CN112282707B - 海域天然气水合物筒式开采装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种海域天然气水合物筒式开采装置及其方法，包括开采筒、水泵、防砂装置和气液举升系统等。本发明通过特别设计的开采筒及其配套装置，实现了将开采筒下沉到海底表面以下、开采海底表面以下深处的天然气水合物和回收开采筒。解决了传统深海钻井开采方法中钻井和完井成本高，素混凝土井筒在地层压力作用下易损坏坍塌和出沙等一系列问题，并克服了传统盖顶降压法只能开采海底表面水合物，以及开采效率低的局限。本发明可极大降低海底表面以下深处的天然气水合物的开采成本，对于海域天然气水合物商业化开采具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种海域天然气水合物筒式开采装置及其方法。
背景技术
天然气水合物由于储量巨大，被认为是具有很大潜力替代石油、煤和天然气等传统能源。天然气水合物的开采原理包括：降压、热激、化学试剂驱替和固态流化，及上述单一方法的联合应用。目前普遍认为，降压法及基于降压法的改良方案可能是实现海域天然气水合物产业化试采的最佳途径，而其他方法则主要作为降压法的辅助增产措施或产气稳定措施使用。
在天然气水合物开采的具体实施方面，现有的开采方法可以分为钻井法和表面开采法。钻井法开采是指通过海面钻井船在深海的海底钻井，进而通过降低井筒内压力实现降压法开采或者固态流化开采，这种方法可以实现海底下侧10m-500m埋深的天然气水合物开采。表面开采法是指直接下放开采机械或装置到海底表面，直接收集天然气水合物块体或者通过保护罩局部降压转换成天然气后收集气体，主要用于开采海底表面数米以内的天然气水合物。
基于钻井技术的相关开采方法包括：（1）钻井降压开采法：“叶建良等，中国南海天然气水合物第二次试采主要进展，中国地质，2020”，“CN107676058B-一种海洋天然气水合物砂浆置换开采方法及开采装置”，“CN109763794B-海洋水合物多分支水平井降压加热联采方法”和“CN101672177B-一种海底天然气水合物开采方法”等。（2）钻井固态流化开采法：“周守为等，全球首次海洋天然气水合物固态流化试采工程参数优化设计，天然气工业，2017”，“CN106939780B-一种海底浅层非成岩天然气水合物固态流化开采装置及方法”和“CN110700801B-一种天然气水合物固态流化开采自动射流破碎工具等”。
目前，在世界范围内，成功实施海域天然气水合物试采的案例，包括日本两次钻井降压法开采、中国两次钻井降压法和一次钻井固态流化法，都是采用钻井开采技术。然而，由于井筒周围天然气水合物分解会导致储层强度大幅度下降，在巨大的地应力作用下地层大量出沙，会导致井筒失稳，很难实现长期稳定开采。国内外进行的多次海域天然气水合物钻井开采法试开采均出现该问题。另外，基于钻井技术的开采方法，采出的天然气的价值远远无法覆盖钻井成本，所以目前未能实现商业化开采。
基于表面开采理论的相关技术包括：（1）盖顶降压法：“黎伟等，天然气水合物盖顶降压装置开采机理研究，应用力学学报，2020”，“CN105781497A-一种海底天然气水合物采集装置”，“CN111648749A-一种海底浅表层天然气水合物移动立管式开采系统及开采方法”等，这些方法通过设置在海底的类似锥形盖顶的装置来收集天然气水合物或者其分解产物。（2）机械收集法：“CN103628880B-深海海底浅层非成岩地层天然气水合物的绿色开采系统”，“CN104265300B-一种海底表层天然气水合物开采方法及开采装置”和“CN104948143B-一种海底表层天然气水合物的开采方法及其开采装置”等，这些方法通过设置在海底的采矿机械收集天然气水合物块体。
基于表面开采理论的相关技术仍处于理论探索阶段，由于直接赋存于海底表面的天然气水合物占比极少，且赋存分散，因此预期生产效率较低，应用范围有限。
