CN108729886A - 一种降温加压的海底可燃冰开采系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降温加压的海底可燃冰开采系统及方法，适用于可燃冰开采领域。在开采竖井中下放冻结管对可燃冰储层进行降温形成径向温度梯度，然后，通过液压加载机构对可燃冰储层进行加压进而使可燃冰储层破裂，裂缝处可燃冰相平衡首先得到改变，从而诱发可燃冰不断分解为甲烷和水。最后，引导甲烷气体沿竖井和冻结管间环空上升，并通过收集孔分离提纯。通过降温形成径向温度梯度，进而诱发储层脆性破坏特征，然后在径向施加压应力，促使环向受拉产生沿径向裂缝，从而诱发可燃冰分解，达到开采的目的，当可燃冰分解后，降温促使局部温度梯度更为显著，压裂容易，保证储层裂缝能持续为甲烷气体提供渗流通道。
Description
技术领域
本发明涉及一种可燃冰开采系统及方法，具体为一种适用于海洋可燃冰的降温加压开采系统及方法。
背景技术
可燃冰是一种主要由甲烷(CH4)气体与水分子(H2O)组合而成的具有笼形晶胞结构的天然气水合物。现已探明的可燃冰含碳量相当于已探明的现有化石能源含碳量总和的2倍，其大多储藏在近海陆架的沉积层，可满足人类未来1000年的能源需求。在能源稀缺和环境问题更加严峻的今天，掌握可燃冰开采技术，实现其大规模开采，将对缓解人类当前的能源危机具有重要的战略意义。
现有可燃冰开采方法的原理主要是围绕如何改变可燃冰储层温压条件，诱发其分解，从而释放出甲烷。1)降压法：通过钻井井眼的压力降低或在可燃冰储层下的游离气体聚集区域中降低气体压力，从而使得与游离气体接触的可燃冰分解为甲烷和水。降压法不适用于大规模可燃冰开采，且不适用于储层原始地温接近或低于0℃的气藏。2)注热法：将蒸汽、热水、热盐水或其他热流体从地面注入可燃冰储层，也可采用开采重油时使用的就地燃烧法或者电加热、电磁加热、微波加热等。注热法耗能大，难收集甲烷且可控性差。3)化学抑制剂法：利用化学抑制剂改变可燃冰形成的相平衡条件，促使可燃冰分解从而达到开采的目的。但是化学抑制剂法费用昂贵，作用缓慢，不适于海洋可燃冰开采。4)气体置换法：注入二氧化碳形成二氧化碳水化物产生的热量进行开采，这种办法经济环保但开采效率低且不可控，有较大的安全隐患。(5)陆域开采方法：从相邻埋藏可燃冰储层的陆地掘进斜井至可燃冰储层，然后通过水平巷道掘进储层前方70～100m，通过预注浆形成盖层，注入高温蒸汽诱发可燃冰分解，然后通过井管运输至地面。
但是上述方法在面对海洋可燃冰时，均不同程度存在高效性，经济性，以及地质灾害和环境生态等诸多问题。大多技术还停留在实验室阶段，有些甚至是概念阶段，难以满足大规模商业化开采的需求。
发明内容
针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单，使用方便，开采效果好的基于降温加压原理的控制性开采系统及方法。
为实现上述技术目的，本发明降温加压的海底可燃冰开采系统，包括开采竖井、冷冻系统和液压系统；
所述开采竖井以可燃冰储层顶部为分界线分为上下两部分，上半部分设有套管，开采竖井下半部分为钻孔裸孔段，开采竖井顶部设有多个气体收集孔；
所述冷冻系统包括设置在开采竖井中的冻结管和设置在开采平台上的制冷系统，冻结管的中部设有隔板，冻结管通过隔板分为上下两部分，冻结管下半部分的底部设有实心底锥，冻结管下半部分的外表面设有多个温度传感器，冻结管中设有贯穿上下两部分的气流供液管，气流供液管与制冷系统的出口相连接，冻结管的上半部分中还设有气流回液管，气流回液管的头部设置在隔板上，气流回液管的尾部与制冷系统的进口管路连接，气流回液管外侧的冻结管上设有多个流量传感器；
