CN108086962B - 基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置及方法，开采装置的真空泵、水气分离罐、注浆系统、注热系统、储气装置之间通过管路连接，并固定在开采船上；开采装置与海底天然气水合物地层接触，工作时，将开采装置压入天然气水合物储层，通过真空泵使内部套管中产生负压；迫使水合物分解的同时，在外部隔离套管、移动压板以及射孔注浆后形成的隔水层作用下逐渐排出水合物储层开采区域中的水，阻断开采区域外水的补给通道，使开采区域逐渐固结，实现开采水合物的同时加固水合物储层目的。本发明解决了储层失稳坍塌、海水毒化等地质灾害，保证了海底结构的稳定。

Description

基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置及方法

技术领域

本发明涉及海底天然气水合物开采领域，特别涉及一种开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的开采装置及其开采方法。

背景技术

天然气水合物(gas hydrate)是由天然气与水分子在高压(>100大气压或>10MPa)和低温(0-10℃)条件下合成的一种固态结晶物质。天然气水合物作为未来潜在能源，具有分布广泛、资源量巨大、埋藏浅、规模大、能量密度高、洁净等特点。2017年5月，我国首次海域天然气水合物试采成功。同年11月3日，国务院正式批准将天然气水合物列为新矿种。一个单位体积的水合物分解至少可释放160个单位体积的甲烷气体，其能量密度是常规天然气的2-5倍，是煤的10倍。同时，天然气水合物资源量巨大，据保守估算，世界上天然气水合物所含天然气的总资源量约为(1.8～2.1)×10¹⁶m³其热当量相当于全球已知煤、石油和天然气总热当量的2倍。

天然气水合物在具有上述优势的同时，其开采时具有一定的风险，天然气水合物储层中，水合物的存在使沉积物相互胶结，保证了海底结构的稳定。现有的天然气水合物的开采方法大体上分为降压法、注化学剂法和注热法等，上述这些方法均以改变天然气水合物的相平衡条件促使水合物分解。通过已知的资料可知，随着水合物开采的进行，会破坏储层沉积物颗粒间的胶结结构，使颗粒间产生滑移，分解过程中会使储层局部液化、孔隙压力增大、有效应力降低，促使形成水合物层大面积不可控分解，同时会引发海水回灌，可导致上覆地层失稳坍塌、海水毒化，甚至地震、海啸等地质灾害。

海底水合物开采装置及方法研究方面，目前国内外的海底天然气水合物开发研究主要处于水开采方法及装置研究阶段，均面临着水合物开采后的赋存地层及上覆地层稳定性下降、工程安全无法保障的问题。因此，亟需研究一种在开采水合物的同时加固储层的装置及方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置，该装置能够实现在开采水合物的同时对储层进行加固的目的，并根据水合物分解速率适时对储层进行注热来提高水合物分解速率。具有提高水合物层开采后的结构强度，保证海底天然气水合物开采施工安全、高效进行，维护海底地质结构稳定的优势。

本发明的基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置包括外部隔离套管、内部套管、移动压板、限位器、真空泵、双井筒套管、真空管、气液分离器、储气装置、压力和流量传感器、注浆系统、控制及信号处理系统、射孔装置、射孔孔嘴、塑料排水板、双井筒套管内管、双井筒套管外管、注热系统和开采船；

双井筒套管上端与开采船连接，双井筒套管下端穿过外部隔离套管，双井筒套管能随开采装置同步压入天然气水合物储层中，双井筒套管内管底部依次设置射孔装置、压力和流量传感器；真空管设置在外部隔离套管内侧顶端以双井筒套管为中心均匀布置八根；内部套管与真空管垂直密封连接；移动压板布置在外部隔离套管内侧并与真空管平行，移动压板上设置贯穿孔，内部套管穿过贯穿孔；限位器与外部隔离套管内壁及双井筒套管外管外侧刚性连接。

所述外部隔离套管为刚性不透水圆柱体单元，为整个静压部件的外部保护单元，为开采装置内部提供封闭的工作环境。

所述内部套管为刚性圆柱体花管，上部与真空管密封连接，其内部设置环状整体式塑料排水板，塑料排水板排水板内部为PVC材质，外部为土工材料包裹，可保证液态水和气态天然气通过，阻止储层中固体颗粒进入内部套管。

