CN106837257A - 一种海洋非成岩天然气水合物藏开采系统及其开采工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海洋非成岩天然气水合物藏开采系统，包括依次相连的钻采平台、入井通道和生产主通道，在生产主通道的两侧开有与之连通的采掘巷道，生产主通道通过开采装备开采，采掘巷道通过开采装备开采后再通过回填装备回填。本发明还公开了海洋非成岩天然气水合物藏开采系统的开采工艺，建造入井通道，建造生产主通道；安装开采装备和回填装备；分巷道开采水合物矿体，进行二次破碎与分解，分离的天然气输送至钻采平台；将剩余浆体与二氧化碳混合，制备固态二氧化碳水合物，并回填至已采空巷道；如此循环，至所有产层开采完毕。本发明的有益效果是：能保持海底地质构造稳定，避免了常规开采法可能出现的海床沉降，塌陷和地质滑坡等风险。
Description
技术领域
本发明涉及非常规油气资源开发技术领域，特别是一种海洋非成岩天然气水合物藏开采系统及其开采工艺。
背景技术
天然气水合物由于其能量密度高，效率高，属于清洁能源，且海洋资源储量特大，尤其是海洋非成岩天然气水合物藏特别丰富，因此目前全世界已经将其作为能源开发的一个重要研究方向，并且投巨资在进行勘探与开发方面的科学与技术研究。这在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）》的重点领域中已经有明确说明“天然气水合物技术是前沿技术领域”。
所谓非成岩天然气水合物是指：当固态的天然气水合物矿体分解后，天然气逸出，其剩余物没有成形的岩石骨架（即非成岩），而是水和沉积物（多为松散的细沙）的混合体，常常表现为沙-水的混合浆体，可以流动。或者换句话说，所谓非成岩天然气水合物就是沙粒以分散形式赋存于天然气水合物中。
所谓天然气水合物藏的常规开采方法（如降压法、注热法和注剂法）是采用降压、注热、注剂等方式将具有一定密闭盖层的天然气水合物矿藏在地层中分解为气体和水，分解后的气体通过岩石骨架中的孔隙通道流入井筒，再输送至地面储气设备进行收集。这种方法只能适应于成岩天然气水合物（即储藏于成形的岩石孔隙中的天然气水合物）的开发。
如果采用降压法、注热法或注剂法等常规方法开采非成岩天然气水合物藏，一旦天然气采出后，因天然气在地层中占有一定的空间体积，必然会导致地层亏空。如果采用降压排水采气，由于水的排出或浆体的排出，地层亏空会更大。所以，对于常规开采方法而言，大规模地商业化开采，必然导致地层亏空，极易出现海床沉降、或塌陷、或海底滑坡等地质灾害，严重时甚至会导致海啸。
此外，二氧化碳置换法，也只能开采与二氧化碳有接触表面的非成岩天然气水合物藏。由于接触面上置换的深度很小，也不适合于大规模的商业化开采。
专利CN103628844A提出“深海海底中浅层非成岩天然气水合物的绿色开采方法”，该发明以固态形式采掘所述天然气水合物藏，将含有天然气水合物的固体物质进行收集并粉碎为颗粒物，将海水与颗粒物通过引射混合，形成气液固多相混合物流，最后输送到钻采平台进行分离，获取天然气。这种方法虽然能够有效地避免深海海底浅层的弱胶结的天然气水合物的大量分解、气化和自由释放，从一定程度上避免了海底滑坡等地质灾害，但在长期的大规模开采中，特别是海底中浅层非成岩天然气水合物藏的开采，在开采过程中所形成的通道，同样会使地质结构变得疏散，导致海底地层不稳定，从而出现海床沉降、坍塌以及海底滑坡等地质灾害。