发明内容
本发明用于海底非表层天然气水合物开采，针对现有钻井降压法开采技术存在的问题进行改进，根据海域天然气水合物通常赋存于黏土质粉砂或淤泥质沉积物中的特点，提出一种不需钻井即可进入海底深处进行降压开采的低成本、高效率降压开采装置和开采方法。
本发明解决技术问题所采用的方案是：一种海域天然气水合物筒式开采装置，包括能沉入海底面下方地层的开采筒、水泵、防砂装置和气液举升系统；其中，
所述开采筒为上侧封闭、下侧不封闭的筒形结构，包括顶板和竖直筒壁；所述水泵与筒体内腔联通，能通过水泵将开采筒内的液体向外排出降低开采筒内压力，控制所述开采筒在地层中下沉并携带所述防砂装置和所述气液举升系统进入海底面以下的天然气水合物储层和/或、天然气水合物与游离气混合层和/或、游离天然气层；
所述开采筒和所述防砂装置组合围成至少一个空腔，所述防砂装置允许液体和/或气体通过并进入所述空腔，并过滤泥沙；所述空腔连通有至少一个通道；
所述气液举升系统，包括至少一个举升动力装置；气液举升系统一端连接所述空腔，另一端连接海面处理系统，将所述空腔中的液体和/或气体进行举升；举升的同时可降低空腔内部压力，进而降低周围地层压力，促进天然气水合物分解，分解形成的水和天然气在压差作用下通过防砂装置进入空腔，进而举升实现天然气水合物开采。
进一步的，所述通道包括输水管道和输气管道；所述输水管道一端连接举升动力装置，另一端连接至开采筒上部；所述输气管道一端连接空腔，另一端连接至开采筒上部以便于收集气体；在地层压力和重力作用下，地层流体进入空腔，空腔中的液体向下运动，举升动力装置将空腔中的液体压入输水管道并举升；空腔中的气体通过输气管道向上运动；所述的举升动力装置为电泵，所述电泵为电潜离心泵、电潜螺杆泵、泥浆泵或三者组合。
进一步的，所述的空腔设置在开采筒的竖直筒壁外侧；所述的开采筒具有开孔管壁，开孔管壁上设有开孔；所述防砂装置设置在开孔内和/或覆盖开孔；开孔管壁具有透水防护功能，允许液体和气体通过，并保护防砂装置不被地层压力和流体冲蚀破坏；气体和液体通过开孔管壁和防砂装置进入竖直筒壁外侧的空腔。
进一步的，所述的空腔设置在开采筒的内包空间，内包空间中的地层通过喷射钻进系统清出筒外，开采筒的顶板、竖向筒壁及封底的内部形成空腔；竖直筒壁的下部位置设有开孔，所述防砂装置设置在开孔内和/或覆盖开孔；该位置的竖直井壁，具有透水防护功能，允许液体和气体通过，并保护防砂装置不被地层压力和流体冲蚀破坏；气体和液体通过竖直井壁和防砂装置进入设置在开采筒的内包空间的空腔。
进一步的，所述喷射钻进系统，包括固定在所述顶板下侧的伸缩臂、钻具、喷射系统和泥浆泵送系统；所述伸缩臂具有伸缩端，可以带动所述钻具、所述喷射系统的下端和所述泥浆泵送系统的下端上下移动；所述钻具固定在伸缩端下端，所述喷射系统包括贯穿伸缩臂延伸至钻具的喷射管；所述钻具和所述喷射系统可以将开采筒内包空间中的地层破碎成岩屑；所述泥浆泵送系统，用于将岩屑泵送到开采筒外部，包括固定于伸缩端上的泥浆泵，所述泥浆泵出料端具有延伸至开采筒顶板上部的泥浆输出管道；当开采筒下沉到地层中的预定位置，并将开采筒内包空间中的地层清出筒外后，控制喷射系统射出固化材料，能将筒底封闭以形成封底；泥浆泵作为举升动力装置将空腔内的液体经由泥浆输出管道向外排，空腔中的气体通过输气管道向上运动。
进一步的，所述开采装置还包括射流注入系统，所述的射流注入系统，包括注射泵、嵌入开采筒的管道和布设于开采筒外表面的喷射口，各个喷射口与喷射管道联通；所述注射泵通过喷射管道经由喷射口向地层喷射水、热海水、二氧化碳、或者化学抑制剂。
进一步的，所述开采装置还包括膨胀囊封闭系统；所述的膨胀囊封闭系统，包括充水膨胀囊体和注水系统；所述注水系统向充水膨胀囊体注水；所述充水膨胀囊体呈圆环状，固定在开采筒外周上部位置，充水膨胀囊体注水后与天然气水合物储层紧密贴合。
