CN112343559B - 海域天然气水合物原位封闭降压开采装置其开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种海域天然气水合物原位封闭降压开采装置及其方法，本发明针对现阶段天然气水合物开采过程中开采效率低、成本高的问题，突破该领域的传统钻井开采思维，提出一种海域天然气水合物原位封闭降压开采装置，包括：开采筒、排水系统、封闭系统和气体收集系统。本发明能够远程在海底实现开采筒下沉、开采筒封闭、降压开采和开采筒回收，可提高开采效率，降低开采成本。解决了传统钻井开采方法中钻井成本高、井筒易坍塌等一系列难题。
Description
技术领域
本发明涉及海域天然气水合物开采领域，尤其涉及一种海域天然气水合物原位封闭降压开采装置及开采方法。
背景技术
天然气水合物分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，是由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。燃烧后的可燃冰只会生成少量的二氧化碳和水，比起煤、石油等传统能源，污染程度显著降低。
可燃冰储量巨大，所含有机碳资源总量相当于全球已知煤、石油和天然气总量的2倍，被国际公认为石油、天然气的接替能源。针对天然气水合物的物化性质，其开采方法主要以降压、热激、化学试剂驱替、二氧化碳置换和固态流化，及上述单一方法的联合运用，目前的开采方法主要以降压法为主。
现有的降压法主要通过钻井后降低井筒内压力实现，如专利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。然而，深水钻井成本高、单井产量低，是现阶段天然气水合物商业化开发的瓶颈问题。
发明内容
本发明针对天然气水合物开采过程中开采效率低、成本高的问题，突破该领域的传统钻井开采思维，提出一种海域天然气水合物原位封闭降压开采装置。
本发明的具体实施方案是：海域天然气水合物原位封闭降压开采装置，包括：开采筒、排水系统、封闭系统和气体收集系统；所述的开采筒，包括筒顶及由筒顶下部延伸的筒体，所述开采筒的筒顶设置有至少一个输水通道和至少一个输气通道；
所述的封闭系统，设置在开采筒下侧，降压开采时用于将开采筒下侧封闭；
所述的排水系统，包括电泵和与电泵进口连接的输水管路，所述输水管路连接或穿过输水通道与筒体内腔连通，
所述气体收集系统，包括至少一条输气管路，输气管路一端连接所述输气通道，另一端连接至开采筒外部。
进一步的，所述的封闭系统包括柔性密封盖板、驱动电机和传动装置；所述柔性密封盖板，柔性密封盖板由多个硬质板经拼接而成，相邻硬质板经铰链铰接，各个硬质板表面包覆有密封包膜；所述筒体周侧固定有支架，所述支架上铰接有能转动的滑轮，所述硬质板的两端固定有拉绳，所述拉绳绕过滑轮，所述驱动装置包括驱动电机，所述驱动电机的输出轴固定有齿轮，所述拉绳中部具有能与齿轮啮合的齿面，当所述驱动电机转动并通过齿轮与拉绳齿面啮合来驱动拉绳移动时，柔性密封盖板由侧部延伸至筒体下部将开采筒下侧封闭，开采筒内天然气水合物开采完成后再将柔性密封盖板转移到开采筒侧壁位置，解除开采筒密封状态。
进一步的，所述的封闭系统包括密封叶片、所述筒体下沿侧部固定有能转动的转轴，所述密封叶片固定于转轴上，所述转轴由驱动电机驱动转动，所述密封叶片面积大于筒体下部开口。
进一步的，所述的开采筒，外形可以是方形筒、或圆形筒、或多棱柱形筒，以及不等径筒、或多重叠合筒；所述的开采筒，上侧面设有透水开口，开采筒在海水中下降时打开透水开口以减少开采筒下降阻力。
