CN110374557A - 一种基于流化开采的天然气水合物水下生产系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流化开采的天然气水合物水下生产系统与方法，系统包括水下中心采集系统、浆体破碎与分解系统、水下分离系统、分输系统和脐带缆系统。与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明根据海域天然气水合物成藏与开采特点，结合浆体举升的实际问题，提出了一套基于天然气水合物流化开采的水下汇集、分解、分输生产系统。该系统一方面降低了从井下到海上处理设施大高差下的浆体举升风险，提高了天然气采集效率，另一方面适应水下多点分散生产后的集中采集与处理，另外，利用循环悬浮液，对水下分解后残余的泥砂进行悬浮举升，以在海上进行进一步处理，实现了全介质的密闭收集。

Description

一种基于流化开采的天然气水合物水下生产系统与方法

技术领域

本发明涉及一种基于流化开采的天然气水合物水下生产系统与方法。

背景技术

天然气水合物(以下简称水合物)是由水分子和气体小分子(主要是烃类气体)在低温和高压条件下接触而形成的具有笼状结构的似冰状结晶化合物，目前公认的储量极为丰富，其分布以深水海洋储藏为主。天然气水合物可视为被高度压缩的天然气资源，1m³天然气水合物能够分解释放出160～180m³(标准状态)的天然气，依此粗略估算，全球天然气水合物矿藏中蕴藏的天然气总体积量大约为1.8×10¹⁶～2.1×10¹⁶m³，相当于全球已探明常规化石燃料总碳量的2倍，因此水合物的能源地位有望在未来取代常规的石油、煤等化石燃料，成为新型的洁净能源。目前，海域天然气水合物尚处于勘探和试采阶段，同时开展大量的基础研究。近年来，相继开展了多次海域天然气水合物试采活动。

根据海域天然气水合物形成条件，有学者提出了基于流化开采的天然气水合物试采方法。该方法通过对浅层天然气水合物进行机械破碎后，注入高压流体，形成天然气水合物浆体，通过管道(试采阶段流道为井筒)返排至海上设施处理，以获取天然气。该方法具有“绿色开采”的典型特点，可实现“非成岩天然气水合物”原位开采，但该方法存在大量泥沙举升和大液固比举升的特点，对举升能量消耗较大。因此，有学者进一步提出了在水下进行天然气水合物浆体的泥沙分离，并将分离后的浆体输送至海面，泥沙予以回填。然而，虽然上述技术在一定程度上解决了天然气水合物流化开采的部分技术难题，推动了该项技术的进度，但仍然存在可进一步创新、优化的部分：(1)适用于流化开采方法的天然气水合物主要位于1000m以上的海域，这对于浆体举升而言，举升效率优势不明显，且在举升过程中，需要解决天然气由于环境温度、自身压力等变化而引起的管道内气化的问题；(2)虽然提出了水下进行泥砂分离的方法以提高举升效率，但仍存在(1)中描述的流动保障问题，尤其对于后期大规模开发，应着力提高立管对天然气的输送效率；(3)对于天然气水合物开采携带的泥砂，在海洋环境敏感的前提下，可进一步优化进行泥砂收集和处理。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种基于流化开采的天然气水合物水下生产系统与方法，旨在安全、高效地实施深水天然气水合物开发生产。

本发明基于流化开采理论，结合水下集中生产模式，将多点采集的天然气水合物浆体集中破碎、气化、三相分离后，将各相产物密闭输送至海上处理设施，并借助海上设施提供的泥砂悬浮剂混合采出泥砂，解决其输送问题，以进一步提高生产效率，降低流动风险，实现采出泥砂的绿色处理。

