CN105134152B - 一种利用热力射流开采天然气水合物的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用热力射流开采天然气水合物的方法及系统。该方法包括：将燃烧反应装置下置于天然气水合物储层的井内目标位置，向其中注入氧气和燃料，并通电点火，燃烧产物经燃烧反应装置喷出形成高速射流，射流和燃烧产生的热作用于天然气水合物储层，使天然气水合物分解，分解出的天然气上返至地面；逐渐减少注入燃料直至停止，同时逐渐将部分上返至地面的天然气以及水注入，与氧气混合持续燃烧，使天然气水合物进一步分解。该系统至少包括：燃烧反应装置、连续油管内管、连续油管外管、电缆线、生产套管、供水装置、供燃料装置、供氧装置、天然气储集与供给装置以及泵组。本发明具有开采成本较低、开采效率较高、系统结构较为简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及到一种利用热力射流开采天然气水合物的方法及系统，属于能源开采技术领域。
背景技术
当前，全球经济不断发展，对能源的需求也在进一步增大，随着开发的进行，常规油气储量不断下降，且开采难度不断增大。天然气水合物在自然界中分布广泛，主要存在于海底0～1500m深的大陆架和北极等地的永久冻土带。据有关专家估计，天然气水合物总量巨大，总资源量为目前煤炭和油气总资源量的两倍。目前，已有多个国家发现天然气水合物矿藏，我国也在南海神狐海域、青海省祁连山南缘永久冻土带以及天峻县木里镇成功钻获可燃冰。1m3天然气水合物蕴藏的能量相当于164m3天然气的热值，且燃烧产物清洁无污染。因此，天然气水合物被认定为一种具有开发前景的潜在能源。
目前，对于天然气水合物开采的研究，仍处于探索阶段。理论上，天然气水合物的开采方法可以分成两个大类：一类是将含有天然气水合物的储层物质整体采出至地面，再通过一定的分离手段得到天然气水合物，比较典型的有固体开采法或水利提升法。这一类方法面临的困难为实施难度大且不可预见因素太多，因此，相关研究与报道相对较少。另一类方法的主要思路为破坏天然气水合物的生成条件或生存条件，使得储层中天然气水合物分解，进而实现开采的目的。依据该思路形成的开采技术主要有：热激发开采技术、降压开采技术、注化学试剂开采技术。近年来，有学者提出利用二氧化碳置换开采技术以及压裂开采技术等。
到目前为止，针对热激发开采思路的技术研究最多，总的来看，经历了注入热流体加热、火驱加热、井下电磁加热、微波加热几个发展方向与阶段。热激发法的原理是通过一定措施提高天然气水合物储层的温度，促使其分解平衡发生移动，产生自由气，从而实现开采。但传统加热方式的热利用效率较低，新型加热方式仍处于试验阶段，需要进一步完善。
降压开采技术主要也是依靠降低储层压力，破坏原有水合物分解平衡，从而产生自由气，达到开采的目的。降压主要依靠采用低密度钻井液钻井实现。当天然气水合物储层具有下伏的气层或者水层，也可以通过泵出游离气体或水来降低天然气水合物层的压力。降压法的优点是实施简便，成本较低。缺点主要体现在三个方面：一是开采速度慢；二是由于地面没有注入热量至水合物储层，水合物分解所吸收的热量必须由储层内周围物质提供，这会导致水合物储层周围环境温度降低，当温度降低到一定程度，会抑制水合物的进一步分解，进而导致产量下降；
注化学试剂开采技术的原理是通过将某些化学试剂，注入至天然气水合物储层，降低天然气水合物的稳定温度，诱导天然气水合物分解，从而实现开采。常用的化学试剂有盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等。化学试剂法的优点是操作简单方便，缺点是化学药剂作用速度相对较慢，而且价格相对昂贵，同时有可能引发环境污染，这在一定程度上限制了注化学试剂开采技术的发展。
