CN107795302A - 一种海域天然气水合物降压开采装置及其开采方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海域天然气水合物降压开采装置及其开采方法，包括天然气水合物开采井、气液处理设备以及数据采集与监控设备；数据采集及监控设备用于监测并控制天然气水合物开采井内的液位、温度压力条件以及工作状态；天然气水合物开采井内设置输气管道、输液管路、尾管和罐型容器；输气管道上端与气液处理设备相连；输液管路上端同轴插设在输气管道内，由输气管道下端侧壁伸出后与气液处理设备相连；罐型容器设置在输液管路下端，其内设置排水降压设备和加热设备，且排水降压设备分别与输液管路和加热设备相连，罐型容器底部与尾管相连。本发明可以广泛应用于海域天然气水合物的开采中。

Description

一种海域天然气水合物降压开采装置及其开采方法
技术领域
本发明属于能源开采技术领域，特别是涉及一种海域天然气水合物降压开采装置及其开采方法。
背景技术
随着煤炭和石油资源的日益减少，以及人们环境保护意识的逐渐增强，开发利用清洁能源、新能源以及可再生能源愈发受到人们的重视。作为一种新型、高效、洁净的能源载体，天然气水合物对于解决人类现在所面临的能源耗尽危机具有十分重要的作用。天然气水合物又称可燃冰，是天然气(主要成分是甲烷)和水在高压和低温条件下形成的类冰固体化合物。水合物沉积物广泛分布于陆地冻土环境与海洋、湖泊等深水地层环境。我国的天然气水合物储量十分丰富，根据资源勘查发现我国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。
目前对天然气水合物的开采方法都是基于破坏天然气水合物相平衡条件使其分解，大体上包括降压法、加热法、抑制剂法等。下面对各种方法做简单介绍：
降压法：通过降低水合物层压力，使其低于水合物在该区域温度条件下相平衡压力，从而使水合物从固态分解相变产生甲烷气体的过程。降压法开采井的设计与常规油气开采相近，渗透性较好的水合物藏内压力传播很快，因此，被认为是最经济、有效、简单的开采方式。
加热法：通过升高水合物地层的温度，使地层的温度高于水合物在该区域孔隙水或气的压力条件下相平衡温度而分解相变产生甲烷气体的过。加热法主要不足是会造成大量的热量损失在沉积物、液体、气体温升上，费用高、效率低。
抑制剂法：通过在地层中注入水合物抑制剂(甲醇等)，提高水合物形成的相平衡条件，使得地层的孔隙压力和温度条件不能满足水合物的相平衡，从而水合物分解相变产生甲烷气体而收集的方法。缺点是需要大量昂贵的抑制剂，水合物分解产生水稀释抑制剂而降低其效果，又可能造成环境污染，且效率不是很高。
目前，已有的一种通过水泵对天然气水合物排水降压的装置中，由于没有进行气液分离，水泵排水管线中溶解有大量甲烷气体，在上行管线中易再次生成水合物堵塞管线，引发停产，并且不能准确测量液位状况，从而及时调整电潜泵工作状态。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种适用于海域天然气水合物开采环境、有效防止水合物再生的海域天然气水合物降压开采装置及其开采方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种海域天然气水合物降压开采装置，其特征在于：其包括天然气水合物开采井、气液处理设备以及数据采集与监控设备；所述数据采集及监控设备用于监测并控制开采过程中所述天然气水合物开采井内的液位、温度压力条件以及工作状态；所述天然气水合物开采井上端与隔水管相连，内部设置有输气管道、输液管路、尾管以及设置在罐型容器内的排水降压设备和加热设备；所述输气管道上端由所述隔水管穿出后与所述气液处理设备相连；所述输液管路上端同轴插设在所述输气管道下端，由所述输气管道下端侧壁伸出后进入所述天然气水合物开采井的内腔，并由所述隔水管底部外壁上的输液管路引出口穿出后与所述气液处理设备相连；所述罐型容器上部设置在所述输液管路下端外壁，所述罐型容器中部和下部分别设置所述排水降压设备和加热设备，且所述排水降压设备上、下端分别与所述输液管路下端和加热设备相连，所述罐型容器底部与所述尾管上端相连。