进一步的，所述开采装置还包括辅助加热系统；所述的辅助加热系统，包括电磁感应线圈和电磁加热控制器，电磁感应线圈环绕开采筒的筒体，电磁加热控制器控制电磁感应线圈，使开采筒发热，从而大规模加热天然气水合物储层。
进一步的，所述开采装置还包括扩展开采系统，所述扩展开采系统，为固定在开采筒底部的竖直的探杆，探杆由透水管壁、透水管壁内的防砂装置和位于防砂装置中部的过流通道组成；探杆下潜深度大于开采筒，从而引导更深处的地层流体进入空腔，可以增加开采范围和效率；所述探杆还可以设置电缸或液压缸驱动其上下移动。
本发明还包括利用如上所述的开采装置的一种海域天然气水合物的筒式开采方法，包括如下步骤：
（1）选定开采区域，利用海面运输装置将开采筒拖动至开采海域，并通过缆绳下放，扣在海底；
（2）通过所述水泵将所述开采筒内的液体向外排出降低开采筒内压力，开采筒在压差作用下向下沉，所述开采筒携带气液举升系统和防砂装置进入天然气水合物储层和/或、天然气水合物与游离气混合层和/或、游离天然气层；
（3）通过气液举升系统，将所述开采筒和所述防砂装置形成的空腔中的液体和/或气体进行举升，空腔内部压力降低，进而引起周围地层压力降低，促使周围地层中的天然气水合物分解，分解形成的水和天然气在压差作用下通过防砂装置进入空腔，进而同时举升液体和天然气，至开采筒外部实现天然气水合物开采。
进一步的，当空腔设置在开采筒的内包空间时，控制开采筒下沉的过程中，通过喷射钻进系统将开采筒内的岩土体破碎并排出筒外；当开采筒下沉到地层中的预定位置，并将开采筒内包空间中的地层清出筒外后，控制喷射系统射出固化材料，能将筒底封闭以形成封底；封闭完成后进行开采时，泥浆泵作为举升动力装置将空腔内的液体经由泥浆输出管道向外排，空腔中的气体通过输气管道向上运动。
进一步的，当一定范围内天然气水合物开采完成或者产气效率降低到一定值以后，停止气液举升，通过所述水泵向开采筒内泵入水，使开采筒内压力大于筒外压力，开采筒在压差作用和锚缆系统上拉作用下，向上升到泥线以上，进而将开采筒回收或转移到新的开采区域继续开采。
本发明通过特别设计的开采筒及其配套装置，实现了将开采筒下沉到海底表面以下、开采海底表面以下深处的天然气水合物和回收开采筒。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）由于施工过程不需要深海钻井船，本发明解决了传统深海钻井开采方法中钻井和完井成本高的问题。（2）由于开采筒的主体采用高强预制结构，本发明克服了传统混凝土井筒在地层压力作用下易损坏坍塌问题，而且防砂装置在合金结构保护之下彻底解决了传统井筒出沙破坏问题。（3）相对于传统盖顶降压法只能开采海底表面水合物，以及开采效率低的局限性，本发明的长竖直筒壁可以携带开采系统进入海底面以下深处的天然气水合物储层，并且由于开采系统布置在竖直筒壁上，相对于盖顶内部开采可以大幅提高有效开采面积，进而提高开采效率和产量。综上所述，本发明可极大降低海底表面以下深处的天然气水合物的开采成本，对于海域天然气水合物商业化开采具有重要意义。
附图说明
图1为本发明海域天然气水合物筒式开采装置的整体示意图；
图2为本发明所述开采装置的第一种优选实施方式防砂装置设置在开孔内的外形示意图；
图3为本发明所述开采装置的第一种优选实施方式防砂装置覆盖开孔的外形示意图；
图4为本发明所述开采装置的第一种优选实施方式防砂装置覆盖开孔微调后的外形示意图；
图5为本发明所述开采装置的第二种优选实施方式施工过程外形示意图；
图6为本发明所述开采装置的第二种优选实施方式防砂装置覆盖开孔的示意图；
图7为本发明所述开采装置的第二种优选实施方式防砂装置设置在开孔内的示意图；
图8为本发明所述的射流注入系统的一种优选实施方式示意图；
图9为本发明所述的膨胀囊封闭系统的一种优选实施方式示意图；
图10为本发明所述的辅助加热系统的一种优选实施方式示意图；
图11为本发明所述的扩展开采系统的一种优选实施方式示意图；
图12为本发明所述的扩展开采系统的探杆的一种优选实施方式示意图。
