CN116066030A - 一种基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统及方法，所述系统包括井口分离系统、管道输送系统、海底中心汇集系统以及公用工程系统；所述井口分离系统包括气液分离器，所述气液分离器的气液相进口分别与气相采出系统和液相采出系统相连，所述气液分离器底部与冲砂系统连接，所述气液分离器的气液相出口通过管道输送系统与海底中心汇集系统相连；所述公用工程系统通过管道与冲砂系统相连。本发明基于海域可燃冰水平井开采需求，结合生产规律与产出介质特点，提出了一套多井水下采集系统，缓解大规模开发下的水下流动保障与砂沉积问题，提高井口下游的水下系统生产效率；同时优化井下、水下的后期运行能耗。

Description

一种基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统及方法

技术领域

本发明属于可燃冰开采技术领域，特别涉及一种基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统及方法。

背景技术

天然气水合物(以下简称水合物)是由水分子和气体小分子(主要是烃类气体)在低温和高压条件下接触而形成的具有笼状结构的似冰状结晶化合物，目前公认的储量极为丰富，其分布以深水海洋储藏为主。天然气水合物可视为被高度压缩的天然气资源，1m³天然气水合物能够分解释放出160～180m³(标准状态)的天然气，依此粗略估算，全球天然气水合物矿藏中蕴藏的天然气总体积量大约为1.8×10¹⁶～2.1×10¹⁶m³，相当于全球已探明常规化石燃料总碳量的2倍，因此水合物的能源地位有望在未来取代常规的石油、煤等化石燃料，成为新型的洁净能源。目前，海域天然气水合物尚处于勘探和试采阶段，同时开展大量的基础研究。近年来，相继开展了多次海域天然气水合物试采活动。特别地，我国在2020年成功开展了南海海域可燃冰第二轮试采，采用“水平井”开采模式再一次创造了可燃冰开采时间与开采总量的记录，为商业化开采奠定了坚实的基础。

根据海域天然气水合物形成条件，采用降压法开采是一种原理较为清晰、经过试采活动验证的方式，在现阶段的试采活动中，该方法主要通过降低海域天然气水合物藏的压力，打破其稳定条件，促使天然气水合物形成气相和液相，并通过井下的防砂装置、分离装置和电潜泵等，经独立的气相管道(通道)和液相管道(通道)，将所产介质输送至海上平台进行处理、排放。

目前，可燃冰水平井开采还停留在单井降压开采模式，其单井的持续生产时间、生产规模与开发经济性尚难得到商业开采的标准，区块内多井联合开采将是海域可燃冰开发的必经之路。前期试采中，对井下控砂采取了严格的措施，取得了较好的防砂效果，但后续规模开发时，在考虑产量与控砂的平衡下，井下出砂量和出砂粒径将对可燃冰水下生产系统带来更严峻的挑战。同时，我国南海可燃冰赋存区域也可能存在大型水下天然气成藏，可燃冰和常规天然气协同开采与生产极具潜力。另外，可燃冰储层采出物由于基本为甲烷与气田水，但有效目标资源仅为以甲烷为主的天然气，对气田水的理想处理方案是后期生产无法回避的问题，海底回注是较好的思路。

因此，借助“水平井”可燃冰试采经验，结合未来可燃冰规模开发的要求，基于可燃冰产出物介质特征，对水下采集系统进行整体规划与研发，保障可燃冰采出物高效与安全输送极具意义。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能够安全、经济地实施深水天然气水合物开发生产的基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统及方法。