进一步的，所述的海域天然气水合物原位封闭降压开采装置，还包括喷射辅助下潜系统及钻具；所述的喷射辅助下潜系统包括固定在开采筒内侧上部的射流泵、与射流泵连通的射水管道、所述射水管道朝向下方设置，所述钻具由钻具电机驱动转动，所述钻具电机固定在筒顶下表面，所述筒顶内固定有泥浆泵和穿过筒顶的泥沙排出管道，可以将筒内上侧的泥沙转移到筒体外侧。
本发明还包括利用如上所述的海域天然气水合物原位封闭降压开采装置进行开采的方法，具体步骤如下：
（1）选定开采区域，在海面辅助系统和锚缆系统的支持下，将开采筒扣放到海底；
（2）开采筒由于自身重力局部贯入海床后，通过排水系统将开采筒内的液体向外排，降低开采筒内压力，开采筒在压差作用下向下沉，进入天然气水合物储层；
（3）通过封闭系统封闭开采筒下侧；
（4）通过排水系统将开采筒内的液体向外排出，从而降低开采筒内压力，促使天然气水合物分解，分解形成的天然气向上运移，通过开采筒的输气通道，进入气体收集系统，实现天然气水合物开采。
在某一区域开采作业结束后，将封闭系统复位到初始状态，通过电泵向开采筒内注入水，使筒内压力大于筒外压力，开采筒在压差作用及锚缆系统的配合下向上升到海床以上，转移到新的开采区域继续开采。
进一步的，当天然气水合物储层深度大于开采筒深度时，通过所述的喷射辅助下潜系统可以将筒内上侧的泥沙通过泥沙排出管道冲刷到筒外，从而使开采筒顶部下降到海底面以下，将开采筒下潜至天然气水合物储层位置。
进一步的，当开采筒底部天然气水合物储层硬度较大时，通过向开采筒的筒壁底部喷射水，其水力切割作用可促进开采筒下潜；向封闭系统周围喷射水，其水力切割作用可以使封闭系统正常运行。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过特别设计的海域天然气水合物原位封闭降压开采装置及开采方法，能够远程在海底实现开采筒下沉、开采筒封闭、降压开采和开采筒回收，可提高开采效率，降低开采成本。
附图说明
图1为本发明海域天然气水合物原位封闭降压开采装置整体示意图；
图2为本发明所述开采筒内部构造示意图；
图3为本发明所述卷帘封闭系统封闭前示意图；
图4为本发明所述卷帘封闭系统封闭后示意图；
图5为本发明所述转轴封闭系统封闭后示意图。
图6为本发明实施例二所述喷射辅助下潜系统示意图。
图中：A、天然气水合物上覆地层；B、天然气水合物储层；
1-开采筒；101-筒顶；102-筒体，11-输水通道；12-输气通道；13-透水开口；14-封盖；
21-电泵；22-输水管路；23-输气管路；
3-封闭系统；31-柔性密封盖板；311-硬质板；32-驱动电机；33-拉绳；331-滑轮，34-密封叶片，341-转轴；
41-缆线；441-射流泵，442-射水管道，443-钻具，444-泥浆泵，445-泥沙排出管道。
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1～6所示，海域天然气水合物原位封闭降压开采装置，包括：开采筒1、排水系统、封闭系统和气体收集系统；所述的开采筒，包括筒顶及由筒顶下部延伸的筒体，所述开采筒的筒顶设置有至少一个输水通道和至少一个输气通道；
所述的封闭系统3，设置在开采筒下侧，降压开采时用于将开采筒下侧封闭；
所述的排水系统，包括电泵21和与电泵进口连接的输水管路22，所述输水管路连接或穿过输水通道与筒体内腔连通，
所述气体收集系统，包括至少一条输气管路23，输气管路一端连接所述输气通道，另一端连接至开采筒外部。
