CN107859505A - 一种天然气水合物稳定分采的增产装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种天然气水合物稳定分采的增产装置及方法，其中所述装置包括：双壁钻杆，设置在所述双壁钻杆与水合物层接触段的至少一个第一射孔；设置在所述双壁钻杆与水合物层接触段、且位于所述第一射孔下部的至少一个第二射孔；在所述双壁钻杆的内管内设有采气管道，且所述采气管道的进口与所述第一射孔齐高；以及在所述双壁钻杆的内管内设有采水管道，且所述采水管道的进口与所述第二射孔齐高。本发明提供的天然气水合物稳定分采的增产装置，使得水合物分解产生的天然气和水通过不同管道产出，在一定程度上避免了水锥进现象发生；同时提高了天然气水合物的采收率，且采出的天然气较纯净，节约了气水分离操作的成本。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物开采技术领域，更具体地，涉及一种天然气水合物稳定分采的增产装置及方法。
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”；其具有高密度、高热值、洁净环保的优点。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”。
天然气水合物主要存在于陆地(基本为永久冻土层)和海洋中。目前，NGH开采方法主要有降压法、热激法、化学试剂法和CO2置换法等几类。其中降压法被认为是天然气水合物藏开采技术中最经济、最有效的生产方法。
现有的天然气水合物开采装置，通过射孔与大气连通或对于有下伏气层的水合物藏通过开采下伏气层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，天然气水合物在降压开采时会发生相变，固相天然气水合物一般是储层的胶结成分，其分解会引起储层物性参数、力学性能及孔隙压力等一系列的变化，可能会在开采过程中出现出砂现象。天然气水合物分解产生天然气和水，在开采过程中可能会产生水锥进现象。同时，随着降压开采的进行，水合物分解导致水合物层温度降低，会形成二次水合物或者结冰。
发明内容
针对上述的技术问题，本发明提供一种天然气水合物稳定分采的增产装置及方法。
第一方面，本发明提供一种天然气水合物稳定分采的增产装置，包括：双壁钻杆，设置在所述双壁钻杆与水合物层的接触段上部的至少一个第一射孔；设置在所述双壁钻杆与水合物层的接触段下部的至少一个第二射孔；在所述双壁钻杆的内管内设有采气管道，且所述采气管道的进口与所述第一射孔齐高；以及在所述双壁钻杆的内管内设有采水管道，且所述采水管道的进口与所述第二射孔齐高。
其中，所述天然气水合物稳定分采的增产装置，还包括：第一圆柱封隔器，所述第一圆柱封隔器布置在所述第一射孔与所述第二射孔之间的区域；所述第一圆柱封隔器的圆柱面与所述双壁钻杆的内管管壁相接触；且所述采水管道穿过所述第一圆柱封隔器。
其中，所述天然气水合物稳定分采的增产装置，还包括：注热循环装置，所述注热循环装置的进口与所述采水管道的出口相通，所述注热循环装置的出口与所述双壁钻杆的外管相通。
其中，所述天然气水合物稳定分采的增产装置，还包括：设置在所述双壁钻杆的外管内壁的至少一根热管，所述热管布置在所述第一射孔与所述第二射孔之间的区域。
其中，所述天然气水合物稳定分采的增产装置，还包括：设置在所述双壁钻杆的内管内的防砂装置，所述防砂装置的底部与水合物层的底部齐高；相应地，所述第一圆柱封隔器替换为相贴合第二圆柱封隔器和第一环形圆柱封隔器；所述第二圆柱封隔器的圆柱面与所述防砂装置的内壁相接触；所述第一环形圆柱封隔器的内圆柱面与所述防砂装置的外壁相接触，所述第一环形圆柱封隔器的外圆柱面与所述双壁钻杆的内管管壁相接触；所述采气管道和所述采水管道布置在所述防砂装置内。
其中，所述天然气水合物稳定分采的增产装置，还包括：设置在所述采气管道内且位于所述采气管道的进口处的第一实时自动调控装置；以及，设置在所述采水管道内且位于所述采水管道的进口处的第二实时自动调控装置；所述第一实时自动调控装置用于监测井内的压力、温度、采气速度和水合物层的含水饱和度；所述第二实时自动调控装置用于监测井内的压力、温度、采水速度和水合物层的含水饱和度。