本发明所采用的技术方案是：一种基于流化开采的天然气水合物水下生产系统，包括水下中心采集系统、浆体破碎与分解系统、水下分离系统、分输系统和脐带缆系统，其中：

所述水下中心采集系统用于将接收的天然气水合物浆体调压汇集后，输往浆体破碎与分解系统；

所述浆体破碎与分解系统用于对接收的天然气水合物浆体进行输送过程中的一级破碎、降压气化分解、二级破碎和加热气化分解，得到天然气、游离水和泥砂三相分散系统；

所述水下分离系统用于对上游输送来的天然气、游离水和泥砂进行缓冲与分离，并向下游输送分离后的天然气、游离水和泥砂浆液；

所述分输系统用于将分离出的天然气、游离水和泥砂浆液分别输送至海上处理设施；

所述脐带缆系统用于为水下生产提供水合物抑制剂、泥浆悬浮剂、工艺需求介质、供电、控制、通信支持；

所述水下中心采集系统、水下分离系统、分输系统和脐带缆系统分别与逻辑控制系统连接。

通过本系统，可将前端采集的天然气水合物浆体进行汇集，并通过连续破碎系统进行天然气水合物浆体破碎，并通过降压、加热等措施，实现气体分离；多相介质在水下分离系统中进行相态分离，天然气从气相管道输出，大部分游离水翻过堰板后，进入游离水储罐，并通过外输泵输送至海上处理设施；少部分游离水和泥砂通过分离器底部出口排入，与海上输送来的悬浮剂混合后，进入泥砂浆液储罐，并进一步通过外输泵输送至海上处理设施。同时，通过脐带缆系统，可实现对水下生产系统的电力、通信、控制、悬浮液等供给。通过本系统，可优化大落差立管输送天然气水合物浆体的技术难题，实现天然气水合物流化开采、水下分输、立管高效输送和产物绿色处理等目标。

本发明还提供了一种基于流化开采的天然气水合物水下生产方法，包括如下内容：

步骤一、通过海床表面或浅层水合物储藏破碎，引入高压液体进行掺混，形成天然气水合物浆体，通过井筒、采集管道输往海床表面的水下中心处理设施；

步骤二、在正常生产时，开启采集管道进口的球阀和调节阀，调节阀控制阀前的压力；开启一级破碎系统入口球阀和加热系统，天然气水合物浆体通过多次转向、连续加热，实现浆体一级破碎和温度提升；开启降压阀，达到气化条件；气化后的多相介质，通过二级破碎系统进一步破碎，并同时再次升温，然后进入卧式堰板分离器；开启卧式堰板分离器各路出口管道球阀，天然气从气相管道流出，进入海上生产设施；游离水翻过堰板后，从游离水管道进入游离水储罐，加压后进入游离水外输管路，输往海上生产设施；泥砂受堰板阻隔，与部分游离水混合后，从含水泥砂管道排出，同时开启脐带缆中的悬浮液管道，向含水泥砂管道注入泥砂悬浮剂，形成泥砂浆液进入泥砂浆液储罐，然后开启外输泵将泥砂浆液通过立管输送至海上处理设施；

步骤三、当海上设施监测到泥砂浆液中泥砂含量升高或泥砂浆液出口流量发生较大波动时，增大卧式堰板分离器的含水泥砂管道排量，降低游离水管道排量，同时增大脐带缆的悬浮剂管道输量；

步骤四、当海上设施监测到泥砂浆液中泥砂含量降低时，降低卧式堰板分离器的含水泥砂管道排量，提高游离水管道排量，同时降低脐带缆的悬浮剂管道输量；

步骤五、当卧式堰板分离器的液位低于堰板高度时，降低含水泥砂管道和游离水管道排量，使正常液位保持在高于堰板0.5m处；

步骤六、在生产中，若发现游离水外输管道存在水合物二次生成风险时，开启脐带缆的水合物抑制剂管道，向进泵的游离水管道注入水合物抑制剂。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明根据海域天然气水合物成藏与开采特点，结合浆体举升的实际问题，提出了一套水下汇集、分解、分输生产系统。该系统一方面降低了从井下到海上处理设施大高差下的浆体液固配比和浆体举升风险，提高了天然气采集效率，另一方面适应水下多点分散生产后的集中采集与处理，另外，利用循环悬浮液，对水下分解后残余的泥砂进行悬浮举升，以在海上进行进一步处理，实现了全介质的密闭收集。具体优点如下：

