CN107642346B - 一种海底浅层非成岩天然气水合物领眼回拖射流开采方法及开采装置 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种海底浅层天然气水合物领眼回拖射流破碎开采方法及开采装置，属于海底水合物开采技术领域，主要包括以下步骤：下放隔水导管至临近水合物矿层的位置，利用机械或射流钻进方式在水合物地层中转向钻进，形成一个具有一定倾斜角度的领眼；当钻进达到预定位置后，回拖连续管及采掘破碎系统，同时利用喷射头水射流破碎其周围的水合物矿体，形成的水合物颗粒随海水一起被收集进入密闭管道，利用管内井下分离器将破碎颗粒中的泥沙分离出来，添加固化剂后原位回填至采空区，分离后的水合物颗粒与海水一起泵送至海面进行处理。本发明实现了海底浅层天然气水合物的高效、安全、可持续开采，在保证采掘效率的同时，有效避免了潜在的安全问题。

Description

一种海底浅层非成岩天然气水合物领眼回拖射流开采方法及 开采装置

技术领域

本发明涉及天然气水合物开采技术领域，尤其涉及海底浅层非成岩天然气水合物的领眼回拖开采方法及开采装置。

背景技术

天然气水合物又称为可燃冰，是一种由甲烷为主的烃类气体和水在一定的温度压力条件下形成的“笼型化合物”，呈白色晶状结构。天然气水合物储量巨大，碳含量超过已知碳化石燃料总和的2倍，主要存在于陆地永冻土以及大洋海底，其中大洋海底天然气水合物的储量远远超过陆地永冻土区域的储量。

水合物主要的存在形式有砂岩型，砂岩裂隙型、细粒裂隙型和分散型，其中细粒裂隙型和分散型水合物占绝大多数，但该类型的水合物埋深浅，胶结性差，开采过程中极易引发地质和环境灾害。日本和中国分别开展了海洋天然气水合物试采研究，主要试采方法为注热法、降压法等方法，这些开采方法并未脱离传统油气开采思路，且试采所选用的天然气水合物藏有良好的盖层，即便如此，也只验证了短期试采的技术可行性，长期持续性开采引起的潜在环境地质灾害仍有待进一步评估。

“固态流化”开采方法是一种针对海底非成岩天然气水合物的全新开采思路，其核心思想是在不改变海底温度和压力的情况下，直接利用机械或采掘天然气水合物矿体，通过密闭管道将破碎后的天然气水合物固体颗粒与海水混合泵送至海面，再进行分离、分解气化等处理。因为该方法不改变海底天然气水合物的温度和压力，从而有效避免天然气水合物分解引起的工程地质与环境灾害。

针对不同埋深的水合物资源，固态流化开采方法可分为表层固态流化和浅层固态流化两种开采方法。表层固态流化开采方法以海底采矿机构在海底运动过程中采掘破碎海底表面的水合物矿体；然而针对拥有数十米乃至一二百米覆盖层的浅层水合物资源，海底采矿机构需要将覆盖在水合物矿体上部的泥层清除，才能开采水合物矿体，如此将大大增加无用的附加工程工作量，难以保证水合物商业开采的经济性。浅层水合物固态流化开采方法部分借鉴传统油气水平钻井技术，并在此基础上利用水射流或机械破碎扩大井眼已达到采掘水合物矿体的目的；然而该方法目前停留在概念设计上，缺乏一套具体的行之有效的实施工艺方法，存在一些亟待攻克的工艺技术难题，如射流水与返输浆体流经路径交叉冲突、海底地下采空区由于回填不及时引起的采掘面和地层坍塌、采掘装置正向行进采掘导致管道处于悬浮状态以及回填泥砂掩埋后部连续管导致管道回撤受阻。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种用于海底浅层非成岩天然气水合物的领眼回拖射流开采方法，采用先钻领眼，然后在回拖管道和钻采装置的过程中利用水射流的方式破碎水合物矿体，同时井下分离泥砂并原位固化回填，有效解决海底浅层水合物固态流化开采中存在的工艺技术难题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种天然气水合物领眼回拖射流开采方法，主要用于海底浅层非成岩天然气水合物的开采，其特征在于，所述天然气水合物领眼回拖射流开采方法主要包括：