其中，所述防砂装置的防砂部件为绕丝筛管，且所述绕丝筛管的高度与水合物层的高度相当。
其中，所述天然气水合物稳定分采的增产装置，还包括：设置在所述绕丝筛管的底部边缘处的第二环形圆柱封隔器，且所述第二环形圆柱封隔器的外圆柱面与所述双壁钻杆的内管管壁相接触。
第二方面，本发明提供一种天然气水合物稳定分采的增产方法，包括：S1，控制井底压力低于水合物层的平衡压力，以使水合物分解产生天然气和水；S2，天然气通过双壁钻杆的第一射孔排出后，对天然气进行除砂处理，再经采气管道采出；以及水通过双壁钻杆的第二射孔排出后，对水进行除砂处理，再经采水管道采出；S3，将经采水管道采出的水加热生成蒸汽，并结合热管将蒸汽输送至水合物层以及二次水合物形成区域。
其中，所述天然气水合物稳定分采的增产方法，还包括：基于实时监测的井内水合物层处的含水饱和度，确定是否发生水锥现象。
本发明提供的一种天然气水合物稳定分采的增产装置及方法，在开采天然气水合物时，天然气通过双壁钻杆上的第一射孔经采气管道采出，水通过双壁钻杆上的第二射孔经采水管道采出；使得水合物分解产生的天然气和水通过不同管道产出，在一定程度上避免了水锥进现象发生；同时提高了天然气水合物的采收率，且采出的天然气较纯净，节约了气水分离操作的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的天然气水合物稳定分采的增产装置的剖视图；
图2为本发明实施例提供的天然气水合物稳定分采的增产方法的流程框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的天然气水合物稳定分采的增产装置的剖视图，如图1所示，该装置包括：双壁钻杆2，设置在所述双壁钻杆2与水合物层1的接触段上部的至少一个第一射孔3，及设置在所述双壁钻杆2与水合物层1的接触段下部的至少一个第二射孔5；在所述双壁钻杆2的内管内设有采气管道11，且所述采气管道11的进口与所述第一射孔3齐高；以及在所述双壁钻杆2的内管内设有采水管道12，且所述采水管道12的进口与所述第二射孔5齐高。
其中，双壁钻杆又称双层钻杆。由内、外两层钻杆(称内管和外管)所组成。内、外管之间构成环隙，是水力输岩钻进、中心取样钻进时，向孔底泵送冲洗介质的通道。内管中心孔是排出冲洗介质固定成一个整体，每根双壁钻杆之间以外管的丝扣进行连接，保证传递扭矩和压力。而内管之间多采用插接方式，一般只起流通冲洗介质的作用，因此，插接处要设密封装置。
具体地，在对天然气水合物进行开采时，利用气水降压分采装置，在天然气水合物降压分解之后分别通过不同的管道采出天然气和水。即，首先，通过控制井口压力，使井底压力低于水合物层1的平衡压力，使得水合物分解产生天然气和水。然后，由于天然气的密度比水的密度小，则天然气分布在水的上部，故天然气通过设置在双壁钻杆2与水合物层1的接触段上部的第一射孔3排出，再经采气管道11采出；水通过设置在双壁钻杆2与水合物层1的接触段下部的第二射孔5排出，再经采水管道12采出。
在本发明实施例中，在开采天然气水合物时，天然气通过双壁钻杆上的第一射孔经采气管道采出，水通过双壁钻杆上的第二射孔经采水管道采出；使得水合物分解产生的天然气和水通过不同管道产出，在一定程度上避免了水锥进现象发生；同时提高了天然气水合物的采收率，且采出的天然气较纯净，节约了气水分离操作的成本。
在上述实施例的基础上，所述天然气水合物稳定分采的增产装置，还包括：第一圆柱封隔器8，所述第一圆柱封隔器8布置在所述第一射孔3与所述第二射孔5之间的区域；所述第一圆柱封隔器8的圆柱面与所述双壁钻杆2的内管管壁相接触；且所述采水管道12穿过所述圆柱封隔器8。
具体地，在双壁钻杆2的内管内部布置第一圆柱封隔器8，且将第一圆柱封隔器8设置在第一射孔3与第二射孔5之间，且该第一圆柱封隔器8的圆柱面与双壁钻杆2的内管的内壁相接触。从而利用该第一圆柱封隔器8将水合物分解产生的天然气与水隔离开来，使得经第一射孔3排出后通过采气管道11采出的天然气较纯净。由于采水管道12穿过该第一圆柱封隔器8，水则经第二射孔5排出后通过采水管道12采出。这样，使得采气与采水相互不影响，且采得的天然气较纯净，节约了气水分离操作的成本。