(1)设置科学

本发明基于流化开采原理设置，在前端利用流化开采的方式得到天然气水合物浆体。由于在水下设置中心生产系统，可实现水下多点生产。在水下设置分解系统，将天然气从天然气水合物中气化提取，提高了浆体分解效率。利用天然气自身能量，实现气相输送至海上处理设置。在水下设置卧式堰板分离器，不仅实现了游离水与含水泥砂的分离，亦可根据产量波动，动态调节游离水与含水泥砂的生产速率，控制含水泥砂的含水率。利用脐带缆系统向分离后的含水泥砂注入悬浮剂，以形成流动性较好的泥砂浆液，实现泥砂浆液绿色回收与高效输送。最终，形成一套以流化开采为基础，多相水下分解、高效外输、绿色回收的海域天然气水合物生产系统。

(2)经济性佳

本发明采用水下集中采集的方式收集天然气水合物，并进行多相分输，降低了天然气水合物浆体高落差举升能耗，也提高了单位注水量下的举升效率。同时，在水下进行分解后的多相分输，可实现各相高效、安全输送，避免现有天然气水合物浆体高落差举升中的潜在风险。

(3)绿色环保

本发明采用回注悬浮剂，以对天然气水合物浆体分解后得到的进行安全举升与回收，这避免了天然气水合物分解后对泥砂进行水下回填而可能引起的环保风险。

(4)理念先进

目前，虽然海域天然气水合物尚处于试采阶段，但其开采原理、后期生产风险等问题均已开展了大量的研发工作。本发明基于天然气水合物开采特点，提出的水下集中收集、多相分输、药剂加注等观点，可较好匹配海域天然气水合物后期多井生产的实际问题，将复杂的井下作业转移至作业条件较好的水下，便于系统拓展与设施维护。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的一种基于流化开采的天然气水合物水下生产系统的示意图。

具体实施方式

一种基于流化开采的天然气水合物水下生产系统，主要包括：采集管道101、预留采集管道102、压力变送器1、球阀2、调节阀3、预留球阀4、预留调节阀5、水下汇管6、汇合管道7、常开管路201、备用管路202、球阀8、一级破碎系统9、压力变送器10、降压阀11、压力变送器12、扩径大小头13、二级破碎系统14、球阀15、球阀16、一级破碎系统17、压力变送器18、降压阀19、压力变送器20、扩径大小头21、二级破碎系统22、球阀23、分离器入口管道24、卧式堰板分离器25、压力变送器26、气相外输管道27、液位变送器28、球阀29、调节阀30、含水泥砂管道31、泥砂浆体储罐32、液位变送器33、泥砂浆体外输泵34、压力变送器35、泥砂浆体外输管道36、球阀37、游离水管道38、调节阀39、游离水储罐40、液位变送器41、游离水管道42、游离水外输泵43、压力变送器44、游离水外输管道45、脐带缆46、脐带缆分线箱47、水合物抑制剂管道48、悬浮剂管道49、其他管道50、线缆51。

其中，采集管道101、预留采集管道102、压力变送器1、球阀2、调节阀3、预留球阀4、预留调节阀5、水下汇管6组成水下中心采集系统，负责接收水下若干天然气水合物采集井或设备输出的天然气水合物浆体，调压汇集后，输往下游浆体破碎与分解系统；汇集管道7、常开管路201、备用管路202、球阀8、一级破碎系统9、压力变送器10、降压阀11、压力变送器12、扩径大小头13、二级破碎系统14、球阀15、球阀16、一级破碎系统17、压力变送器18、降压阀19、压力变送器20、扩径大小头21、二级破碎系统22、球阀23等组成浆体破碎与分解系统，负责将汇集的天然气水合物浆体通过流动中连续转向、搅拌进行2级破碎，并通过降压、加热的方式促进天然气析出。分离器入口管道24、卧式堰板分离器25、压力变送器26等组成水下分离系统，负责对上游输送来的天然气、游离水和泥砂进行缓冲与分离，并向下游输送分离后的天然气、游离水和含水泥砂；气相外输管道27、液位变送器28、球阀29、调节阀30、含水泥砂管道31、泥砂浆体储罐32、液位变送器33、泥砂浆体外输泵34、压力变送器35、泥砂浆体外输管道36、球阀37、游离水管道38、调节阀39、游离水储罐40、液位变送器41、游离水管道42、游离水外输泵43、压力变送器44、游离水外输管道45等组成分输系统，负责将卧式堰板分离器分出的天然气、游离水和泥砂浆液分别进行外输，并输送至海上处理设施进行进一步处理；脐带缆46、脐带缆分线箱47、水合物抑制剂管道48、悬浮剂管道49、其他管道50、线缆51等组成脐带缆系统，负责为水下生产提供水合物抑制剂、泥浆悬浮剂、其他工艺需求介质、供电、控制通信等支持。此外，本系统还包括逻辑控制系统，负责采集各变送器信号，并联合前端生产仪表，为本系统内阀门、调节阀、泵等运行提供指令。

