CN108798608B - 一种天然气水合物开采系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油及天然气钻探设备技术领域，特别涉及一种天然气水合物开采系统，该系统包括钻井船、连续管、水力喷射钻头、吸力锚、钻管、水下泵站、脐带和收集船，钻井船和收集船停泊在海平面上，脐带的一端与水下泵站的顶端固定连接，脐带的另一端与收集船固定连接，水下泵站的底端与吸力锚的一端固定连接，吸力锚的另外一端无连接为开放的自由端，钻管的一端与收集船固定连接，钻管的另一端与水力喷射钻头固定连接，连续管的一端与钻井船固定连接，连续管的另一端与钻头固定连接，采用本系统能实现破碎后的固态水合物颗粒的高效开采，采用连续管钻进的过程实现开采步骤，上提下放连续管时间快，可高效快速的完成多次开采过程。
Description
技术领域
本发明涉及石油及天然气钻探设备技术领域，特别涉及一种在海底浅层非成岩层开采天然气水合物的天然气水合物开采系统和方法。
背景技术
天然气水合物，俗称“可燃冰”，是以甲烷为主体的烃类气体在特定温度压力下结晶而成的“笼型化合物”，呈冰块状，“冰块”里甲烷占80%～99.9%，可直接点燃，燃烧后几乎不产生任何残渣，相比煤、石油、天然气更洁净，目前普遍认为天然气水合物的碳含量相当于全世界已知煤炭、石油和天然气等能源总储量的两倍，是目前尚未开发的一种新能源。
海底天然气水合物矿层可分为成岩型与非成岩型两类，分布在海床面上以及海床面以下几百米范围内，按照水合物分解采集或者液化气化后矿藏层是否能够保持稳定来区分，业内人士普遍认为成岩型水合物更容易开采，但遗憾的是目前海底水合物大多数是松软胶作状非成岩，国内外考虑用于开采水合物的主要方法有注热法、降压法、二氧化碳置换法、注化学试剂法等，这些方法如字面意思，通过主动加热降压等方法改变水合物赋存环境条件，使其分解为气态采集，但发展这么多年后都还处在实验阶段未找到有效连续高效的开采效果，未形成有效的商业开采价值。
针对深海海床表层的天然气水合物，一些学者提出了“固态流化”的开采方法，该方法是在不主动改变海底水合物矿层温度和压力的情况下，即避免水合物发生分解，以及由此引起的环境、地质灾害。直接将天然气水合物破碎成固体颗粒，通过密闭管道将天然气水合物颗粒与海水的混合物泵送至海面，而后再进行分离、分解气化等处理。
现有技术存在以下问题：
1、针对海底浅层非成岩层的天然气水合物还未找到有效连续高效的开采系统和方法。
为解决上述问题，需要发明一种在海底浅层非成岩层开采天然气水合物的天然气水合物开采系统和方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种能够在海底浅层非成岩层开采天然气水合物的天然气水合物开采系统和方法。
为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案。
一种天然气水合物开采系统，其包括：
钻井船，所述钻井船停泊在海面；
收集船，所述收集船停泊在海面；
水下泵站，所述水下泵站通过脐带与所述收集船固定连接；
吸力锚，所述吸力锚钻管的顶部与所述水下泵站固定连接；
钻管，所述钻管的顶部与所述钻井船固定连接，所述钻管的中部与所述水下泵站固定连接，所述钻管套接在所述吸力锚中；
水力喷射钻头，所述水力喷射钻头的顶端与所述钻管的底端固定连接，所述水力喷射钻头的另一端伸入非成岩层；