另外，为了使得天然气和水能够较快速的采出，可以在双壁钻杆2上设置多个第一射孔3和多个第二射孔5，例如，将多个第一射孔3围绕双壁钻杆2布置成圆形；同样地，将多个第二射孔围绕双壁钻杆2布置成圆形，且多个第一射孔3均在多个第二射孔5的上部。
在上述各实施例的基础上，所述天然气水合物稳定分采的增产装置，还包括：注热循环装置13，所述注热循环装置13的进口与所述采水管道12的出口相通，所述注热循环装置13的出口与所述双壁钻杆2的外管相通。
具体地，由于水合物分解为吸热反应，水合物快速分解容易使地层局部温度降低至冰点以下，从而使地层内未产出的天然气和水反应生成“二次水合物”，或者结冰。则通过在天然气水合物稳定分采的增产装置中设置注热循环装置13，使得水合物层1分解产生的水，经双壁钻杆2的第二射孔5再经采水管道12采出后，通过该注热循环装置13加热后产生蒸汽。然后注热循环装置13将产生的蒸汽输送至双壁钻杆2的外管内，以使蒸汽回注至水合物层1和二次水合物形成区域，使得水合物层1和地层的温度不会因水合物分解而受到较大的影响，从而维持水合物层1和地层的温度较稳定，不会使地层内未产出的天然气和水反应生成“二次水合物”或者发生结冰现象，造成生产被迫终止。
在本发明实施例中，通过设置注热循环装置，将经采水管道采出的水经注热循环装置加热产生蒸汽，经将产生的蒸汽回注至水合物层和二次水合物形成区域，避免了由于水合物分解温度降低造成的结冰或者生成“二次水合物”的现象，提高了天然气水合物的开采效率。
在上述各实施例的基础上，所述天然气水合物稳定分采的增产装置，还包括：设置在所述双壁钻杆2的外管内壁的至少一根热管4，所述热管布置在所述第一射孔3与所述第二射孔5之间的区域。
其中，热管充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。
具体地，通过在双壁钻杆2的外管内壁设置热管4，在注热循环装置13将采出水加热产生蒸汽，且蒸汽回注至水合物层1时，可以利用热管4将蒸汽的热量迅速传递至水合物层1，使得水合物层1的温度快速回升，以使水合物层1的温度不因水合物的分解而发生结冰或者形成二次水合物，提高了天然气水合物的开采效率。
在本发明实施例中，通过采用热管大大提高了传热效率，并扩大传热范围，从而大幅提高天然气水合物的采收率。
在上述各实施例的基础上，所述天然气水合物稳定分采的增产装置，还包括：设置在所述双壁钻杆2的内管内的防砂装置10，所述防砂装置10的底部与水合物层1的底部齐高；相应地，所述第一圆柱封隔器8替换为相贴合第二圆柱封隔器和第一环形圆柱封隔器；所述第二圆柱封隔器的圆柱面与所述防砂装置10的内壁相接触；所述第一环形圆柱封隔器的内圆柱面与所述防砂装置10的外壁相接触，所述第一环形圆柱封隔器的外圆柱面与所述双壁钻杆2的内管管壁相接触；所述采气管道11和所述采水管道12布置在所述防砂装置10内。
具体地，由于固相天然气水合物是储层的胶结成分，随着水合物的开采，水合物分解区储层胶结性变差、力学强度大幅降低，可能会有出砂现象发生，故在双壁钻杆2的内管内加入防砂装置10。则可以利用该防砂装置10，对经第一射孔3排出的天然气和经第二射孔5排出的水进行除砂处理。相应地，在双壁钻杆2的内管内设置防砂装置10时，为了保证对天然气和水的分隔，需要将第一圆柱封隔器替换为第二圆柱封隔器和第一环形圆柱封隔器，使得在加入防砂装置10进行防砂的同时，还可以保证天然气和水的分隔。然后将经过防砂装置10处理后的天然气和水，分别经过采气管道11和采水管道12采出，这样采出的天然气和水较干净，不会使采气管道11和采水管道12发生堵塞，提高了天然气水合物的开采效率。
在本发明实施例中，通过在双壁钻杆的内管内设置防砂装置，避免了采水管道和采气管道内发生出砂现象，从而避免了采气管道和采水管道发生堵塞，提高天然气水合物的开采效率。
在上述各实施例的基础上，所述天然气水合物稳定分采的增产装置，还包括：设置在所述采气管道11内且位于所述采气管道11的进口处的第一实时自动调控装置9；以及，设置在所述采水管道12内且位于所述采水管道12的进口处的第二实时自动调控装置6；所述第一实时自动调控装置9用于监测井内的压力、温度、采气速度和水合物层的含水饱和度；所述第二实时自动调控装置6用于监测井内的压力、温度、采水速度和水合物层的含水饱和度。
