面后进行二次气水分离，进一步干燥气体，直接送入外输气管道，分离出的水以及电潜泵直接排出的水经过采出水处理设备处理后排放，保护环境。

5、利用天然气压缩机的抽吸作用对井下进行快速降压并增强采气套管内气体携液能力，提高采气效率，减少气体在天然气水合物开采井内上逸的时间，防止气体内的水汽在天然气水合物开采井内凝结造成积液，采出的天然气经天然气压缩机增压后送入外输气管道。

6、利用液位监控装置和变频器，自动控制电潜泵的排水速度，控制存液腔的内水位保持在一定高度，保持天然气水合物的分解速度。

7、液位监控装置采用井下液位检测探头，在井下液位检测探头外安装有导波管，防止存液腔内液体飞溅及其他部件对井下液位检测探头发射波束的回波干扰，提高液位检测精度与稳定度。

8、穿线管可以防止气水混合物对动力线缆和信号线缆造成冲刷，提高设备的使用寿命。

附图说明

图1是本发明天然气水合物排水采气开采装置的结构示意图。

图2是导波管的结构示意图。

其中：1、扶正器  2、存液腔  3、天然气水合物开采井  4、电潜泵  5、导波管  6、井下液位检测探头  7、井内气液分离器  8、排气腔  9、导叶  10、穿线管  11、防砂装置  12、进料腔  13、封隔器  14、微波发生器  15、信号线缆  16、动力线缆  17、采气套管  18、排水管  19、监控设备  20、变频器  21、工业用电  22、变压器  23、地面气液分离器  24、天然气压缩机  25、采出水处理设备  26、外输气管道  27、排水管道  28、盖层  29、天然气水合物层  30、底层。

具体实施方式

图1～2是本发明天然气水合物排水采气开采装置及其开采方法的最佳实施例，下面结合附图1～2对本发明做进一步说明。

参照附图1：该天然气水合物排水采气开采装置，包括连通天然气水合物层29的天然气水合物开采井3，固定在天然气水合物开采井3底部的电潜泵4和固定在天然气水合物开采井3中部的微波发生器14，电潜泵4的上方连接有井内气液分离器7，微波发生器14加热天然气水合物层29，天然气水合物分解产生的气体和水经过井内气液分离器7分离，气体经过采气套管17输送至地面上，水经过电潜泵4排出天然气水合物开采井3外，实现加热分解、气液分离、排水降压、采气同步连续开采，提高采气效率和产量，防止出现天然气水合物开采井积液。

天然气水合物开采井3穿过盖层28连通天然气水合物层29并继续向下连通底层30，天然气水合物开采井3内同心设有采气套管17，位于天然气水合物层29的天然气水合物开采井3内设有微波发生器14，微波发生器14利用自身重力紧贴天然气水合物开采井3内壁固定在天然气水合物层29，微波发生器14下方的天然气水合物开采井3内壁通过防砂装置11与天然气水合物层29连通，分解后的气水混合物通过防砂装置11进入天然气水合物开采井3内，防砂装置11有效防止水合物分解时产生的砂石等杂质堵塞天然气水合物开采井3。

防砂装置11上下两端分别设有封隔器13，上下两个封隔器13和防砂装置11之间构成进料腔12，进料腔12下端连通有竖直设置的井内气液分离器7，井内气液分离器7上部有导叶9，导叶9将进料腔12内的气水混合物造旋并导向引入井内气液分离器7内，利用离心力将气水混合物分离，井内气液分离器7的排气腔8连通采气套管17，井内气液分离器7排水口向下连通存液腔2。

上方的封隔器13可以防止气水混合物直接上逸，如果气水混合物直接上逸，水汽凝结会在天然气水合物开采井3内形成水柱，造成积液；下方的封隔器13作用是阻止存液腔2内的水反向进入天然气水合物层29，存液腔2内的水压力比较大，随着天然气水合物的分解，天然气水合物层29的压力随之减小，存液腔2内的水很容易反向进入天然气水合物层29和进料腔12，下方的封隔器13可以有效防止存液腔2内的水逆向流动。