此外，近几年有学者提出了二氧化碳置换开采以及压裂气体开采的思路。二氧化碳置换开采技术的原理通过向天然气水合物储层注入二氧化碳气体，生成二氧化碳水合物，置换出天然气水合物中甲烷的同时实现二氧化碳的埋存。压裂开采技术的原理是通过在天然气水合物储层制造人工裂缝，降低孔隙压力，提供天然气运移通道，促进水合物的开采。压裂开采技术主要包括水力压裂开采技术、高能气体压裂开采技术、爆炸压裂开采技术几种。
由上可知，目前还没有一种经济有效的方法可以用来实现天然气水合物的大规模工业化开采。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种利用热力射流开采天然气水合物的方法及系统。该方法及系统有望实现高效、经济开发天然气水合物。
为达到上述目的，本发明提供了一种利用热力射流开采天然气水合物的方法，其包括以下步骤：
将燃烧反应装置下置于天然气水合物储层的井内目标位置，向所述燃烧反应装置中注入含氧气体和燃料，并使所述燃烧反应装置通电点火，燃料开始燃烧，燃烧产物经所述燃烧反应装置喷出形成高速射流，燃烧产生的热和射流的冲击力作用于天然气水合物储层，使天然气水合物分解，分解出的天然气上返至地面；
然后逐渐减少向所述燃烧反应装置中注入燃料直至停止，同时逐渐将部分上返至地面的天然气以及水注入到所述燃烧反应装置中，与含氧气体混合，发生高强度持续性的超临界水氧化反应，氧化产物经所述燃烧反应装置喷出形成高速射流，燃烧产生的热和射流的冲击力作用于天然气水合物储层，使天然气水合物进一步分解，分解出的天然气上返至地面；
保持含氧气体与水向所述燃烧反应装置中的连续注入，以及部分分解出的并上返至地面的天然气向所述燃烧反应装置中的循环注入，从而实现对天然气水合物的开采。
在上述的方法，优选地，位于天然气水合物储层的井包括位于天然气水合物储层不同层位的多分支井；更优选地，位于天然气水合物储层的井是通过热力射流钻出的。其中，通过热力射流钻井可以参考CN103790516A(申请号：201410075665.9，发明名称：一种利用热力射流高效破岩的钻井新方法，本申请将其全文引用于此作为参考)中所公开的钻井方法。
在上述的方法，优选地，所述含氧气体为氧气；理论上氧气和纯氧都可以，为了保证反应程度，在本发明的一具体实施方式中，使用的是纯氧。
在上述的方法，优选地，所述含氧气体、燃料、水以及部分上返至地面的天然气是通过两个不同直径、内外相套的连续油管管路注入到所述燃烧反应装置中的，其中，所述含氧气体是通过连续油管外管注入，所述燃料、水以及部分上返至地面的天然气是通过连续油管内管注入。
在上述的方法，优选地，所述分解出的天然气上返至地面是通过生产套管，所述生产套管的直径大于所述连续油管外管，并套于所述连续油管外管之外。
在上述的方法，优选地，使所述燃烧反应装置通电点火是通过连接于所述燃烧反应装置的电缆线，所述电缆线设置于所述连续油管外管与所述连续油管内管之间，并与所述燃烧反应装置中的电阻丝相连接。
在上述的方法，优选地，使所述燃烧反应装置通电点火，当燃料开始燃烧后，便停止对所述燃烧反应装置通电。由于燃烧反应能放出大量的热，所以当燃料开始燃烧后便无需再提供热量，反应便可以自发进行下去。
在上述的方法，优选地，开始向所述燃烧反应装置中逐渐注入部分上返至地面的天然气以及水后，控制所述燃烧反应装置的燃烧反应腔内的压力在30MPa以上(可以通过地面泵组控制该压力)。
在上述的方法，优选地，调节注入到所述燃烧反应装置中的含氧气体与部分上返至地面的天然气的速率比，以控制所述燃烧反应装置中的火焰温度，进而控制开采速率。更优选地，定义反应中实际注入含氧气体量与理论所需含氧气体量之比为反应系数，调节含氧气体的反应系数为0.5～6。尤为优选地，调节含氧气体的反应系数为2.5～6，可以进一步实现燃料更充分的燃烧。
根据本发明的具体实施方式，优选地，上述的方法还包括以下步骤：对上返至地面的天然气进行分离以得到纯净的天然气，并且注入到所述燃烧反应装置中的部分上返至地面的天然气为分离后得到的纯净的天然气。上返至地面的天然气实际上是气水混合物，经气液分离后，可以得到纯净的天然气。
