CN115929261A - 一种海洋天然气水合物多排水平井分层开采装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋天然气水合物多排水平井分层开采装置及方法，该装置利用压力差致使天然气水合物储层孔隙压力逐渐降低至天然气水合物相平衡压力以下，促进天然气水合物发生分解，进行自上而下、自下而上、中间向上下、上下向中间和同时开采的水合物储层的开采；在开采过程中，数据采集装置接收并处理开采实时监测系统各传感器传输的实时信号，据此监测土层及井筒变化情况。该方法合理设计的多排水平井分层开采工艺不仅可以有效地提高天然气水合物的开采率，可以大幅地减少储层开采对上覆土层的破坏、损伤，进而大大有利于保护其中隔水层的完整性与封水性，对天然气水合物的安全、高效开采有重要价值。

Description

一种海洋天然气水合物多排水平井分层开采装置及方法

技术领域

本发明涉及天然气水合物开采技术领域，具体涉及一种海洋天然气水合物多排水平井分层开采装置及方法。

背景技术

天然气水合物被称作世界尚未能开发的最大矿物能源，具有分布广、储量巨大、清洁等显著优势。我国南海蕴藏着丰富的天然气水合物资源，其储量高达千亿吨级油当量。在我国“缺油少气”的资源格局下，尽早实现其大规模、低成本开发对保障国家能源安全和满足我国对清洁能源的需求具有重要意义。

至今国际上共进行了4次海洋天然气水合物试开采，并验证了水平井开采方式产气量远远高于竖向井开采方式产气量。可以预见，水平井开采法将是全世界未来开采天然气水合物的主要方式。但从大规模、商业化开采天然气水合物的角度看，单一井开采半径远远不能满足开采南海巨厚天然气水合物层的需求。因此，多排水平井分层开采法将是其首要采矿工艺。

然而，天然气水合物沉积在土层孔隙中，起到了胶结沉积物颗粒、填充孔隙、增加沉积物密度等作用。我国南海拥有典型的弱胶结、泥质粉砂型天然气水合物藏。与煤炭开采导致土层变形原理相似，在天然气水合物大规模开采过程中，由于储层能量、物质双亏空效应，上覆土层可能产生垮落带、裂隙带、弯曲下沉带，特别是当上覆土层较薄或一次开采厚度过大时，裂隙带甚至垮落带就可能会延伸至海床表面，进而可能会引发海底滑坡、大面积甲烷泄露、地震等严重灾害。这不但会危及采区生产安全，甚至会因巨量具有强温室效应的甲烷气体进入海水与大气中而引发环境灾难。

因此，合理设计的多排水平井分层开采工艺不仅可以有效地提高天然气水合物的开采率，而且可以大幅地减少储层开采对上覆土层的破坏、损伤，进而大大有利于保护其中隔水层的完整性与封水性。这对天然气水合物的安全、高效开采有重要价值。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种海洋天然气水合物多排水平井分层开采装置及方法，合理设计的多排水平井分层开采工艺不仅可以有效地提高天然气水合物的开采率，可以大幅地减少储层开采对上覆土层的破坏、损伤，进而大大有利于保护其中隔水层的完整性与封水性，这对天然气水合物的安全、高效开采有重要价值。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个目的是提供一种海洋天然气水合物多排水平井分层开采装置，包括多排水平井系统和开采实时监测系统；所述多排水平井系统包括

输送管道，所述输送管道上端与海上钻井平台连接，下端与导管相连，可用于基于降压法开采天然气水合物产生的天然气、水的输送；

还包括与井口下端通过固定锚连接的套管，套管穿过海床、上覆土层并伸入到水合物储层，其内部嵌套竖向导管，套管被水泥环包裹；

所述导管自上而下连接多排横向水平井，实现分层开采；每排横向水平井设有多个横向水平井筒；

所述水平井筒包括裸管，裸管表面分布有井眼，所述井眼与溢流阀连接，并在连接处做密封处理，可通过溢流阀控制水平井的启停；

所述导管和裸管连接处内置压力泵，通过压力泵控制各排水平井筒中的压力进而控制各排水平井的开采速率；各水平井筒与压力泵密封连接；

所述多排水平井系统通过控制压力泵和溢流阀的启闭进行自上而下、自下而上、中间向上下、上下向中间和同时开采的水合物储层的开采，利用压力差致使天然气水合物储层孔隙压力逐渐降低至天然气水合物相平衡压力以下，促进天然气水合物发生分解，同时抽取各水平井筒周边由水合物分解产生的水和气，直到完成当前储层区域天然气水合物的开采目标；