电潜泵4固定安装在天然气水合物开采井3底部的存液腔2内，电潜泵4上端连接排水管18，排水管18同心穿设于采气套管17内，井内气液分离器7的排气腔8为套在排水管18外侧的环形空腔，电潜泵4与天然气水合物开采井3内壁之间设有扶正器1，电潜泵4是天然气水合物开采井3能否顺利开采的关键，电潜泵4工作中会产生振动，一旦与排水管18脱落，天然气水合物开采井3将无法工作，扶正器1可以防止电潜泵4工作过程中发生倾斜，确保电潜泵4工作正常进行，延长使用寿命。

采气套管17上升到地面后进入地面气液分离器23，进一步对分解气体进行脱水处理，地面气液分离器23的出气口连接有天然气压缩机24，通过天然气压缩机24的抽吸作用对井下进行快速降压并增强采气套管17内气体携液能力，提高采气效率，天然气压缩机24出口连接外输气管道26，天然气压缩机24对天然气增压后送入外输气管道26。

地面气液分离器23出水口连接采出水处理设备25，排水管18穿出采气套管17后也连接采出水处理设备25，电潜泵4排出的水同地面气液分离器23分离出的水一起进入采出水处理设备25，采出水中含有大量的难以降解的有机污染物，利用采出水处理设备25处理后排放或进入其他工艺流程，保护环境。

变压器22分别为微波发生器14和电潜泵4配电，为电潜泵4所配电流先进入变频器20，变频器20输出电流与微波发生器14所配电流一起通过动力线缆16输送到井下。

天然气水合物开采井3在存液腔2的上方安装有井下液位检测探头6，井下液位检测探头6向存液腔2内发射波束并检测回波，利用时间差计算出液位高度，变换成信号通过信号线缆15传输到地面，进入变频器20内。变频器20根据液位检测值与设定值的差异，通过PID等控制算法，调节输出电流的频率，通过动力线缆16控制电潜泵4的排水速度，由此，存液腔2内液位实现自动控制，使液位稳定在电潜泵4吸入口与井内气液分离器7底部之间的一定高度区域内。

井下液位检测探头6同时通过信号线缆15将信号输送到监控设备19上，供工作人员监控井况。为防止存液腔2内液体飞溅及其他部件对井下液位检测探头6发射波束的回波干扰，在井下液位检测探头6外安装有导波管5，如图2，导波管5为一空心铁管，铁管上部开设小孔使管内外压力相等，导波管5可提高液位检测精度与稳定度。

动力线缆16与信号线缆15经过进料腔12的部位外侧套有穿线管10，穿线管10两端竖直固定在两个封隔器13之间的进料腔12内，动力线缆16与信号线缆15密封穿过穿线管10两端，进料腔12内的气水混合物流动速度较大，穿线管10能够防止动力线缆16与信号线缆15受到冲刷损坏，提高设备的使用寿命。

利用上述天然气水合物排水采气开采装置的开采方法，包括以下步骤：

步骤1、通过加热装置对天然气水合物层29进行加热；

微波发生器14对天然气水合物层29加热，天然气水合物分解，气水混合物经过防砂装置11后进入天然气水合物开采井3的进料腔12；

步骤2、在天然气水合物开采井3内对气水混合物进行分离，天然气水合物分解形成气水混合物进入进料腔12，气水混合物经过井内气液分离器7分离，气体进入采气套管17，水向下进入存液腔2；

气水混合物由进料腔12进入井内气液分离器7，经过导叶9形成高速旋转流，水所受的离心力大，被甩到井内气液分离器7的壁上，聚结后向下经排水口进入存液腔2，气体所受离心力小，通过排气腔8向上进入采气套管17，气体采出后进入地面气液分离器23进行进一步的分离处理，地面气液分离器23的出气口接连天然气压缩机24，通过天然气压缩机24的抽吸作用对井下进行快速降压并增强采气套管17内气体携液能力，有效提高采气效率，增加产量，增压后的天然气输往外输气管道26；

步骤3、液位监控装置检测存液腔2内液位高度，自动控制电潜泵4的排水速度，使存液腔2内的水位保持在设定的高度，控制天然气水合物的分解速度。

井下液位检测探头6检测存液腔2内液位的高度，换成信号通过信号线缆15传输到地面，进入变频器20内，变频器20根据液位检测值与设定值的差异，通过PID等控制算法，调节输出电流的频率，通过动力线缆16控制电潜泵4的排水速度，一方面控制液位高度，另一方面调节天然气水合物开采井3内的压力，便于更好的控制控制天然气水合物的分解速度，井下液位检测探头6同时通过信号线缆15将信号输送到地面的监控设备19上，供工作人员监控井况。