实施例一，本实施例中，所述的封闭系统包括柔性密封盖板、驱动电机和传动装置；所述柔性密封盖板，柔性密封盖板由多个硬质板经拼接而成，相邻硬质板经铰链铰接，各个硬质板表面包覆有密封包膜；所述筒体周侧固定有支架，所述支架上铰接有能转动的滑轮，所述硬质板的两端固定有拉绳，所述拉绳绕过滑轮，滑轮表面具有用于嵌入拉绳的凹槽，所述驱动装置包括驱动电机所述驱动电机的输出轴固定有齿轮，所述拉绳中部具有能与齿轮啮合的齿面，当所述驱动电机转动并通过齿轮与拉绳齿面啮合来驱动拉绳移动时，柔性密封盖板由侧部延伸至筒体下部将开采筒下侧封闭，开采筒内天然气水合物开采完成后再将柔性密封盖板转移到开采筒侧壁位置，解除开采筒密封状态。
本实施例中，所述的齿面的范围长度比柔性密封盖板长度更长一些且所述的驱动电机为步进电机能够通过电机输出轴的正反转带动拉绳的正向或反向移动。
实施例二，所述的封闭系统3包括密封叶片、所述筒体下沿侧部固定有能转动的转轴，所述密封叶片固定于转轴341上，所述转轴341由驱动电机驱动转动，所述密封叶片面积大于筒体下部开口，在开采筒下潜过程中，设置密封叶片为竖直方向，基本不影响开采筒下潜；下潜至预定位置后，驱动电机通过传动装置将密封叶片旋转，从而封闭开采筒下侧；开采筒内天然气水合物开采完成后，再旋转密封叶片，解除开采筒密封状态。
上述实施例中，所述的开采筒，外形可以是方形筒、或圆形筒、或多棱柱形筒，以及不等径筒、或多重叠合筒；所述的开采筒，上侧面设有透水开口13，开采筒在海水中下降时打开透水开口以减少开采筒下降阻力。透水开口13外部还设置有能够启闭的封盖14，当在海水停止下降时将封盖14封闭透水开口，封盖可以通过电磁阀等方式控制开口的启闭。
实施例三，本实施例中，在实施例一或实施例二的基础上，所述的海域天然气水合物原位封闭降压开采装置，还包括喷射辅助下潜系统及钻具；所述的喷射辅助下潜系统包括固定在开采筒内侧上部的射流泵、与射流泵连通的射水管道、所述射水管道朝向下方设置，所述钻具由钻具电机驱动转动，所述钻具电机固定在筒顶下表面，所述筒顶内固定有泥浆泵和穿过筒顶的泥沙排出管道，可以将筒内上侧的泥沙转移到筒体外侧。
本发明在使用过程中需要利用所述位于海面上的海面辅助系统和锚缆系统；所述海面辅助系统为海上浮式作业平台或者船只上，所述锚缆系统，包括缆线和缆线控制装置，缆线下端与开采筒相连，缆线上侧和缆线控制装置相连。当然与传统油气收集装置需求相同，所述的海面上还应该包括用于使气体收集后进行气体干燥、气体压缩和储气等香港港装置。
工作时，一种海域天然气水合物原位封闭降压开采方法，具体步骤如下：
（5）选定开采区域，在海面辅助系统和锚缆系统的支持下，将开采筒扣放到海底；
（6）开采筒由于自身重力局部贯入海床后，通过排水系统将开采筒内的液体向外排，降低开采筒内压力，开采筒在压差作用下向下沉，进入天然气水合物储层；
（7）通过封闭系统封闭开采筒下侧；
（8）通过排水系统将开采筒内的液体向外排出，从而降低开采筒内压力，促使天然气水合物分解，分解形成的天然气向上运移，通过开采筒的输气通道，进入气体收集系统，实现天然气水合物开采。
在某一区域开采作业结束后，将封闭系统复位到初始状态，通过电泵向开采筒内注入水，使筒内压力大于筒外压力，开采筒在压差作用及锚缆系统的配合下向上升到海床以上，转移到新的开采区域继续开采。
当天然气水合物储层深度大于开采筒深度时，通过所述的喷射辅助下潜系统可以将筒内上侧的泥沙通过泥沙排出管道冲刷到筒外，从而使开采筒顶部下降到海底面以下，将开采筒下潜至天然气水合物储层位置。
当开采筒底部天然气水合物储层硬度较大时，通过向开采筒的筒壁底部喷射水，其水力切割作用可促进开采筒下潜；向封闭系统周围喷射水，其水力切割作用可以使封闭系统正常运行。