所述开采实时监测系统分为上覆土层开采实时监测系统和多排水平井开采实时监测系统；在开采过程中，数据采集装置接收并处理开采实时监测系统各传感器传输的实时信号，据此监测土层及井筒变化情况。

优选地，所述上覆土层开采实时监测系统包括微震探头、大位移沉降计、分布式光纤和高精度孔压计，可以通过上述传感器监测上覆土层应力-应变变化趋势和土层的沉降、变形情况，根据监测数据指导水平井的运行；

所述多排水平井开采实时监测系统包括地质雷达、倾角传感器、小型压力盒、压电陶瓷传感器、声发射探头、温度计、流量计，用以判断水合物开采区域迁移、水合物储层内部温度、压力和变形数据，以及井筒自身受力、倾斜和变形、以及井筒内部流量、压力情况。

优选地，井眼处自外而内分别铺设有砾石层、防砂筛网和透水石，防止砂、土颗粒进入水平井。

优选地，所述裸管在水平方向同导管通过固定螺栓机械连接并做密封处理，其可根据不同深度土层性质合理选择裸管尺寸，避免由于某一层中水平井故障而导致整个管道被弃用。

优选地，所述多排水平井系统各连接处进行二次密封。

优选地，所述多排水平井系统还包括竖向多排水平井，每排包含若干井筒，所述多排水平井系统可根据水合物储层厚度自上而下设置多排水平井，本发明以四排水平井为例，多排水平井包含A排水平井、B排水平井、C排水平井、D排水平井。

优选地，每个水平井筒内均设有所述压力泵，所述压力泵与水平井筒数量一致，均位于各裸管与导管连接处。

本发明的第二个目的是提供应用一种海洋天然气水合物多排水平井分层降压开采装置的开采方法，包括以下步骤：

应用权利要求1所述的一种海洋天然气水合物多排水平井分层开采装置及方法的开采方法，包括以下步骤：

S1：确定开采方式，包括自上而下、自下而上、中间向上下、上下向中间和同时开采的开采方式；对应地打开布置在目标排水平井上的压力泵和溢流阀，并关闭其余各排水平井上的压力泵和溢流阀，随后进行水合物储层的开采：缓慢降低目标水平井内的压力，利用压力差致使天然气水合物储层孔隙压力逐渐降低至天然气水合物相平衡压力以下，促进天然气水合物发生分解，同时抽取目标水平井周边由水合物分解产生的水和气，直到完成当前储层区域天然气水合物的开采目标；待完成当前区域开采目标或因监测数据异常中止该区域开采时，依据如上操作进行下一区域的天然气水合物开采；

S2：在开采过程中，数据采集装置接收并处理各传感器传输的实时信号，据此监测土层及井筒变化情况，其中包括通过收集倾角传感器信号，以判断目标排水平井的井筒倾斜情况；通过收集大位移沉降计、分布式光纤和微震探头信号，以判断开采过程中上覆土层的变形和沉降；通过收集地质雷达、声发射探头信号，以判断目标排水平井开采过程中目标储层区域的变形和沉降；通过收集小型压力盒、压电陶瓷传感器、温度计、流量计信号，来判断目标排水平井的开采速率、井筒应力状态、变形情况和内部温度；

S3：若监测到目标排水平井在开采过程中发生如下异常：水平井井筒倾斜角度过大，井筒筒身变形严重，目标储层区域的土层或上覆土层变形沉降幅度较大；立即关闭目标排水平井，并重复上述开采方式打开下一目标排水平井进行下一区域的开采，根据上述监测方法收集的数据来指导水平井的运行，以此实现步骤S1确定开采方式的天然气水合物开采。