所述天然气水合物开采井内部所述罐型容器底部与所述尾管相连处设置有第一封隔器，所述输气管道与所述输液管路交汇处设置第二封隔器，所述隔水管底部的输液管路引出口处内部设置有第三封隔器，外部设置防喷器；所述天然气水合物开采井内底部至所述第一封隔器之间为下部进液腔，所述第一封隔器与所述第二封隔器之间为中部气液分离腔，所述第二封隔器与所述第三封隔器之间为上部气液输送腔，所述第三封隔器上方为隔水管环空。
所述数据采集与监控设备包括设置在所述第一封隔器上的第一封隔器状态传感器、设置在所述第二封隔器上的第二封隔器状态传感器、设置在所述第三封隔器上的第三封隔器状态传感器、设置在所述尾管侧壁上的井底传感器、设置在所述天然气水合物开采井内的特种分布式测温光纤以及设置在海面上的监控设备、变频器和电源装置；所述监控设备分别与所述第一封隔器状态传感器、第二封隔器状态传感器、第三封隔器状态传感器、井底传感器以及特种分布式测温光纤相连，接收各传感器的测量数据以及所述特种分布式测温光纤的温度测量数据，并对接收到的数据进行显示和数据分析，进而控制所述变频器实现井内液位自动稳定在预设范围内；所述电源装置为所述监控设备和变频器以及所述天然气水合物开采井内的排水降压设备和加热设备供电。
所述特种分布式测温光纤包括间隔设置的加热带、裸光纤以及设置在所述加热带和裸光纤外部的保护套；所述加热带包括铜导体以及紧密套设在所述铜导体外部的金属编织网；所述裸光纤外部套设有不锈钢管，且所述裸光纤与所述不锈钢管内部的环空填充有用于防止水汽侵入光纤导致光纤损耗变大和增加传热性能的油膏。
所述罐型容器上部通过罐型容器连接条固定设置在所述输液管路下部外壁上；所述罐型容器中部设置有罐内封隔器，且所述罐内封隔器下部的所述罐型容器侧壁上设置有多个罐壁通孔。
所述排水降压设备包括依次连接的离心泵、离心式气液分离器和电机，所述离心泵上端与所述输液管路下端连通，所述电机与所述加热设备相连。
所述离心式气液分离器包括同轴套设的转轴、分离器内管和分离器外管，所述转轴与所述电机相连，所述分离器外管上间隔设置有气体排出口。
所述加热设备采用电磁加热器。
所述气液处理设备包括采出水处理装置和采出气处理装置，所述采出水处理装置与所述外部输液管路上端相连，所述采出气处理装置与所述输气管道上端相连。
一种基于所述装置的海域天然气水合物降压开采方法，其特征在于包括以下步骤：
1)通过数据采集与监控设备控制降水排压设备排出部分液体降低天然气水合物开采井内液位，促进天然气水合物层分解后进入天然气水合物开采井；2)通过加热设备对进入天然气水合物开采井底部的气水混合物进行加热，使之进入罐型容器中进行气液分离，分离后的水和气体分别进入输液管路和输气管道，进而输送到气液处理设备；3)数据采集与监控设备监测水合物开采过程中水合物开采井内的温度、压力和液位状态，并控制排水降压设备，使得水合物开采井内液位保持在预设高度；4)气液处理设备对采出水和采出气进行处理后排放。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置有罐型容器，气液混合物由罐型容器底部进入，上行至其中部后进入外壁环空，并从罐型容器顶部折返，形成流动回路实现气液混合物的一次分离；之后，在罐型容器内的气液分离器中实现二次分离，有效提高了气液分离的效率，使得气液分离更彻底，减少了天然气水合物再生的风险。