CN111022000B - 可燃冰开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于可燃冰开采技术领域，提供了一种可燃冰开采方法，包括：区块划分，勘探地质条件并界定开采范围，且将开采范围划分成多个作业区，其中，各所述作业区能够确保在开采过程中不发生坍塌；管道敷设，在所述作业区内敷设采气管道、输气管道、采气支管和输气总管，所述采气支管和所述输气支管间隔设置；开采作业，通过降压和/或增温的方式使可燃冰分解，并将分解后的甲烷气输送至储存装置；修复作业，输气装置向所述作业区高压注入二氧化碳，二氧化碳在所述作业区扩散并生成二氧化碳水合物；循环作业，顺次完成各所述作业区的开采作业和修复作业。本发明提供的可燃冰开采方法，提高可燃冰开采效率同时实现高效固碳修复地质层。
Description
技术领域
本发明属于可燃冰开采技术领域，尤其涉及可燃冰开采方法。
背景技术
天然气水合物(NGH)又称可燃冰，我国可燃冰主要存在于南海海底沉积物中，目前，可燃冰开采只有降压法得到了一定程度的工业验证。可燃冰在开采中分子结构发生变化，从固体变为气体，使得海底的沉积物力学性质改变，致使其底层因重量负荷过重而出现薄弱区域，进而引发大规模的水合物滑坡，最终会带动岩石层流动或崩塌，继而引发地质灾害，如可能会导致海平面升降，或是引发海啸，因此安全问题是水合物实现商业化开采需要面对的重要问题之一
二氧化碳置换开采NGH是一种新型开采NGH方法，采用注入二氧化碳到NGH沉积层中置换开采出天然气，同时将温室气体二氧化碳形成水合物永久储存于海底，在开采出天然气的同时可达到固碳和降低水合物储层地质破坏程度的目的。目前该方法已在热力学与动力学上均被证明是可行的，但二氧化碳置换开采二氧化碳-CH4置换速率缓慢，且在沉积层中的渗透性较差导致其开采效率较低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了另一种可燃冰开采方法，其旨在提高可燃冰开采效率慢的问题。
本发明是这样实现的：
一种可燃冰开采方法，包括：
区块划分，勘探地质条件并根据地质条件界定开采范围，且将开采范围划分成多个作业区，其中，各所述作业区的空间大小及空间形状能够确保在分别对各所述作业区进行可燃冰开采过程中不发生坍塌；
管道敷设，在所述作业区内敷设采管道系统，所述管道系统包括气管道和输气管道，所述采气管道包括水平放置且在其外表面开设有内外贯通的采气孔的采气支管和垂向放置且与所述采气支管连通的采气总管，所述输气管道包括水平放置且在其外表面开设有内外贯通的输气孔的输气支管和垂直设置且其与所述输气支管连通的输气总管，所述采气支管和所述输气支管间隔设置；
开采作业，通过降压和/或增温的方式使可燃冰分解，通过所述采气支管和所述采气总管收集分解后的甲烷气并将其输送至储存装置；
修复作业，在所述开采作业完成后开启输气装置，所述输气装置通过所述输气总管和所述输气支管向所述作业区注入修复物料，所述修复物料为二氧化碳，且能够在所述作业区扩散并生成二氧化碳水合物；
循环作业，任一所述作业区可燃冰开采和修复作业结束后，进行下一个所述作业区的开采作业和修复作业。
进一步的，所述采气支管和所述输气支管的数量比例为[1:1-2:1]，所述输气支管在其上方和下方对应设置有一个所述采气支管。
进一步的，在所述管道敷设步骤中，在各所述作业区向下开设竖井和与各所述竖井相通的多个水平井，所述输气总管和所述采气总管均布置在所述竖井内，所述采气支管和所述输气支管分别布置在相邻两个所述水平井内。
进一步的，所述作业区包括多个子区块；
各所述子区块分别对应设置有至少一条所述输气管道和至少一条所述采气管道。
进一步的，在所述修复作业步骤中，且在所述开采作业后开启输气装置之前，还包括：使开凿机器人通过所述输气管道进入所述采气作业后的所述作业区，并让所述开凿机器人按照指定路径在开采岩层开凿三维网状扩散通道。
进一步的，所述采气支管在所述采气孔处设有防止沙砾进入所述采气孔的防沙装置。
进一步的，所述修复物料为气态二氧化碳、液态二氧化碳或乳液态二氧化碳。
进一步的，所述修复物料为混有二氧化碳水合物强化生成化学剂的二氧化碳。
进一步的，所述管道系统还包括与所述采气管道连接并用于控制所述采气管道流量的采气流量控制装置。
进一步的，所述管道系统还包括与所述输气管道连接并用于控制所述输气管道流量的输气流量控制装置。