具体地，在对天然气水合物进行开采的过程中，通过设置在采气管道11的进口处的第一实时自动调控装置9，来实时监测井内的压力、温度、采气管道11内的采气速度以及水合物层1的含水饱和度等；以及通过设置在采水管道12的进口处的第二实时自动调控装置6，来实时监测井内的压力、温度采水管道12内的采水速度以及水合物层1的含水饱和度等。且根据第一实时自动调控装置6和第二实时自动调控装置9监测到的数据，实时自动调控系统14会对天然气水合物稳定分采的增产装置的状态进行调整；例如，实施自动调控系统14根据监测到的含水饱和度确定产出水在底层中的分布情况，从而观察在天然气水合物气水开采过程中是否会发生水锥现象。
在本发明实施例中，通过第一实时自动调控装置和第二实时自动调控装置，监测井内的压力、温度、采水速度、采气速度以及水合物层的含水饱和度；然后实时自动调控系统根据测得的数据对开采过程中的状态进行推断。
另外，该实时自动调控系统14可以包括从上之下依次相连的地面控制装置、流量调节器、电力测试调节装置、调节臂及可调堵塞器等。
在上述各实施例的基础上，所述防砂装置10的防砂部件为绕丝筛管，且所述绕丝筛管的高度与水合物层1的高度相当。所述天然气水合物稳定分采的增产装置，还包括：设置在所述绕丝筛管的底部边缘处的第二环形圆柱封隔器7，且所述第二环形圆柱封隔器7的外圆柱面与所述双壁钻杆2的内管管壁相接触。
其中，绕丝筛管具有强度高、不易变形、缝隙均匀、边缘垂直度好及无毛刺等优点。
具体地，将防砂装置的防砂部件设定为绕丝筛管，且将绕丝筛管的高度设定为与水合物层1的高度相当，使得在开采过程中，经第一射孔3排出的天然气和经第二射孔5排出的水，均可以通过该绕丝筛管进行除砂处理，进一步保证了采出的天然气和水的纯净度，避免了采气管道11和采水管道12发生堵塞的情况。
在绕丝筛管的底部边缘设置第二环形圆柱封隔器7，且该第二环形圆柱封隔器7的外圆柱面与双壁钻杆2的内管管壁相接触；则将绕丝筛管与双壁钻杆2之间的空隙，与水合物层1下部的区域隔离开来，避免了对经第二射孔5排出的水的再次污染，进一步保证了采出水的纯净度。
图2为本发明实施例提供的天然气水合物稳定分采的增产方法的流程框图，如图2所示，该方法包括：S1，控制井底压力低于水合物层的平衡压力，以使水合物分解产生天然气和水；S2，天然气通过第一射孔排出后，对天然气进行除砂处理，再经采气管道采出；以及水通过第二射孔排出后，对水进行除砂处理，再经采水管道采出；S3，将经采水管道采出的水加热生成蒸汽，并结合热管将热量输送至水合物层以及二次水合物形成区域。
具体地，在对于无下伏气藏的水合物藏进行开采时，首先控制井口压力，使井底压力低于水合物层的平衡压力，造成水合物分解产生天然气和水。且由于固相天然气水合物是储层的胶结成分，随着水合物的开采，水合物分解区储层胶结性变差、力学强度大幅降低，可能会有出砂现象发生，则需要对经双壁钻杆的第一射孔排出的天然气进行除砂处理，以及对经双壁钻杆的第二射孔排出的水进行除砂处理。然后，将除砂处理后的天然气经采气管道采出；以及将除砂处理后的水经采水管道采出。
由于水合物分解为吸热反应，水合物快速分解容易使地层局部温度降低至冰点以下，从而地层内未产出的天然气和水反应生成“二次水合物”。此时启动注热循环装置，将采水管道采出的水经过注热循环装置加热生成蒸汽。再将蒸汽沿双壁钻杆的外管回注至水合物层，以使蒸汽的热量传递至水合物层和二次水合物形成区域，以避免结冰现象或产生二次水合物。
在上述实施例的基础上，所述天然气水合物稳定分采的增产方法，还包括：基于实时监测的井内水合物层处的含水饱和度，确定是否发生水锥现象。
在天然气水合物的开采过程中，监测水合物层的含水饱和度，例如，利用实时自动调控系统监测水合物层各处的含水饱和度。并根据该含水饱和度确定采出水在地层中的分布情况，从而观察在天然气水合物开采过程中是否发生水锥现象。
另外，还可以利用实时自动调控系统，实时检测井内的压力和温度的变化情况，以及采水和采气的速度等。且，为提高传热效率并扩大传热范围，可通过双壁钻杆的外管内壁的热管，将蒸汽的热量快速传递至水合物层和二次水合物形成区域。
