CN114320241A - 防止天然气水合物重生成堵塞开采系统的装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种防止天然气水合物重生成堵塞开采系统的装置及其应用方法，包括无动力式开采装置和收集装置，所述无动力式开采装置与收集装置之间设置有气水输运管道，所述无动力式开采装置内部设置有热传导装置，所述热传导装置包括由上至下依次设置的放热段、衔接段和吸热段。本发明设计合理，构造简单，利用地温梯度特性，将储层下侧地层的能量快速传导至管壁，可实现持续自传热，将热量传导至管壁，防止二次生成的水合物附着在管壁造成堵塞，无需外界能源注入，极大降低使用成本。

Description

防止天然气水合物重生成堵塞开采系统的装置及其应用方法

技术领域

本发明涉及一种防止天然气水合物重生成堵塞开采系统的装置及其应用方法。

背景技术

天然气水合物，即俗称的“可燃冰”，主要成分为CH4与水在低温高压下形成的一种笼形固体化合物，储藏量巨大，其储存在天然气水合物中的碳，约是当前已探明的所有化石燃料（包括煤、石油和天然气）中碳含量总和的两倍，且90%以上均赋存于海底黏土质粉砂或淤泥质沉积物中。在当前国际环境能源紧缺，国内甚至发生了数次大规模断电的情况下，解决能源问题刻不容缓。

目前天然气水合物常见的开采方式主要有热激法（加热法）、降压法、化学抑制剂法及CO2—CH4置换法，蒸汽吞吐法等，以及上述几种方法间的联合应用。降压法应用最为广泛，其最大的优点为分解速度快，不需要连续激发，实现形式有多种，常见为直井，水平井，以及多分支水平井等，但降压法在生产过程中输运时，经过低温区域时，输运管道内水合物容易二次生成，造成堵塞，降低产气效率。

针对上述问题的解决方法包括：（1）电磁加热法；通过在开采装置传输管道海面布置发射天线，易堵塞处外侧布置加热天线，通过微波、电磁波、射频等方式传输能量，对管壁加热，使二次生成的水合物分解，这种方法若持续开启，耗能高，若仅在水合物已生成时，再开启则会影响开采进度；（2）抑制剂法；该方法通过向传输管道内注入热力学或动力学抑制剂，利用特殊化学物质抑制水合物二次生成，该方法对环境有不可避免的危害，且在实施时，必须中断开采进程。

发明内容

本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是提供一种防止天然气水合物重生成堵塞开采系统的装置及其应用方法，实现持续自传热，将热量传导至管壁，防止二次生成的水合物附着在管壁造成堵塞，无需外界能源注入，极大降低使用成本。

本发明是这样构成的，它包括无动力式开采装置和收集装置，所述无动力式开采装置与收集装置之间设置有气水输运管道，所述无动力式开采装置内部设置有热传导装置，所述热传导装置包括由上至下依次设置的放热段、衔接段和吸热段。

进一步的，所述气水输送管道包括外输气管道和外输水管道，所述无动力式开采装置内部设置有与外输气管道连接的内输气管道和与外输水管道连接的内输水管道，所述内输水管道下方设有开采动力装置。

进一步的，所述热传导装置包括多个无缝钢管以及位于无缝钢管内的液氨层组成，多个无缝钢管外部采用固定装置进行固定，所述放热段位于无缝钢管上部，衔接段位于无缝钢管中部，吸热段位于无缝钢管下部。

进一步的，所述无动力式开采装置包括由上至下依次设置的尾部构件、中部构件上半部、中部构件下半部和头部构件，所述中部构件上半部两侧设置有侧翼部。

进一步的，所述收集装置侧部设置有锚缆控制装置，所述锚缆控制装置与无动力式开采装置之间设置有锚缆。

进一步的，一种防止天然气水合物重生成堵塞开采系统的装置的应用方法，包括步骤如下：（1）依据前期勘探条件，选定开采区域，布置海上施工作业平台或使用施工船只；（2）在环境适宜条件下，将无动力式开采装置放置于施工作业平台或施工船只下方一定距离，无初速释放，自由下落过程，无动力式开采装置贯入指定开采区域；（3）待无动力式开采装置稳定后，开始作业，无动力式开采装置周围形成负压区域，天然气水合物开始分解，在内外压差作用下，天然气经气水输运管道向上收集至收集装置内；（4）随着开采持续进行，无动力式开采装置周围温度逐渐下降，热地温梯度影响下，热传导装置开始启动；（5）吸热段位于温度相对较高的地层，放热段处于低温的地层内，其内部的液氨在下部接触高温地层时可以沸腾变为气态氨吸收热量，气态氨向上运动，在上部的放热段低温环境中冷凝释放热量，而气态氨重新变为液态氨回流到下部，将开采区域下部热量传递输运管道管壁，防止天然气水合物重生成，进而堵塞开采系统。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本装置结构简单，设计合理，可实现持续自传热，将热量传导至管壁，防止二次生成的水合物附着在管壁造成堵塞，无需外界能源注入，极大降低使用成本。同时此开采技术在降压法的基础上，通过与防止天然气水合物重生成堵塞开采系统装置相结合，实现了低成本的利用海底热量，防止天然气水合物重生成堵塞开采系统，提升了开采效率。所含热传导装置可通过改变形状，用于不同的开采方式内；且具有导热性能高、无需外加动力源、无需日常维修养护等优点，故对不同工程环境具有极好的适应性。