所述移动压板上的贯穿孔为二十四个，间隔2～4米的二十四根内部套管分别穿过二十四个贯穿孔，在保持密封的基础上，贯穿孔能沿着内部套管自由移动。

所述限位器设置在外部隔离套管内壁，限位器是位于真空管以下的刚性部件，限位器能限制移动压板向上运动，当开采装置压入天然气水合物储层时，移动压板随之向上运动，当接触到限位器时，移动压板无法继续向上运动的同时对天然气水合物储层施加压力。

所述双井筒套管位于开采装置的中心位置，为双井筒套管管柱的设计，双井筒套管内外管之间通过固定套管部件连接，双井筒套管内管与开采船上的注浆系统及注热系统相连，双井筒套管内管底部布置压力和流量传感器、射孔装置，能实时测量水合物的分解速率以及在外部隔离套管底部进行射孔并注浆；双井筒套管外管与开采船上的真空泵相连，能对开采装置传递真空负压，双井筒套管外管位于限位器以下的管体为花管，开采时双井筒套管外管可作为液态水和气态天然气的通道，双井筒套管外管上与射孔喷嘴对应位置预留开口。

所述真空管为八根，相邻的真空管间隔45°；真空管位于外部隔离套管内侧的顶部，为内部套管均匀传递真空负压，真空管与内部套管连接处须具有一定抗压刚度；真空负压的传递方向为真空泵→气液分离器→真空管→内部套管→塑料排水板→天然气水合物储层；在负压的作用下，海底水合物分解为液态水和游离天然气并从天然气水合物储层向各内部套管内汇聚，气液混合物在开采装置中心双井筒套管外管汇聚，在气液分离罐内完成分离，并最终储存在开采船上的储气装置中。

所述压力和流量传感器位于双井筒套管内管底部，通过数据线联入控制及信号处理系统，实时监控水合物开采速率。

所述射孔装置设置在压力和流量传感器下部，可在移动压板对天然气水合物储层施加压力的同时进行射孔和注浆；注浆后形成的隔水层与外部隔离套管组成隔水体，阻断非开采区域水对开采区的补给。

一种基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置的开采方法，步骤如下：

步骤一、检查开采装置的连接及密封情况，做设备下放前的准备；

步骤二、开采装置下放，外部隔离套管首先与天然气水合物储层接触，缓慢施加静压力确保内部套管垂直插入天然气水合物储层中，此时开启真空泵；

步骤三、随着开采施工进行，移动压板逐渐向上移动，最终与限位器接触，停止向上运动；

步骤四、随着真空负压由双井筒套管外管传递至开采装置上部均匀分布的真空管及内部套管中，气液混合物被抽吸入内部套管中，沿双井筒套管外管向上运输，最终经过开采船上的气液分离器进行分选后，气态天然气注入储气装置，液态水排放回海洋中；开采活动使天然气水合物储层内孔隙压力增大、有效应力降低；

步骤五、随着开采装置的继续下放，移动压板对土体施加荷载逐渐增加；与此同时，射孔装置启动，在开采装置底部水合物层形成射孔通道，并同步注浆，注浆后形成的隔水层阻断海水对加固区域的补给，在移动压板荷载作用下，由上述开采施工而产生孔隙逐渐排水闭合，天然气水合物储层的开采区逐渐固结，稳定性得到提高；

步骤六：随着开采活动进行，前期水合物分解造成储层温度降低，水合物分解速率会随之降低，通过设置在双井筒套管内管上的压力和流量传感器可测得水合物层的实时分解速率，根据需要可关闭真空泵，由开采船上的注热系统通过双井筒套管内管向储层注入热水，提高天然气水合物储层温度，实现加快水合物分解速率的目的，待水合物分解速率提高后可继续开采。