为此，本发明提出了一种海底中浅层非成岩天然气水合物藏的开采系统与工艺流程，比较实用、完美和方便地解决了上述问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种海洋非成岩天然气水合物藏开采系统及其开采工艺，避免常规开采工艺所导致的地层亏空、海床沉降塌陷以及地质滑坡等风险。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种海洋非成岩天然气水合物藏开采系统，包括依次连接的钻采平台、入井通道和生产主通道，所述的生产主通道的两侧设置有多个与之相连通的采掘巷道，采掘巷道包括已采空巷道、采掘工作巷道和待开采巷道，采掘工作巷道中放置有开采装备，已采空巷道中放置有回填装备，所述的回填装备包括二氧化碳水合物制备装置和填充装置，填充装置设置在端头，二氧化碳水合物制备装置设置在其后，回填装备与开采装备的后端相连。
所述的开采装备包括从前往后依次设置的盾构装置、二次破碎装置、分解装置和天然气分离与输送装置，天然气分离与输送装置连接在钻采平台上，在天然气分离与输送装置上还连接有回填装备的二氧化碳水合物制备装置。
所述的入井通道包括入井隔水管柱段和入井地层通道段，入井隔水管柱段的上端连接在钻采平台上，入井隔水管柱段的下端与入井地层通道段相连通，入井地层通道段与生产主通道相连通。
所述的生产主通道为盾构形成的，生产主通道为水平态或倾斜态或弯曲态，其具体形态由产层走向确定，生产主通道的横截面形状为圆形或矩形或其他形态。
所述的采掘巷道为盾构形成的，采掘巷道为水平态或倾斜态或弯曲态，其具体形态由产层走向确定，采掘巷道的横截面形状为圆形或矩形或其他形状。
一种海洋非成岩天然气水合物藏开采系统的开采工艺，开采工艺步骤为：
S1、建立基础设施，在海面上建立钻采平台，在钻采平台的下方设置与之连接的入井隔水管柱段，入井隔水管柱段的下端直至海床表面，放入开采装备，开采装备中的盾构装置建造入井地层通道段；
S2、生产主通道的形成及生产主通道的开采，通过开采装备中的盾构装置沿产层方向建造生产主通道，此时，盾构装置将含天然气水合物的固体物质进行粉碎、收集并运送至二次破碎装置中，二次破碎装置再对运送来的物质进行二次粉碎并使之成为颗粒物，二次破碎装置将颗粒物运送至分解装置中分解成气液固多相混合物流，气液固多相混合物流再被运送至天然气分离与输送装置进行分离，分离后的天然气通过入井地层通道段和入井隔水管柱段输送至钻采平台上进行收集，分离天然气后的气液多相混合物流剩余部分为浆体，剩余浆体被抽取至设置在海床表面上的浆体暂存罐中；
S3、采掘巷道的形成及采掘巷道的开采，在生产主通道形成一段后，开采装备通过盾构装置向生产主通道的两侧的待开采巷道进行开采形成采掘工作巷道，此时，盾构装置将含天然气水合物的固体物质进行粉碎、收集并运送至二次破碎装置中，二次破碎装置再对运送来的物质进行二次粉碎并使之成为颗粒物，二次破碎装置将颗粒物运送至分解装置中分解成气液固多相混合物流，气液固多相混合物流再被运送至天然气分离与输送装置进行分离成天然气和浆体，分离后的天然气通过入井地层通道段和入井隔水管柱段输送至钻采平台上进行收集，剩余浆体被转运至二氧化碳水合物制备装置中，从钻采平台输入二氧化碳与之混合，制备形成固态二氧化碳水合物，并转运至填充装置；
S4、回填，当采掘工作巷道开采完毕后，开采装备从其中退出并移向下一个待开采巷道进行开采，此时的采掘工作巷道变为已采空巷道，固态二氧化碳水合物被转运至填充装置，并通过填充装置将固态二氧化碳水合物填充至已开采巷道中将其填满；
S5、当生产主通道开采完毕后，将海床表面上的浆体暂存罐中的浆体导入固态二氧化碳水合物制备装置，制备形成固态二氧化碳水合物，并转运至填充装置，回填至已开采完毕的生产主通道，重复上述工艺步骤，进行逆向分层建造新的生产主通道，直至所有产层开采完毕。