优选地，当监测到井筒内部的温度过低时应调整压力泵的压力，确保天然气水合物开采过程中不会发生天然气水合物再次生成导致的管道堵塞问题；同时，根据监测到的天然气水合物开采速率和储层区域应力变化情况，适时调控压力泵内的孔隙压力，改变天然气水合物开采速率以应对土层有效应力增大的问题。

本发明的有益效果在于：

1、本发明合理设计的多排水平井分层开采工艺不仅可以有效地提高天然气水合物的开采率，可以大幅地减少储层开采对上覆土层的破坏、损伤，进而大大有利于保护其中隔水层的完整性与封水性，这对天然气水合物的安全、高效开采有重要价值；

2、本发明通过布设多排水平井，可根据不同深度土层性质合理选择裸管尺寸，节约成本，避免由于某一层中水平井故障而导致整个管道被弃用，同时适用于包括自上而下、自下而上、中间向上下、上下向中间和同时开采的多种开采方式；

3、本装置发明包括开采实时监测系统，能够实现水合物储层中各排水平井的实时开采控制，以及监测储层及上覆土层中孔隙压力、骨架应力变化和沉降等情况，并根据监测数据对水合物分层开采进行指导和预警，从而实现天然气水合物藏的安全、高效、持续开采。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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为本发明实施例1提供的一种海洋天然气水合物多排水平井分层开采装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的水平井井眼细部的结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的多排水平井系统内部各部件连接关系示意图；

图4为本发明实施例1提供的水合物储层区域划分示意图；

附图标记说明：

1、海水层；2、海床；3、上覆土层；4、水合物储层；5、下伏层；6、海上钻井平台；7、固定锚；8、水泥环；9、套管；10、导管；11、裸管；12、固定螺栓；13、压力泵；14、井眼；15、砾石层；16、防砂筛网；17、透水石；18、溢流阀；19、A排水平井；20、B排水平井；21、C排水平井；22、D排水平井；23、电线；24、数据采集装置；25、A排压力泵；26、B排压力泵；27、C排压力泵；28、D排压力泵；29、地质雷达；30、微震探头；31、大位移沉降计；32、分布式光纤；33、高精度孔压计；34、倾角传感器；35、小型压力盒；36、压电陶瓷传感器；37、声发射探头；38、温度计；39、流量计；40、输送管道。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1～4所示，一种海洋天然气水合物多排水平井分层开采装置，包括多排水平井系统、开采实时监测系统；

所述多排水平井系统包括输送管道40，所述输送管道40上端与海上钻井平台6连接，下端深入海水层1，下端与导管10相连，可用于基于降压法开采天然气水合物产生的天然气、水的输送；

所述导管10自上而下连接多排横向水平井，实现分层开采，每排横向水平井设有多个横向水平井筒；所述水平井筒包括裸管11，裸管11表面分布有井眼。

导管10及多排水平井布设在上覆土层3和下伏层5之间的水合物储层4内，导管10自上而下分布多个接口，均可用于连接水平裸管11；所述裸管11在水平方向同导管10通过固定螺栓12机械连接并做密封处理，其可根据不同深度土层性质合理选择裸管11尺寸，不会由于某一层中水平井故障而导致整个管道被弃用，节约成本。

所述井眼14处自外而内分别铺设有砾石层15、防砂筛网16和透水石17，防止砂、土颗粒进入水平井；所述井眼14与溢流阀18连接，并在连接处做密封处理，可通过溢流阀18控制水平井的启停；

所述多排水平井系统还包括与井口下端通过固定锚7连接的套管9，套管9直接穿过海床2，所述套管9伸入上覆土层3并在内部嵌套竖向导管10；套管9被水泥环8包裹；

各水平井筒与压力泵13密封连接。所述导管10和裸管11连接处内置所述压力泵13，所述压力泵13包括A排压力泵25、B排压力泵26、C排压力泵27和D排压力泵28组成，位于水平裸管11与导管10交界处，通过压力泵能够控制各排水平井中的压力进而来控制各排水平井的开采速率；

