CN109577924A - 一种基于记忆合金材料开采海洋浅层天然气水合物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于天然气水合物商业化开采领域，提供一种基于记忆合金材料开采海洋浅层天然气水合物的方法。主井与两口副井在水合物储层的扩孔区通过中靶导向系统进行联通。副井井口分别连接有太阳能收集装置、电磁加热装置。副井水平段的井壁上均匀分布有插入天然气水合物储层的记忆合金材料，开采前期记忆合金材料贴附在开采井上。在开采后期阶段，太阳能装置与电磁加热装置同时加热。经过疏水性处理的记忆合金材料受热能够扩展成开放状态，表面会产生的大量的气化核心，达到将热量传递至水合物开采区，使得加热所波及的范围显著提高；另外加热过程中气泡的运动会使主流区的流体重新占据汽泡所处的位置，从而实现强化传热的目的，达到定区域加热效果。
Description
技术领域
本发明属于天然气水合物商业化开采技术领域，涉及到一种基于记忆合金材料加热技术开采海洋浅层天然气水合物的方法。
背景技术
天然气水合物(Natural Gas Hydrates)是在低温和高压条件下由烃类气体小分子与水生成的非化学计量性白色晶体物质，外观像冰俗称“可燃冰”。由于天然气水合物的高效、清洁、储量丰富，在未来阶段将作为煤与石油的替代能源。现已探明的天然气水合物广泛分布在陆地永冻土区与海洋深处。其中海洋深处的天然气水合物储量约为陆地永冻区的100倍。因此，世界各国为使天然气水合物商业化开采，均制定了长远的发展战略和开采规划。
天然气水合物赋存方式不同，所需的安全经济开采方法存在差异。到目前为止，用于开采天然气水合物的方法主要有降压法、热激法、注化学物质法与C02置换法以及采用两种有效方法的结合。降压法开采是一种较为经济的开采方法，然而深海水合物储层多为渗透性较差的粉砂岩，使用降压法易出现泥砂运移堵塞，传热传质效率低等突出问题。当使用注入化学试剂与C02置换技术开采水合物时，水合物储层响应速率慢，开采周期长，难以达到经济高效且持续开采的要求。另外这两种方法对海洋环境生态平衡具有一定的破坏作用。热激法用于开采天然气水合物时，储层中的水合物能够很快达到相平衡分解条件。但深海中水合物的分布多为复杂的块状分布，热激法的热扰动波及范围有限，只能对局部的储层进行加热，热量利用率低，传热方向不可控。目前制约海洋水合物商业化开采的首要因素是开采效率。通过增加与水合物储层的有效接触面积，强化传热传质过程，改善局部渗透率实现对深海复杂水合物块的定向加热将是未来开采水合物技术的研究重点，也是实现水合物开采经济高效的必要途径。
现有专利检索发现，CN206617144 U公布了一种海洋浅层微管增产装置，通过向海洋水合物井下的储层中布置一定数量的带有孔眼的微管，扩大与水合物的接触面积、改善储层局部渗透率，提高储层传热传质效率。
现有的实现水合物高效开采的方法主要有水力压裂技术，采用布井增产装置两种方法增加与水合物储层的接触面积。考虑到海洋中存在着大量的盐类物质，对井下水合物增产装置具有一定的腐蚀作用，容易在增产装置表面结垢。这将会极大的缩短装置的有效寿命。而且现有的水合物增产装置其延展性较差，且热量传递的方式仍属于传统的导热，这将难以达到对水合物储层加热可控，与水合物储层的接触面积仍然是有限的。另外这些增产装置在开采井上布置时，需要精准的操作技术。因此，亟需一种能够实现水合物高效开采的增产装置。
发明内容
针对以上问题本发明提出一种基于记忆合金材料开采海洋浅层中水合物的方法。该方法能够达到强化传热，为定区域加热的目的，提高水合物的开采效率。该方法与太阳能技术相结合，为实现经济高效、清洁生产的商业化开采目标提供了可能。
本发明的技术方案：
一种基于记忆合金材料开采海洋浅层天然气水合物的方法，步骤如下：
(1)对记忆合金材料进行前期的机械训练，使得记忆合金材料的相平衡温度与开采水合物区的温度条件吻合；将记忆合金材料加工成具有双程记忆效应的微肋片状，并将记忆合金材料表面进行疏水、防结垢处理；