连续管，所述连续管的一头与所述钻井船固定连接，所述连续管的另一端伸入所述非成岩层，所述连续管的另一端连接钻头。
作为本发明的优选方案，所述连续管的另一端所连接的钻头有两个，一个是普通钻头，一个是所述水力喷射钻头。
作为本发明的优选方案，所述水力喷射钻头上开设有喷射孔，所述钻管的中心开设有钻管孔，所述喷射孔与所述钻管孔连通。
本发明还公开了一种使用前述天然气水合物开采系统开采天然气水合物的一种天然气水合物开采方法，其包含如下步骤：
步骤一、所述钻井船通过所述钻管下放所述吸力锚至海床表面；
步骤二、所述钻井船上的高压泵站泵送海水至所述吸力锚内的所述钻管的底部冲刷海床表面非成岩层，并通过所述吸力锚与所述钻管之间形成的环空将冲刷形成的泥砂排出所述吸力锚；
步骤三、所述钻管带动所述水力喷射钻头从所述非成岩层垂直钻进至天然气水合物层，所述吸力锚在水压力作用下一起钻进至所述天然气水合物层；
步骤四、所述水力喷射钻头喷射高压海水在所述天然气水合物层钻出一个空间，在所述水力喷射钻头喷射钻进的同时产生的非成岩层碎块和天然气水合物碎块通过所述钻管与所述吸力锚之间形成的环空被挤送到海床面上；
步骤五、所述水力喷射钻头停止工作，所述水力喷射钻头随同所述钻管一起撤离至所述钻井船；
步骤六、所述钻井船起钻，并驶离到另一位置再次下钻；
步骤七、所述收集船行驶至所述吸力锚上方，并通过所述脐带与所述水下泵站连接；
步骤八、所述钻井船使用所述连续管在所述另一位置垂直钻进至与所述空间水平平齐的位置后改为水平钻进至所述空间位置并与所述空间连通形成领眼，所述连续管的另一端固定连接有普通小直径钻头；
步骤九、将所述连续管的普通小直径钻头替换为所述大直径水力喷射钻头；
步骤十、所述连续管吸收海水后将所述海水高压喷射出，所述海水将连续管周围的天然气水合物击碎；
步骤十一、所述连续管持续喷射高压海水并持续推进，被击碎的天然气水合物在所述高压海水的作用下通过步骤八钻出的所述领眼通道流向所述空间；
步骤十二、所述水下泵站泵取所述空间中的天然气水合物碎块并通过脐带传送到所述收集船上；
步骤十三、所述连续管钻进至所述空间后待所述天然气水合物碎块被泵取完后开始撤回，在撤回的过程中所述连续管回注封闭物封闭开采过程中产生的井眼。
作为本发明的优选方案，所述连续管连接普通小直径钻头时，所述连续管在步骤八先钻出一个较小的孔径通道形成所述领眼与所述空间连通。
作为本发明的优选方案，所述连续管的另一端连接所述水力喷射钻头，所述连续管在步骤十持续不断的吸收海水并将加压后的高压海水喷射所述连续管周围的所述天然气水合物，所述水力喷射钻头在所述高压海水的作用下做旋转运动，所述高压海水将所述连续管周围及前方的所述天然气水合物击碎。
作为本发明的优选方案，当所述空间的一个方向的所述天然气水合物开采完后，换一个方向继续重复步骤六至步骤十三进行开采，直至所述空间的四周均被开采完毕。
作为本发明的优选方案，所述钻井船重新下钻时采用常规连续管钻井技术打小眼的方式钻进，利用导向座调整连续钻井方向，将井眼轨迹调整到水平模式进行水平钻井，然后通过定向钻井技术将所述连续管一水平钻进至所述空间，为后续所述天然气水合物碎块采集工作形成通道。
本发明工作原理：