图中：A-天然气水合物上覆地层；B-天然气水合物储层；C-天然气水合物储层下伏游离气体层；1-开采筒；11-开孔管壁；12-透水支撑构件；13-透水开口和封盖；14-连接构件；2-水泵；3-防砂装置；31-空腔；41-举升动力装置；42-气液分离装置；51-输水管道；52-输气管道；61-射流注入系统的管道；62-射流注入系统的喷射口；71-充水膨胀囊体；81-电磁感应线圈；91-扩展开采系统的探杆；92-扩展开采系统的电缸或液压缸；931-探杆的透水管壁；932-探杆的防砂装置；933-探杆的过水通道；101-伸缩臂；102-泥浆泵；103-钻具；104-喷射系统；105-泥浆输出管道；106-封底，107-船只，108-锚缆系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1～7，一种海域天然气水合物筒式开采装置，包括：能沉入海底面下方地层的开采筒1、水泵2、防砂装置3和气液举升系统。
所述开采筒1为上侧封闭、下侧不封闭的筒形结构，包括顶板和竖直筒壁；所述水泵2设置于顶板，所述水泵与筒体内腔联通，能通过水泵将开采筒内的液体向外排出降低开采筒内压力，控制所述开采筒在地层中下沉，携带所述防砂装置和所述气液举升系统进入海底面以下的天然气水合物储层B和/或、天然气水合物与游离气混合层和/或、游离天然气层C；
所述开采筒和所述防砂装置组合围成形成有至少一个空腔31，所述防砂装置3允许液体和/或气体通过并进入所述空腔，并过滤泥沙；所述空腔设置有两个通道，即输水通道51和输气通道52。
所述气液举升系统，包括一个举升动力装置41和一个气液分离装置42；气液分离装置设置在举升动力装置的进口，其作用是在液体和气体在空腔中进行重力分离之后，进行液体和气体二次分离，防止气体进入举升动力装置；气液举升系统一端连接所述空腔，另一端连接海面处理系统，将所述空腔中的液体和/或气体进行举升；举升的同时可降低空腔内部压力，进而降低周围地层压力，促进天然气水合物分解，分解形成的水和天然气在压差作用下通过防砂装置再次进入空腔，从而举升实现天然气水合物开采。
一般地，输水管道51一端连接举升动力装置41，另一端延伸至采集筒外部；输气管道52一端连接空腔31，另一端延伸至采集筒外部以便于收集气体；在地层压力和重力作用下，地层流体进入空腔，空腔中的液体向下运动，举升动力装置将空腔中的液体压入输水管道并举升；空腔中的气体通过输气管道向上运动；所述的举升动力装置41为电泵，所述电泵为电潜离心泵、电潜螺杆泵、泥浆泵或三者组合。
作为第一种优选方式，如图2～4，所述的空腔31设置在开采筒的竖直筒壁外侧；所述的开采筒，还包括开孔管壁11，开孔管壁上设有开孔；图2中防砂装置3设置在开孔内；图3和4中防砂装置3覆盖开孔，并在空腔31内设置了透水支撑构件12，透水支撑构件在水平和竖直方向均允许液体和气体通过，类似格栅结构，可以支撑保护防砂装置；开孔管壁具有透水防护功能，允许液体和气体通过，并保护防砂装置不被地层压力和流体冲蚀破坏；气体和液体通过开孔管壁和防砂装置进入竖直筒壁外侧的空腔。
作为第二种实施方式，如图5～7，所述的空腔31设置在开采筒的内包空间，内包空间中的地层通过喷射钻进系统清出筒外，开采筒的顶板、竖向筒壁及封底的内部形成空腔；竖直筒壁的下部位置设有开孔，图5中所述防砂装置覆盖开孔，图6中所述防砂装置设置在开孔内；该位置的竖直井壁，具有透水防护功能，允许液体和气体通过，并保护防砂装置不被地层压力和流体冲蚀破坏；气体和液体通过竖直井壁和防砂装置进入设置在开采筒的内包空间的空腔。