一、所述水下中心采集系统包括设置于水下的球阀、调节阀、预留球阀、预留调节阀、水下汇管、压力变送器等，用于接收水下若干天然气水合物采集井或设备输出的天然气水合物浆体，调压汇集后，输往下游浆体破碎与分解系统。上游海底采集管道依次连接球阀、调节阀，并与安装有预留球阀、调节阀的其他采集管路同时接入水下汇管。在接收阀组的上游，设置压力变送器，用于监测各采集管道的调压前压力。

具体地，所示系统中，采集管道101为钢制管道，依次安装压力变送器1、球阀2、调节阀3；球阀2采用远程电动控制，负责连通/隔断上游采集管道与本系统；调节阀3采用远程电动控制，负责调节上游来介质的压力，以匹配下游生产系统；预留采集管道102为钢制管道，数量为多路，依次安装预留球阀4、预留调节阀5，并采用盲法兰临时封闭；预留球阀4采用远程电动控制，负责连通/隔断上游采集管道与本系统；预留调节阀5采用远程电动控制，负责调节上游来介质的压力，以匹配下游生产系统；各路管道接入水下汇管6，其材质为钢制，采用多路进口，单路出口的形式，负责汇合各路物流。由于该系统位于水深约1000m海床，管道、管件强度要求是由外压控制主导，为简化流程，不在调节阀3、预留调节阀5的上游设置超压泄放系统，调节阀上下游管道与管件按照“同等压力”设计强度。

二、所述浆体破碎与分解系统包括设置于水下的一级破碎系统、降压阀、扩径大小头、二级破碎系统、球阀，用于对接收的天然气水合物浆体进行输送过程中的一级破碎、降压气化分解、二级破碎，并进一步通过水下加热系统促进气化分解，在本系统末端形成气-液-泥砂三相分散系统。一级破碎系统与上游汇管连接；所述一级连续转向系统为若干短管和小曲率半径弯管组成的管系，用于对天然气水合物浆体进行强制转向冲击破碎，其各弯管外侧内壁设置扰流板，促进破碎效果；在一级破碎系统下游安装降压阀，远程控制；在降压阀下游安装扩径大小头，以扩大下游管径，适度降低分解出的天然气流速和浆体流速；二级破碎系统安装于扩径大小头下游，为若干短管和小曲率半径弯管组成的管系，用于对残余浆体进行二次破碎，促进剩余天然气水合物分解；在一级、二级破碎系统外表，设置电加热和保温元件，通过加热提高流体温度，促进分解效果。最终，本系统向下游排出天然气、游离水和泥砂浆液。

具体地，所示系统中，汇集管道7为水平安装，钢制，从水下汇管6接出，并分为常开管路201和备用管路202，并行安装，实现“一用一备”；常开管路201上依次安装球阀8、一级破碎系统9、压力变送器10、降压阀11、压力变送器12、扩径大小头13、二级破碎系统14、球阀15；球阀8、球阀15为远程电动控制，用于常开管路201的开启和关闭；一级破碎系统9为直管-弯管交替安装的连续转向装置，弯管外侧内壁采用强制扰流构件焊接，进一步地，在弯管流体流入的方向，设置搅拌装置，电驱，通过所述搅拌装置和强制扰流构件，实现流体内浆体的多次破碎，以促进流体通过降压阀11后气化；降压阀11为远程电动控制调节阀，用于将介质压力降低至天然气水合物生成压力以下，诱发流体中天然气水合物中的天然气气化，并配合上下游的压力变送器10/12进行实时监测；在降压阀11下游，设置扩径大小头13，利于降压后形成的含气多相流流动；二级破碎系统14设置于扩径大小头13下游，其功能与结构同一级破碎系统9，用于进一步促进降压后由于浆体包裹而气化受阻的部分天然气水合物浆体气化；进一步地，在常开管路201设置电加热、保温系统，对介质进行加热，促进天然气气化。类似地，备用管路202及其安装的阀门、管件等与常开管路201一致，但均处于关闭状态。