2、本发明由于在天然气水合物开采井内设置有第一～第三封隔器，将天然气水合物开采井分割为下部进液腔、中部气液分离腔和上部气液输送腔，有利于引导气液分流，而且上部气液输送腔中输液管路与输气管道分离输送，有效避免了气液混合物在天然气水合物开采井内的再生。3、本发明由于设置了电磁加热器，能够对井筒底部的气液混合物进行持续的加热，并且沿井筒设置了特种分布式测温光纤也具有提高环空液体温度的作用，使井筒内部的气液混合物温度处于较高水平，进一步避免了天然气水合物再生造成的堵塞风险。4、本发明由于设置有特种分布式测温光纤，能够根据液体和气体的导热性能的差异，精确测量井筒内部液位的高度，不受气液混合物流动产生干扰的影响，提高了监控设备控制的精确性。5、本发明由于在排水降压设备和加热设备外部设置有罐型容器，用于对各设备进行限位，有效避免了电机工作时振动造成设备碰撞，同时在电潜泵机组下井过程中提供了保护作用，避免了和管套内壁的摩擦。6、本发明由于天然气水合物开采井下部进液腔内设置有一次防砂网，尾管中设置有二次防砂网，能够有效避免砂石进入开采设备中破坏开采设备，提高了开采设备的安全性。因而本发明可以广泛应用于海域天然气水合物开采中。
附图说明
图1是本发明一种海域天然气水合物降压开采装置的结构示意图；
图2是本发明离心式气液分离器的气体排出口的结构示意图；
图3是本发明特种分布式测温光纤；
图中：1、海水层；2、盖层；3、天然气水合物层；4、天然气水合物开采井；40、输气管道；41、输液管路；42、尾管；421、二次防砂网；43、罐型容器；431、罐型容器连接条；432、罐内封隔器；433、罐壁通孔；44、排水降压设备；441、离心泵；442、离心式气液分离器；4421、转轴；4422、分离器内管；4423、分离器外管；443、电机；45、加热设备；46；第一封隔器；47、第二封隔器；48、第三封隔器；49、防喷器；401、下部进液腔；4011、一次防砂网；402、中部气液分离腔；403、上部气液输送腔；5、隔水管；6、海面；7、气液处理设备；71、采出水处理装置；72、采出气处理装置；8、数据采集与监控设备；80、第一封隔器状态传感器；81、第二封隔器状态传感器；82、第三封隔器状态传感器；83、井底传感器；831、井底传感器线缆831；84、特种分布式测温光纤；841、加热带；842、裸光纤；843、保护套；844、铜导体；845、金属编织网；846、不锈钢管；847、油膏；85、监控设备；86、变频器；87、电源装置；801、线缆保护夹；802、供电线缆；803、组合线缆；9、底层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供的一种海域天然气水合物降压开采装置，包括由上向下依次贯穿海水层1、盖层2和天然气水合物层3的天然气水合物开采井4和隔水管5、以及设置在海面6上的气液处理设备7和数据采集与监控设备8。隔水管5与天然气水合物开采井4上端相连，数据采集及监控设备8用于监测并控制开采过程中天然气水合物开采井4内的液位、温度压力条件以及工作状态。
天然气水合物开采井4下端位于底层9上，其内部设置有输气管道40、输液管路41、尾管42、上部开口的罐型容器43以及设置在罐型容器43内的排水降压设备44和加热设备45。输气管道40上端由隔水管5穿出后与气液处理设备7相连；输液管路41上端同轴插设在输气管道40下端，由输气管道40下端侧壁伸出后进入天然气水合物开采井4内腔，并由隔水管5底部外壁上的输液管路引出口穿出后与气液处理设备7相连；输液管路41下部外壁上设置罐型容器43，罐型容器43中部和下部分别设置排水降压设备44和加热设备45，且排水降压设备44上、下端分别与输液管路41下端和加热设备45相连，罐型容器43底部与尾管42上端相连。