开采装置的第二种实施方式中，还设置有位于筒体内的喷射钻进系统；所述喷射钻进系统，包括固定在所述顶板下侧的伸缩臂、钻具、喷射系统和泥浆泵送系统；所述伸缩臂具有伸缩端，可以带动所述钻具、所述喷射系统的下端和所述泥浆泵送系统的下端上下移动；所述钻具固定在伸缩端下端，所述喷射系统包括贯穿伸缩臂延伸至钻具的喷射管；所述钻具和所述喷射系统可以将开采筒内包空间中的地层破碎成岩屑；所述泥浆泵送系统，用于将岩屑泵送到开采筒外部，包括固定于伸缩端上的泥浆泵，所述泥浆泵具有延伸至开采筒顶板上部的泥浆输出管道；当开采筒下沉到地层中的预定位置，并将开采筒内包空间中的地层清出筒外后，控制喷射系统射出固化材料，能将筒底封闭以形成封底，开采筒的顶板、竖直筒壁、及封底的内部形成空腔；进行开采时，泥浆泵作为举升动力装置将空腔内的液体经由泥浆输出管道向外排，空腔中的气体通过输气管道向上运动，本实施例中，所述的钻具可以是由电动、气动或液压的方式对地层进行破碎，所述泥浆泵的进口端位于内包空间内从而实现将破碎的岩屑排出。
上述两种方案只是优选实施例，实际应用时可以选用其中一种或两种组合，或其他容易想到的变化实施例。
作为另一种方案，所述气液举升系统的举升动力装置41直接采用所述水泵2。
上述实施例中，所述的开采筒，外形是等径圆筒形、或不等径圆筒形、或周围带有裙子的圆筒形或多棱柱筒形；开采筒的主体采用高强预制结构，如钢材、钢筋混凝土等，整体强度和刚度大，保证在高地应力条件下不破坏；开采筒还设置有连接构件14，与锚缆相连；开采筒除了依靠筒内外压差和重力下潜外，还可设置高频振动装置，可以增加开采筒下潜深度和速度；开采筒顶部开设有透水开口和用于封闭透水开口的封盖，开采筒在海水中下降时打开封盖可以减少开采筒下降阻力，开采筒到达海床后关闭封盖。
开采装置工作时，所述的开采筒需要借助海面支持系统进行施工，海面支持系统采用船只107或者海上平台等海面运输装置；所述的海面处理系统，包括气体干燥装置、气体压缩装置和储气罐，设置于所述海面支持系统，用于处理和储运天然气；所述锚缆系统108，用于下放、提起和移动开采筒，包括缆线和缆线控制装置，缆线的一端连接开采筒顶部，另一端连接缆线控制装置；缆线控制装置设置于海面支持系统。海面支持系统与海面处理系统为油气开采后续处理设备。
当然，所述的海域天然气水合物筒式开采装置，还包括供电系统和控制系统，供电系统为开采作业提供电力，控制系统控制各装置运行。所述的开采筒，还可以设置温度传感器、压力传感器、水流量计和气体流量计等测量元件。
所述的海域天然气水合物筒式开采装置，还包括旋转挂斗辅助下潜系统；所述旋转挂斗辅助下潜系统，包括旋转挂斗和电动机；所述的旋转挂斗为圆环形，其直径与开采筒开口处直径相等，上侧通过凹凸槽嵌固在开采筒筒体最下端，其上侧齿轮与电动机动力输出轴的齿轮相匹配，其下侧齿轮用于刮擦和挤压地层；当天然气水合物储层硬度较大或者开采筒下潜过程中遇到硬质阻碍物时，电动机驱动旋转挂斗通过挤压和刮擦作用将开采筒下侧的地层破碎，可以辅助开采筒下潜。
如图8所示，在上述任一实施例的基础上，所述的海域天然气水合物筒式开采装置，还包括射流注入系统；所述的射流注入系统，包括驱动装置、管道和喷射口；所述驱动装置为射流注入系统提供注射动力；所述射流注入系统用于：（1）当天然气水合物分解范围不足时，向开采筒周围储层喷射水，其水力切割作用可以增加分解界面，提高开采效率；（2）在天然气水合物储层硬度较大的情况下，当开采筒通过常规方法难以到达预定深度时，向开采筒下部喷射水，其水力切割作用可以促使开采筒进一步下潜；（3）将热海水、或者二氧化碳、或者化学抑制剂注入开采范围，促进天然气水合物分解；（4）注水还可以减少开采装置周围细泥沙，从而提高渗透性；（5）向储层上部注入二氧化碳，二氧化碳和周围水形成二氧化碳水合物，可以提高储层上部地层强度，从而提高储层的稳定性。
如图9所示，在上述任一实施例的基础上，所述的海域天然气水合物筒式开采装置，还包括膨胀囊封闭系统；所述的膨胀囊封闭系统，包括充水膨胀囊体和注水系统；所述注水系统连通管路向充水膨胀囊体注水；所述充水膨胀囊体固定在开采筒周围位置，充水膨胀囊体注水后与天然气水合物储层紧密贴合；注水系统利用气液举升系统的举升动力装置作为注水动力，通过辅助管道将部分地层流体注入充水膨胀囊体；在某些地质条件下，开采筒外圈和周围地层之间可能存在过水通道，其水气流动可能会影响筒内降压开采效果，膨胀囊封闭系统可以减轻上述影响；膨胀囊封闭系统还可以和射流注入系统相配合进行水力压裂增加开采范围，具体的通过充水膨胀囊体和天然气水合物储层紧密贴合，封闭自入结构体外圈和周围地层之间的过水通道，进而通过射流注入系统向周围地层中注入含有固体颗粒的高压水；在高压水作用下，天然气水合物储层产生裂隙，进而关闭射流注入系统；固体颗粒会填充在裂隙中防止其完全闭合，形成渗流通道，可增加开采效率和开采范围。