本发明的主要技术思路是基于水平井降压法开采技术，借助多井协同生产模式，从介质控砂、流动保障和产出水合理处置为基础，在水下设置井口分离系统，用于在井口对采出天然气、气田水和采出砂的二次分离(井下已经进行了首次分离)，降低气相管道含砂、含水率，提高气相管道输送效率与输送安全；降低液相管道天然气含量，进一步减小水合物生产风险，同时在井下不稳定生产时，在井口实现段塞流接收与处理功能，并且采用液相管道进行采出砂携带，提高携砂效果；利用脐带缆提供冲砂液、井下注入液(气)，避免气液分离器积砂、支撑井下生产；设置管道输送系统，实现产出气和产出水独立输送，提高输送效率；设置中心汇集系统，用于对各单井产出气汇合后集中送往水上处理系统，并对各单井产出水汇合后集中增压后送往注入井；设置公用工程系统，用于对水下可燃冰采集提供支持等。由此，实现水下生产系统有效控砂、合理处置气田水、水合物抑制和系统高效利用的目的。

本发明采用的技术方案是：

一种基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统，其特征在于：包括井口分离系统、管道输送系统、海底中心汇集系统以及公用工程系统；

所述井口分离系统设置在水下井口处，所述井口分离系统包括气液分离器，所述气液分离器的气液相进口分别与气相采出系统和液相采出系统相连，所述气液分离器用于在各可燃冰水下井口下游进行采出介质的二次分离，所述气液分离器底部与冲砂系统连接，所述冲砂系统用于清除气液分离器内积存的砂粒，所述气液分离器的气液相出口通过管道输送系统与海底中心汇集系统相连；

所述海底中心汇集系统用于对管道输送系统输送来的各生产井产出的气相和液相进行集中汇集；所述公用工程系统通过管道与冲砂系统相连，所述公用工程系统用于依托水上中心处理平台，为水下各单井和海底中心汇集系统进行管控。

本发明所述的基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统，其所述气相采出系统包括气相采出管道以及设置在气相采出管道上的气相井口截断阀和气相井口调节阀，所述液相采出系统包括液相采出管道以及设置在液相采出管道上的液相井口截断阀和液相井口调节阀，所述气相采出管道和液相采出管道分别连接井口气相与液相接口，将产出的气相和液相分别输送至气液分离器。

本发明所述的基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统，其所述管道输送系统包括气相海底管道、液相海底管道、气相立管以及液相立管，所述气液分离器通过气相海底管道和液相海底管道与海底中心汇集系统相连，所述海底中心汇集系统汇集后的气相和液相分别输出至气相立管和液相立管。

本发明所述的基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统，其所述气相采出管道与气相海底管道通过气相旁路管路系统相连，所述液相采出管道与液相海底管道通过液相旁路管路系统相连，所述气相旁路管路系统和液相旁路管路系统用于井口产出介质不经过气液分离器而直接进入下游的气相海底管道和液相海底管道。

本发明所述的基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统，其所述气相旁路管路系统包括气相旁路管道以及设置在气相旁路管道上的气相旁路第一截断阀、气相旁路调节阀以及气相旁路第二截断阀，所述气相旁路管道用于连通气相采出管道与气相海底管道；所述液相旁路管路系统包括液相旁路管道以及设置在液相旁路管道上的液相旁路第一截断阀、液相旁路调节阀以及液相旁路第二截断阀，所述液相旁路管道用于连通液相采出管道与液相海底管道。

本发明所述的基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统，其所述冲砂系统包括冲砂液入口管道和冲砂液排出管道，所述气液分离器底部通过冲砂液入口管道与公用工程系统相连，所述气液分离器底部通过冲砂液排出管道与液相海底管道相连，在所述冲砂液入口管道上设置有冲砂入口截断阀和冲砂液调节阀，在所述冲砂液排出管道上设置有冲砂出口截断阀、冲砂液出口调节阀和冲砂液相泵。

本发明所述的基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统，其所述海底中心汇集系统包括气相汇管和液相汇管，所述气相汇管预留多个接口，用于汇集各条气相海底管道的气相介质，并输出至气相立管，在每条气相海底管道上分别设置有气相出口截断阀和中心系统气相入口截断阀，所述液相汇管预留多个接口，用于汇集各条液相海底管道的液相介质，并输出至液相立管和/或回注管道，在每条液相海底管道上分别设置有液相出口截断阀、液相出口增压泵以及中心系统液相入口截断阀，在所述液相立管上设置有液相立管入口截断阀、液相立管调节阀和液相立管增压泵，在所述回注管道上设置有回注截断阀和回注泵。