所述多排水平井系统还包括竖向多排水平井，每排包含若干井筒，所述多排水平井系统可根据水合物储层厚度自上而下设置多排水平井，本发明以四排水平井为例，多排水平井包含A排水平井19、B排水平井20、C排水平井21、D排水平井22；所述多排水平井系统各个连接处需进行二次密封；

所述开采实时监测系统分为上覆土层开采实时监测系统和多排水平井开采实时监测系统；

所述上覆土层开采实时监测系统包括微震探头30、大位移沉降计31、分布式光纤32和高精度孔压计33，可以通过上述传感器监测上覆土层应力-应变变化趋势和土层的沉降、变形情况，根据监测数据指导水平井的运行；

所述多排水平井开采实时监测系统包括地质雷达29、倾角传感器34、小型压力盒35、压电陶瓷传感器36、声发射探头37、温度计38、流量计39，用以判断水合物开采区域迁移、水合物储层内部温度、压力和变形数据，以及井筒自身受力、倾斜和变形、以及井筒内部流量、压力情况。

所述地质雷达29安装在海上钻井平台6，实时监测开采区域的变形和沉降；倾角传感器34、小型压力盒35、压电陶瓷传感器36、声发射探头37安装在裸管11外壁，通过缠绕在裸管11外壁的电线23与数据采集装置24连接；所述温度计38、流量计39安装在导管10内壁，实现对开采过程中井筒温度、开采速率的监测；所述微震探头30、大位移沉降计31、分布式光纤32、高精度孔压计33提前埋设在开采区域所在的上覆土层中，通过电线与数据采集装置24连接，用以监测上覆土层3的变形和沉降。

一种海洋天然气水合物多排水平井分层开采模拟装置的使用方法，包括以下开采形式：

S1、自上而下开采

开采方式为，打开布置在A排水平井19上的A排压力泵25和溢流阀18，并关闭其余三排水平井上的压力泵13和溢流阀18，随后进行水合物储层的开采：缓慢降低A排水平井19内的压力，利用压力差致使天然气水合物储层孔隙压力逐渐降低至天然气水合物相平衡压力以下，促进天然气水合物发生分解，同时抽取A排水平井19周边由水合物分解产生的水和气，直到完成当前储层区域天然气水合物的开采目标。待完成当前区域开采目标或因监测数据异常中止该区域开采时，依据如上操作自上而下进行下一区域的天然气水合物开采。

在开采过程中，数据采集装置24接收并处理各传感器传输的实时信号，据此监测土层及井筒变化情况，其中包括：通过收集倾角传感器34信号，以判断A排水平井19的井筒倾斜情况；通过收集大位移沉降计31、分布式光纤32和微震探头30信号，以判断开采过程中上覆土层3的变形和沉降；通过收集地质雷达29、声发射探头37信号，以判断A排水平井19开采过程中储层区域A处的变形和沉降；通过收集小型压力盒35、压电陶瓷传感器36、温度计38、流量计39信号，来判断A排水平井19的开采速率、井筒应力状态、变形情况和内部温度。

例如，若监测到A排水平井19在开采过程中发生如下异常：水平井井筒倾斜角度过大，井筒筒身变形严重，区域A处的土层或上覆土层3变形沉降幅度较大。立即关闭A排水平井19，并重复上述开采方式打开B排水平井20进行下一区域的开采，根据上述监测方法收集的数据来指导多排水平井的运行，以此实现自上而下的天然气水合物开采。

此外，若监测到井筒内部的温度过低时应调整压力泵13的压力，确保天然气水合物开采过程中不会发生天然气水合物再次生成导致的管道堵塞问题。同时，根据监测到的天然气水合物开采速率和储层区域应力变化情况，适时调控压力泵13内的孔压，改变天然气水合物开采速率以应对土层有效应力增大的问题。