上述各实施例提供的天然气水合物稳定分采的增产装置及方法，解决了天然气水合物降压开采过程中存在的主要问题。本发明提供的天然气水合物稳定分采的增产装置，将产出天然气和水以不同管道采出，将采出水通过注热循环装置回注，对水合物层进行加热，避免产生二次水合物或结冰现象；采用绕丝筛管作为防砂装置的防砂部件，减少由于水合物开采产生的出砂现象；以及，通过实时自动检测调控系统对开采过程中的压力、温度变化、采气和采水速度、以及水合物层的含水饱和度进行监控。因此，较大地提高了天然气水合物产出气的采收率；同时节省气水分离的成本，还对缓解能源危机具有重要意义。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种天然气水合物稳定分采的增产装置，其特征在于，包括：双壁钻杆，设置在所述双壁钻杆与水合物层的接触段上部的至少一个第一射孔；设置在所述双壁钻杆与水合物层的接触段下部的至少一个第二射孔；
在所述双壁钻杆的内管内设有采气管道，且所述采气管道的进口与所述第一射孔齐高；以及
在所述双壁钻杆的内管内设有采水管道，且所述采水管道的进口与所述第二射孔齐高。
2.根据权利要求1所述的天然气水合物稳定分采的增产装置，其特征在于，还包括：第一圆柱封隔器，所述第一圆柱封隔器布置在所述第一射孔与所述第二射孔之间的区域；
所述第一圆柱封隔器的圆柱面与所述双壁钻杆的内管管壁相接触；
且所述采水管道穿过所述第一圆柱封隔器。
3.根据权利要求1所述的天然气水合物稳定分采的增产装置，其特征在于，还包括：注热循环装置，所述注热循环装置的进口与所述采水管道的出口相通，所述注热循环装置的出口与所述双壁钻杆的外管相通。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的天然气水合物稳定分采的增产装置，其特征在于，还包括：设置在所述双壁钻杆的外管内壁的至少一根热管，所述热管布置在所述第一射孔与所述第二射孔之间的区域。
5.根据权利要求2所述的天然气水合物稳定分采的增产装置，其特征在于，还包括：设置在所述双壁钻杆的内管内的防砂装置，所述防砂装置的底部与水合物层的底部齐高；相应地，
所述第一圆柱封隔器替换为互相贴合第二圆柱封隔器和第一环形圆柱封隔器；
所述第二圆柱封隔器的圆柱面与所述防砂装置的外壁相接触；
所述第一环形圆柱封隔器的内圆柱面与所述防砂装置的外壁相接触，所述第一环形圆柱封隔器的外圆柱面与所述双壁钻杆的内管管壁相接触；
所述采气管道和所述采水管道布置在所述防砂装置内。
6.根据权利要求1所述的天然气水合物稳定分采的增产装置，其特征在于，还包括：设置在所述采气管道内且位于所述采气管道的进口处的第一实时自动调控装置；以及，设置在所述采水管道内且位于所述采水管道的进口处的第二实时自动调控装置；
所述第一实时自动调控装置用于监测井内的压力、温度、采气速度和水合物层的含水饱和度；
所述第二实时自动调控装置用于监测井内的压力、温度、采水速度和水合物层的含水饱和度。
7.根据权利要求5所述的天然气水合物稳定分采的增产装置，其特征在于，所述防砂装置的防砂部件为绕丝筛管，且所述绕丝筛管的高度与水合物层的高度相当。
8.根据权利要求7所述的天然气水合物稳定分采的增产装置，其特征在于，还包括：设置在所述绕丝筛管的底部边缘处的第二环形圆柱封隔器，且所述第二环形圆柱封隔器的外圆柱面与所述双壁钻杆的内管管壁相接触。
9.一种天然气水合物稳定分采的增产方法，其特征在于，包括：
S1，控制井底压力低于水合物层的平衡压力，以使水合物分解产生天然气和水；
S2，天然气通过双壁钻杆的第一射孔排出后，对天然气进行除砂处理，再经采气管道采出；以及
水通过双壁钻杆的第二射孔排出后，对水进行除砂处理，再经采水管道采出；
S3，将经采水管道采出的水加热生成蒸汽，并结合热管将蒸汽输送至水合物层以及二次水合物形成区域。
10.根据权利要求9所述的天然气水合物稳定分采的增产方法，其特征在于，还包括：基于实时监测的井内水合物层处的含水饱和度，确定是否发生水锥现象。
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