本发明所述的基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统，其所述公用工程系统包括脐带缆、分配器、冲砂液管道、水合物抑制剂管道以及举升气管道，所述脐带缆连接水上平台中心与单井井口系统，所述分配器设置在井口，用于将各种管道、能量与信号管线进行分离与接出，所述冲砂液管道与冲砂液入口管道相连，所述水合物抑制剂管道用于为井下和井口提供水合物抑制剂，所述举升气管道用于为井下提供高压氮气，维持井下气相通道的举升能力，支撑井下系统的压力控制。

一种基于水平井降压开采的可燃冰水下采集方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：在水下井口处设置气液分离器，井下井筒产出的天然气通过气相采出管道输送至气液分离器，环空产出的采出水通过液相采出管道输送至气液分离器；

逐步开井时，开启水下电潜泵抽吸逐步降低井下压力，配合开启井口气相井口截断阀和液相井口截断阀，缓慢开启气相井口调节阀和液相井口调节阀，建立井下与井口的压力差，天然气与水分别由井口产出，并调压后进入气液分离器；开启气液分离器的气相出口截断阀、液相出口截断阀和液相出口增压泵，打通海底管道的气相和液相流道；开启中心系统液相入口截断阀、中心系统气相入口截断阀以及液相立管增压泵，打通气相立管及液相立管举升通道；由此，从井口至立管的气相通道不断充压，最终达到设定的运行压力，并投入运行；从井口至立管的液相通道不断充水排气，直至形成稳定的压力控制梯度，并投入运行；

步骤二：当已经运行多口井，并准备投产一口新井时，开井前，从水下汇集区域的液相管道内分别取液，对气液分离器液相出口下游的液相海底管道32进行排气充水，排出的气通过气液分离器进入气相海底管道，然后按照步骤一的开井操作运行；

步骤三：多口井正常生产时，开启冲砂入口截断阀和冲砂液调节阀，利用水面中心平台连接的脐带缆提供处理后的冲砂水，保持平台冲砂水稳定供应，利用气液分离器内部的多处喷嘴，持续、均匀破坏分离器内部形成的稳定积砂层；开启冲砂出口截断阀和冲砂液出口调节阀，在易积砂区域实施持续的抽吸，排出的液砂混合物经冲砂液相泵增压后，与增压的液相混合；开启海底中心汇集系统各处来气和来液的截断阀。

本发明所述的基于水平井降压开采的可燃冰水下采集方法，其当水下具备回注条件时，开启海底中心汇集系统的回注截断阀和回注泵，并调节液相立管调节阀开度，控制海底中心汇集系统送往海上平台和回注井的液相分配流量，回注泵下游管道连接新建回注管道，也可在利用已建且停产的天然气水合物生产井作为回注井时，接入该井的气相输送管道，形成反输通道；

当单井井口气液分离器需要检修时，关闭单井井口的气相井口截断阀、液相井口截断阀、气相出口截断阀和液相出口截断阀，开启气相旁路第一截断阀、气相旁路调节阀、气相旁路第二截断阀、气相旁路管道、液相旁路第一截断阀、液相旁路调节阀、液相旁路第二截断阀以及液相旁路管道，形成备用通路，使该单井临时生产。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：基于海域可燃冰水平井开采需求，结合生产规律与产出介质特点，提出了一套多井水下(海底)采集系统，缓解大规模开发下的水下流动保障与砂沉积问题，提高井口下游的水下系统生产效率；同时优化井下、水下的后期运行能耗。

具体表现为：

(1)设置科学

本发明基于海域可燃冰开采理论，顺应我国2020年成功实施的水平井可燃冰开采工艺，针对开采全周期中的气、液、固生产规律，利用井下的一级分离与增压系统，在水下系统中考虑设置井口二级分离与砂管理系统，实现井下产出介质的二次整流、分离与砂管理，提高了输出介质的相态稳定性，大幅降低了流动保障风险；在水下设置中心汇集系统，具备汇集多井介质、液相增压、液相流向控制、气相预留增压等功能，满足采出水输往海上平台和直接水下回注的选择需求，进一步提升了系统操作弹性，降低了系统能耗。