所述的生产主通道在最开始开采时沿产层中部的水平方向建造生产主通道。
本发明具有以下优点：（1）本申请由于把分离天然气后的剩余浆体制备成了固态的二氧化碳水合物，并回填到了海底已开采的空腔内，能很好地保证海底地质构造的稳定，能实现安全开采，避免了常规开采方法所导致的地层亏空、可能出现的海底沉降、塌陷和地质滑坡等风险；（2）本申请由于采用了盾构式逆向分层开采模式，使得非成岩天然气水合物的采掘、二次破碎、分解和分离都是在可控条件下进行的，不会出现天然气大量逸出，不会破坏海底生态环境，不会污染大气层，不会造成温室效应。
附图说明
图1 为本发明的一个实施例示意图；
图中，1—钻采平台，2—入井通道，201—入井隔水管柱段，202—入井地层通道段，3—生产主通道，4—采掘巷道，401—已采空巷道，402—采掘工作巷道，403—待采掘巷道，5—开采装备，501—盾构装置，502—二次破碎装置，503—分解装置，504—天然气分离与输送装置，6—回填装备，601—二氧化碳水合物制备装置，602—填充装置，7—海床表面，8—海面，9—浆体暂存罐。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
如图1所示，一种海洋非成岩天然气水合物藏开采系统，包括依次连接的钻采平台1、入井通道2和生产主通道3，所述的生产主通道3的两侧设置有多个与之相连通的采掘巷道4，采掘巷道4包括已采空巷道401、采掘工作巷道402和待开采巷道403，采掘工作巷道402中放置有开采装备5，已采空巷道401中放置有回填装备6，所述的回填装备6包括二氧化碳水合物制备装置601和填充装置601，填充装置602设置在端头，二氧化碳水合物制备装置601设置在其后，回填装备6与开采装备5的后端相连，使得开采装备5在开采的同时，回填装备6能及时地将剩余浆体回收。
所述的开采装备5包括从前往后依次设置的盾构装置501、二次破碎装置502、分解装置503和天然气分离与输送装置504，天然气分离与输送装置504连接在钻采平台1上，在天然气分离与输送装置504上还连接有回填装备6的二氧化碳水合物制备装置601。二氧化碳水合物制备装置601用于制备二氧化碳水合物，作为填充装置602的填充料。
所述的入井通道2包括入井隔水管柱段201和入井地层通道段202，入井隔水管柱段201的上端连接在钻采平台1上，入井隔水管柱段201的下端与入井地层通道段202相连通，入井地层通道段202与生产主通道3相连通。
一种海洋非成岩天然气水合物藏开采系统的开采工艺，开采工艺步骤为：
S1、建立基础设施，在海面8上建立钻采平台1，在钻采平台1的下方沿Z方向设置与之连接的垂直的入井隔水管柱段201，入井隔水管柱段201的下端直至海床表面7，放入开采装备5，开采装备5中的盾构装置501沿Z方向建造垂直的入井地层通道段202；
S2、生产主通道3的形成及生产主通道3的开采，通过开采装备5中的盾构装置501沿产层方向中部的X方向建造生产主通道3，此时，盾构装置501将含天然气水合物的固体物质进行粉碎、收集并运送至二次破碎装置502中，二次破碎装置502再对运送来的物质进行二次粉碎并使之成为颗粒物，二次破碎装置502将颗粒物运送至分解装置503中分解成气液固多相混合物流，气液固多相混合物流再被运送至天然气分离与输送装置504进行分离，分离后的天然气通过入井地层通道段202和入井隔水管柱段201输送至钻采平台1上进行收集，剩余浆体被抽取至设置在海床表面7上的浆体暂存罐9中，即采掘生产主通道3时产生的剩余浆体被转运至浆体暂存罐9中；