附图说明

图1为本发明实施例1结构示意图；

图2为本发明实施例1无动力式开采装置结构示意图；

图3为本发明实施例1无动力式开采装置局部剖视图；

图4为本发明实施例2隔水管与无动力式开采装置结构示意图；

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-锚缆，2-无动力式开采装置，21-尾部构件，22-侧翼，23-中部构件上半部，24-中部构件下半部，25-头部构件，26-内输气管道，27-内输水管道，3-锚缆控制装置，4-气水输运管道，41-外输气管道，42-外输水管道，5-收集装置， 6-开采动力装置，7-热传导装置，71-放热段，72-衔接段，73-吸热段，8-隔水管，9-固定装置。

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。

实施例1：参照附图1-3所示，提供一种防止天然气水合物重生成堵塞开采系统的装置，包括无动力式开采装置2和收集装置5，所述无动力式开采装置与收集装置之间设置有气水输运管道4，所述无动力式开采装置内部设置有热传导装置。

热传导装置的放热段设置在天然气水合物开采系统内，吸热段设置在天然气水合物储层下部相对高温区域；

热传导装置为一种气液两相对流循环热导系统，由密闭真空腔体注入工质构成，依靠自身内部工作介质相变来实现传热，热传导装置5分为放热段71、衔接段72和吸热段73，由无缝钢管和内含的液氨组成，放热段位于需要能量补充的地层，吸热段位于温度相对较高的地层；液氨在下部接触高温地层时可以沸腾变为气态氨吸收热量，气态氨向上运动，在上部低温环境中冷凝释放热量，重新变为液态氨回流到下部。

上述的气水输送管道4包括外输气管道41和外输水管道42，所述无动力式开采装置内部设置有与外输气管道连接的内输气管道26和与外输水管道连接的内输水管道27，所述内输水管道下方设有开采动力装置6。

在本实施例中，所述热传导装置包括多个无缝钢管以及位于无缝钢管内的液氨层组成，多个无缝钢管外部采用固定装置9进行固定。固定装置呈环状。

所述放热段位于无缝钢管上部，衔接段位于无缝钢管中部，吸热段位于无缝钢管下部。

放热段由若干根无缝钢管及固定装置组成环形网式，紧密围绕在无动力式开采装置的内输气管道外侧，中间通过衔接段向外转折，使下部的吸热段靠近无动力式开采装置内侧管壁，使得吸热效果更好，同时距其管壁边留有一定距离，防止无动力式开采装置冲击进入水合物储层时造成损坏；工作时，下部的吸热段在相对高温带吸收热量，上部的放热段在低温环境中冷凝释放热量，避免水合物二次生成。

水合物储层包括天然气水合物上覆地层A、天然气水合物储层B和天然气水合物储层下伏游离气体层C。

在本实施例中，所述无动力式开采装置包括由上至下依次设置的尾部构件21、中部构件上半部23、中部构件下半部24和头部构件25，所述中部构件上半部两侧设置有侧翼部22。

在本实施例中，所述收集装置侧部设置有锚缆控制装置3，所述锚缆控制装置与无动力式开采装置之间设置有锚缆1。

在本实施例中，工作时：（1）依据前期勘探条件，选定开采区域，布置海上施工作业平台或使用施工船只；（2）在环境适宜条件下，将无动力式开采装置放置于施工作业平台或施工船只下方一定距离，无初速释放，自由下落过程，无动力式开采装置贯入指定开采区域；（3）待无动力式开采装置稳定后，开始作业，无动力式开采装置周围形成负压区域，天然气水合物开始分解，在内外压差作用下，天然气经气水输运管道向上收集至收集装置内；（4）随着开采持续进行，无动力式开采装置周围温度逐渐下降，热地温梯度影响下，热传导装置开始启动，利用内部工质相变，将开采区域下部热量传递输运管道管壁，防止天然气水合物重生成，进而堵塞开采系统。