在上述的方法，优选地，所述燃料包括甲醇、甲烷、乙炔和氢气等中的一种或几种的组合。
在本发明提供的上述方法中，通过从地面注入少量燃料以及含氧气体至天然气水合物储层，在燃烧反应装置内加热电阻丝至燃料着火点实现点火，燃烧后的热流体经燃烧反应装置底部的喷嘴喷出，促使天然气水合物分解，分解的天然气返回地面后进入气液分离装置，然后逐渐停止注入燃料，并逐渐将分离出的部分天然气回注到燃烧反应装置，同时注入水，与含氧气体混合，燃烧反应装置内的水为超临界态，可以支持天然气与含氧气体的持续燃烧，燃烧着的超临界热流体通过喷嘴喷出，形成高速射流，促使天然气水合物进一步分解，从而实现天然气水合物的开采。在该方法中，燃烧产生的大量的热促使天然气水合物分解，同时能够有效防止水合物的再合成；并且，射流的冲击作用能够使热量传递速度加快，射流的破碎作用能够使天然气水合物藏不断露出新鲜面，增大了热作用面积；进而，燃烧热以及射流的复合作用，能够大大提高开采效率。另外，井下直接产热可以避免地面注热的损耗，提高能量利用率。
另一方面，本发明还提供了一种利用热力射流开采天然气水合物的系统，其为上述的利用热力射流开采天然气水合物的方法所采用的系统，该系统至少包括：燃烧反应装置、连续油管内管、连续油管外管、电缆线、生产套管、供水装置、供燃料装置、供氧装置、天然气储集与供给装置以及泵组；
所述燃烧反应装置设置于天然气水合物储层的井内目标位置，其包括燃烧反应腔、位于燃烧反应腔中的电阻丝、位于燃烧反应腔底部的喷嘴管道以及喷嘴出口；
所述生产套管连通地面以及井内天然气水合物储层的目标位置；
所述连续油管外管套于所述生产套管之中，所述连续油管内管套于所述连续油管外管之中，所述电缆线设置于所述连续油管外管与所述连续油管内管之间，并且所述连续油管外管、连续油管内管以及电缆线的始端位于地面之上，所述连续油管外管、连续油管内管以及电缆线的末端与所述燃烧反应装置连接，其中所述连续油管外管的末端和连续油管内管的末端连接于所述燃烧反应装置的燃烧反应腔，所述电缆线的末端连接于所述燃烧反应装置的燃烧反应腔中的电阻丝；
所述天然气储集与供给装置的一个接口与所述生产套管连接，另一接口与所述连续油管内管连接；所述供水装置与所述连续油管内管连接；所述供燃料装置与所述连续油管内管连接；所述供氧装置与所述连续油管外管连接；所述泵组连接于所述天然气储集与供给装置、供水装置、供燃料装置和供氧装置。
根据本发明的具体实施方式，优选地，上述的系统还包括气液分离装置，所述气液分离装置设置于所述天然气储集与供给装置与所述生产套管之间，所述天然气储集与供给装置的一个接口与所述气液分离装置的一个接口连接，所述天然气储集与供给装置的另一接口与所述连续油管内管连接，所述气液分离装置的另一个接口与所述生产套管连接。
在上述的系统中，优选地，所述生产套管通过水泥环固定于井筒内。
在上述的系统中，优选地，所述燃烧反应装置的喷嘴出口为渐扩锥形出口。
在本发明的上述系统中，气液分离装置是用于分离开采出的气水混合物；天然气储集与供给装置是用于储集天然气同时供给部分天然气回注到燃烧反应装置内支持燃烧；供水装置是用于在开采过程中给燃烧反应装置供水，以形成高速射流，并冷却燃烧反应装置，同时弥补储层压力亏空；供燃料装置是用于在开采初期为燃烧反应装置供给燃料以点火；供氧装置是用于提供燃烧过程中所需的含氧气体；生产套管是用于输送分解出的天然气至地面(优选是至气液分离装置中)；连续油管内管是用于输送燃料、天然气、水至燃烧反应装置；连续油管外管是用于输送含氧气体至燃烧反应装置；电缆线是用于通电加热燃烧反应装置中的电阻丝。