本发明的有益效果：

本发明结构简单，便于移动，在开采水合物的同时在移动压板的作用下逐步减小储层的孔隙压力，加固水合物地层，防止水合物层发生坍塌和海底坍塌等地质灾害。

附图说明

图1是本发明的开采装置的示意图。

图2是本发明的开采装置的剖面图。

图3是本发明开采装置的移动压板的俯视图。

图4是本发明开采装置的俯视图。

图中：1—外部隔离套管；2—内部套管；3—移动压板；4—限位器；5—真空泵；6—双井筒套管；7—真空管；8—气液分离器；9—储气装置；10—压力和流量传感器；11—注浆系统；12—控制及信号处理系统；13—射孔装置；14—射孔喷嘴；15—塑料排水板；16—双井筒套管内管；17—双井筒套管外管；18—注热系统；19—天然气水合物储层；20—开采船；21—注浆后形成的隔水层；22—固定套管部件；31—贯穿孔。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本发明的基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置包括外部隔离套管1、内部套管2、移动压板3、限位器4、真空泵5、双井筒套管6、真空管7、气液分离器8、储气装置9、压力和流量传感器10、注浆系统11、控制及信号处理系统12、射孔装置13、射孔孔嘴14、塑料排水板15、双井筒套管内管16、双井筒套管外管17、注热系统18和开采船20；

双井筒套管6上端与开采船20连接，双井筒套管6下端穿过外部隔离套管1，双井筒套管6能随开采装置同步压入天然气水合物储层19中，双井筒套管内管16底部依次设置射孔装置13、压力和流量传感器10；真空管7设置在外部隔离套管1内侧顶端以双井筒套管6为中心均匀布置八根；内部套管2与真空管7垂直密封连接；移动压板3布置在外部隔离套管1内侧并与真空管7平行，移动压板3上设置贯穿孔31，内部套管2穿过贯穿孔；限位器4与外部隔离套管1内壁及双井筒套管外管17外侧刚性连接。

所述外部隔离套管1为刚性不透水圆柱体单元，为整个静压部件的外部保护单元，为开采装置内部提供封闭的工作环境。

所述内部套管2为刚性圆柱体花管，上部与真空管7密封连接，其内部设置环状整体式塑料排水板15，塑料排水板排水板15内部为PVC材质，外部为土工材料包裹，可保证液态水和气态天然气通过，阻止储层中固体颗粒进入内部套管2。

所述移动压板3上的贯穿孔31为二十四个，间隔2～4米的二十四根内部套管2分别穿过二十四个贯穿孔31，在保持密封的基础上，贯穿孔31能沿着内部套管2自由移动。

所述限位器4设置在外部隔离套管1内壁，限位器4是位于真空管7以下的刚性部件，限位器4能限制移动压板3向上运动，当开采装置压入天然气水合物储层19时，移动压板3随之向上运动，当接触到限位器4时，移动压板3无法继续向上运动的同时对天然气水合物储层19施加压力。

所述双井筒套管6位于开采装置的中心位置，为双井筒套管管柱的设计，双井筒套管6内外管之间通过固定套管部件22连接，双井筒套管内管16与开采船20上的注浆系统11及注热系统18相连，双井筒套管内管16底部布置压力和流量传感器10、射孔装置13，能实时测量水合物的分解速率以及在外部隔离套管1底部进行射孔并注浆；双井筒套管外管17与开采船20上的真空泵5相连，能对开采装置传递真空负压，双井筒套管外管17位于限位器4以下的管体为花管，开采时双井筒套管外管17可作为液态水和气态天然气的通道，双井筒套管外管17上与射孔喷嘴14对应位置预留开口。

所述真空管7为八根，相邻的真空管7间隔45°；真空管7位于外部隔离套管1内侧的顶部，为内部套管2均匀传递真空负压，真空管7与内部套管2连接处须具有一定抗压刚度；真空负压的传递方向为真空泵5→气液分离器8→真空泵5→内部套管2→塑料排水板15→天然气水合物储层19；在负压的作用下，海底水合物分解为液态水和游离天然气并从天然气水合物储层19向各内部套管2内汇聚，气液混合物在开采装置中心双井筒套管外管17汇聚，在气液分离器8内完成分离，并最终储存在开采船20上的储气装置9中。

所述压力和流量传感器10位于双井筒套管内管16底部，通过数据线联入控制及信号处理系统12，实时监控水合物开采速率。

所述射孔装置13设置在压力和流量传感器10下部，可在移动压板3对天然气水合物储层19施加压力的同时进行射孔和注浆；注浆后形成的隔水层21与外部隔离套管组成隔水体，阻断非开采区域水对开采区的补给。