如图10所示，在上述任一实施例的基础上，所述的海域天然气水合物筒式开采装置，还包括辅助加热系统；所述的辅助加热系统，可选方式包括电热丝加热、电磁加热、微波加热方式；辅助加热系统可以提高天然气水合物分解速度，以及防止水合物的二次生成；电磁加热方案中，所述的辅助加热系统，包括电磁感应线圈和电磁加热控制器，电磁感应线圈环绕开采筒筒体，利用开采筒主要由钢材构成的特点，电磁加热控制器控制电磁感应线圈使开采筒发热，具有较高的热转化和传递效率，从而大规模加热天然气水合物储层，可以提高天然气水合物分解速度，以及防止水合物的二次生成；传统井筒中不存在大块钢结构，很难实施通过电磁原理大规模加热天然气水合物储层。
如图11-12所示，所述的海域天然气水合物筒式开采装置，还包括扩展开采系统，所述扩展开采系统，为固定在开采筒底部的竖直的探杆，探杆由透水管壁、透水管壁内的防砂装置和位于防砂装置中部的过流通道组成；探杆下潜深度大于开采筒，从而引导更深处的地层流体进入空腔，可以增加开采范围和效率；所述探杆还可以设置电缸或液压缸驱动其上下移动。
利用上述开采装置第一种实施方式的开采方法的优选实施例一，包括如下步骤：
（1）选定开采区域，在海面支持系统、锚缆系统支持下，将开采筒下放，扣在海底；
（2）通过所述水泵将所述开采筒内的液体向外排出降低开采筒内压力，开采筒在压差作用下向下沉，所述开采筒携带气液举升系统和防砂装置进入天然气水合物储层和/或、天然气水合物与游离气混合层和/或、游离天然气层；
（3）通过气液举升系统，将所述开采筒和所述防砂装置形成的空腔中的液体和/或气体进行举升，空腔内部压力降低，进而引起周围地层压力降低，促使周围地层中的天然气水合物分解，分解形成的水和天然气在压差作用下通过防砂装置进入空腔，进而同时举升液体和天然气，液体举升到海底或者海面处理系统，气体举升海面处理系统，实现天然气水合物开采；当一定范围内天然气水合物开采完成或者产气效率降低到一定值以后，停止气液举升，通过所述水泵向开采筒内泵入水，使开采筒内压力大于筒外压力，开采筒在压差作用和锚缆系统上拉作用下，向上升到泥线以上，进而将开采筒回收或转移到新的开采区域继续开采。
利用上述开采装置第二种实施方式的开采方法的优选实施例二，包括如下步骤：
（1）选定开采区域，在海面支持系统、锚缆系统支持下，将开采筒下放，扣在海底；
（2）通过所述水泵将所述开采筒内的液体向外排出降低开采筒内压力，开采筒在压差作用下向下沉，控制开采筒下沉的过程中，通过喷射钻进系统将开采筒内的岩土体破碎并排出筒外；所述开采筒携带气液举升系统和防砂装置进入天然气水合物储层和/或、天然气水合物与游离气混合层和/或、游离天然气层；
（3）当开采筒下沉到地层中的预定位置，并将开采筒内包空间中的地层清出筒外后，控制喷射系统射出固化材料，能将筒底封闭以形成封底；封闭完成后，泥浆泵作为举升动力装置将空腔内的液体经由泥浆输出管道向外排，空腔内部压力降低，进而引起周围地层压力降低，促使周围地层中的天然气水合物分解，分解形成的水和天然气在压差作用下通过防砂装置进入空腔，进而将空腔中的液体举升到海底或者海面处理系统，气体通过输气管道向上运动进入海面处理系统，实现天然气水合物开采。
在水合物储层厚度较大的情况下，可分多级开采，通过泵入和泵出筒内液体可以控制开采筒向上或者向下移动，从而由下至上或者由上至下，多级开采。
在水合物储层上覆层较软的情况下，在步骤（2）和步骤（3）之间利用射流注入系统向开采筒上侧和/或周围注入二氧化碳，二氧化碳和周围水形成二氧化碳水合物，可提高地层稳定性。