S2、自下而上开采

开采方式为，打开布置在D排水平井22上的D排压力泵28和溢流阀18，并关闭其余三排水平井上的压力泵13和溢流阀18，随后进行水合物储层的开采：缓慢降低D排水平井22内的压力，利用压力差致使天然气水合物储层压力逐渐降低至天然气水合物相平衡压力以下，从而促进天然气水合物发生分解，同时抽取D排水平井22周边由水合物分解产生的水和气，直到完成当前储层区域天然气水合物的开采目标。待完成当前区域开采目标或因监测数据异常中止该区域开采时，依据如上操作自下而上进行下一区域的天然气水合物开采。

在开采过程中，数据采集装置24接收并处理各传感器传输的实时信号，据此监测土层及井筒变化情况，其中包括：通过收集倾角传感器34信号，以判断D排水平井22的井筒倾斜情况；通过收集大位移沉降计31、分布式光纤32和微震探头30信号，以判断开采过程中上覆土层3的变形和沉降；通过收集地质雷达29、声发射探头37信号，以判断D排水平井22开采过程中整个水合物储层的变形和沉降；通过收集小型压力盒35、压电陶瓷传感器36、温度计38、流量计39信号，以判断D排水平井22的开采速率、井筒应力状态、变形情况和内部温度。

例如，若监测到D排水平井22在开采过程中发生如下异常：上覆土层3和水合物储层4发生较大的土层变形和沉降且D排水平井22开采过程中井筒倾斜角度过大，井筒筒身变形严重时，立即停止天然气开采工作，监测C排水平井21倾斜程度；当且仅当C排水平井21倾斜程度较小时可打开C排水平井21，重复上述开采方式进行下一区域的开采，同时检测区域A、B、C处的沉降和变形情况以及C排水平井21的倾斜角度，根据监测的数据指导多排水平井的运行，以此进行自下而上天然气开采。

此外，若监测到井筒内部的温度过低时应调整压力泵13的压力，确保天然气水合物开采过程中不会发生天然气水合物再次生成导致的管道堵塞问题；同时，根据监测到的天然气水合物开采速率和储层区域的应力变化情，况适时调控压力泵13内的孔压，改变天然气水合物开采速率以应对土层有效应力增大的问题。

S3、中间向上下开采

开采方式为，同时打开布置在B排水平井20和C排水平井21上的压力泵13和溢流阀18，并关闭其余两排水平井上的压力泵13和溢流阀18，随后进行水合物储层的开采：缓慢降低B排水平井20和C排水平井21内的压力，利用压力差致使天然气水合物储层压力逐渐降低至天然气水合物相平衡压力以下，从而促进天然气水合物发生分解，同时抽取B排水平井20和C排水平井21周边由水合物分解产生的水和气，直到完成当前储层区域天然气水合物的开采目标。待完成当前区域开采目标或因监测数据异常中止该区域开采时，依据如上操作自中间向上下进行下一区域的天然气水合物开采。

在开采过程中，数据采集装置24接收并处理各传感器传输的实时信号，据此监测土层及井筒变化情况，其中包括：通过收集倾角传感器34信号，以判断B排水平井20和C排水平井21的井筒倾斜情况；通过收集大位移沉降计31、分布式光纤32和微震探头30信号，以判断开采过程中上覆土层3的变形和沉降；通过收集地质雷达29、声发射探头37信号，以判断B排水平井20和C排水平井21开采过程中水合物储层区域A、B、C的变形和沉降；通过小型压力盒35、压电陶瓷传感器36、温度计38、流量计39信号，来判断B排水平井20和C排水平井21的开采速率、井筒应力状态、变形情况和内部温度。

例如，若监测到B排水平井20和C排水平井21在开采过程中发生如下异常：上覆土层3和水合物储层区域A、B、C发生较大的土层变形和沉降且B排水平井20和C排水平井21开采过程中井筒倾斜角度过大，井筒筒身变形严重时，立即停止天然气开采工作，监测A排水平井19和D排水平井22倾斜程度：