本发明提供的可燃冰开采方法，通过区域划分确保安全开采，避免大范围开采引发地质坍塌等情况的发生，通过可燃冰分解开采和二氧化碳注入固化修复两阶段作业分开进行的方式提高可燃冰开采效率同时实现高效固碳修复地质层，通过采气支管和输气支管间隔设置进一步提高修复效果和修复效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中可燃冰开采方法步骤图；
图2是本发明实施例中管道敷设示意图；
图3是图2中A区域放大示意图。
附图标号说明：
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上和下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
请参照图1至图3，本发明提供一种可燃冰开采方法，包括以下步骤：区块划分、管道敷设、开采作业和修复作业。
区块划分：勘探地质条件并根据地质条件界定开采范围，且将开采范围划分成多个作业区，其中，各作业区的空间大小及空间形状能够确保在分别对各作业区进行可燃冰开采过程中不发生坍塌。作业区的划分综合考虑可燃冰储藏量、储藏面积、开发岩层构成、压力分布等因素。
管道敷设，在作业区内敷设管道系统，管道系统包括采气管道10和输气管道20，采气管道10包括水平放置且在其外表面开设有内外贯通的采气孔111的采气支管11和垂向放置且与采气支管11连通的采气总管12，输气管道20包括水平放置且在其外表面开设有内外贯通的输气孔211的输气支管21和垂直设置且其与输气支管21连通的输气总管22，采气支管11和输气支管21间隔设置。
开采作业，通过降压和/或增温的方式使可燃冰分解，通过采气支管11和采气总管12收集分解后的甲烷气并将其输送至储存装置。
可燃冰是由天然气中小分子气体(如甲烷、乙烷等)在一定的温度、压力条件下和水作用生成的笼形结构的冰状晶体，水合物表达式为M·nH2O(其中M是气体分子，以CH4为主，n为水分子数)，理论上n取5.6～5.75，但是实际n值一般为6.3～6.6。深海开采的可燃冰一般指甲烷水合物，甲烷水合物中含有46个水分子，它是由6个大空隙和2个小空隙形成的立方晶体结构，分子式为8CH4·46H2O，通俗的讲，就是这46个水分子凑在一起，其中有8个空隙，而8个甲烷分子就分布在这8个空隙中，它们是以固态存在的。在开采过程中，甲烷分子就从空隙中脱离出来，变成甲烷气体。理论上，1m3水合物(固态)经过开采释放出来的甲烷(气态)有164m3。
开采作业中，可通过降压或增温或者两者结合的方式促使可燃冰进行分解，形成气态的甲烷气和水，并由采气管道10将甲烷气(附带一些水蒸气等)抽出海底，到达地面甲烷气储存装置(或海洋平台)。本实施例中，以降压的方式破坏可燃冰的稳态，使之分解。
修复作业：在开采作业后开启输气装置，输气装置通过输气总管22和输气支管21向作业区高压注入修复物料，修复物料为二氧化碳(CO2)，且修复物料能够在作业区扩散并生成二氧化碳水合物。
二氧化碳变成二氧化碳水合物的化学反应主要需要具备四个方面的要素：存在自由水、温度小于水蒸气的露点、气压区间、诱导晶核。在开采作业之后，作业区一般具备自由水和诱导晶核，向作业区注入二氧化碳，并将气压和温度控制在促使二氧化碳生成水合物的区间，从而在可燃冰分解之后的空隙内生成二氧化碳水合物以填塞空隙空间，实现作业区的固碳和修复作业。
循环作业：任一作业区可燃冰开采和修复作业结束后，进行下一个作业区的开采作业和修复作业，直至整个开采范围的可燃冰开采完成。
需要说明的是，区域划分步骤为第一步骤，管道敷设可分阶段进行也可以同步进行，比如可以在开采范围全部敷设管道后再进行采气或者先对一个作业区进行管道敷设，在该作业区进行采气和修复作业中或作业后再进行另一个作业区的管道敷设。管道敷设一般不会破坏地质层的结构，因此可根据实际需要安排各作业区敷设的时间和顺序。开采作业和修复作业顺次作业，顺序不可倒置，顺序作业可以提高区块采气和修复效率。同时，各作业区顺次作业以避免两个作业区的采气作业同时进行，以降低地质层坍塌的风险。