三、所述水下分离系统包括设置于水下的卧式堰板分离器和配套管路，用于对上游输送来的天然气、游离水和泥砂进行缓冲与分离，并向下游输送分离后的天然气、游离水和含水泥砂。通过调节游离水出口管路和泥砂浆液出口管路的外输泵排量，可控制泥砂浆液中的含液量，并进一步控制泥砂浆液与悬浮剂混合后的泥砂悬浮液性能。所述卧式堰板分离器中，设置中间堰板，用于阻挡泥砂进入游离水存储区。

具体地，所示系统中，分离器入口管道24为钢制管道，上游连接常开管路201、备用管路202的汇合管，接入卧式堰板分离器25；所述卧式堰板分离器25为卧式三相分离器，用于上游降压、加热后生成的天然气-游离水-泥砂体系分离；所述卧式堰板分离器25的内部设置堰板，用于划分含水泥砂区域和游离水区域，堰板的水平位置根据泥砂沉降速度确定，堰板的高度不超过分离器内径的50％；所述卧式堰板分离器25采用单一液位控制，设置液位变送器28，正常液位高于堰板高度，为分离器内径的55％，实时液位控制；根据生产需求，可动态分配含水泥砂和游离水排量，该过程通过下游调节阀和外输泵控制；分离器底部设置含水泥砂排出口和游离水排出口；分离器上设置压力变送器26；所述卧式堰板分离器25及进出管系采用模块化成撬结构，便于吊装和更换。

四、所述分输系统包括气相外输管道、游离水储罐、游离水外输泵、游离水外输管道、含水泥砂储罐、泥砂浆液外输泵、泥砂浆液外输管道等，用于将卧式堰板分离器分出的天然气、游离水和泥砂浆液分别进行外输，并输送至海上处理设施进行进一步处理。所述气相外输管道连接卧式堰板分离器的气相出口，包括气相外输海底管道和气相立管；气相外输海底管道采用柔性管或钢制管道；气相立管的形式可为SCR或柔性管。所述游离水储罐连接上游游离水管道，起到缓冲的作用；下游设置游离水外输泵，型式为电动往复泵；游离水外输管道连接游离水储罐，包括游离水外输海底管道和游离水立管；游离水外输海底管道采用柔性管或钢制管道；游离水立管的形式可为SCR或柔性管。所述游离水储罐连接上游含水泥砂管道，起到缓冲的作用，在进入储罐前，与海上提供的悬浮液混合，形成泥砂浆液；下游设置泥砂浆液外输泵，型式为电动往复泵；泥砂浆液外输管道连接泥砂浆液储罐，包括泥砂浆液外输海底管道和泥砂浆液立管；泥砂浆液外输海底管道采用柔性管或钢制管道；泥砂浆液立管的形式可为SCR或柔性管。

具体地，所示系统中，气相外输管道27包括海底管道和立管，可采用钢制管道或柔性管道，负责对卧式堰板分离器25分离出的天然气输送至海上处理设施；球阀29和调节阀30安装于含水泥砂管道31上，均为远程电动控制，负责管路开闭和流量调节；泥砂浆体储罐32接收含水泥砂管道31和悬浮剂管道49交汇后得到的泥砂浆体，其形式为立式罐，并设置液位变送器33，正常液位为罐体内部高度的70％，且为持续运行控制；泥砂浆体外输泵34为螺杆泵，电驱，负责将泥砂浆体增压后输送，并通过泥砂浆体外输管道36输送至海上处理设施；泥砂浆体外输管道36包括海底管道和立管，可采用钢制管道或柔性管道；球阀37和调节阀39安装于游离水管道38上，均为远程电动控制，负责管路开闭和流量调节；游离水储罐40接收分离后的游离水，其形式为立式罐，并设置液位变送器41，正常液位为罐体内部高度的70％，且为持续运行控制；游离水外输泵43为螺杆泵，电驱，负责将游离水增压后输送，并通过游离水外输管道45输送至海上处理设施；游离水外输管道45包括海底管道和立管，可采用钢制管道或柔性管道；进一步地，在游离水管道42上设置接口，接收水合物抑制剂管道48注入的水合物抑制剂，防止由于增压引起游离水外输管道45中水合物二次生成；进一步地，泥砂浆体储罐32和游离水储罐40采用模块化成撬结构，便于吊装和更换；进一步地，泥砂浆体外输泵34和游离水外输泵43可选择安装于抗压封箱内，抵抗深水外部高压。