在本发明的上述系统中，所述燃烧反应装置的燃烧反应腔、电阻丝、喷嘴管道和喷嘴出口、连续油管内管、连续油管外管、电缆线、生产套管、供水装置、供燃料装置、供氧装置、天然气储集与供给装置、气液分离装置以及泵组均可以为本领域常规的部件和装置，其中，所述连续油管内管、连续油管外管以及生产套管的直径可以由本领域技术人员根据实际需要进行调节。
根据本发明的具体实施方式，优选地，本发明所提供的利用热力射流开采天然气水合物的方法可以包括以下步骤：
利用热力射流钻出多分支井至天然气水合物储层的不同层位；
将燃烧反应装置下置于各分支井的目标位置；所述燃烧反应装置包括燃烧反应腔、位于燃烧反应腔中的电阻丝、位于燃烧反应腔底部的喷嘴管道以及喷嘴出口；
将生产套管由地面下至各分支井的目标位置；
在连续油管外管中套入连续油管内管，并在所述连续油管外管和连续油管内管之间穿入电缆线，将所述连续油管外管套入所述生产套管之中，并将所述连续油管外管的末端、连续油管内管的末端以及电缆线的末端与所述燃烧反应装置连接，其中所述连续油管外管的末端和连续油管内管的末端连接于所述燃烧反应装置的燃烧反应腔，所述电缆线的末端连接于所述燃烧反应装置的燃烧反应腔中的电阻丝；
在地面上设置天然气储集与供给装置、气液分离装置、供水装置、供燃料装置、供氧装置以及泵组；将所述天然气储集与供给装置的一个接口与所述气液分离装置的一个接口连接，另一接口与所述连续油管内管连接；将所述气液分离装置的另一个接口与所述生产套管连接；将所述供水装置与所述连续油管内管连接；将所述供燃料装置与所述连续油管内管连接；将所述供氧装置与所述连续油管外管连接；将所述泵组连接于所述天然气储集与供给装置、供水装置、供燃料装置和供氧装置；
开启泵组，通过供氧装置从连续油管外管向燃烧反应装置的燃烧反应腔泵入含氧气体，通过供燃料装置从连续油管内管向燃烧反应装置的燃烧反应腔泵入燃料，并且给电缆线通电以加热燃烧反应腔中的电阻丝至燃料着火点，当燃料开始燃烧后，停止对电缆线通电进而停止对电阻丝的加热，燃烧产物经过燃烧反应腔底部的喷嘴管道，从喷嘴出口喷出形成高速射流，燃烧产生的热和射流的冲击力作用于天然气水合物储层，使天然气水合物分解，分解出的天然气沿生产套管上返进入气液分离装置分离出纯净的天然气，进入天然气储集与供给装置；
控制泵组，以逐渐减少向燃烧反应腔泵入燃料直至停止，同时通过天然气储集与供给装置从连续油管内管向燃烧反应装置的燃烧反应腔泵入部分分离出的纯净的天然气，并逐渐增加天然气的泵入，以保证燃烧反应腔内火焰的稳定，并通过泵组控制燃烧反应腔内的压力在30MPa以上(燃烧反应腔内的压力可以通过泵组调节天然气储集与供给装置、供水装置、供燃料装置和供氧装置中的一个或几个的注入量来控制)，同时通过供水装置从连续油管内管向燃烧反应装置的燃烧反应腔泵入水，由于此时燃烧反应腔内的压力高于30MPa，燃烧反应腔内的温度高于374.3℃，故从连续油管内管进入燃烧反应腔内的水变为超临界态(在压力大于22.1MPa、温度高于374.3℃时，水处于超临界状态，可以和甲烷气体实现很好的互溶，同时可以支持燃烧)，与同样从连续油管内管进入燃烧反应腔内的天然气以及从连续油管外管进入燃烧反应腔内的含氧气体充分混合、燃烧，发生高强度持续性的超临界水氧化反应，调节注入到燃烧反应腔内的含氧气体与天然气的速率比，以控制燃烧反应腔内的火焰温度，进而控制开采速率，氧化产物经过燃烧反应腔底部的喷嘴管道，从喷嘴出口喷出形成高速射流，燃烧产生的热和射流的冲击力作用于天然气水合物储层，使天然气水合物分解，分解出的天然气沿生产套管上返进入气液分离装置分离出纯净的天然气，进入天然气储集与供给装置；
保持含氧气体与水向燃烧反应腔中的连续泵入，以及部分分离出的纯净的天然气向燃烧反应腔中的循环注入，从而实现对天然气水合物的开采；
完成开采后，关闭泵组，停止泵入天然气、含氧气体和水，并上提生产套管、连续油管外管、连续油管内管、电缆线和燃烧反应装置。