用所述钻井船，通过所述钻管下放所述吸力锚至海床面的非成岩层，下至海床面后，所述钻井船上的高压泵站泵送海水至所述吸力锚内所述钻管的底部冲刷海床，并通过所述吸力锚与所述钻管之间形成的环空往上循环泥浆，所述吸力锚顶部设置可控制开合的阀门，所述吸力锚钻表层时打开所述阀门，循环出的泥浆直接排至海水中，在压力的作用下，所述吸力锚将逐渐钻进入海床面，直至钻穿所述非成岩层，所述钻管继续钻进一小断距离，所述水力喷射钻头四周喷射高压水流，在所述水力喷射钻头附近形成较大的所述空间，而后关闭所述吸力锚端部阀门，在压力的作用下，所述吸力锚会有效固定在海床面上，所述钻井船起钻，驶离较远距离重新下钻，驶离距离依据水合物矿藏分布决定。同时所述收集船通过脐带连接所述水下泵站。
所述钻井船重新下钻时采用常规连续管钻井技术打小井眼的方式钻进，利用导向座调整连续钻井方向，将井眼轨迹调整到水平模式，水平钻井，而后通过定向钻井技术将连续管水平钻进至所述空间，完成领眼井的步骤，为后续采集工作形成通道。
所述钻井船再次起钻所述连续管，换下所述普通钻头，安装包含多个喷头孔的所述水力喷射钻头，沿上步打好的领眼路径下放至水合物矿藏层，而后开始高压喷射水流钻进，所述水力喷射钻头在高压水流的作用下做旋转运动，向外的水流破碎水合物矿藏，扩大井眼面积，同时开辟出钻进向前的通道，松软胶作状非成岩在高压水流的冲刷下破碎形成固体的颗粒水合物矿浆，在高压水流的作用下通过领眼流向所述空间。
所述水下泵站抽吸所述空间中的水合物矿浆，并泵送至海平面的所述收集船，而后再进行分离、分解气化等处理，完成采集水合物的目的，在所述水下泵站抽吸以及高压水流泵送的双重作用下，能有效的形成水合物的颗粒收集，最终实现破碎后的固态水合物颗粒的大量高效开采。
当所述连续管带动所述水力喷射钻头到达所述空间位置后，单次水合物采集过程完成，此时所述连续管开始回拖，并同时回注泥沙或水泥封闭开采后的井眼。
所述钻井船完全回收所述连续管，移动位置，从水平面其余方向或不同钻井深度重复步骤六至步骤十三，完成多个方向，多个海底深度的水合物采集，由于水合物矿藏赋存深度较浅，可完全采用连续管钻进的过程实现开采步骤，上提下放连续管时间快，可高效快速的完成多次开采过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、在水下泵站抽吸以及高压水流泵送的双重作用下，能有效的形成水合物的颗粒收集，最终实现破碎后的固态水合物颗粒的大量高效开采；
2、采用连续管钻进的过程实现开采步骤，上提下放连续管时间快，可高效快速的完成多次开采过程。
附图说明
图1为本发明天然气水合物开采系统图；
图2为本发明天然气水合物开采方法流程图；
图3为本发明天然气水合物开采方法下放吸力锚过程图
图4为本发明天然气水合物开采方法开采图；
图5为本发明天然气水合物开采方法开采完毕封闭井眼图；
图6为本发明天然气水合物开采方法从另一位置开采图。
图中标记：1-钻井船，2-连续管， 3-水力喷射钻头，4-吸力锚，5-钻管，6-水下泵站，7-脐带，8-收集船，9-非成岩层，10-天然气水合物层。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，但不应将此理解为本发明上述主体的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，本发明包括钻井船1、连续管2、水力喷射钻头3、吸力锚4、钻管5、水下泵站6、脐带7和收集船8，钻井船1和收集船8停泊在海平面上，脐带7的一端与水下泵站6的顶端固定连接，脐带7的另一端与收集船8固定连接，水下泵站6的底端与吸力锚4的一端固定连接，吸力锚4的另外一端无连接为开放的自由端，钻管5的一端与收集船8固定连接，钻管5的另一端与水力喷射钻头3固定连接，连续管2的一端与钻井船1固定连接，连续管2的另一端与钻头固定连接，在不同的工作阶段连续管2的另一端连接的钻头不同，在打通井眼的工作阶段连接普通钻头，在开采工作阶段连接水力喷射钻头3，在本实施例中钻管5采用的是钻杆，在其他实施例中钻管5可以采用连续管等其他钻井管具。