采气管道10用于可燃气的开采，输气管道20用于向作业区输入二氧化碳以形成二氧化碳水合物从而对作业区进行加固。采气支管11采气之后可燃冰的分解情况随采气支管11距离越近分解反应越完全，采气支管11和输气支管21间隔设置，采气支管11和输气支管21之间越靠近采气支管11的区域可燃气分解后产生的空隙体积越大，越靠近输气支管21的区域可燃气分解后产生的间隙体积越小，此时，从输气支管21内高压输出二氧化碳，二氧化碳由于输出压力和上述的空隙空间的差别从输气支管21到采气支管11之间的压力递减分布，从而使得二氧化碳更顺畅地到达采气支管11区域，从而提高二氧化碳水合物在作业区的修复效果并提高修复效率。
综上，本实施例提供的可燃冰开采方法，通过区域划分确保安全开采，避免大范围开采引发地质坍塌等情况的发生。通过可燃冰分解开采作业和二氧化碳注入固化修复作业两阶段分开进行的方式提高可燃冰开采效率同时实现高效固碳修复地质层，通过采气支管11和输气支管21间隔设置进一步提高修复效果和修复效率。
需要说明的是，采气作业和修复作业中，作业区的温度和压力是一个动态过程并限定在一定的区间内。在采气作业中，对作业区域进行降压处理，打破可燃冰中冰-甲烷水合物-甲烷气-水蒸汽的平衡，甲烷水合物进行分解形成甲烷气和水蒸气，并由采气管道10运输至地面收集装置中。在甲烷水合物分解过程中，会吸收大量的热量，从而使分解的难度加大，所以需要进一步的降压，实现甲烷水合物的持续分解。因此，在采气作业结束后，作业区气压和温度都偏低。而后进行输气作业，虽然作业区气压低，但还是比大气压高，需要加压以将二氧化碳输入作业区，而后二氧化碳与水产生化学反应，形成水合物并释放热量，从而使得作业区温度增加，此时需要进一步增加压力，以确保二氧化碳水合物的持续生成。
本实施例中，管道系统还包括与采气管道10连接并用于控制采气管道10流量的采气流量控制装置。采气流量控制装置的设置，便于监测和控制采气作业速度，防止瞬间流量过大或过小引发事故，并通过采气管道10流量的控制改变作业区压力分布情况，有助于实现作业区压力差的形成以强化对流效果，提高采气效率。
管道系统还包括与输气管道20连接并用于控制输气管道20流量的输气流量控制装置。输气流量控制装置的设置，便于监测和控制输气的作业速度，防止瞬间流量过大或过小引发事故，此外，通过输气管道20流量的控制改变作业区压力分布情况，有助于实现作业区压力差的形成以强化对流效果，提高修复效率。
请参照图2，采气支管11和输气支管21的数量比例为[1:1,2:1]，输气支管21在其上方和下方对应设置有一个采气支管11。输气支管21和采气支管11布置情况示意如下，采气支管11为a，记输气支管21为b，排列可以为：abababababa、ababaabaaba、abaabaabaaba等。考虑到可燃冰分解之后形成诸多空隙，二氧化碳输入相比于甲烷气的输出更为迅速和便利，因此适当增加采气支管11的数量，以提高整体作业的效率。图示实施例中，一个输气支管21对应设置两个采气支管11，即排列为abaabaabaaba。
请参照图2和图3，管道敷设步骤中，在各作业区向下开设竖井30和与竖井30相通的多个水平井40，输气总管22和采气总管12均布置在竖井30内，采气支管11和输气支管21分别布置在相邻两个水平井40内。一个作业区的竖井30数量不唯一，根据作业区面积和开采需要进行设置。图示实施例中，一个作业区开设有一个竖井30，多个水平井40。
进一步的，作业区包括多个子区块，各子区块分别对应设置有至少一条输气管道20和至少一条采气管道10。图示实施例中，将一个作业区分成四个子区块，分别标记为A、B、C、D，每个子区块包括三个与竖井30连通的水平井40，三个水平井40上下布置，位于中间的水平井40敷设输气支管21，位于上方和下方的水平井40敷设采气支管11。各子区块的输气支管21和采气支管11分别与敷设在竖井30内的输气总管22和采气总管12连接。一个区块的输气支管21和采气支管11分别对应一个输气总管22和一个采气总管12。该设置可实现各子区块开采的独立性，从而进一步降低开采过程中地质坍塌的风险。一个作业区的子区块共用一个竖井30，有利于降低施工成本。在其它实施例中，一个作业区的各子区块也可以共用一个输气总管22和采气总管12。
请参照图3，采气支管11在采气孔111处设有防止沙砾进入采气孔111的防沙装置。降压采气时，在气泵作业下采气支管11内的压力小于采气支管11外的压力，采气支管11外的甲烷气经由采气孔111进入采气支管11内，采气支管11外的沙砾也可能在气压差的作用下被吸附进入采气孔111，防沙装置的设置避免大量的泥沙进入采气支管11而导致采气支管11堵塞。