S3、采掘巷道4的形成及采掘巷道4的开采，在生产主通道3形成一段后，开采装备5通过盾构装置501沿生产主通道3的左右两侧Y方向的待开采巷道403进行开采形成采掘工作巷道402，此时，盾构装置501将含天然气水合物的固体物质进行粉碎、收集并运送至二次破碎装置502中，二次破碎装置502再对运送来的物质进行二次粉碎并使之成为颗粒物，二次破碎装置502将颗粒物运送至分解装置503中分解成气液固多相混合物流，气液固多相混合物流再被运送至天然气分离与输送装置504，分离成天然气和浆体，分离后的天然气通过入井地层通道段202和入井隔水管柱段201输送至钻采平台1上进行收集，剩余浆体被转运至二氧化碳水合物制备装置601中，从钻采平台1输入二氧化碳与之混合，制备形成固态二氧化碳水合物，并转运至填充装置602，即开采采掘巷道4时产生的剩余浆体直接转运至回填设备6中；
S4、回填，当采掘工作巷道402开采完毕后，开采装备5从其中退出并移向下一个待开采巷道403进行开采，此时的采掘工作巷道402变为已采空巷道401，固态二氧化碳水合物被运送至填充装置602，并通过填充装置602将固态二氧化碳水合物填充至已开采巷道401中将其填满，固态的二氧化碳水合物是类似于天然气水合物的固态物质，即将含天然气水合物的固态物质开采后，再重新填入固态的二氧化碳水合物，使海底仍为无空腔的充实结构，能很好地保证海底地质构造的稳定，实现安全开采，避免了常规开采方法所导致的地层亏空、海底沉降、坍塌及地质滑坡等风险；
S5、当生产主通道3开采完毕后，将海床表面7上的浆体暂存罐9中的浆体导入固态二氧化碳水合物制备装置601，制备形成固态二氧化碳水合物，并转运至填充装置602，回填至已开采完毕的生产主通道3，重复上述工艺步骤，进行逆向分层建造新的生产主通道3，直至所有产层开采完毕。
进一步地，所述的入井通道2、生产主通道3和采掘巷道4三者的形态可以是水平的，可以是倾斜的，也可以是弯曲的，三者的横截面形状可以是圆形的，可以是矩形的，也可以是其他形状。
进一步地，所述的入井通道2可以仅由隔水管柱段201组成，可以仅由入井地层通道段202组成，也可以是二者组合形成。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种海洋非成岩天然气水合物藏开采系统，包括依次连接的钻采平台（1）、入井通道（2）和生产主通道（3），其特征在于：所述的生产主通道（3）的两侧设置有多个与之相连通的采掘巷道（4），采掘巷道（4）包括已采空巷道（401）、采掘工作巷道（402）和待开采巷道（403），采掘工作巷道（402）中放置有开采装备（5），已采空巷道（401）中放置有回填装备（6），所述的回填装备（6）包括二氧化碳水合物制备装置（601）和填充装置（602），填充装置（602）设置在端头，二氧化碳水合物制备装置（601）设置在其后，回填装备（6）与开采装备（5）的后端相连。
2.根据权利要求1所述的一种海洋非成岩天然气水合物藏开采系统，其特征在于：所述的开采装备（5）包括从前往后依次设置的盾构装置（501）、二次破碎装置（502）、分解装置（503）和天然气分离与输送装置（504），天然气分离与输送装置（504）连接在钻采平台（1）上，在天然气分离与输送装置（504）上还连接有回填装备（6）的二氧化碳水合物制备装置（601）。
3.根据权利要求1所述的一种海洋非成岩天然气水合物藏开采系统，其特征在于：所述的入井通道（2）包括入井隔水管柱段（201）和入井地层通道段（202），入井隔水管柱段（201）的上端连接在钻采平台（1）上，入井隔水管柱段（201）的下端与入井地层通道段（202）相连通，入井地层通道段（202）与生产主通道（3）相连通。