以上是本发明的最佳实施列，本发明中的液位监控装置还可以采用压力传感器。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种天然气水合物排水采气开采装置，包括加热装置、排水装置和气体收集装置，加热装置固定在天然气水合物开采井（3）内对天然气水合物层（29）进行加热，排水装置包括电潜泵（4）和液位监控装置，电潜泵（4）固定在天然气水合物开采井（3）底部的存液腔（2）内，液位监控装置与电潜泵（4）连接并实时监控存液腔（2）内的液位，气体收集装置通过采气套管（17）连通天然气水合物开采井（3）内部，其特征在于：所述天然气水合物开采井（3）在存液腔（2）的上方设有与天然气水合物层（29）连通的进料腔（12），进料腔（12）连接有井内气液分离器（7），井内气液分离器（7）的排气腔（8）连通采气套管（17），井内气液分离器（7）的排水口连通下部的存液腔（2）；

所述进料腔（12）与天然气水合物层（29）之间设有防砂装置（11），进料腔（12）上下两端通过封隔器（13）与天然气水合物开采井（3）其他部分隔开。

2.根据权利要求1所述的天然气水合物排水采气开采装置，其特征在于：所述加热装置为固定在进料腔（12）上方的微波发生器（14）。

3.根据权利要求1所述的天然气水合物排水采气开采装置，其特征在于：所述气体收集装置包括地面气液分离器（23）和采出水处理设备（25），地面气液分离器（23）将采气套管（17）内的气体再次分离后，干燥气体输送入外输气管道（26），分离出的水输送入后续采出水处理设备（25）。

4.根据权利要求3所述的天然气水合物排水采气开采装置，其特征在于：所述外输气管道（26）与地面气液分离器（23）之间设有天然气压缩机（24）。

5.根据权利要求1所述的天然气水合物排水采气开采装置，其特征在于：所述液位监控装置为固定在存液腔（2）上方的井下液位检测探头（6）和地面的变频器（20），井下液位检测探头（6）与变频器（20）通过信号线缆（15）连接，电潜泵（4）的动力线缆（16）与变频器（20）连接。

6.根据权利要求5所述的天然气水合物排水采气开采装置，其特征在于：所述井下液位检测探头（6）外安装有导波管（5），导波管（5）为一上部管壁开孔的空心铁管。

7.根据权利要求5所述的天然气水合物排水采气开采装置，其特征在于：所述动力线缆（16）和信号线缆（15）穿过进料腔（12）的部位外侧套有穿线管（10），穿线管（10）竖直固定在进料腔（12）内，动力线缆（16）和信号线缆（15）密封穿过穿线管（10）两端。

8.根据权利要求5或7所述的天然气水合物排水采气开采装置，其特征在于：所述信号线缆（15）还连接有安装在地面的监控设备（19）。

9.一种利用权利要求1～8任一项所述的天然气水合物排水采气开采装置的开采方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、通过加热装置对天然气水合物层（29）进行加热；

步骤2、在天然气水合物开采井（3）内对气水混合物进行分离，天然气水合物分解形成气水混合物进入进料腔（12），气水混合物经过井内气液分离器（7）分离，气体进入采气套管（17），水向下进入存液腔（2）；

步骤3、液位监控装置检测存液腔（2）内液位高度，自动控制电潜泵（4）的排水速度，液位监控装置为固定在存液腔（2）上方的井下液位检测探头（6）和地面的变频器（20），井下液位检测探头（6）向存液腔（2）内发射波束并检测回波，利用时间差计算出液位高度，变换成信号通过信号线缆（15）传输到地面，进入变频器（20）内，变频器（20）根据液位检测值与设定值的差异，通过PID等控制算法，调节输出电流的频率，通过动力线缆（16）控制电潜泵（4）的排水速度，由此，存液腔（2）内液位实现自动控制，使液位稳定在电潜泵（4）吸入口与井内气液分离器（7）底部之间的一定高度区域内，使存液腔（2）内的水位保持在设定的高度，从而控制天然气水合物开采井（3）内的压力，控制天然气水合物的分解速度。