步骤S1：下放隔水导管至海底水合物层上方，形成垂直通道，利用复合智能钻进机器人在水合物矿层水平钻进，形成一定长度的水平领眼；

步骤S2：回拖复合智能钻进机器人，同时利用水射流扩径的方式破碎管道周围的水合物矿体，破碎颗粒随海水流化收集进入管道内；

步骤S3：利用管道内的井下分离器，分离出破碎颗粒中的泥沙，并原位固化回填，分离后的水合物随海水输送至海面作进一步处理；

步骤S4：当一条通道采掘完成，调整智能钻进机器人行进方向和钻进深度，重复上述步骤，实现同一层位不同方向和不同层位水合物的开采。

一种实现天然气水合物领眼回拖射流开采方法的开采装置，用于海底浅层天然气水合物领眼回拖射流开采，包括海面支持系统、管道输送系统、海底开采系统三个子系统；海面支持系统为海面开采船或海面开采平台，包括水合物分解装置、分离装置、动力提供装置、射流水供给装置、天然气净化装置、天然气液化处理装置；管道输送系统包括隔水导管、双层连续管、桥式通道、增压泵；海底开采系统包括智能导向钻进机器人、射流破碎喷射头、井下分离器、收集系统。

隔水导管与海面支持系统相连，下部深入海底泥层直至水合物层上方，并安装有封隔器，形成封闭空间，可以将内部双层连续管和海水进行隔离；双层连续管上端与海面支持系统相连，下端安装有桥式通道，用于射流水与返输水合物浆体之间流经通道的交换；海底开采系统安装在双层连续管下端；智能导向钻进机器人处于海底开采系统的最前端，用于钻进领眼，其中间有开孔，作为水合物浆体中分离出泥砂的回填通道；射流破碎喷射头上安装有喷嘴，用于水射流破碎扩大领眼直径，实现水合物的水射流破碎；喷嘴为均匀分布于喷射头圆周，可多排交错分布，以实现在喷射头不旋转的条件下破碎整个圆周采掘面；收集系统包括收集口和电潜泵，其中砂浆泵可提供负压，为破碎的水合物颗粒与海水的流化收集提供动力，同时降低采掘空间的压力，避免破碎水合物浆体漏失于水合物地层中；收集口即为井下分离器入口，以便于在分离器中实现水合物浆体中泥砂的分离；分离器为旋流分离器；旋流分离器为多个同时工作，通过先并联再串联的方式组合。

本发明的有益效果在于：由于开采过程中未改变海底水合物矿层的温度压力，有效避免了水合物分解引发的地质及环境灾害；采用先钻领眼，在回拖过程中射流破碎水合物矿体的方式进行开采，解决了正向行进过程中直接开采所引发的管道悬空的问题，同时避免了由于前端采掘后端回填而引发的后部管道被掩埋的问题；此外，采用泥砂原位分离并固化回填的方式及时进行开采，避免了由水合物采掘面及矿层塌陷所引起的工程地质灾害；同时由于分离出了密度较高的泥砂，降低了垂直管道输送技术难度与输送能耗，节约了开采成本。

附图说明

图1海底浅层天然气水合物领眼回拖射流开采方法示意图

图中：1.海面支持系统、2.隔水导管、3.双层连续管、4.封隔器、5.桥式通道、6.喷射头、7.喷嘴、8.收集入口、9.井下分离器、10.智能钻进机器人、11.电潜泵。