五、所述脐带缆系统包括水合物抑制剂注入管道、悬浮液注入管道、以及辅助水下生产的各类管道与线缆。所述水合物抑制剂注入管道连接游离水外输泵前的管道，以防止增压后，游离水中可能携带的少量天然气由于高压而发生二次水合物生成。所述悬浮液注入管道连接泥砂浆液储罐入口管道，以与含水泥砂形成泥砂浆液，限制泥砂在后续输送中沉积。所述辅助水下生产管道与线缆为水下生产提供必需的工艺、供电、通信、控制支持。

具体地，所示系统中，脐带缆46连接海上生产设施，向水下提供药剂、其他工艺辅助介质和线缆，并接入脐带缆接线箱47；脐带缆接线箱47分出水合物抑制剂管道48、悬浮剂管道49、其他管道50、线缆51；水合物抑制剂管道48为钢制管道，接入游离水管道42，负责为增压前游离水提供水合物抑制剂；悬浮剂管道49接入含水泥砂管道31，负责为含水泥砂提供悬浮剂，形成悬浮性较优的泥砂浆体，便于增压后立管输送；其他管道50为其他工艺用管，数量根据前端生产需求确定；线缆51为水下供电、控制信号、通信信号等线缆，数量根据生产需求确定。

六、所述逻辑控制系统包括水下中心采集系统、水下分离系统、分输系统、脐带缆系统和前端井口采集系统的总体控制系统，为各系统中变送器提供信号，并联合井下仪表控制信号，为本系统内安全阀门、调节阀、泵等提供运行指令。

本发明的工作原理为：

采用流化开采模式生产的天然气水合物浆体，通过多路采集管道，经调压后接入水下汇管6；经过常开管路201的一级破碎系统9破碎、加热后，介质温度升高，且浆体单位体积减小；进一步通过降压阀11进行降压，达到天然气气化条件，再次经过二级破碎系统14的处理后，形成较为分散的天然气、游离水和泥砂体系，进入卧式堰板分离器25；介质在卧式堰板分离器25中发生分离，气相通过气相外输管道27进入海上处理设施，泥砂在沉降后，聚集在堰板前端区域，该区域内还存在游离水；堰板后端区域为游离水；经过生产方案设计，含水泥砂和游离水分别通过管道外排，其排出总量基本恒定，保证分离器内液位控制在内径的55％位置，但可调整含水泥砂和游离水的相对排出量；排出的含水泥砂通过与海上注入的悬浮剂混合，形成流动性较好的泥砂浆体，经过泥砂浆体储罐32缓冲后，由泥砂浆体外输泵34增压输入泥砂浆体外输管道36，最终到达海上生产设施；排出的游离水经过游离水储罐40缓冲后，与海上注入的水合物抑制剂混合后，由游离水外输泵43增压输入游离水外输管道45，最终到达海上生产设施。

本发明还公开了一种基于流化开采的天然气水合物水下生产方法，包括如下主要内容：

步骤一：总体按照天然气水合物流化开采的原理进行海域天然气水合物开发，即通过海床表面或浅层水合物储藏破碎，引入高压液体进行掺混，形成天然气水合物浆体，通过井筒、采集管道输往海床表面的水下中心处理设施，以进行下一步处理。