1)当A排水平井19倾斜角度过大，D排水平井22倾斜角度在容许范围内时，可打开D排水平井22重复上述开采方式进行下一区域的开采，同时根据监测到的实时数据来指导多排水平井的运行；

2)当A排水平井19和D排水平井22倾斜角度均在容许范围内时，可同时打开A排水平井19和D排水平井22，重复上述开采方式进行下一区域的开采，同时监测上覆土层3和整个水合物储层4的土层变形和沉降和A排水平井19和D排水平井22的井筒倾斜程度，根据监测到的实时数据指导多排水平井运行，以此实现从中间向上下天然气开采。

此外，若监测到井筒内部的温度过低时应调整压力泵13的压力，确保天然气水合物开采过程中不会发生天然气水合物再次生成导致的管道堵塞问题；同时，根据监测到的天然气水合物开采速率和储层区域中的应力变化情况，适时调控压力泵13内的孔压，改变天然气水合物开采速率以应对土层有效应力增大的问题。

S4、上下向中间开采

开采方式为，同时打开布置在A排水平井19和D排水平井22上的压力泵13和溢流阀18，并关闭其余两排水平井上的压力泵13和溢流阀18，随后进行水合物储层的开采：缓慢降低A排水平井19和D排水平井22内的压力，利用压力差致使天然气水合物储层压力逐渐降低至天然气水合物相平衡压力以下，从而促进天然气水合物发生分解，同时抽取A排水平井19和D排水平井22周边由水合物分解产生的水和气，直到完成当前储层区域天然气水合物的开采目标。待完成当前区域开采目标或因监测数据异常中止该区域开采时，依据如上操作自上下向中间进行下一区域的天然气水合物开采。

在开采过程中，数据采集装置24接收并处理各传感器传输的实时信号，据此监测土层及井筒变化情况，其中包括：通过收集倾角传感器34信号，以判断A排水平井19和D排水平井22的井筒倾斜情况；通过收集大位移沉降计31、分布式光纤32和微震探头30信号，以判断开采过程中上覆土层3的变形和沉降；通过收集地质雷达29、声发射探头37信号，以判断A排水平井19和D排水平井22开采过程中水合物储层4的变形和沉降；通过收集小型压力盒35、压电陶瓷传感器36、温度计38、流量计39信号，来判断A排水平井19和D排水平井22的开采速率、井筒应力状态、变形情况和内部温度。

例如，若监测到A排水平井19和D排水平井22在开采过程中发生如下异常：上覆土层3和水合物储层4发生较大的土层变形和沉降，立即停止天然气水合物开采，检查A排水平井19和D排水平井22开采过程中井筒倾斜角度：

1)当A排水平井19倾斜角度过大但D排水平井22倾斜程度在容许范围内时，关闭A排水平井19继续使用D排水平井22开采天然气，同时监测区域B、C处的沉降和变形程度以及B排水平井20、C排水平井21的倾斜程度，根据分区储层的变形和沉降以及井筒倾斜程度判断是否打开B排水平井20、C排水平井21进行天然气开采；

2)当A排水平井19和D排水平井22倾斜角度均超出容许范围时，关闭A排水平井19和D排水平井22，同时监测区域B、C处的沉降和变形程度以及B排水平井20、C排水平井21的倾斜程度，根据分区储层的变形和沉降以及井筒倾斜程度判断是否打开B排水平井20、C排水平井21进行天然气开采；若均在容许范围内，打开B排水平井20、C排水平井21进行天然气开采，同时通过监测数据指导多排水平井的运行，以此进行从上下向中间天然气开采。

此外，若监测到井筒内部的温度过低时应调整压力泵13的压力，确保天然气水合物开采过程中不会发生天然气水合物再次生成导致的管道堵塞问题。同时，根据监测到的天然气水合物开采速率和储层区域应力变化情况，适时调控压力泵13内的孔压，改变天然气水合物开采速率以应对土层有效应力增大的问题。