具体实施方式

体现本发明特点的典型实施例将在以下说明中具体阐述。应当说明的是，本发明能够在不同的实施例上有不同的变化，而本实施例及附图仅为说明之用，并非用以限制本发明。

本发明实施例的用于海底浅层非成岩天然气水合物的领眼回拖射流开采方法，包括以下步骤：

步骤S1：下放隔水导管至海底水合物层上方，形成垂直通道，利用智能钻进机器人10在水合物矿层水平钻进，形成一定长度的水平领眼；

步骤S2：回拖复合智能钻进机器人10，同时利用水射流扩径的方式破碎管道周围的水合物矿体，破碎颗粒随海水流化收集进入管道内；

步骤S3：利用管道内的井下分离器9，分离出破碎颗粒中的泥沙，并原位固化回填，分离后的水合物随海水输送至海面作进一步处理；

步骤S4：当一条通道采掘完成，调整智能钻进机器人10行进方向和钻进深度，重复上述步骤，实现同一层位不同方向和不同层位水合物的开采。

隔水导管2由海面支持系统1上下放，下放至海底后开始采用射流钻进的方式在海底泥层中下放，直至下放至水合物层上方，之后采用多级封隔器4封隔地层，从而将海底开采区域与海水分割开，保证下部开采空间为封闭状态。

待隔水导管2下放完成后，开始从海面支持系统上下放智能钻进机器人10，智能钻进机器人10下放至水合物地层上方后开始超短距离转向，实现由垂直方向井筒向水平领眼的过度，（水平领眼并非完全水平，而是具有一个向下倾斜的角度；）智能导向钻进机器人10在行进的过程中实时探测识别水合物，根据水合物在储层中的含量微调行进路径，同时具备规避障碍物的功能，直至形成一条开采领眼（长度可达100m左右）。

射流水在海面支持系统增压后，经过双层连续管3输送至地层，该步骤中，射流水最初在双层连续管3的中心管内流动，接近水合物矿层后，经过桥式通道交换到双层连续管3的外层环空流动至采掘区，以避免与向海面返输的水合物浆体相互干扰。

抵达采掘区的射流水经过喷射头6上的喷嘴7喷射向水合物矿层，将水合物矿体破碎成细小颗粒，同时回拖双层连续管3及其相连的整套采掘系统，在回拖的过程中破碎整条通道的水合物矿体，直至回拖至垂直井眼附近，将领眼扩大而形成一条细长圆筒型的采掘区，该通道保持一定的向下倾斜的角度，便于回填固化的泥砂填满整个采空区。

在回拖开采破碎过程中，开启井下电潜泵11，在管内形成负压，使射流破碎的水合物颗粒随射流水经过管壁上的收集入口8流化进入管内，同时由于电潜泵11抽吸作用可有效降低地下采空区压力，避免破碎的水合物颗粒漏失于地层之中；通过调节水射流方向，改变破碎水合物颗粒流场，有利于流化收集。

所述收集入口8即为井下分离器9的入口，在井下分离器作用下水合物颗粒、海水、泥砂颗粒混合物中的泥砂颗粒将被分离出来，并原位回填至采空区。

所述分离出的泥砂颗粒在回填过程中进行固化，以保证其回填后具有一定的胶结强度。

除去泥砂后的水合物浆体经由双层连续管3输送至海面，返输举升的水合物浆体最初处于双层连续管3的中心管内，经过桥式通道交换到环空管内输送至海面。

一条水平通道开采完成后，转向90°开采下一条水平通道，重复四个方向开采完成后，再从邻近第一条通道的位置开采第五条通道，依次循环，直至360°全部开采完成；当整个区域的水合物开采完成，去除海底采掘系统，解封封隔器4，取出隔水导管2，封填垂直井筒，重复上述步骤，开始下一区块水合物开采的步骤。