步骤二：在正常生产时，开启采集管道进口的球阀2和调节阀3，调节阀控制阀前的压力，该压力满足远端生产要求，当有多条采集管道运行时，协同控制各路调节阀，以保证各路汇合后压力一致；开启一级破碎系统入口球阀8和加热系统，天然气水合物浆体通过多次转向、连续加热，实现浆体一级破碎和温度提升；开启降压阀11，降低天然气水合物浆体压力，达到气化条件；气化后的多相介质，通过二级破碎系统进一步破碎，并同时再次升温，进入卧式堰板分离器25。开启卧式堰板分离器各路出口管道球阀，天然气从气相管道27流出，进入海上生产设施；游离水翻过堰板后，从游离水管道38进入游离水储罐40，加压后，进入游离水外输管路45，输往海上生产设施；泥砂受堰板阻隔，与部分游离水混合后，从含水泥砂管道31排出，同时开启脐带缆中的悬浮液管道49，向含水泥砂管道注入泥砂悬浮剂，以促进泥砂均匀分散，抑制泥砂沉降，形成的泥砂浆液进入泥砂浆液储罐32，并进一步开启泥砂浆液外输泵34，将其通过泥砂浆液立管36输送至海上处理设施。

步骤三：进一步地，当海上设施监测到泥砂浆液中泥砂含量升高或泥砂浆液出口流量发生较大波动时，表明泥砂产量提高或液相供给不足。增大卧式堰板分离器的含水泥砂管道排量，降低游离水管道排量，同时增大脐带缆的悬浮剂管道输量，以缓解泥砂产量增多的问题。

步骤四：进一步地，当海上设施监测到泥砂浆液中泥砂含量降低时，表明泥砂产量减小或游离水管道输送能力可提高。降低卧式堰板分离器的含水泥砂管道排量，提高游离水管道排量，同时降低脐带缆的悬浮剂管道输量，以缓解泥砂产量降低的问题，节约能耗。

步骤五：进一步地，当卧式堰板分离器的液位低于堰板高度时，降低含水泥砂管道和游离水管道排量，以恢复液位，正常液位保持在高于堰板0.5m。

步骤六：在生产中，若发现游离水外输管道存在水合物二次生成风险时，开启脐带缆的水合物抑制剂管道48，向进泵的游离水管道注入水合物抑制剂，降低流动风险。

Claims (10)

1.一种基于流化开采的天然气水合物水下生产系统，其特征在于：包括水下中心采集系统、浆体破碎与分解系统、水下分离系统、分输系统和脐带缆系统，其中：

所述水下中心采集系统用于将接收的天然气水合物浆体调压汇集后，输往浆体破碎与分解系统；

所述浆体破碎与分解系统用于对接收的天然气水合物浆体进行输送过程中的一级破碎、降压气化分解、二级破碎和加热气化分解，得到天然气、游离水和泥砂三相分散系统；

所述水下分离系统用于对上游输送来的天然气、游离水和泥砂进行缓冲与分离，并向下游输送分离后的天然气、游离水和泥砂浆液；

所述分输系统用于将分离出的天然气、游离水和泥砂浆液分别输送至海上处理设施；

所述脐带缆系统用于为水下生产提供水合物抑制剂、泥浆悬浮剂、工艺需求介质、供电、控制、通信支持；

所述水下中心采集系统、水下分离系统、分输系统和脐带缆系统分别与逻辑控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于流化开采的天然气水合物水下生产系统，其特征在于：所述水下中心采集系统包括采集管道和至少一路预留采集管道，在采集管道上依次安装有压力变送器、球阀和调节阀，在预留采集管道上安装有预留球阀和预留调节阀，所述采集管道和预留采集管道均接入水下汇管。

3.根据权利要求2所述的一种基于流化开采的天然气水合物水下生产系统，其特征在于：所述采集管道和预留采集管道均为钢制管道；所述球阀和预留球阀均采用远程电动控制，负责连通/隔断上游采集管道与本系统；所述调节阀和预留调节阀采用远程电动控制，负责调节上游来介质的压力，以匹配下游生产系统；所述预留采集管道采用盲法兰临时封闭；所述水下汇管材质为钢制，采用多路进口、单路出口的形式。

4.根据权利要求1所述的一种基于流化开采的天然气水合物水下生产系统，其特征在于：所述浆体破碎与分解系统包括汇集管道及其分出的常开管路和备用管路，在常开管路和备用管路上均依次安装有上游球阀、一级破碎系统、压力变送器、降压阀、压力变送器、扩径大小头、二级破碎系统和下游球阀。

5.根据权利要求4所述的一种基于流化开采的天然气水合物水下生产系统，其特征在于：所述上游球阀和下游球阀为远程电动控制，用于管路的开启和关闭；所述一级破碎系统和二级破碎系统均为直管-弯管交替安装的连续转向装置，弯管外侧内壁采用强制扰流构件焊接，在弯管流体流入的方向设置电驱搅拌装置；所述降压阀为远程电动控制调节阀；在常开管路上设置有电加热、保温系统。