本发明提供的利用热力射流开采天然气水合物的方法及系统，与现有技术相比，主要具备以下优点和特点：(1)开采成本较低，利用部分采出的天然气燃烧热实现井下加热，促进天然气水合物分解，避免了地面注热能量耗大的缺点，降低开采成本；(2)开采效率较高，由于燃烧热量大能够大大促进天然气水合物的分解以及抑制水合物的再形成，加之喷出射流的冲击力，能够使热量作用距离增大、热量传递速度加快，射流的破碎作用能够使天然气水合物藏不断露出新鲜面，增大了热作用面积，在射流冲击力和燃烧产生的热的耦合作用下，从而实现天然气水合物的高效开采，同时，由于促进天然气水合物分解的能量来源于井底氧化燃烧，避免了从地面注热热量利用率低的缺点，提高了热作用的效率；(3)系统结构较为简单，井下以及地面的装置及部件的结构设置均较为简单，从而能够使该方法具有较广的应用范围。由此可见，本发明提供的利用热力射流开采天然气水合物的方法及系统具有开采成本较低、开采效率较高、系统结构较为简单等优点，为实现天然气水合物的大规模工业化开采提供了一种可能的新思路。
附图说明
图1为本发明一具体实施方式的利用热力射流开采天然气水合物的系统的结构示意图；
图2为本发明一具体实施方式的利用热力射流开采天然气水合物的系统中的反应燃烧装置的结构示意图；
主要组件符号说明：
天然气储集与供给装置1，气液分离装置2，供水装置3，供燃料装置4，供氧装置5，连续油管内管6，水泥环7，连续油管外管8，生产套管9，上覆地层10，燃烧反应装置11，天然气水合物储层12，分解出的天然气13，高速射流14，下覆地层15，电缆线16，电阻丝17，燃烧反应腔18，喷嘴管道19，喷嘴出口20。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种利用热力射流开采天然气水合物的系统，如图1和图2所示，该系统包括：燃烧反应装置11、连续油管内管6、连续油管外管8、电缆线16、生产套管9、供水装置3、供燃料装置4、供氧装置5、天然气储集与供给装置1、气液分离装置2以及泵组；
所述燃烧反应装置11设置于天然气水合物储层12的井内目标位置，天然气水合物储层12之上为上覆地层10，之下为下覆地层15，所述燃烧反应装置11包括燃烧反应腔18、位于燃烧反应腔18中的电阻丝17、位于燃烧反应腔18底部的喷嘴管道19以及喷嘴出口20，该喷嘴出口20为渐扩锥形出口；
所述生产套管9连通地面以及井内天然气水合物储层12的目标位置，并且通过水泥环7固定于井筒内，用于输送分解出的天然气13(实际上是气水混合物)至气液分离装置2中；
所述连续油管外管8套于所述生产套管9之中，所述连续油管内管6套于所述连续油管外管8之中，所述电缆线16设置于所述连续油管外管8与所述连续油管内管6之间，并且所述连续油管外管8、连续油管内管6以及电缆线16的始端位于地面之上，所述连续油管外管8、连续油管内管6以及电缆线16的末端与所述燃烧反应装置11连接，其中所述连续油管外管8的末端和连续油管内管6的末端连接于所述燃烧反应装置11的燃烧反应腔18，所述电缆线16的末端连接于所述燃烧反应装置11的燃烧反应腔18中的电阻丝17；所述连续油管内管6用于输送燃料、天然气、水至所述燃烧反应装置11；所述连续油管外管8用于输送含氧气体至所述燃烧反应装置11；所述电缆线16用于通电加热所述燃烧反应装置11中的电阻丝17；
所述天然气储集与供给装置1的一个接口与所述气液分离装置2的一个接口连接，所述天然气储集与供给装置1的另一接口与所述连续油管内管6连接，所述气液分离装置2的另一个接口与所述生产套管9连接，所述气液分离装置2用于分离开采出的气水混合物，所述天然气储集与供给装置1用于储集天然气同时供给部分天然气回注到燃烧反应装置11内支持燃烧；所述供水装置3与所述连续油管内管6连接，用于在开采过程中给燃烧反应装置11供水，以形成高速射流14，并冷却燃烧反应装置11，同时弥补储层压力亏空；所述供燃料装置4与所述连续油管内管6连接，用于在开采初期为燃烧反应装置11供给燃料以点火；所述供氧装置5与所述连续油管外管8连接，用于提供燃烧过程中所需的含氧气体；所述泵组连接于所述天然气储集与供给装置1、供水装置3、供燃料装置4和供氧装置5。在的上述系统中，所述燃烧反应装置11的燃烧反应腔18、电阻丝17、喷嘴管道19和喷嘴出口20、连续油管内管6、连续油管外管8、电缆线16、生产套管9、供水装置3、供燃料装置4、供氧装置5、天然气储集与供给装置1、气液分离装置2以及泵组均可以为本领域常规的部件和装置，其中，所述连续油管内管6、连续油管外管8以及生产套管9的直径可以由本领域技术人员根据实际需要进行调节。