(2)将经过机械训练后的微肋片状的记忆合金材料均匀、有间隔、周向布置在副井的水平段；结合水合物储层的岩性特征，在预选区域使用钻井设备完成主井与副井的钻进；副井分为水平段和竖直段，主井与两口副井的水平段在主井扩穴处进行对接并连通，主井与副井在储层中整体呈“山”字形结构布置，主井位于两副井之间；太阳能收集装置一端依次连接流量计、温度表和截止阀与一副井井口，其中温度表与流量计均进一步与智能温压监测装置连接；另一副井井口过流量计、温度表和截止阀门后连接电磁加热装置，其中温度表与流量计均进一步与智能温压监测装置连接；两副井水平段均连接有温度监测装置，将收集到的温度信号传输至智能温压监测装置；智能温压监测装置将收集到的温度信号经过处理反馈至电磁加热装置与太阳能收集装置前安装的截止阀，进而控制截止阀开启与闭合；
(3)开采前期，采用降压技术进行开采；储层中的分解的带有液体的天然气，通过副井水平段进行收集；收集的天然气在主井扩穴处进行汇集，通过主井向平台进行集中输送；主井井口依次连接气液分离装置、干燥过滤装置、压缩装置、流量计、截止阀和耐高压储存罐，完成对天然气气体的收集；
(4)当智能稳压监测装置收集到使用降压技术达到开采极限信号时，开启副井井口处连接的太阳能收集装置，将太阳能收集装置收集到的热量通过副井输送至两口副井水平井段；水平段的记忆合金材料受热达到机械训练前的相平衡温度时，整个水平段呈微肋状；具有一定延展性的记忆合金材料插入到开采区域的水合物层；当智能稳压监测系统，检测到水平段温度达到记忆合金材料特定相变温度后，开启电磁加热装置，使之与太阳能收集装置同时进行加热；通过智能温压监测装备时刻监测加热区域的热流密度变化；
(5)关闭两副井，储层内的天然气水合物受热分解，携带有液体的天然气在主井扩穴处进行汇集，通过主井向平台进行集中输送；气体收集完成后利用运输船将天然气运输到用户区。
开采时，记忆合金材料受热达到记忆合金材料的相变温度时，呈现机械训练后的开放形状10-30mm，肋片之间的距离1-3mm；开采周期结束时，温度降到海洋环境温度时，记忆合金材料恢复到机械训练前的封闭结构长度5-10mm贴附在开采井周围；记忆合金材料分段分布，且每段记忆合金材料之间的距离5-10m。
本发明的有益效果：利用记忆合金材料的双程记忆效应，开采前期记忆合金材料能够贴附在开采井上，有利于水平井的入靶，与水平井的导向、安装。开采时记忆合金材料受热扩展成开放状态，经过疏水性处理的记忆合金材料表面会产生的大量的气化核心，达到将热量传递至水合物开采区，使得加热所波及的范围显著提高；另外气泡的运动会使，主流区的流体，将会重新占据汽泡所处的位置，从而实现强化传热作用，达到定区域加热的效果。
开采前期记忆合金材料的微细通道打开所需的动力，由太阳能收集装置收集到取之无尽、用之不竭的太阳能所提供。能量的高效利用，实现清洁的生产。在开采后期阶段，太阳能装置与电磁加热装置同时加热保证了开采的可持续性。
本方法还适用于注热法、注化学试剂法、二氧化碳置换法，也可以将两种水合物开采方法相结合进行水合物的开采，充分发挥不同开采方法的优势，显著的提高开采效率。
附图说明
图1是本发明一种基于记忆合金材料开采天然气水合物的方法系统图。
图2是图1中开采井水平段放大图，以及水平段截面剖视图。
图中：1上盖层；2水合物储层；3下盖层；4截止阀；5太阳能收集装置；6第一温度监测装置；7第一智能温压监测装置；8第一温度表；9第一流量计；10副井井口；11主井井口；12气液分离装置；13干燥过滤装置；14压缩装置；15第二流量计；16截止阀；17耐高压储存罐；18运输船；19第二智能温压监测装置；20第二温度表；21第三流量计；22可控阀门；23电磁加热装置；24第二温度监测装置；25主井；26副井；27主井扩穴处。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
如图1一种基于记忆合金材料开采海洋天然气水合物的方法经过前期机械训练，将记忆合金材料加工成微细结构的肋片状且具有双程记忆效应。并将记忆合金表面进行疏水、防结垢处理。利用基岩扩孔钻头在井底进行扩穴，利用中靶导向系统完成主井与副井的井下联通。
开采前期采用降压技术进行开采，储层中的分解的带有液体的天然气，通过副井水平段进行收集，通过主井将开采的天然气输送到气液分离装置，将干燥的气体经过压缩装置，压入耐高压的储存罐内完成气体收集。