(2)经济性佳

本发明针对海域可燃冰水平井开采的需求，设置多井独立开采-集中汇集输送的模式，避免了单井独立输送介质至海面的系统建设；在中心汇集系统设置两套液相外输分配系统，利用可燃冰气藏无凝析油产出的特点，优选液相回注井下的方案，避免全部产出的液相增压输送至海面；在井口设置二级分离与砂管理系统，促进产出介质的相态二次分配，降低下游气相管道中的水含量和下游液相管道中的气含量，避免长期加注水合物抑制剂；同时，设置的井口二级分离与砂管理系统为未来井下降压-不分离开采提供了接入条件。

(3)理念先进

我国已经开展多次海域可燃冰试采活动，积累了较多经验，为后期商业化开采提供了良好的基础。本发明的技术顺应水平井降压开采模式，提出的单井二次分离与砂管理、水下中心汇集与液相分配、后期减注水合物抑制剂等系统与方案具有技术可行性与理念先进性，亦进一步为未来井下降压-不分离系统提供了井口分离系统，可为后续试采与开发提供参考与借鉴。

附图说明

本发明将通过具体实施例并参照附图的方式说明，其中

图1为本发明的结构示意图。

图中标记：1为气相井口截断阀，2为气相井口调节阀，3为液相井口截断阀，4为液相井口调节阀，5为气相采出管道，6为液相采出管道，7为气液分离器，8为气相出口截断阀，9为液相出口截断阀，10为液相出口增压泵，11为冲砂入口截断阀，12为冲砂液调节阀，13为冲砂液入口管道，14为冲砂出口截断阀，15为冲砂液出口调节阀，16为冲砂液相泵，17为冲砂液排出管道，18为气相旁路第一截断阀，19为气相旁路调节阀，20为气相旁路第二截断阀，21为气相旁路管道，22为液相旁路第一截断阀，23为液相旁路调节阀，24为液相旁路第二截断阀，25为液相旁路管道，31为气相海底管道，32为液相海底管道，33为气相立管，34为液相立管，41为中心系统气相入口截断阀，42为气相汇管，43为中心系统液相入口截断阀，44为液相汇管，45为液相立管入口截断阀，46为液相立管调节阀，47为液相立管增压泵，48为回注截断阀，49为回注泵，50为回注管道，51为脐带缆，52为分配器，53为冲砂液管道，54为水合物抑制剂管道，55为举升气管道。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

如图1所示，一种基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统，包括井口分离系统、管道输送系统、海底中心汇集系统以及公用工程系统，通过设置本系统，对水平井降压开采的海域天然气水合物实现高效采集、集中采集。

其中，所述井口分离系统设置在水下井口处，即单口井的井口均设置有对应的井口分离系统，所述井口分离系统包括气液分离器7，所述气液分离器7的气液相进口分别与气相采出系统和液相采出系统相连，所述气液分离器7用于在各可燃冰水下井口下游进行采出介质的二次分离(井下已经进行一次分离)，进一步提高气液分输的效率，降低液相中夹带气量，降低气相中的含砂量，并利用密度更大的液相对井下产出的砂进行运移，所述气液分离器7底部与冲砂系统连接，所述冲砂系统用于清除气液分离器7内积存的砂粒，避免分离器内积存砂粒，所述气液分离器7的气液相出口通过管道输送系统与海底中心汇集系统相连；所述海底中心汇集系统用于对管道输送系统输送来的各生产井产出的气相和液相进行集中汇集；所述公用工程系统通过管道与冲砂系统相连，所述公用工程系统用于依托水上中心处理平台，为水下各单井和海底中心汇集系统进行管控。