一种基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置的开采方法，步骤如下：

步骤一、检查开采装置的连接及密封情况，做设备下放前的准备；

步骤二、开采装置下放，外部隔离套管1首先与天然气水合物储层19接触，缓慢施加静压力确保内部套管2垂直插入天然气水合物储层19中，此时开启真空泵5；

步骤三、随着开采施工进行，移动压板3逐渐向上移动，最终与限位器4接触，停止向上运动；

步骤四、随着真空负压由双井筒套管外管17传递至开采装置上部均匀分布的真空管7及内部套管2中，气液混合物被抽吸入内部套管2中，沿双井筒套管外管17向上运输，最终经过开采船20上的气液分离器8进行分选后，气态天然气注入储气装置9，液态水排放回海洋中；开采活动使天然气水合物储层19内孔隙压力增大、有效应力降低；

步骤五、随着开采装置的继续下放，移动压板3对土体施加荷载逐渐增加；与此同时，射孔装置13启动，在开采装置底部水合物层形成射孔通道，并同步注浆，注浆后形成的隔水层21阻断海水对加固区域的补给，在移动压板3荷载作用下，由上述开采施工而产生孔隙逐渐排水闭合，天然气水合物储层19的开采区逐渐固结，稳定性得到提高；

步骤六：随着开采活动进行，前期水合物分解造成储层温度降低，水合物分解速率会随之降低，通过设置在双井筒套管内管16上的压力和流量传感器10可测得水合物层的实时分解速率，根据需要可关闭真空泵5，由开采船上的注热系统18通过双井筒套管内管16向储层注入热水，提高天然气水合物储层19温度，实现加快水合物分解速率的目的，待水合物分解速率提高后可继续开采。

Claims (8)

1.一种基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置，其特征在于：包括外部隔离套管（1）、内部套管（2）、移动压板（3）、限位器（4）、真空泵（5）、双井筒套管（6）、真空管（7）、气液分离器（8）、储气装置（9）、压力和流量传感器（10）、注浆系统（11）、控制及信号处理系统（12）、射孔装置（13）、射孔孔嘴（14）、塑料排水板（15）、双井筒套管内管（16）、双井筒套管外管（17）、注热系统（18）和开采船（20）；

双井筒套管（6）上端与开采船（20）连接，双井筒套管（6）下端穿过外部隔离套管（1），双井筒套管（6）能随开采装置同步压入天然气水合物储层（19）中，双井筒套管内管（16）底部依次设置射孔装置（13）、压力和流量传感器（10）；真空管（7）设置在外部隔离套管（1）内侧顶端以双井筒套管（6）为中心均匀布置八根；内部套管（2）与真空管（7）垂直密封连接；移动压板（3）布置在外部隔离套管（1）内侧并与真空管（7）平行，移动压板（3）上设置贯穿孔（31），内部套管（2）穿过贯穿孔；限位器（4）与外部隔离套管（1）内壁及双井筒套管外管（17）外侧刚性连接；

所述外部隔离套管（1）为刚性不透水圆柱体单元，为整个静压部件的外部保护单元，为开采装置内部提供封闭的工作环境；

所述内部套管（2）为刚性圆柱体花管，上部与真空管（7）密封连接，其内部设置环状整体式塑料排水板（15），塑料排水板（15）内部为PVC材质，外部为土工材料包裹，可保证液态水和气态天然气通过，阻止储层中固体颗粒进入内部套管（2）；

随着开采装置的继续下放，移动压板3对土体施加荷载逐渐增加；与此同时，射孔装置（13）启动，在开采装置底部水合物层形成射孔通道，并同步注浆，注浆后形成的隔水层（21）阻断海水对加固区域的补给，在移动压板（3）荷载作用下，由开采施工而产生孔隙逐渐排水闭合，天然气水合物储层（19）的开采区逐渐固结，稳定性得到提高。

2.根据权利要求1所述的一种基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置，其特征在于：所述移动压板（3）上的贯穿孔（31）为二十四个，间隔2~4米的二十四根内部套管（2）分别穿过二十四个贯穿孔（31），在保持密封的基础上，贯穿孔（31）能沿着内部套管（2）自由移动。