所述液压系统包括液压机构，液压机构通过线路与设置在开采平台上的液压机构控制器连接，液压机构沿冻结管下半部分外侧面等间距布置，其中液压机构的活塞向外伸缩，每个液压机构上设有一个压力传感器。
一种降温加压海底可燃冰开采方法，其步骤如下：
第一步：对可燃冰储藏层的分布及厚度进行勘察探明，将目标可燃冰储藏层在水平向上划分为若干个正方形开采单元，并确定每个开采单元的中心坐标；
第二步：在每个开采单元中心坐标位置钻取开采竖井，所述开采竖井深度从海上开采平台开始穿过海底表层至可燃冰储层底部，其中以可燃冰储层作为开采竖井的目标开采层位；
第三步：在位于海底表面层下方的开采竖井中下放冻结管直至底部，其中冻结管中的隔板高度与海底表层的底面平齐，冻结管外部与液压机构之间的空隙中充满海水，通过设置在冻结管外表面上的温度传感器监测冻结管外部与液压机构间空隙中海水的温度；
第四步：启动制冷系统，通过气流供液管和气流回液管向冻结管循环输出低温气体，同时通过温度传感器监测温度调整给冻结管供应的低温气体，使目标可燃冰储层的温度以冻结管为中心在同一水平径向呈梯度变化，并控制温度维持在预定值；
第五步：在海上开采平台上通过液压机构控制器控制液压机构同时向开采竖井的圆周壁扩展，均匀地对目标可燃冰储层径向持续加压，使可燃冰储层沿开采竖井形成向四周扩散的裂缝，从而诱发可燃冰相平衡改变，使可燃冰分解出甲烷气体，同时在开采竖井井口通过真空泵施加适当的负压抽采甲烷气体，使甲烷气体沿开采竖井的套管被抽采至海上开采平台；持续通过液压机构控制器向可燃冰储层加压直至通过流量传感器检测不再有甲烷气体逸出时，则判断该开采单元范围内的可燃冰全部开采完毕，收回液压机构；
第六步：对其他开采单元重复步骤三、四、五，直至计划开采范围内的可燃冰开采完毕。
所述支撑液压机构的冻结管底部需深入可燃冰储层下稳定岩层中，顶部则固定在海上开采平台上。
在气流供液管通过制冷系统注入低温气体，达到对目标地层降温，其他地层不冻结目的，低温气体温度约为-2～-5℃。
冻结管外设有冷媒介质，冷媒介质为海水，海水顶部位置比隔板低5～10cm。
有益效果：
(1)本发明原理是通过降温形成径向温度梯度，进而诱发储层脆性破坏特征，然后在径向施加压应力，促使环向受拉产生沿径向裂缝，从而诱发可燃冰分解，达到开采的目的。冻结管仅对目标可燃冰储层进行降温，技术的经济性好。
(2)本发明中采用主动循环注入冷气流的储层温度梯度形成技术，当可燃冰分解后，储层温度降低促使局部温度梯度更为显著，压裂更为容易，从而保证了储层裂缝能持续为甲烷气体提供渗流通道。
附图说明
图1为本发明降温加压的海底可燃冰开采系统的结构示意图。
图中：1-海上开采平台；2-海水；3-海底表层；4-可燃冰储层；5-稳定岩层；6-制冷系统；7-气流供液管；8-气流回液管；9-流量传感器；10-套管；11-开采竖井；12-温度传感器；13-冻结管；14-压力传感器；15-液压机构；16-实心底锥；17-液压机构控制器；18-气体收集孔；19-甲烷气体；20-隔板；21-真空泵；22-线路。
具体实施方式：
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
种降温加压的海底可燃冰开采系统，其特征在于：它包括开采竖井11、冷冻系统和液压系统；
所述开采竖井11以可燃冰储层4顶部为分界线分为上下两部分，上半部分设有套管10，开采竖井11下半部分为钻孔裸孔段，开采竖井11顶部设有多个气体收集孔18；
所述冷冻系统包括设置在开采竖井11中的冻结管13和设置在开采平台1上的制冷系统6，冻结管13的中部设有隔板20，冻结管13通过隔板20分为上下两部分，冻结管13下半部分的底部设有实心底锥16，冻结管13下半部分的外表面设有多个温度传感器12，冻结管13中设有贯穿上下两部分的气流供液管7，气流供液管7与制冷系统6的出口相连接，冻结管13的上半部分中还设有气流回液管8，气流回液管8的头部设置在隔板20上，气流回液管8的尾部与制冷系统6的进口管路连接，气流回液管8外侧的冻结管13上设有多个流量传感器9；冻结管13外设有冷媒介质，冷媒介质为海水2，海水2顶部位置比隔板20低5～10cm；