一种实现天然气水合物领眼回拖射流开采方法的开采装置，用于海底浅层非成岩天然气水合物开采，所述天然气水合物领眼回拖开采装置包括海面支持系统、管道输送系统、海底开采系统三个部分；其中，海面支持系统1为海面开采船或海面开采平台，包括水合物分解装置、分离装置、动力提供装置、射流水供给装置、天然气净化装置、天然气液化处理装置；管道输送系统包括隔水导管2、双层连续管3、封隔器4、桥式通5、增压泵；海底开采系统包括智能钻进机器人10、喷射头6、井下分离器9、收集系统（包括收集入口8和电潜泵11）。

隔水导管2与海面支持系统1相连，下部深入海底泥层直至水合物层上方，并安装有封隔器4，形成封闭空间，可以将双层连续管3内部和海水进行隔离；双层连续管3上端与海面支持系统1相连，下部安装有桥式通道5，用于射流水与返输水合物浆体之间流经通道的交换。

海底开采系统安装在双层连续管3下端；而智能钻进机器人10处于海底开采系统的最前端，用于钻进领眼，其中间有开孔，作为水合物浆体中分离出泥砂的回填通道。

射流破碎喷射头6上安装有喷嘴7，用于水射流破碎扩大领眼直径，实现水合物的水射流破碎；所述喷嘴为均匀分布于喷射头圆周，可多排交错分布，以实现在喷射头不旋转的条件下破碎整个圆周采掘面。

收集系统包括收集口8和电潜泵11，其中电潜泵11可提供负压，为破碎的水合物颗粒与海水的流化收集提供动力，同时降低采掘空间的压力，避免破碎水合物浆体漏失于水合物地层中。

收集口8即为井下分离器9的入口，以便于在分离器中实现水合物浆体中泥砂的分离；所述井下分离器9为旋流分离器，旋流分离器为多个同时工作，通过先并联再串联的方式组合。

Claims (28)

1.一种天然气水合物领眼回拖射流开采方法，主要用于海底浅层非成岩天然气水合物的开采，其特征在于，所述天然气水合物领眼回拖射流开采方法主要包括：

步骤S1：下放隔水导管至海底水合物层上方，形成垂直通道，利用复合智能钻进机器人在水合物矿层水平钻进，形成一定长度的水平领眼；

步骤S2：回拖复合智能钻进机器人，同时利用水射流扩径的方式破碎管道周围的水合物矿体，破碎颗粒随海水流化收集进入管道内；

步骤S3：利用管道内的井下分离器，分离出破碎颗粒中的泥沙，并原位固化回填，分离后的水合物随海水输送至海面作进一步处理；

步骤S4：当一条通道采掘完成，调整智能钻进机器人行进方向和钻进深度，重复上述步骤，实现同一层位不同方向和不同层位水合物的开采。

2.如权利要求1所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法，其特征在于，步骤S1中，隔水导管采用射流钻进的方式在海底泥层中下放，隔水导管下放至水合物层上方以后，采用多级封隔器坐封的方式封隔地层。

3.如权利要求1所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法，其特征在于，步骤S1中，智能钻进机器人可实现超短距离转向，实现由垂直方向向水平领眼的过渡，水平领眼并非完全水平，而是具有一个向下倾斜的角度。

4.如权利要求1所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法，其特征在于，步骤S1中，智能导向钻进机器人实时探测识别水合物，根据水合物在储层中的含量确定行进路径，同时具备规避障碍物的功能。

5.如权利要求1所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法，其特征在于，步骤S2中，所述水射流扩径不局限于纯水射流，还包括磨料射流和脉冲射流。

6.如权利要求1所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法，其特征在于，步骤S2中，射流水经过双层连续管中心通道输送至海底，经由桥式通道转换至中环空管内。

7.如权利要求1所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法，其特征在于，步骤S2中，还包括如下内容：回拖连续管及其前端整套采掘装置，同时射流破碎水合物矿体，并流化收集破碎的水合物颗粒。

8.如权利要求1所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法，其特征在于，步骤S2中，还包括调节射流方向，改变破碎水合物颗粒流场，帮助流化收集的步骤。

9.如权利要求1所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法，其特征在于，步骤S2中，采用管内的泵抽吸以形成负压，提高破碎水合物破碎颗粒收集效率，同时降低地下采空区压力，避免漏失。