3.根据权利要求1所述的一种基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置，其特征在于：所述限位器（4）设置在外部隔离套管（1）内壁，限位器（4）是位于真空管（7）以下的刚性部件，限位器（4）能限制移动压板（3）向上运动，当开采装置压入天然气水合物储层（19）时，移动压板（3）随之向上运动，当接触到限位器（4）时，移动压板（3）无法继续向上运动的同时对天然气水合物储层（19）施加压力。

4.根据权利要求1所述的一种基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置，其特征在于：所述双井筒套管（6）位于开采装置的中心位置，为双井筒套管管柱的设计，双井筒套管（6）内外管之间通过固定套管部件（22）连接，双井筒套管内管（16）与开采船（20）上的注浆系统（11）及注热系统（18）相连，双井筒套管内管（16）底部布置压力和流量传感器（10）、射孔装置（13），能实时测量水合物的分解速率以及在外部隔离套管（1）底部进行射孔并注浆；双井筒套管外管（17）与开采船（20）上的真空泵（5）相连，能对开采装置传递真空负压，双井筒套管外管（17）位于限位器（4）以下的管体为花管，开采时双井筒套管外管（17）可作为液态水和气态天然气的通道，双井筒套管外管（17）上与射孔喷嘴（14）对应位置预留开口。

5.根据权利要求1所述的一种基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置，其特征在于：所述真空管（7）为八根，相邻的真空管（7）间隔45°；真空管（7）位于外部隔离套管（1）内侧的顶部，为内部套管（2）均匀传递真空负压，真空负压的传递方向为真空泵（5）→气液分离器（8）→真空泵（5）→内部套管（2）→塑料排水板（15）→天然气水合物储层（19）；在负压的作用下，海底水合物分解为液态水和游离天然气并从天然气水合物储层（19）向各内部套管（2）内汇聚，气液混合物在开采装置中心双井筒套管外管（17）汇聚，在气液分离器（8）内完成分离，并最终储存在开采船（20）上的储气装置（9）中。

6.根据权利要求1所述的一种基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置，其特征在于：所述压力和流量传感器（10）位于双井筒套管内管（16）底部，通过数据线联入控制及信号处理系统（12），实时监控水合物开采速率。

7.根据权利要求1所述的一种基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置，其特征在于：所述射孔装置（13）设置在压力和流量传感器（10）下部，可在移动压板（3）对天然气水合物储层（19）施加压力的同时进行射孔和注浆；注浆后形成的隔水层（21）与外部隔离套管组成隔水体，阻断非开采区域水对开采区的补给。

8.权利要求1所述基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置的开采方法，步骤如下：

步骤一、检查开采装置的连接及密封情况，做设备下放前的准备；

步骤二、开采装置下放，外部隔离套管（1）首先与天然气水合物储层（19）接触，缓慢施加静压力确保内部套管（2）垂直插入天然气水合物储层（19）中，此时开启真空泵（5）；

步骤三、随着开采施工进行，移动压板（3）逐渐向上移动，最终与限位器（4）接触，停止向上运动；

步骤四、随着真空负压由双井筒套管外管（17）传递至开采装置上部均匀分布的真空管（7）及内部套管（2）中，气液混合物被抽吸入内部套管（2）中，沿双井筒套管外管（17）向上运输，最终经过开采船（20）上的气液分离器（8）进行分选后，气态天然气注入储气装置（9），液态水排放回海洋中；开采活动使天然气水合物储层（19）内孔隙压力增大、有效应力降低；

步骤五、随着开采装置的继续下放，移动压板（3）对土体施加荷载逐渐增加；与此同时，射孔装置（13）启动，在开采装置底部水合物层形成射孔通道，并同步注浆，注浆后形成的隔水层（21）阻断海水对加固区域的补给，在移动压板（3）荷载作用下，由上述开采施工而产生孔隙逐渐排水闭合，天然气水合物储层（19）的开采区逐渐固结，稳定性得到提高；

步骤六：随着开采活动进行，前期水合物分解造成储层温度降低，水合物分解速率会随之降低，通过设置在双井筒套管内管（16）上的压力和流量传感器（10）可测得水合物层的实时分解速率，根据需要可关闭真空泵（5），由开采船上的注热系统（18）通过双井筒套管内管（16）向储层注入热水，提高天然气水合物储层（19）温度，实现加快水合物分解速率的目的，待水合物分解速率提高后可继续开采。

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