天然气水合物开采井4内部罐型容器43底部与尾管42相连处设置有第一封隔器46，输气管道40与输液管路41交汇处设置第二封隔器47，隔水管5底部的输液管路引出口处内部设置有第三封隔器48，外部设置有防喷器49。天然气水合物开采井4内底部至第一封隔器46之间为下部进液腔401，第一封隔器46与第二封隔器47之间为中部气液分离腔402，第二封隔器47与第三封隔器48之间为上部气液输送腔403，第三封隔器48上方为隔水管环空。
排水降压设备44包括依次连接的离心泵441、离心式气液分离器442和电机443，离心泵441上端与输液管路41下端连通，电机443与加热设备45相连。
罐型容器43上部通过罐型容器连接条431固定设置在输液管路41下部外壁上；罐型容器43中部设置有用于分离电机443和离心式气液分离器442的罐内封隔器432，且罐内封隔器432下部的罐型容器44侧壁上设置有多个罐壁通孔433。
气液处理设备7包括采出水处理装置71和采出气处理装置72，采出水处理装置71与输液管路41上端相连，采出气处理装置72与输气管道40上端相连。
下部进液腔401内壁上设置有一次防砂网4011，尾管42进液口内部设置有二次防砂网421。
数据采集与监控设备8包括设置在第一封隔器46上的第一封隔器状态传感器80、设置在第二封隔器47上的第二封隔器状态传感器81、设置在第三封隔器48上的第三封隔器状态传感器82、设置在尾管42侧壁上的井底传感器83、设置在天然气水合物开采井4筒内的特种分布式测温光纤84以及设置在海面上的监控设备85、变频器86和电源装置87。监控设备85分别与第一封隔器状态传感器80、第二封隔器状态传感器81、第三封隔器状态传感器82、井底传感器83以及特种分布式测温光纤84相连，接收各传感器的测量数据以及特种分布式测温光纤84的温度测量数据，并对接收到的数据进行显示和数据分析，进而控制变频器86调节电机443转速，实现井内液位自动稳定在预设范围内。电源装置87用于为监控设备85、变频器86以及天然气水合物开采井4中的排水降压设备44和加热设备45供电。
上述实施例中，如图2所示，离心式气液分离器442包括同轴套设的转轴4421、分离器内管4422和分离器外管4423，转轴4421与电机443相连，分离器外管4423上间隔设置有气体排出口。
上述各实施例中，加热设备45采用电磁加热器。
上述各实施例中，如图3所示，特种分布式测温光纤84包括加热带841、裸光纤842以及设置在加热带841和裸光纤842外部的保护套843，保护套843使得特种分布式测温光纤84具有较好的抗拉和耐磨性能。加热带841包括铜导体844以及紧密套设在铜导体844外部的金属编织网845。裸光纤842外部套设有不锈钢管846，且裸光纤842与不锈钢管846内部的环空填充有油膏847，用于防止水汽侵入光纤导致光纤损耗变大和增加传热性能。
上述各实施例中，特种分布式测温光纤84、连接井底传感器83的井底传感器线缆831、连接各封隔器状态传感器80～82的传感器线缆、连接排水降压设备44和加热设备45的供电线缆802通过线缆保护夹801固定设置在尾管42侧壁、罐型容器43外壁以及输气管道40外壁上，且各传感器线缆、特种分布式测温光纤84以及供电线缆802合并为组合线缆803与监控设备85相连。
基于上述海域天然气水合物降压开采装置，本发明还提供一种海域天然气水合物降压开采方法，包括以下步骤：
1)通过数据采集与监控设备8控制降水排压设备44排出部分液体降低天然气水合物开采井4内液位，促进天然气水合物层分解后进入天然气水合物开采井4。