10.如权利要求1所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法，其特征在于，步骤S3中，采用井下分离器用于分离出水合物颗粒、海水、泥砂颗粒混合物中的泥砂颗粒。

11.如权利要求10所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法，其特征在于，所述分离出的泥砂颗粒将被原位回填至采空区，并且泥砂在回填过程中进行固化，以保证其回填后具有一定的胶结强度。

12.如权利要求10所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法，其特征在于，步骤S3中，分离出泥砂后的水合物浆体经由双层连续管输送至海面；返输的水合物浆体处于双层连续管的中心管内，经过桥式通道交换到环空管内输送至海面。

13.如权利要求1所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法，其特征在于，步骤S4中，第一条水平通道开采完成之后，转向90°开采下一条水平通道，重复四个方向开采完成后，再从邻近第一条通道的位置开采第五条通道，依次循环，直至360°全部开采完成。

14.如权利要求1所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法，其特征在于，步骤S4中，还包括当整个区域的水合物开采完成，解封封隔器，取出隔水导管，封填垂直井筒，并开始下一区块水合物开采的步骤。

15.一种实现权利要求1所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法的开采装置，用于海底浅层天然气水合物领眼回拖射流开采，其特征在于，所述天然气水合物领眼回拖开采装置包括海面支持系统、管道输送系统、海底开采系统。

16.如权利要求15所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法的 开采装置，其特征在于，海面支持系统为海面开采船或海面开采平台，包括水合物分解装置、分离装置、动力提供装置、射流水供给装置、天然气净化装置、天然气液化处理装置。

17.如权利要求15所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法的 开采装置，其特征在于，管道输送系统包括隔水导管、双层连续管、桥式通道、增压泵。

18.如权利要求15所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法的 开采装置，其特征在于，海底开采系统包括智能导向钻进机器人、射流破碎喷射头、井下分离器、收集系统。

19.如权利要求17所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法的 开采装置，其特征在于，所述隔水导管与海面支持系统相连，下部深入海底泥层直至水合物层上方，并安装有封隔器，形成封闭空间，可以将内部双层连续管和海水进行隔离。

20.如权利要求17所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法的 开采装置，其特征在于，所述双层连续管上端与海面支持系统相连，下端安装有桥式通道，用于射流水与返输水合物浆体之间流经通道的交换。

21.如权利要求18所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法的 开采装置，其特征在于，海底开采系统安装在双层连续管下端。

22.如权利要求21所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法的 开采装置，其特征在于，智能导向钻进机器人处于海底开采系统的最前端，用于钻进领眼，其中间有开孔，作为水合物浆体中分离出泥砂的回填通道。

23.如权利要求18所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法的 开采装置，其特征在于，射流破碎喷射头上安装有喷嘴，用于水射流破碎扩大领眼直径，实现水合物的水射流破碎。

24.如权利要求23所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法的 开采装置，其特征在于，所述喷嘴为均匀分布于喷射头圆周，多排交错分布，实现在喷射头不旋转的条件下破碎整个圆周采掘面。

25.如权利要求18所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法的 开采装置，其特征在于，所述收集系统包括收集口和砂浆泵，其中砂浆泵可提供负压，为破碎的水合物颗粒与海水的流化收集提供动力，同时降低采掘空间的压力，避免破碎水合物浆体漏失于水合物地层中。

26.如权利要求25所述的天然气水合物领眼回拖开采装置，其特征在于，所述收集口即为井下分离器入口，以便于在分离器中实现水合物浆体中泥砂的分离。

27.如权利要求26所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法的 开采装置，其特征在于，所述井下分离器为旋流分离器。

28.如权利要求27所述的天然气水合物领眼回拖射流开采方法的 开采装置，其特征在于，所述旋流分离器为多个同时工作，通过先并联再串联的方式组合，在提高处理量的同时提高分离效率。