实施例2
如图2所示，本方法包括以下十三个步骤：
步骤一、钻井船通过钻杆下放所述吸力锚至非成岩层面；
步骤二、钻井船上的高压泵站泵送海水至所述吸力锚内的所述钻管的底部冲刷未成岩层表面，并通过吸力锚与钻杆之间形成的环空将冲刷形成的泥浆排出吸力锚；
步骤三、钻杆带动水力喷射钻头从非成岩层垂直钻进至天然气水合物层，吸力锚在压力作用下一起钻进至天然气水合物层；
步骤四、水力喷射钻头喷射高压海水在天然气水合物层钻出一个空间，水力喷射钻头在高压海水的作用下做旋转运动，在水力喷射钻头喷射钻进的同时产生的非成岩层碎块和天然气水合物碎块通过钻杆与吸力锚之间形成的环空被挤送到非成岩层外；
步骤五、水力喷射钻头停止工作，并随钻杆一起撤离；
步骤六、钻井船起钻，并驶离到另一位置再次下钻；
步骤七、收集船行驶至吸力锚上方，并通过脐带与水下泵站连接；
步骤八、钻井船使用连续管在另一位置垂直钻进至与空间水平平齐的位置后改为水平钻进至空间位置并与空间连通形成领眼，连续管的另一端固定连接有普通小孔径钻头；
步骤九、将连续管的普通小孔径钻头替换为大孔径水力喷射钻头并下放到领眼；
步骤十、连续管吸收海水后将海水高压喷射出，水力喷射钻头在高压海水的作用下做旋转运动，高压海水将连续管周围的天然气水合物击碎；
步骤十一、连续管持续喷射高压海水并持续推进，被击碎的天然气水合物在高压海水的作用下流向空间；
步骤十二、水下泵站泵取空间中的天然气水合物碎块并通过脐带传送到收集船上，天然气水合物碎块在水下泵站泵取吸力的作用下从吸力锚内腔运行至水下泵站后经脐带运送至收集船；
步骤十三、连续管钻进至空间后待天然气水合物碎块被泵取完后开始撤回，在撤回的过程中连续管回注水泥或泥沙封闭开采过程中产生的井眼。
上述步骤完成后，钻井船行驶至新的位置重复步骤六至步骤十三的步骤，直至空间周围的天然气水合物全部被开采完毕。
在开采过程中，连续管连接的水力喷射钻头在高压海水作用下做旋转运动，高压海水将连续管周围的天然气水合物击碎，被击碎的天然气水合物沿着领眼通道流入空间，水下泵站泵取空间中的天然气水合物碎块通过脐带运送至收集船。
钻井船重新下钻时采用常规连续管钻井技术打小眼的方式钻进，利用导向座调整连续钻井方向，将领眼轨迹调整到水平模式进行水平钻井，然后通过定向钻井技术将连续管水平钻进至所述空间，为后续天然气水合物碎块采集工作形成通道。
Claims (7)
1.一种天然气水合物开采方法，其特征在于，包括如下设备：
钻井船，所述钻井船停泊在海面；
收集船，所述收集船停泊在海面；
水下泵站，所述水下泵站通过脐带与所述收集船固定连接；
吸力锚，所述吸力锚钻管的顶部与所述水下泵站固定连接；
钻管，所述钻管的顶部与所述钻井船固定连接，所述钻管的中部与所述水下泵站固定连接，所述钻管套接在所述吸力锚中；
水力喷射钻头，所述水力喷射钻头的顶端与所述钻管的底端固定连接，所述水力喷射钻头的另一端伸入非成岩层；
连续管，所述连续管的一头与所述钻井船固定连接，所述连续管的另一端伸入所述非成岩层，所述连续管的另一端连接钻头；