请参照图3，在修复作业步骤中，且在开采作业后开启输气装置之前，还包括：使开凿机器人通过输气管道20进入采气作业后的作业区，并让开凿机器人按照指定路径在开采岩层开凿三维网状扩散通道。开凿机器人通过输气支管21的输气孔211进入开采后的作业区，通过计算机启动无线遥控程序，对开凿机器人进行遥控操作，驱使开凿机器人按照指定路径对作业区进行通道的开凿，使采气支管11和输气支管21之间的区域形成三维网状扩散通道。三维网状扩散通道是指以输气孔211为起点向垂直于水平井40延伸方向的第一通道、以第一通道上的点(排除位于输气孔211的点)为起点并向平行于水平井40延伸方向的第二通道和以第一通道上的点为起点沿上下方向延伸的第三通道共同构成的三维网状通道。三维网状扩散通道的开凿加快二氧化碳的扩散，提高二氧化碳水合物的生成效率并降低局部堵塞导致二氧化碳难以进入甲烷气逃逸形成的空隙内而影响修复效果。
本实施例中，修复物料为气态二氧化碳、液态二氧化碳或乳液态二氧化碳。在不同的压力下，二氧化碳注入形态呈现不同的状态，在高压下，二氧化碳为液态或乳液状态，在其它情况下，也可为气态、或气态和液态的混合物。
进一步的，修复物料为混有二氧化碳水合物强化生成化学剂的二氧化碳。化学剂可为甲醇、乙醇、乙二醇等，通过化学剂的添加促进二氧化碳水合物的生成速度，或降低生成水合物的临界压力或降低生成水合物的临界温度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种可燃冰开采方法，其特征在于，包括：
区块划分，勘探地质条件并根据地质条件界定开采范围，且将开采范围划分成多个作业区，其中，各所述作业区的空间大小及空间形状能够确保在分别对各所述作业区进行可燃冰开采过程中不发生坍塌；
管道敷设，在所述作业区内敷设采管道系统，所述管道系统包括采气管道和输气管道，所述采气管道包括水平放置且在其外表面开设有内外贯通的采气孔的采气支管和垂向放置且与所述采气支管连通的采气总管，所述输气管道包括水平放置且在其外表面开设有内外贯通的输气孔的输气支管和垂直设置且其与所述输气支管连通的输气总管，所述采气支管和所述输气支管间隔设置，在各所述作业区向下开设竖井和与各所述竖井相通的多个水平井；
开采作业，通过降压和/或增温的方式使可燃冰分解，通过所述采气支管和所述采气总管收集分解后的甲烷气并将其输送至储存装置；
修复作业，在所述开采作业完成后使开凿机器人通过所述输气管道进入采气作业后的所述作业区，并让所述开凿机器人按照指定路径在开采岩层开凿三维网状扩散通道，开启输气装置，所述输气装置通过所述输气总管和所述输气支管向所述作业区注入修复物料，所述修复物料为二氧化碳，且能够在所述作业区扩散并生成二氧化碳水合物，所述三维网状扩散通道是指以输气孔为起点向垂直于水平井延伸方向的第一通道、以第一通道上的点为起点并向平行于水平井延伸方向的第二通道和以第一通道上的点为起点沿上下方向延伸的第三通道；
循环作业，任一所述作业区可燃冰开采和修复作业结束后，进行下一个所述作业区的开采作业和修复作业。
2.如权利要求1所述的可燃冰开采方法，其特征在于，所述采气支管和所述输气支管的数量比例为[1:1,2:1]，所述输气支管在其上方和下方对应设置有一个所述采气支管。
3.如权利要求2所述的可燃冰开采方法，其特征在于，所述输气总管和所述采气总管均布置在所述竖井内，所述采气支管和所述输气支管分别布置在相邻两个所述水平井内。
4.如权利要求3所述的可燃冰开采方法，其特征在于，所述作业区包括多个子区块；
各所述子区块分别对应设置有至少一条所述输气管道和至少一条所述采气管道。
5.如权利要求1所述的可燃冰开采方法，其特征在于，所述采气支管在所述采气孔处设有防止沙砾进入所述采气孔的防沙装置。
6.如权利要求1所述的可燃冰开采方法，其特征在于，所述修复物料为气态二氧化碳、液态二氧化碳或乳液态二氧化碳。
7.如权利要求6所述的可燃冰开采方法，其特征在于，所述修复物料为混有二氧化碳水合物强化生成化学剂的二氧化碳。
8.如权利要求1至7中任一所述的可燃冰开采方法，其特征在于，所述管道系统还包括与所述采气管道连接并用于控制所述采气管道流量的采气流量控制装置。
9.如权利要求1至7中任一所述的可燃冰开采方法，其特征在于，所述管道系统还包括与所述输气管道连接并用于控制所述输气管道流量的输气流量控制装置。
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