当稳压监测装置监测到使用降压技术达到开采极限时，开启太阳能装置，太阳能装置收集到的热量通过两口副井将热量输送至开采井水平井段，具有双程记忆性的记忆合金材料受热缓慢的达到机械训练前的开放结构。当智能稳压监测系统，检测到井下加热温度达到记忆合金材料特定相变温度后，开启电磁加热装置，使之与太阳能装置同时进行加热。当所提供的热量达到海洋条件下的过冷沸腾时的热流密度时，经过疏水性处理的记忆合金材料表面气化核心处产生大量的气泡，沿着记忆合金材料结构表面滑移、浮升直径缓慢增大，气泡遇到主流区的流体冷凝。另外气泡的运动会使主流区的流体将会重新占据气泡所处的位置，达到为定区域水合物储层加热的效果，促进水合物的分解。
图2是开采井水平段放大图，以及水平段截面剖视图。记忆合金材料以合理的间距，沿着副井水平段井壁的长度方向上，周向分布。开采时记忆合金材料受热达到记忆合金材料的相变温度时，呈现机械训练后的开放形状10-30mm，肋片之间的距离1-3mm。开采周期结束时，温度降到海洋环境温度时，记忆合金材料恢复到机械训练前的封闭结构长度5-10mm贴附在开采井周围。记忆合金材料分段分布，且每段记忆合金材料之间的距离5-10m。开采前期，记忆合金材料的微细通道打开所需的动力，由太阳能收集装置所收集到的太阳能提供。
Claims (2)
1.一种基于记忆合金材料开采海洋浅层天然气水合物的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)对记忆合金材料进行前期的机械训练，使得记忆合金材料的相平衡温度与开采水合物区的温度条件吻合；将记忆合金材料加工成具有双程记忆效应的微肋片状，并将记忆合金材料表面进行疏水、防结垢处理；
(2)将经过机械训练后的微肋片状的记忆合金材料均匀、有间隔、周向布置在副井的水平段；结合水合物储层的岩性特征，在预选区域使用钻井设备完成主井与副井的钻进；副井分为水平段和竖直段，主井与两口副井的水平段在主井扩穴处进行对接并连通，主井与副井在储层中整体呈“山”字形结构布置，主井位于两副井之间；太阳能收集装置一端依次连接流量计、温度表和截止阀与一副井井口，其中温度表与流量计均进一步与智能温压监测装置连接；另一副井井口过流量计、温度表和截止阀门后连接电磁加热装置，其中温度表与流量计均进一步与智能温压监测装置连接；两副井水平段均连接有温度监测装置，将收集到的温度信号传输至智能温压监测装置；智能温压监测装置将收集到的温度信号经过处理反馈至电磁加热装置与太阳能收集装置前安装的截止阀，进而控制截止阀开启与闭合；
(3)开采前期，采用降压技术进行开采；储层中的分解的带有液体的天然气，通过副井水平段进行收集；收集的天然气在主井扩穴处进行汇集，通过主井向平台进行集中输送；主井井口依次连接气液分离装置、干燥过滤装置、压缩装置、流量计、截止阀和耐高压储存罐，完成对天然气气体的收集；
(4)当智能稳压监测装置收集到使用降压技术达到开采极限信号时，开启副井井口处连接的太阳能收集装置，将太阳能收集装置收集到的热量通过副井输送至两口副井水平井段；水平段的记忆合金材料受热达到机械训练前的相平衡温度时，整个水平段呈微肋状；具有一定延展性的记忆合金材料插入到开采区域的水合物层；当智能稳压监测系统，检测到水平段温度达到记忆合金材料特定相变温度后，开启电磁加热装置，使之与太阳能收集装置同时进行加热；通过智能温压监测装备时刻监测加热区域的热流密度变化；
(5)关闭两副井，储层内的天然气水合物受热分解，携带有液体的天然气在主井扩穴处进行汇集，通过主井向平台进行集中输送；气体收集完成后利用运输船将天然气运输到用户区。
2.根据权利要求1所述的基于记忆合金材料开采海洋浅层天然气水合物的方法，其特征在于，开采时，记忆合金材料受热达到记忆合金材料的相变温度时，呈现机械训练后的开放形状10-30mm，肋片之间的距离1-3mm；开采周期结束时，温度降到海洋环境温度时，记忆合金材料恢复到机械训练前的封闭结构长度5-10mm贴附在开采井周围；记忆合金材料分段分布，且每段记忆合金材料之间的距离5-10m。
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