S5、同时开采

开采方式为，同时打开布置在竖向四排水平井上的压力泵13和溢流阀18，随后进行水合物储层的开采：缓慢降低竖向四排水平井内的压力，利用压力差致使天然气水合物储层压力逐渐降低至天然气水合物相平衡压力以下，从而促进天然气水合物发生分解，同时抽取A排水平井19、B排水平井20、C排水平井21和D排水平井22周边由水合物分解产生的水和气，直到完成当前区域开采目标或因监测数据异常中止该区域开采。

在开采过程中，数据采集装置24接收并处理各传感器传输的实时信号，据此监测土层及井筒变化情况，其中包括：通过收集倾角传感器34信号，以判断A排水平井19、B排水平井20、C排水平井21和D排水平井22的井筒倾斜情况；通过收集大位移沉降计31、分布式光纤32和微震探头30信号，以判断开采过程中上覆土层3的变形和沉降；通过收集地质雷达29、声发射探头37信号，以判断竖向四排水平井开采过程中整个水合物储层4的变形和沉降；通过收集小型压力盒35、压电陶瓷传感器36、温度计38、流量计39传输来的实时信号，来判断A排水平井19、B排水平井20、C排水平井21和D排水平井22的开采速率、井筒应力状态、变形情况和内部温度。

例如，若监测到竖向四排水平井在开采过程中发生如下异常：上覆土层3和水合物储层4发生较大的土层变形和沉降时，检查竖向四排水平井开采过程中井筒倾斜角度，根据监测到的分区储层的变形和沉降以及井筒倾斜程度判断各排水平井的启停。若区域A处的变形和沉降过大且A排水平井19的倾斜程度过大，其余三个区域的变形和沉降以及另外三排水平井倾斜程度在容许范围内时，关闭A排水平井，其余三排水平井继续进行天然气水合物开采，同时根据实时监测数据指导多排水平井的运行；同理，若其余区域变形和沉降过大，需根据上述方式分析并判断水平井启停，以此实现多排水平井同时开采。

此外，若监测到井筒内部的温度过低时应调整压力泵13的压力，确保天然气水合物开采过程中不会发生天然气水合物再次生成导致的管道堵塞问题。同时，根据监测到的天然气水合物开采速率和储层区域应力变化情况，适时调控压力泵13内的孔压，改变天然气水合物开采速率以应对土层有效应力增大的问题。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种海洋天然气水合物多排水平井分层开采装置，其特征在于，包括多排水平井系统和开采实时监测系统；所述多排水平井系统包括

输送管道，所述输送管道上端与海上钻井平台连接，下端与导管相连，可用于基于降压法开采天然气水合物产生的天然气、水的输送；

还包括与井口下端通过固定锚连接的套管，套管穿过海床、上覆土层并伸入到水合物储层，其内部嵌套竖向导管，套管被水泥环包裹；

所述导管自上而下连接多排横向水平井，实现分层开采；每排横向水平井设有多个横向水平井筒；

所述水平井筒包括裸管，裸管表面分布有井眼，所述井眼与溢流阀连接，并在连接处做密封处理，可通过溢流阀控制水平井的启停；

所述导管和裸管连接处内置压力泵，通过压力泵控制各排水平井筒中的压力进而控制各排水平井的开采速率；各水平井筒与压力泵密封连接；

所述多排水平井系统通过控制压力泵和溢流阀的启闭进行自上而下、自下而上、中间向上下、上下向中间和同时开采的水合物储层的开采，利用压力差致使天然气水合物储层孔隙压力逐渐降低至天然气水合物相平衡压力以下，促进天然气水合物发生分解，同时抽取各水平井筒周边由水合物分解产生的水和气，直到完成当前储层区域天然气水合物的开采目标；

所述开采实时监测系统分为上覆土层开采实时监测系统和多排水平井开采实时监测系统；在开采过程中，数据采集装置接收并处理开采实时监测系统各传感器传输的实时信号，据此监测土层及井筒变化情况。