6.根据权利要求1所述的一种基于流化开采的天然气水合物水下生产系统，其特征在于：所述水下分离系统包括卧式堰板分离器，在所述卧式堰板分离器的内部设置堰板，所述堰板的高度不超过分离器内径的50％；在所述卧式堰板分离器内设置液位变送器，所述液位变送器的正常液位为分离器内径的55％；在所述卧式堰板分离器的底部设置含水泥砂排出口和游离水排出口；在所述卧式堰板分离器上设置压力变送器。

7.根据权利要求1所述的一种基于流化开采的天然气水合物水下生产系统，其特征在于：所述分输系统包括气相外输管道、游离水外输管道和泥砂浆液外输管道；在所述游离水外输管道上依次设置球阀、调节阀、游离水储罐和游离水外输泵；在所述泥砂浆液外输管道上依次设置球阀、调节阀、泥砂浆体储罐和泥砂浆体外输泵。

8.根据权利要求7所述的一种基于流化开采的天然气水合物水下生产系统，其特征在于：设置在游离水外输管道和泥砂浆液外输管道上的球阀和调节阀均为远程电动控制，负责管路开闭和流量调节；所述游离水储罐和泥砂浆体储罐均为立式罐，均设置液位变送器，所述液位变送器的正常液位为罐体内部高度的70％；所述游离水外输泵和泥砂浆体外输泵均为电驱螺杆泵。

9.根据权利要求8所述的一种基于流化开采的天然气水合物水下生产系统，其特征在于：所述脐带缆系统包括脐带缆接线箱和接入脐带缆接线箱的用于连接海上生产设施的脐带缆，以及从脐带缆接线箱分出的水合物抑制剂管道、悬浮剂管道、线缆和工艺用管；所述水合物抑制剂管道与游离水管道上设置的接口连接；所述悬浮剂管道接入所述泥砂浆体储罐的含水泥砂管道；所述线缆为水下供电、控制信号、通信信号的线缆。

10.一种基于流化开采的天然气水合物水下生产方法，其特征在于：包括如下内容：

步骤一、通过海床表面或浅层水合物储藏破碎，引入高压液体进行掺混，形成天然气水合物浆体，通过井筒、采集管道输往海床表面的水下中心处理设施；

步骤二、在正常生产时，开启采集管道进口的球阀和调节阀，调节阀控制阀前的压力；开启一级破碎系统入口球阀和加热系统，天然气水合物浆体通过多次转向、连续加热，实现浆体一级破碎和温度提升；开启降压阀，达到气化条件；气化后的多相介质，通过二级破碎系统进一步破碎，并同时再次升温，然后进入卧式堰板分离器；开启卧式堰板分离器各路出口管道球阀，天然气从气相管道流出，进入海上生产设施；游离水翻过堰板后，从游离水管道进入游离水储罐，加压后进入游离水外输管路，输往海上生产设施；泥砂受堰板阻隔，与部分游离水混合后，从含水泥砂管道排出，同时开启脐带缆中的悬浮液管道，向含水泥砂管道注入泥砂悬浮剂，形成泥砂浆液进入泥砂浆液储罐，然后开启外输泵将泥砂浆液通过立管输送至海上处理设施；

步骤三、当海上设施监测到泥砂浆液中泥砂含量升高或泥砂浆液出口流量发生较大波动时，增大卧式堰板分离器的含水泥砂管道排量，降低游离水管道排量，同时增大脐带缆的悬浮剂管道输量；

步骤四、当海上设施监测到泥砂浆液中泥砂含量降低时，降低卧式堰板分离器的含水泥砂管道排量，提高游离水管道排量，同时降低脐带缆的悬浮剂管道输量；

步骤五、当卧式堰板分离器的液位低于堰板高度时，降低含水泥砂管道和游离水管道排量，使正常液位保持在高于堰板0.5m处；

步骤六、在生产中，若发现游离水外输管道存在水合物二次生成风险时，开启脐带缆的水合物抑制剂管道，向进泵的游离水管道注入水合物抑制剂。