实施例2
本实施例提供了一种利用热力射流开采天然气水合物的方法，该方法采用实施例1提供的系统，其包括以下步骤：
利用热力射流钻出多分支井至天然气水合物储层12的不同层位，天然气水合物储层12之上为上覆地层10，之下为下覆地层15，其中通过热力射流钻井可以参考CN103790516A中所公开的钻井方法；
将燃烧反应装置11下置于各分支井的目标位置，所述燃烧反应装置11包括燃烧反应18、位于燃烧反应腔18中的电阻丝17、位于燃烧反应腔18底部的喷嘴管道19以及喷嘴出口20，该喷嘴出口20为渐扩锥形出口；
将生产套管9由地面下至各分支井的目标位置，并通过水泥环7固定于井筒内；
在连续油管外管8中套入连续油管内管6，并在所述连续油管外管8和连续油管内管6之间穿入电缆线16，将所述连续油管外管8套入所述生产套管9之中，并将所述连续油管外管8的末端、连续油管内管6的末端以及电缆线16的末端与所述燃烧反应装置11连接，其中所述连续油管外管8的末端和连续油管内管6的末端连接于所述燃烧反应装置11的燃烧反应腔18，所述电缆线16的末端连接于所述燃烧反应装置11的燃烧反应腔18中的电阻丝17；
在地面上设置天然气储集与供给装置1、气液分离装置2、供水装置3、供燃料装置4、供氧装置5以及泵组；将所述天然气储集与供给装置1的一个接口与所述气液分离装置2的一个接口连接，另一接口与所述连续油管内管6连接；将所述气液分离装置2的另一个接口与所述生产套管9连接；将所述供水装置3与所述连续油管内管6连接；将所述供燃料装置4与所述连续油管内管6连接；将所述供氧装置5与所述连续油管外管8连接；将所述泵组连接于所述天然气储集与供给装置1、供水装置3、供燃料装置4和供氧装置5；
开启泵组，通过供氧装置5从连续油管外管8向燃烧反应装置11的燃烧反应腔18泵入氧气(优选为纯氧)，通过供燃料装置4从连续油管内管6向燃烧反应装置11的燃烧反应腔18泵入燃料，并且给电缆线16通电以加热燃烧反应腔18中的电阻丝17至燃料着火点，当燃料开始燃烧后，停止对电缆线16通电进而停止对电阻丝17的加热，燃烧产物经过燃烧反应腔18底部的喷嘴管道19，从喷嘴出口20喷出形成高速射流14，燃烧产生的热和射流的冲击力作用于天然气水合物储层12，使天然气水合物分解，分解出的天然气13沿生产套管9上返进入气液分离装置2分离出纯净的天然气，进入天然气储集与供给装置1；
控制泵组，以逐渐减少向燃烧反应腔18泵入燃料直至停止，同时通过天然气储集与供给装置1从连续油管内管6向燃烧反应装置11的燃烧反应腔18泵入部分分离出的纯净的天然气，并逐渐增加天然气的泵入，以保证燃烧反应腔内火焰的稳定，并通过泵组控制燃烧反应腔18内的压力在30MPa以上(燃烧反应腔18内的压力可以通过泵组调节天然气储集与供给装置1、供水装置3、供燃料装置4和供氧装置5中的一个或几个的注入量来控制)，同时通过供水装置5从连续油管内管6向燃烧反应装置11的燃烧反应腔18泵入水，由于此时燃烧反应腔18内的压力高于30MPa，燃烧反应腔18内的温度高于374.3℃，故从连续油管内管6进入燃烧反应腔18内的水变为超临界态(在压力大于22.1MPa、温度高于374.3℃时，水处于超临界状态，可以和甲烷气体实现很好的互溶，同时可以支持燃烧)，与同样从连续油管内管6进入燃烧反应腔18内的天然气以及从连续油管外管8进入燃烧反应腔18内的氧气充分混合、燃烧，发生高强度持续性的超临界水氧化反应，调节注入到燃烧反应腔18内的氧气与天然气的速率比，以控制燃烧反应腔18内的火焰温度，进而控制开采速率，氧化产物经过燃烧反应腔18底部的喷嘴管道19，从喷嘴出口20喷出形成高速射流14，燃烧产生的热和射流的冲击力作用于天然气水合物储层，使天然气水合物分解，分解出的天然气13沿生产套管9上返进入气液分离装置2分离出纯净的天然气，进入天然气储集与供给装置1；