实施例2：在实施例1的基础上，如图4所示，在本实施例中，所述热传导装置还可应用于传统钻井式开采，传统钻井式开采的热传导装置包括由数根密闭真空腔体与固定装置9，数根密闭真空腔体由上至下设有放热段、衔接段和吸热段，密闭真空腔体与固定装置组成环形栅栏网式状，热传导装置固定在钻井隔水管8适宜位置外，钻井时随之一起进入，待井筒完全建成开采井后，热传导装置的放热段位于开采井易二次生成水合物处，吸热段在开采井下部相对高温区域，使防止水合物重生成造成堵塞的效果达到最佳；工作时，下部在相对高温带吸收热量，上部在低温环境中冷凝释放热量，阻止水合物重生成。

一种防止天然气水合物重生成堵塞开采系统的装置与传统井式开采相适应的应用方法，包括步骤如下：

（1）依据前期勘探条件，选定开采区域，布置海上施工作业平台或使用施工船只，抛锚固定。

（2）进行钻井，下套管时，钻井隔水管及热传导装置一起进入。

（3）钻井完成时，注入完井液，完井液填注钻井隔水管周围空隙并将环形栅栏网式包裹一起成型。

（4）成井后，开采天然气时，在地温梯度影响下，热传导装置开始启动，利用内部工质相变，将开采区域下部热量传递输运管道管壁，防止天然气水合物重生成，附着在传输管壁上，进而堵塞开采系统。

此开采技术在降压法的基础上，通过与防止天然气水合物重生成堵塞开采系统装置相结合，实现了低成本的利用海底热量，防止天然气水合物重生成堵塞开采系统，提升了开采效率。所含热传导装置可通过改变形状，用于不同的开采方式内；且具有导热性能高、无需外加动力源、无需日常维修养护等优点，故对不同工程环境具有极好的适应性。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。

同时，上述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 (6)

1.一种防止天然气水合物重生成堵塞开采系统的装置，其特征在于，包括无动力式开采装置和收集装置，所述无动力式开采装置与收集装置之间设置有气水输运管道，所述无动力式开采装置内部设置有热传导装置，所述热传导装置包括由上至下依次设置的放热段、衔接段和吸热段。

2.根据权利要求1所述的一种防止天然气水合物重生成堵塞开采系统的装置，其特征在于，所述气水输送管道包括外输气管道和外输水管道，所述无动力式开采装置内部设置有与外输气管道连接的内输气管道和与外输水管道连接的内输水管道，所述内输水管道下方设有开采动力装置。

3.根据权利要求2所述的一种防止天然气水合物重生成堵塞开采系统的装置，其特征在于，所述热传导装置包括多个无缝钢管以及位于无缝钢管内的液氨层组成，多个无缝钢管外部采用固定装置进行固定，所述放热段位于无缝钢管上部，衔接段位于无缝钢管中部，吸热段位于无缝钢管下部。

4.根据权利要求1所述的一种防止天然气水合物重生成堵塞开采系统的装置，其特征在于，所述无动力式开采装置包括由上至下依次设置的尾部构件、中部构件上半部、中部构件下半部和头部构件，所述中部构件上半部两侧设置有侧翼部。

5.根据权利要求3所述的一种防止天然气水合物重生成堵塞开采系统的装置，其特征在于，所述收集装置侧部设置有锚缆控制装置，所述锚缆控制装置与无动力式开采装置之间设置有锚缆。

6.一种利用如权利要求5所述的一种防止天然气水合物重生成堵塞开采系统的装置的应用方法，其特征在于，包括步骤如下：（1）依据前期勘探条件，选定开采区域，布置海上施工作业平台或使用施工船只；（2）在环境适宜条件下，将无动力式开采装置放置于施工作业平台或施工船只下方一定距离，无初速释放，自由下落过程，无动力式开采装置贯入指定开采区域；（3）待无动力式开采装置稳定后，开始作业，无动力式开采装置周围形成负压区域，天然气水合物开始分解，在内外压差作用下，天然气经气水输运管道向上收集至收集装置内；（4）随着开采持续进行，无动力式开采装置周围温度逐渐下降，热地温梯度影响下，热传导装置开始启动；（5）吸热段位于温度相对较高的地层，放热段处于低温的地层内，其内部的液氨在下部接触高温地层时可以沸腾变为气态氨吸收热量，气态氨向上运动，在上部的放热段低温环境中冷凝释放热量，而气态氨重新变为液态氨回流到下部，将开采区域下部热量传递输运管道管壁，防止天然气水合物重生成，进而堵塞开采系统。

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