2.如权利要求1所述的一种海洋天然气水合物多排水平井分层开采装置，其特征在于，所述上覆土层开采实时监测系统包括微震探头、大位移沉降计、分布式光纤和高精度孔压计，可以通过上述传感器监测上覆土层应力-应变变化趋势和土层的沉降、变形情况，根据监测数据指导水平井的运行；

所述多排水平井开采实时监测系统包括地质雷达、倾角传感器、小型压力盒、压电陶瓷传感器、声发射探头、温度计、流量计，用以判断水合物开采区域迁移、水合物储层内部温度、压力和变形数据，以及井筒自身受力、倾斜和变形、以及井筒内部流量、压力情况。

3.如权利要求1所述的一种海洋天然气水合物多排水平井分层开采装置，其特征在于，井眼处自外而内分别铺设有砾石层、防砂筛网和透水石，防止砂、土颗粒进入水平井。

4.如权利要求1所述的一种海洋天然气水合物多排水平井分层开采装置，其特征在于，所述裸管在水平方向同导管通过固定螺栓机械连接并做密封处理，其可根据不同深度土层性质合理选择裸管尺寸，避免由于某一层中水平井故障而导致整个管道被弃用。

5.如权利要求1所述的一种海洋天然气水合物多排水平井分层开采装置，其特征在于，所述多排水平井系统各连接处进行二次密封。

6.如权利要求1所述的一种海洋天然气水合物多排水平井分层开采装置，其特征在于，所述多排水平井系统还包括竖向多排水平井，每排包含若干井筒，所述多排水平井系统可根据水合物储层厚度自上而下设置多排水平井。

7.如权利要求6所述的一种海洋天然气水合物多排水平井分层开采装置及方法，其特征在于，每个水平井筒内均设有所述压力泵，所述压力泵与水平井筒数量一致，均位于各裸管与导管连接处。

8.应用权利要求1所述的一种海洋天然气水合物多排水平井分层开采装置及方法的开采方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定开采方式，包括自上而下、自下而上、中间向上下、上下向中间和同时开采的开采方式；对应地打开布置在目标排水平井上的压力泵和溢流阀，并关闭其余各排水平井上的压力泵和溢流阀，随后进行水合物储层的开采：缓慢降低目标水平井内的压力，利用压力差致使天然气水合物储层孔隙压力逐渐降低至天然气水合物相平衡压力以下，促进天然气水合物发生分解，同时抽取目标水平井周边由水合物分解产生的水和气，直到完成当前储层区域天然气水合物的开采目标；待完成当前区域开采目标或因监测数据异常中止该区域开采时，依据如上操作进行下一区域的天然气水合物开采；

S2：在开采过程中，数据采集装置接收并处理各传感器传输的实时信号，据此监测土层及井筒变化情况，其中包括通过收集倾角传感器信号，以判断目标排水平井的井筒倾斜情况；通过收集大位移沉降计、分布式光纤和微震探头信号，以判断开采过程中上覆土层的变形和沉降；通过收集地质雷达、声发射探头信号，以判断目标排水平井开采过程中目标储层区域的变形和沉降；通过收集小型压力盒、压电陶瓷传感器、温度计、流量计信号，来判断目标排水平井的开采速率、井筒应力状态、变形情况和内部温度；

S3：若监测到目标排水平井在开采过程中发生如下异常：水平井井筒倾斜角度过大，井筒筒身变形严重，目标储层区域的土层或上覆土层变形沉降幅度较大；立即关闭目标排水平井，并重复上述开采方式打开下一目标排水平井进行下一区域的开采，根据上述监测方法收集的数据来指导水平井的运行，以此实现步骤S1确定开采方式的天然气水合物开采。

9.如权利要求8所述的应用一种海洋天然气水合物多排水平井分层开采装置的开采方法，其特征在于，当监测到井筒内部的温度过低时应调整压力泵的压力，确保天然气水合物开采过程中不会发生天然气水合物再次生成导致的管道堵塞问题；同时，根据监测到的天然气水合物开采速率和储层区域应力变化情况，适时调控压力泵内的孔隙压力，改变天然气水合物开采速率以应对土层有效应力增大的问题。

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