保持氧气与水向燃烧反应腔18中的连续泵入，以及部分分离出的纯净的天然气向燃烧反应腔18中的循环注入，从而实现对天然气水合物的开采；
完成开采后，关闭泵组，停止泵入天然气、氧气和水，并上提生产套管9、连续油管外管8、连续油管内管6、电缆线16和燃烧反应装置11。
在本实施例中，燃烧产生的大量的热促使天然气水合物分解，同时能够有效防止水合物的再合成，由于促进水合物分解的热由井下产生，克服了地面注热时带来的热损耗的缺陷；并且，射流的冲击作用能够使热量传递速度加快，射流的破碎作用能够使天然气水合物藏不断露出新鲜面，增大了热作用面积；进而，燃烧热以及射流的复合作用，能够大大提高开采效率。本实施例利用采出天然气与氧气混合燃烧放热促进天然气水合物分解，同时辅助射流作用力，能够实现天然气水合物的经济高效开采。
基于ANSYS FLUENT模拟表明，回注的天然气与氧气可在反应腔内稳定燃烧，在含氧气体的反应系数大于2.5的条件下，可实现反应腔内的燃料的充分燃烧，出口温度可达1000℃以上，速度可达200m/s以上。高温可保证水合物的持续分解，高的速度可保证高的冲击力。可见，本发明的方法兼有射流与热作用特点，表明该方法的可行性。
Claims (11)
1.一种利用热力射流开采天然气水合物的方法，其包括以下步骤：
将燃烧反应装置下置于天然气水合物储层的井内目标位置，向所述燃烧反应装置中注入含氧气体和燃料，并使所述燃烧反应装置通电点火，燃料开始燃烧，燃烧产物经所述燃烧反应装置喷出形成高速射流，燃烧产生的热和射流的冲击力作用于天然气水合物储层，使天然气水合物分解，分解出的天然气上返至地面；
然后逐渐减少向所述燃烧反应装置中注入燃料直至停止，同时逐渐将部分上返至地面的天然气以及水注入到所述燃烧反应装置中，与含氧气体混合，发生高强度持续性的超临界水氧化反应，氧化产物经所述燃烧反应装置喷出形成高速射流，燃烧产生的热和射流的冲击力作用于天然气水合物储层，使天然气水合物进一步分解，分解出的天然气上返至地面；
保持含氧气体与水向所述燃烧反应装置中的连续注入，以及部分分解出的并上返至地面的天然气向所述燃烧反应装置中的循环注入，从而实现对天然气水合物的开采；所述含氧气体、燃料、水以及部分上返至地面的天然气是通过两个不同直径、内外相套的连续油管管路注入到所述燃烧反应装置中的，所述含氧气体是通过连续油管外管注入，所述燃料、水以及部分上返至地面的天然气是通过连续油管内管注入；所述分解出的天然气上返至地面是通过生产套管，所述生产套管的直径大于所述连续油管外管，并套于所述连续油管外管之外；
该方法通过利用热力射流开采天然气水合物的系统实现，所述系统至少包括：燃烧反应装置、连续油管内管、连续油管外管、电缆线、生产套管、供水装置、供燃料装置、供氧装置、天然气储集与供给装置以及泵组；
所述燃烧反应装置设置于天然气水合物储层的井内目标位置，其包括燃烧反应腔、位于燃烧反应腔中的电阻丝、位于燃烧反应腔底部的喷嘴管道以及喷嘴出口；
所述生产套管连通地面以及井内天然气水合物储层的目标位置；
所述连续油管外管套于所述生产套管之中，所述连续油管内管套于所述连续油管外管之中，所述电缆线设置于所述连续油管外管与所述连续油管内管之间，并且所述连续油管外管、连续油管内管以及电缆线的始端位于地面之上，所述连续油管外管、连续油管内管以及电缆线的末端与所述燃烧反应装置连接，其中所述连续油管外管的末端和连续油管内管的末端连接于所述燃烧反应装置的燃烧反应腔，所述电缆线的末端连接于所述燃烧反应装置的燃烧反应腔中的电阻丝；