4.根据权利要求1所述的一种海洋非成岩天然气水合物藏开采系统，其特征在于：所述的生产主通道（3）为盾构形成的，生产主通道（3）为水平态或倾斜态或弯曲态，其具体形态由产层走向确定，生产主通道（3）的横截面形状为圆形或矩形或其他形态。
5.根据权利要求1所述的一种海洋非成岩天然气水合物藏开采系统，其特征在于：所述的采掘巷道（4）为盾构形成的，采掘巷道（4）为水平态或倾斜态或弯曲态，其具体形态由产层走向确定，采掘巷道（4）的横截面形状为圆形或矩形或其他形状。
6.根据权利要求1所述的一种海洋非成岩天然气水合物藏开采系统的开采工艺，其特征在于：开采工艺步骤为：
S1、建立基础设施，在海面（8）上建立钻采平台（1），在钻采平台（1）的下方设置与之连接的入井隔水管柱段（201），入井隔水管柱段（201）的下端直至海床表面（7），放入开采装备（5），开采装备（5）中的盾构装置（501）建造入井地层通道段（202）；
S2、生产主通道（3）的形成及生产主通道（3）的开采，通过开采装备（5）中的盾构装置（501）沿产层方向建造生产主通道（3），此时，盾构装置（501）将含天然气水合物的固体物质进行粉碎、收集并运送至二次破碎装置（502）中，二次破碎装置（502）再对运送来的物质进行二次粉碎并使之成为颗粒物，二次破碎装置（502）将颗粒物运送至分解装置（503）中分解成气液固多相混合物流，气液固多相混合物流再被运送至天然气分离与输送装置（504）进行分离，分离后的天然气通过入井地层通道段（202）和入井隔水管柱段（201）输送至钻采平台（1）上进行收集，分离天然气后的气液多相混合物流剩余部分为浆体，剩余浆体被抽取至设置在海床表面（7）上的浆体暂存罐（9）中；
S3、采掘巷道（4）的形成及采掘巷道（4）的开采，在生产主通道（3）形成一段后，开采装备（5）通过盾构装置（501）向生产主通道（3）的两侧的待开采巷道（403）进行开采形成采掘工作巷道（402），此时，盾构装置（501）将含天然气水合物的固体物质进行粉碎、收集并运送至二次破碎装置（502）中，二次破碎装置（502）再对运送来的物质进行二次粉碎并使之成为颗粒物，二次破碎装置（502）将颗粒物运送至分解装置（503）中分解成气液固多相混合物流，气液固多相混合物流再被运送至天然气分离与输送装置（504）进行分离成天然气和浆体，分离后的天然气通过入井地层通道段（202）和入井隔水管柱段（201）输送至钻采平台（1）上进行收集，剩余浆体被转运至二氧化碳水合物制备装置（601）中，从钻采平台（1）输入二氧化碳与之混合，制备形成固态二氧化碳水合物，并转运至填充装置（602）；
S4、回填，当采掘工作巷道（402）开采完毕后，开采装备（5）从其中退出并移向下一个待开采巷道（403）进行开采，此时的采掘工作巷道（402）变为已采空巷道（401），固态二氧化碳水合物被转运至填充装置（602），并通过填充装置（602）将固态二氧化碳水合物填充至已开采巷道（401）中将其填满；
S5、当生产主通道（3）开采完毕后，将海床表面（7）上的浆体暂存罐中（9）的浆体导入固态二氧化碳水合物制备装置（601），制备形成固态二氧化碳水合物，并转运至填充装置（602），回填至已开采完毕的生产主通道（3），重复上述工艺步骤，进行逆向分层建造新的生产主通道（3），直至所有产层开采完毕。
7.根据权利要求6所述的一种海洋非成岩天然气水合物藏开采系统的开采工艺，其特征在于：所述的生产主通道（3）在最开始开采时沿产层中部的水平方向建造生产主通道（3）。
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