所述液压系统包括液压机构15，液压机构15通过线路22与设置在开采平台1上的液压机构控制器17连接，液压机构15沿冻结管13下半部分外侧面等间距布置，其中液压机构15的活塞向外伸缩，每个液压机构15上设有一个压力传感器14。
一种的降温加压海底可燃冰开采方法，步骤如下：
第一步：对可燃冰储藏层的分布及厚度进行勘察探明，将目标可燃冰储藏层在水平向上划分为若干个正方形开采单元，并确定每个开采单元的中心坐标；
第二步：在每个开采单元中心坐标位置钻取开采竖井11，所述开采竖井11深度从海上开采平台1开始穿过海底表层3至可燃冰储层4底部，其中以可燃冰储层4作为开采竖井11的目标开采层位；
第三步：在位于海底表面层3下方的开采竖井11中下放冻结管13直至底部，其中冻结管13中的隔板20高度与海底表层3的底面平齐，冻结管13外部与液压机构15之间的空隙中充满海水2，通过设置在冻结管13外表面上的温度传感器12监测冻结管13外部与液压机构15间空隙中海水2的温度；所述支撑液压机构15的冻结管13底部需深入可燃冰储层4下稳定岩层5中，顶部则固定在海上开采平台1上；
第四步：启动制冷系统6，通过气流供液管7和气流回液管8向冻结管13循环输出低温气体，根据温度传感器12监测温度调整给冻结管13供应的低温气体，使目标可燃冰储层4的温度以冻结管13为中心在同一水平径向呈梯度变化，并控制温度维持在预定值；在气流供液管7通过制冷系统6注入低温气体，达到对目标地层降温，其他地层不冻结目的，低温气体温度约为-2～-5℃；
第五步：在海上开采平台1上通过液压机构控制器17控制液压机构15同时向开采竖井11的圆周壁扩展，均匀地对目标可燃冰储层4径向持续加压，使可燃冰储层4沿开采竖井11形成向四周扩散的裂缝，从而诱发可燃冰相平衡改变，使可燃冰分解出甲烷气体19，同时在开采竖井11井口通过真空泵21施加适当的负压抽采甲烷气体19，使甲烷气体19沿开采竖井11的套管10被抽采至海上开采平台1；持续通过液压机构控制器17向可燃冰储层4加压直至通过流量传感器9检测不再有甲烷气体19逸出时，则判断该开采单元范围内的可燃冰全部开采完毕，收回液压机构15；
第六步：对其他开采单元重复步骤三、四、五，直至计划开采范围内的可燃冰开采完毕。
工作原理：首先通过降温方式使得可燃冰层形成温度梯度，增加其宏观脆性破坏特征，然后在水平方向施加压应力，促使环向受拉产生径向裂缝，从而诱发可燃冰分解，释放出甲烷气体，裂缝的产生同时也为甲烷气体的逸出提供了渗流通道。
本发明的降温加压的海底可燃冰开采系包括开采竖井、冷冻系统和液压系统。
冻结管13的主要起到冻结可燃冰储层的目的，同时兼做液压机构出力的反力结构，因此不同于传统意义上的人工冻结钢管。由于海水2中盐分的存在，其冰点通常低于0℃，因此本发明中冻结管13内低温气体循环的温度设定为-2～-5℃，保证了可燃冰储层温度形成接近正温区间的温度梯度，同时保证海水2不冻结。这只是一种优选温度，对于不同海域，实际的低温气体温度应该略有调整。
Claims (5)
1.一种降温加压的海底可燃冰开采系统，其特征在于：它包括开采竖井（11）、冷冻系统和液压系统；
所述开采竖井（11）以可燃冰储层（4）顶部为分界线分为上下两部分，上半部分设有套管（10），开采竖井（11）下半部分为钻孔裸孔段，开采竖井（11）顶部设有多个气体收集孔（18）；