通过控制气液举升系统开闭，可以控制空腔内水压，可选一次降压到位，也可以分阶段多次降压，以调整生产速度，稳定产能。可以选择间歇性开启气液举升系统，以进行间歇性开采；储层温度过低时等待温度回升，可提高开采能效。
通过所述射流注入系统和膨胀囊封闭系统配合应用，在开采范围进行水力压裂，使天然气水合物储层产生裂隙，进一步增加开采效率。
通过启动膨胀囊封闭系统，向充水膨胀囊体注水使其膨胀，从而和天然气水合物储层紧密贴合，封闭自入结构体外圈和周围地层之间的过水通道；进而通过射流注入系统向周围地层中注入含有固体颗粒的高压水；在高压水作用下，天然气水合物储层产生裂隙，进而关闭射流注入系统；固体颗粒会填充在裂隙中防止其完全闭合，形成渗流通道，可增加开采效率和开采范围。
多个开采装置同时开采，形成群开采，将各开采装置采集的天然气通过中继站统一收集后，一起举升到海面处理系统。
群开采时，可以通过相邻开采装置之间相互配合进行压裂增产，还可以通过相邻开采装置之间相互配合进行加热增产，即一部分开采装置加热天然气水合物储层，相邻的另一部分装置开采，相互之间还可以轮替。
上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语包括与其近似、类似或接近的状态或形状。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制。对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (9)
1.一种海域天然气水合物筒式开采装置，其特征在于，包括能沉入海底面下方地层的开采筒、水泵、防砂装置和气液举升系统；其中：
所述开采筒为上侧封闭、下侧不封闭的筒形结构，包括顶板和竖直筒壁；所述水泵与筒体内腔联通，能通过水泵将开采筒内的液体向外排出降低开采筒内压力，控制所述开采筒在地层中下沉并携带所述防砂装置和所述气液举升系统进入海底面以下的天然气水合物储层和/或、天然气水合物与游离气混合层和/或、游离天然气层；
所述开采筒和所述防砂装置之间组合围成至少一个空腔，所述防砂装置允许液体和/或气体通过并进入所述空腔，并过滤泥沙；所述空腔连通有至少一个通道；
所述气液举升系统，包括至少一个举升动力装置；气液举升系统一端连接所述空腔，另一端连接海面处理系统，将所述空腔中的液体和/或气体进行举升；举升的同时可降低空腔内部压力，进而降低周围地层压力，促进天然气水合物分解，分解形成的水和天然气在压差作用下通过防砂装置进入空腔，进而举升实现天然气水合物开采；
所述通道包括输水管道和输气管道；所述输水管道一端连接举升动力装置，另一端连接至开采筒上部；所述输气管道一端连接空腔，另一端连接至开采筒上部以便于收集气体；在地层压力和重力作用下，地层流体进入空腔，空腔中的液体向下运动，举升动力装置将空腔中的液体压入输水管道并举升；空腔中的气体通过输气管道向上运动；所述的举升动力装置为电泵，所述电泵为电潜离心泵、电潜螺杆泵、泥浆泵或三者组合；
所述的空腔设置在开采筒的竖直筒壁外侧或开采筒的内包空间；
当所述的空腔设置在开采筒的竖直筒壁外侧时；所述的开采筒具有开孔管壁，开孔管壁上设有开孔；所述防砂装置设置在开孔内和/或覆盖开孔；开孔管壁具有透水防护功能，允许液体和气体通过，并保护防砂装置不被地层压力和流体冲蚀破坏；气体和液体通过开孔管壁和防砂装置进入竖直筒壁外侧的空腔；
当所述的空腔设置在开采筒的内包空间时，内包空间中的地层通过喷射钻进系统清出筒外，开采筒的顶板、竖向筒壁及封底的内部形成空腔；竖直筒壁的下部位置设有开孔，所述防砂装置设置在开孔内和/或覆盖开孔；该位置的竖直井壁，具有透水防护功能，允许液体和气体通过，并保护防砂装置不被地层压力和流体冲蚀破坏；气体和液体通过竖直井壁和防砂装置进入设置在开采筒的内包空间的空腔。