通过数据采集与监控设备8控制离心泵441排出部分液体，降低天然气水合物开采井4内液位：这是由于完井后井内预留的液面较高，水合物的压力条件处于相平衡曲线内的稳定状态，通过电机443带动离心泵441排出部分液体降低井内液位，压力降低，促使天然气水合物层分解，分解后的气液混合物经过一次防砂网4011进入下部进液腔401，并通过尾管42中的二次防砂网421彻底避免水合物层出砂上行破坏上方设备，同时第一封隔器46可以隔离下部进液腔401和中部气液分离腔402，避免分解的气液混合物直接上逸。
2)通过加热设备45对分解后的气液混合物进行加热，并在中部气液分离腔402分离，分离后的水和气体分别进入输液管路41和输气管道40，经由上部气液输送腔403分离输送到气液处理设备7。
电磁加热器对分解后的气液混合物进行加热，同时气液混合物在罐形容器43内部上行，到达罐内封隔器432，气液混合物从罐壁通孔433进入罐形容器11外壁环空，并上行至罐形容器43顶部后折返向下，在这过程中气液混合物进行一次分离，剩余折返的气液混合物由罐型容器43上部开口进入离心式气液分离器442进行第二次气液分离，气体从气液分离器442排出口排出，再次进入罐形容器43外壁环空，液体从气液分离器内管4422上行至离心泵441，分离效率可达99％，可以有效避免气体对离心泵441的影响，而且也防止天然气水合物在输液管路41中再生，分离后的水和气体分别进入输液管路41和输气管道40。
3)数据采集与监控设备8监测水合物开采过程中天然气水合物开采井4内的温度、压力和液位状态，并控制排水降压设备44中的电机443转速，使得天然气水合物开采井4内液位保持在预设高度。
井底传感器83实时监测下部进液腔403的温度压力状态，通过井底传感器线缆831发送到监控设备85；特种分布式测温光纤84实时监测天然气水合物开采井4内部的温度变化并发送到监控设备85；第一封隔器状态传感器80、第二封隔器状态传感器81和第三封隔器状态传感器82分别实时监测第一～第三封隔器46～48的状态，并发送到监控设备85；监控设备85根据井底传感器83以及特种分布式测温光纤84获得的整条光纤的温度进行数据分析，得出实时液位数据，并通过PID等控制算法控制变频器86，调节电机443转速，从而控制井筒内部液面，实现井内液位自动稳定在一定的稳定的区间内，控制分解速度，避免积液产生。同时，根据各封隔器状态传感器80～82的监测结果，监测第一～第三封隔器46～48附近的温度压力条件，避免超压超温造成的封隔器失效。
另外，特种分布式测温光纤84的加热功能可以加热整个天然气水合物开采井4内部，彻底防止天然水合物在井筒内部的再生。
4)气液处理设备7对采出水和采出气进行处理后排放。
上行的输气管道40到达海面6后进入采出气处理装置72进行分解气的进一步脱水、脱硫(脱碳)、压缩运输等处理。上行的输液管路41上行至海面6后进入采出水处理装置71处理采出水中的大量难降解的有机物杂质，处理后达到可排放的标准，保护环境。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种海域天然气水合物降压开采装置，其特征在于：其包括天然气水合物开采井、气液处理设备以及数据采集与监控设备；所述数据采集及监控设备用于监测并控制开采过程中所述天然气水合物开采井内的液位、温度压力条件以及工作状态；
所述天然气水合物开采井上端与隔水管相连，内部设置有输气管道、输液管路、尾管以及设置在罐型容器内的排水降压设备和加热设备；所述输气管道上端由所述隔水管穿出后与所述气液处理设备相连；所述输液管路上端同轴插设在所述输气管道下端，由所述输气管道下端侧壁伸出后进入所述天然气水合物开采井内腔，并由所述隔水管底部外壁上的输液管路引出口穿出后与所述气液处理设备相连；所述罐型容器上部设置在所述输液管路下端外壁，所述罐型容器中部和下部分别设置所述排水降压设备和加热设备，且所述排水降压设备上、下端分别与所述输液管路下端和加热设备相连，所述罐型容器底部与所述尾管上端相连。