所述冷冻系统包括设置在开采竖井（11）中的冻结管（13）和设置在开采平台（1）上的制冷系统（6），冻结管（13）的中部设有隔板（20），冻结管（13）通过隔板（20）分为上下两部分，冻结管（13）下半部分的底部设有实心底锥（16），冻结管（13）下半部分的外表面设有多个温度传感器（12），冻结管（13）中设有贯穿上下两部分的气流供液管（7），气流供液管（7）与制冷系统（6）的出口相连接，冻结管（13）的上半部分中还设有气流回液管（8），气流回液管（8）的头部设置在隔板（20）上，气流回液管（8）的尾部与制冷系统（6）的进口管路连接，气流回液管（8）外侧的冻结管（13）上设有多个流量传感器（9）；
所述液压系统包括液压机构（15），液压机构（15）通过线路（22）与设置在开采平台（1）上的液压机构控制器（17）连接，液压机构（15）沿冻结管（13）下半部分外侧面等间距布置，其中液压机构（15）的活塞向外伸缩，每个液压机构（15）上设有一个压力传感器（14）。
2.一种使用权利要求1所述降温加压的海底可燃冰开采系统的降温加压海底可燃冰开采方法，其特征在于步骤如下：
第一步：对可燃冰储藏层的分布及厚度进行勘察探明，将目标可燃冰储藏层在水平向上划分为若干个正方形开采单元，并确定每个开采单元的中心坐标；
第二步：在每个开采单元中心坐标位置钻取开采竖井（11），所述开采竖井（11）深度从海上开采平台（1）开始穿过海底表层（3）至可燃冰储层（4）底部，其中以可燃冰储层（4）作为开采竖井（11）的目标开采层位；
第三步：在位于海底表面层（3）下方的开采竖井（11）中下放冻结管（13）直至底部，其中冻结管（13）中的隔板（20）高度与海底表层（3）的底面平齐，冻结管（13）外部与液压机构（15）之间的空隙中充满海水（2），通过设置在冻结管（13）外表面上的温度传感器（12）监测冻结管（13）外部与液压机构（15）间空隙中海水（2）的温度；
第四步：启动制冷系统（6），通过气流供液管（7）和气流回液管（8）向冻结管（13）循环输出低温气体，根据温度传感器（12）监测温度调整给冻结管（13）供应的低温气体，使目标可燃冰储层（4）的温度以冻结管（13）为中心在同一水平径向呈梯度变化，并控制温度维持在预定值；
第五步：在海上开采平台（1）上通过液压机构控制器（17）控制液压机构（15）同时向开采竖井（11）的圆周壁扩展，均匀地对目标可燃冰储层（4）径向持续加压，使可燃冰储层（4）沿开采竖井（11）形成向四周扩散的裂缝，从而诱发可燃冰相平衡改变，使可燃冰分解出甲烷气体（19），同时在开采竖井（11）井口通过真空泵（21）施加适当的负压抽采甲烷气体（19），使甲烷气体（19）沿开采竖井（11）的套管（10）被抽采至海上开采平台（1）；持续通过液压机构控制器（17）向可燃冰储层（4）加压直至通过流量传感器（9）检测不再有甲烷气体（19）逸出时，则判断该开采单元范围内的可燃冰全部开采完毕，收回液压机构（15）；
第六步：对其他开采单元重复步骤三、四、五，直至计划开采范围内的可燃冰开采完毕。
3.根据权利要求2所述降温加压的海底可燃冰开采方法，其特征在于：所述支撑液压机构（15）的冻结管（13）底部需深入可燃冰储层（4）下稳定岩层（5）中，顶部则固定在海上开采平台（1）上。
4.根据权利要求2所述的降温加压的海底可燃冰开采方法，其特征在于：在气流供液管（7）通过制冷系统（6）注入低温气体，达到对目标地层降温，其他地层不冻结目的，低温气体温度约为-2~-5℃。
5.根据权利要求2所述的降温加压的海底可燃冰开采方法，其特征在于：冻结管（13）外设有冷媒介质，冷媒介质为海水（2），海水（2）顶部位置比隔板（20）低5~10cm。
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