2.根据权利要求 1所述的海域天然气水合物筒式开采装置，其特征在于，所述喷射钻进系统，包括固定在所述顶板下侧的伸缩臂、钻具、喷射系统和泥浆泵送系统；所述伸缩臂具有伸缩端，可以带动所述钻具、所述喷射系统的下端和所述泥浆泵送系统的下端上下移动；所述钻具固定在伸缩端下端，所述喷射系统包括贯穿伸缩臂延伸至钻具的喷射管；所述钻具和所述喷射系统可以将开采筒内包空间中的地层破碎成岩屑；所述泥浆泵送系统，用于将岩屑泵送到开采筒外部，包括固定于伸缩端上的泥浆泵，所述泥浆泵出料端具有延伸至开采筒顶板上部的泥浆输出管道；当开采筒下沉到地层中的预定位置，并将开采筒内包空间中的地层清出筒外后，控制喷射系统射出固化材料，能将筒底封闭以形成封底；泥浆泵作为举升动力装置将空腔内的液体经由泥浆输出管道向外排，空腔中的气体通过输气管道向上运动。
3.根据权利要求 1所述的海域天然气水合物筒式开采装置，其特征在于，所述开采装置还包括射流注入系统，所述的射流注入系统，包括注射泵、嵌入开采筒的管道和布设于开采筒外表面的喷射口，各个喷射口与喷射管道联通；所述注射泵通过喷射管道经由喷射口向地层喷射水、热海水、二氧化碳、或者化学抑制剂。
4.根据权利要求 1所述的海域天然气水合物筒式开采装置，其特征在于，所述开采装置还包括膨胀囊封闭系统；所述的膨胀囊封闭系统，包括充水膨胀囊体和注水系统；所述注水系统向充水膨胀囊体注水；所述充水膨胀囊体呈圆环状，固定在开采筒外周上部位置，充水膨胀囊体注水后与天然气水合物储层紧密贴合。
5.根据权利要求 1所述的海域天然气水合物筒式开采装置，其特征在于，所述开采装置还包括辅助加热系统；所述的辅助加热系统，包括电磁感应线圈和电磁加热控制器，电磁感应线圈环绕开采筒的筒体，电磁加热控制器控制电磁感应线圈，使开采筒发热，从而大规模加热天然气水合物储层。
6.根据权利要求 1所述的海域天然气水合物筒式开采装置，其特征在于，所述开采装置还包括扩展开采系统，所述扩展开采系统，为固定在开采筒底部的竖直的探杆，探杆由透水管壁、透水管壁内的防砂装置和位于防砂装置中部的过流通道组成；探杆下潜深度大于开采筒，从而引导更深处的地层流体进入空腔，可以增加开采范围和效率；所述探杆还可以设置电缸或液压缸驱动其上下移动。
7.利用如权利要求1～6任一所述的开采装置的一种海域天然气水合物的筒式开采方法，包括如下步骤：
（1）选定开采区域，利用海面运输装置将开采筒拖动至开采海域，并通过缆绳下放，扣在海底；
（2）通过所述水泵将所述开采筒内的液体向外排出降低开采筒内压力，开采筒在压差作用下向下沉，所述开采筒携带气液举升系统和防砂装置进入天然气水合物储层和/或、天然气水合物与游离气混合层和/或、游离天然气层；
（3）通过气液举升系统，将所述开采筒和所述防砂装置形成的空腔中的液体和/或气体进行举升，空腔内部压力降低，进而引起周围地层压力降低，促使周围地层中的天然气水合物分解，分解形成的水和天然气在压差作用下通过防砂装置进入空腔，进而同时举升液体和天然气至开采筒外部，实现天然气水合物开采。
8.根据权利要求 7所述的海域天然气水合物的筒式开采方法，其特征在于，当空腔设置在开采筒的内包空间时，控制开采筒下沉的过程中，通过喷射钻进系统将开采筒内的岩土体破碎并排出筒外；当开采筒下沉到地层中的预定位置，并将开采筒内包空间中的地层清出筒外后，控制喷射系统射出固化材料，能将筒底封闭以形成封底；封闭完成后进行开采时，泥浆泵作为举升动力装置将空腔内的液体经由泥浆输出管道向外排，空腔中的气体通过输气管道向上运动。
9.根据权利要求 7所述的海域天然气水合物的筒式开采方法，其特征在于，当一定范围内天然气水合物开采完成或者产气效率降低到一定值以后，停止气液举升，通过所述水泵向开采筒内泵入水，使开采筒内压力大于筒外压力，开采筒在压差作用和锚缆系统上拉作用下，向上升到泥线以上，进而将开采筒回收或转移到新的开采区域继续开采。
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