天然气水合物开采通过如下步骤实现：
步骤一、所述钻井船通过所述钻管下放所述吸力锚至非成岩层面；
步骤二、所述钻井船上的高压泵站泵送海水至所述吸力锚内的所述钻管的底部冲刷未成岩层表面，并通过所述吸力锚与所述钻管之间形成的环空将冲刷形成的泥浆排出所述吸力锚；
步骤三、所述钻管带动所述水力喷射钻头从所述非成岩层垂直钻进至天然气水合物层，所述吸力锚在压力作用下一起钻进至所述天然气水合物层；
步骤四、所述水力喷射钻头喷射高压海水在所述天然气水合物层钻出一个空间，在所述水力喷射钻头喷射钻进的同时产生的非成岩层碎块和天然气水合物碎块通过所述钻管与所述吸力锚之间形成的环空被挤送到非成岩层外；
步骤五、所述水力喷射钻头停止工作，所述水力喷射钻头随同所述钻管一起撤离至所述钻井船；
步骤六、所述钻井船起钻，并驶离到另一位置再次下钻；
步骤七、所述收集船行驶至所述吸力锚上方，并通过所述脐带与所述水下泵站连接；
步骤八、所述钻井船使用所述连续管在所述另一位置垂直钻进至与所述空间水平平齐的位置后改为水平钻进至所述空间位置并与所述空间连通形成井眼，所述连续管的另一端固定连接有普通钻头；
步骤九、将所述连续管的普通钻头替换为所述水力喷射钻头；
步骤十、所述连续管吸收海水后将所述海水高压喷射出，所述海水将连续管周围的天然气水合物击碎；
步骤十一、所述连续管持续喷射高压海水并持续推进，被击碎的天然气水合物在所述高压海水的作用下流向所述空间；
步骤十二、所述水下泵站泵取所述空间中的天然气水合物碎块并通过脐带传送到所述收集船上；
步骤十三、所述连续管钻进至所述空间后待所述天然气水合物碎块被泵取完后开始撤回，在撤回的过程中所述连续管回注封闭物封闭开采过程中产生的井眼。
2.根据权利要求1所述的一种天然气水合物开采方法，其特征在于：所述连续管的另一端所连接的钻头有两个，钻出井眼的过程中连接普通钻头，进行水合物开采的过程中连接所述水力喷射钻头，开采出的水合物碎块在高压海水作用下进入所述空间，通过水下泵站被泵送至收集船。
3.根据权利要求1所述的一种天然气水合物开采方法，其特征在于：所述水力喷射钻头上开设有喷射孔，所述钻管的中心开设有钻管孔，所述喷射孔与所述钻管孔连通。
4.根据权利要求1所述的一种天然气水合物开采方法，其特征在于：所述连续管连接普通钻头，所述连续管在步骤八先钻出一个通道与所述空间连通。
5.根据权利要求1所述的一种天然气水合物开采方法，其特征在于：所述连续管的另一端连接所述水力喷射钻头，所述连续管在步骤十持续不断的吸收海水并将加压后的高压海水喷射所述连续管周围的所述天然气水合物，所述水力喷射钻头在所述高压海水的作用下做旋转运动，所述高压海水将所述连续管周围及前方的所述天然气水合物击碎。
6.根据权利要求1所述的一种天然气水合物开采方法，其特征在于：当所述空间的一个方向的所述天然气水合物开采完后，换一个方向继续重复步骤六至步骤十三进行开采，直至所述空间的四周均被开采完毕。
7.根据权利要求1所述的一种天然气水合物开采方法，其特征在于：所述钻井船重新下钻时采用常规连续管钻井技术打小眼的方式钻进，利用导向座调整连续钻井方向，将井眼轨迹调整到水平模式进行水平钻井，然后通过定向钻井技术将所述连续管水平钻进至所述空间，为后续所述天然气水合物碎块采集工作形成通道。
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