2.如权利要求1所述的一种海域天然气水合物降压开采装置，其特征在于：所述天然气水合物开采井内部所述罐型容器底部与所述尾管相连处设置有第一封隔器，所述输气管道与所述输液管路交汇处设置第二封隔器，所述隔水管底部的输液管路引出口处内部设置有第三封隔器，外部设置防喷器；所述天然气水合物开采井内底部至所述第一封隔器之间为下部进液腔，所述第一封隔器与所述第二封隔器之间为中部气液分离腔，所述第二封隔器与所述第三封隔器之间为上部气液输送腔，所述第三封隔器上方为隔水管环空。
3.如权利要求2所述的一种海域天然气水合物降压开采装置，其特征在于：所述数据采集与监控设备包括设置在所述第一封隔器上的第一封隔器状态传感器、设置在所述第二封隔器上的第二封隔器状态传感器、设置在所述第三封隔器上的第三封隔器状态传感器、设置在所述尾管侧壁上的井底传感器、设置在所述天然气水合物开采井内的特种分布式测温光纤以及设置在海面上的监控设备、变频器和电源装置；
所述监控设备分别与所述第一封隔器状态传感器、第二封隔器状态传感器、第三封隔器状态传感器、井底传感器以及特种分布式测温光纤相连，接收各传感器的测量数据以及所述特种分布式测温光纤的温度测量数据，并对接收到的数据进行显示和数据分析，进而控制所述变频器实现井内液位自动稳定在预设范围内；所述电源装置为所述监控设备和变频器以及所述天然气水合物开采井内的排水降压设备和加热设备供电。
4.如权利要求3所述的一种海域天然气水合物降压开采装置，其特征在于：所述特种分布式测温光纤包括间隔设置的加热带、裸光纤以及设置在所述加热带和裸光纤外部的保护套；
所述加热带包括铜导体以及紧密套设在所述铜导体外部的金属编织网；
所述裸光纤外部套设有不锈钢管，且所述裸光纤与所述不锈钢管内部的环空填充有用于防止水汽侵入光纤导致光纤损耗变大和增加传热性能的油膏。
5.如权利要求1所述的一种海域天然气水合物降压开采装置，其特征在于：所述罐型容器上部通过罐型容器连接条固定设置在所述输液管路下部外壁上；所述罐型容器中部设置有罐内封隔器，且所述罐内封隔器下部的所述罐型容器侧壁上设置有多个罐壁通孔。
6.如权利要求1所述的一种海域天然气水合物降压开采装置，其特征在于：所述排水降压设备包括依次连接的离心泵、离心式气液分离器和电机，所述离心泵上端与所述输液管路下端连通，所述电机与所述加热设备相连。
7.如权利要求6所述的一种海域天然气水合物降压开采装置，其特征在于：所述离心式气液分离器包括同轴套设的转轴、分离器内管和分离器外管，所述转轴与所述电机相连，所述分离器外管上间隔设置有气体排出口。
8.如权利要求1所述的一种海域天然气水合物降压开采装置，其特征在于：所述加热设备采用电磁加热器。
9.如权利要求1所述的一种海域天然气水合物降压开采装置，其特征在于：所述气液处理设备包括采出水处理装置和采出气处理装置，所述采出水处理装置与所述输液管路上端相连，所述采出气处理装置与所述输气管道上端相连。
10.一种基于如权利要求1所述装置的海域天然气水合物降压开采方法，其特征在于包括以下步骤：
1)通过数据采集与监控设备控制降水排压设备排出部分液体降低天然气水合物开采井内液位，促进天然气水合物层分解后进入天然气水合物开采井；
2)通过加热设备对进入天然气水合物开采井底部的气水混合物进行加热，使之进入罐型容器中进行气液分离，分离后的水和气体分别进入输液管路和输气管道，进而输送到气液处理设备；
3)数据采集与监控设备监测水合物开采过程中水合物开采井内的温度、压力和液位状态，并控制排水降压设备，使得水合物开采井内液位保持在预设高度；
4)气液处理设备对采出水和采出气进行处理后排放。
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