所述天然气储集与供给装置的一个接口与所述生产套管连接，另一接口与所述连续油管内管连接；所述供水装置与所述连续油管内管连接；所述供燃料装置与所述连续油管内管连接；所述供氧装置与所述连续油管外管连接；所述泵组连接于所述天然气储集与供给装置、供水装置、供燃料装置和供氧装置。
2.根据权利要求1所述的利用热力射流开采天然气水合物的方法，其中，位于天然气水合物储层的井包括位于天然气水合物储层不同层位的多分支井。
3.根据权利要求2所述的利用热力射流开采天然气水合物的方法，其中，位于天然气水合物储层的井是通过热力射流钻出的。
4.根据权利要求1所述的利用热力射流开采天然气水合物的方法，其中，使所述燃烧反应装置通电点火是通过连接于所述燃烧反应装置的电缆线，所述电缆线设置于所述连续油管外管与所述连续油管内管之间，并与所述燃烧反应装置中的电阻丝相连接。
5.根据权利要求1所述的利用热力射流开采天然气水合物的方法，其中，使所述燃烧反应装置通电点火，当燃料开始燃烧后，便停止对所述燃烧反应装置通电。
6.根据权利要求4所述的利用热力射流开采天然气水合物的方法，其中，使所述燃烧反应装置通电点火，当燃料开始燃烧后，便停止对所述燃烧反应装置通电。
7.根据权利要求1所述的利用热力射流开采天然气水合物的方法，其中，开始向所述燃烧反应装置中逐渐注入部分上返至地面的天然气以及水后，控制所述燃烧反应装置的燃烧反应腔内的压力在30MPa以上。
8.根据权利要求1所述的利用热力射流开采天然气水合物的方法，其中，调节注入到所述燃烧反应装置中的含氧气体与部分上返至地面的天然气的速率比，以控制所述燃烧反应装置中的火焰温度，进而控制开采速率。
9.根据权利要求1、7或8所述的利用热力射流开采天然气水合物的方法，其还包括以下步骤：对上返至地面的天然气进行分离以得到纯净的天然气，并且注入到所述燃烧反应装置中的部分上返至地面的天然气为分离后得到的纯净的天然气。
10.一种利用热力射流开采天然气水合物的系统，其为权利要求1-9任一项所述的利用热力射流开采天然气水合物的方法所采用的系统，该系统至少包括：燃烧反应装置、连续油管内管、连续油管外管、电缆线、生产套管、供水装置、供燃料装置、供氧装置、天然气储集与供给装置以及泵组；
所述燃烧反应装置设置于天然气水合物储层的井内目标位置，其包括燃烧反应腔、位于燃烧反应腔中的电阻丝、位于燃烧反应腔底部的喷嘴管道以及喷嘴出口；
所述生产套管连通地面以及井内天然气水合物储层的目标位置；
所述连续油管外管套于所述生产套管之中，所述连续油管内管套于所述连续油管外管之中，所述电缆线设置于所述连续油管外管与所述连续油管内管之间，并且所述连续油管外管、连续油管内管以及电缆线的始端位于地面之上，所述连续油管外管、连续油管内管以及电缆线的末端与所述燃烧反应装置连接，其中所述连续油管外管的末端和连续油管内管的末端连接于所述燃烧反应装置的燃烧反应腔，所述电缆线的末端连接于所述燃烧反应装置的燃烧反应腔中的电阻丝；
所述天然气储集与供给装置的一个接口与所述生产套管连接，另一接口与所述连续油管内管连接；所述供水装置与所述连续油管内管连接；所述供燃料装置与所述连续油管内管连接；所述供氧装置与所述连续油管外管连接；所述泵组连接于所述天然气储集与供给装置、供水装置、供燃料装置和供氧装置。
11.根据权利要求10所述的利用热力射流开采天然气水合物的系统，其还包括气液分离装置，所述气液分离装置设置于所述天然气储集与供给装置与所述生产套管之间，所述天然气储集与供给装置的一个接口与所述气液分离装置的一个接口连接，所述天然气储集与供给装置的另一接口与所述连续油管内管连接，所述气液分离装置的另一个接口与所述生产套管连接。
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