本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，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除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以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 (4)
1.海域天然气水合物原位封闭降压开采装置，其特征在于，包括：开采筒、排水系统、封闭系统和气体收集系统；所述的开采筒，包括筒顶及由筒顶下部延伸的筒体，所述开采筒的筒顶设置有至少一个输水通道和至少一个输气通道；
所述的封闭系统，设置在开采筒下侧，降压开采时用于将开采筒下侧封闭；
所述的排水系统，包括电泵和与电泵进口连接的输水管路，所述输水管路连接或穿过输水通道与筒体内腔连通；
所述气体收集系统，包括至少一条输气管路，输气管路一端连接所述输气通道，另一端连接至开采筒外部；
所述的封闭系统包括柔性密封盖板、驱动电机和传动装置；所述柔性密封盖板由多个硬质板经拼接而成，相邻硬质板经铰链铰接，各个硬质板表面包覆有密封包膜；所述筒体周侧固定有支架，所述支架上铰接有能转动的滑轮，所述硬质板的两端固定有拉绳，所述拉绳绕过滑轮，所述驱动电机的输出轴固定有齿轮，所述拉绳中部具有能与齿轮啮合的齿面，当所述驱动电机转动并通过齿轮与拉绳齿面啮合来驱动拉绳移动时，柔性密封盖板由侧部延伸至筒体下部将开采筒下侧封闭，开采筒内天然气水合物开采完成后再将柔性密封盖板转移到开采筒侧壁位置，解除开采筒密封状态；
或所述的封闭系统包括密封叶片、所述筒体下沿侧部固定有能转动的转轴，所述密封叶片固定于转轴上，所述转轴由驱动电机驱动转动，所述密封叶片面积大于筒体下部开口；
所述的开采筒，外形为方形筒、或圆形筒、或多棱柱形筒，或不等径筒、或多重叠合筒；所述的开采筒，上侧面设有透水开口，开采筒在海水中下降时打开透水开口以减少开采筒下降阻力；
所述的海域天然气水合物原位封闭降压开采装置，还包括喷射辅助下潜系统及钻具；所述的喷射辅助下潜系统包括固定在开采筒内侧上部的射流泵、与射流泵连通的射水管道、所述射水管道朝向下方设置，所述钻具由钻具电机驱动转动，所述钻具电机固定在筒顶下表面，所述筒顶内固定有泥浆泵和穿过筒顶的泥沙排出管道，可以将筒内上侧的泥沙转移到筒体外侧。
2.利用如权利要求1所述的海域天然气水合物原位封闭降压开采装置进行开采的方法，其特征在于，具体步骤如下：
选定开采区域，在海面辅助系统和锚缆系统的支持下，将开采筒扣放到海底；
开采筒由于自身重力局部贯入海床后，通过排水系统将开采筒内的液体向外排，降低开采筒内压力，开采筒在压差作用下向下沉，进入天然气水合物储层；
通过封闭系统封闭开采筒下侧；
通过排水系统将开采筒内的液体向外排出，从而降低开采筒内压力，促使天然气水合物分解，分解形成的天然气向上运移，通过开采筒的输气通道，进入气体收集系统，实现天然气水合物开采；
在某一区域开采作业结束后，将封闭系统复位到初始状态，通过电泵向开采筒内注入水，使筒内压力大于筒外压力，开采筒在压差作用及锚缆系统的配合下向上升到海床以上，转移到新的开采区域继续开采。
3.根据权利要求2所述的海域天然气水合物原位封闭降压开采方法，其特征在于，当天然气水合物储层深度大于开采筒深度时，通过喷射辅助下潜系统可以将筒内上侧的泥沙通过泥沙排出管道冲刷到筒外，从而使开采筒顶部下降到海底面以下，将开采筒下潜至天然气水合物储层位置。
4.根据权利要求2所述的海域天然气水合物原位封闭降压开采方法，其特征在于，当开采筒底部天然气水合物储层硬度较大时，通过向开采筒的筒壁底部喷射水，其水力切割作用可促进开采筒下潜；向封闭系统周围喷射水，其水力切割作用可以使封闭系统正常运行。
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