具体地，所述气相采出系统包括气相采出管道5以及设置在气相采出管道5上的气相井口截断阀1和气相井口调节阀2，气相井口截断阀为远程电动截断阀球阀，用于对井下气相采出管道的开闭进行控制；气相井口调节阀为远程电动调节阀，通过调节开度，与井下举升系统配合控制井下气相介质的压力；所述液相采出系统包括液相采出管道6以及设置在液相采出管道6上的液相井口截断阀3和液相井口调节阀4，液相井口截断阀为远程电动截断阀球阀，用于对井下液相采出管道的开闭进行控制；液相井口调节阀为远程电动调节阀，通过调节开度，用于控制进入气液分离器的液相压力，保持与气相压力一致；所述气相采出管道5和液相采出管道6分别连接井口气相与液相接口，将产出的气相和液相分别输送至气液分离器7；气液分离器为卧式分离器，用于对采出的介质(天然气、水、砂)进行二次分离，降低天然气中的水、砂含量，降低水中的天然气含量，利用分离后的水携带沉降的砂，提高砂的携带效率，气液分离器中设置了冲砂喷嘴，利用高压冲砂液对分离器底部的沉降砂进行冲散与扰动，支撑悬砂液外排。

其中，所述管道输送系统包括气相海底管道31、液相海底管道32、气相立管33以及液相立管34，主要用于在海床和水下对井口产出并二次分离的天然气和液相进行输送，所述气液分离器7通过气相海底管道31和液相海底管道32与海底中心汇集系统相连，所述海底中心汇集系统汇集后的气相和液相分别输出至气相立管33和液相立管34，气相立管连通水下中心汇集系统和水上处理设施，液相立管连通水下中心汇集系统和水上处理设施，在水下暂无回注井时输送液相，并且在后期转为一口单井的液相输送管道，用于在平台上处理后，为水下冲砂提供纯净冲砂水，同时，后期液相回注联络海底管道连通水下中心汇集系统和后期目标回注井，用于将水下收集的采出液输送至回注井。

具体地，气相海底管道和液相海底管道均按照单井最高产量进行管径设计，液相海底管道的内壁冲蚀裕量至少为2mm；气相立管和液相立管均按照水下系统预估最大产量设计。

其中，所述海底中心汇集系统包括气相汇管42和液相汇管44，所述气相汇管42预留多个接口，用于汇集各条气相海底管道31的气相介质，并输出至气相立管33，在每条气相海底管道31上分别设置有气相出口截断阀8和中心系统气相入口截断阀41，所述液相汇管44预留多个接口，用于汇集各条液相海底管道32的液相介质，并输出至液相立管34和/或回注管道50，在每条液相海底管道32上分别设置有液相出口截断阀9、液相出口增压泵10以及中心系统液相入口截断阀43，在所述液相立管34上设置有液相立管入口截断阀45、液相立管调节阀46和液相立管增压泵47，在所述回注管道50上设置有回注截断阀48和回注泵49。所述海底中心汇集系统主要用于对各生产井产出的天然气进行集中汇集，并送往气相立管；对汇集后的液相进行流量分配，小部分通过液相立管增压泵输送至水面，处理后用于水下冲砂，剩余大部分通过回注泵进行增压，并输送至液相回注管道。

具体地，气相出口截断阀为远程电动截断阀，用于连接气液分离器与气相海底管道；中心系统气相入口截断阀为远程电动截断阀，控制单条气相海底管道进入中心汇集系统；液相出口截断阀为远程电动截断阀，用于连接气液分离器与液相海底管道；液相出口增压泵为远程电动泵，用于将分离后的液相进行增压，输送至中心汇集系统，进一步地，为了避免中心汇集系统主泵故障后影响水下采集系统生产，液相出口增压泵具备直接将分离后液相举升至水面的能力；中心系统液相入口截断阀为远程电动截断阀，控制单条液相海底管道进入中心汇集系统；液相立管入口截断阀为远程电动截断阀，用于控制液相立管的开闭；液相立管调节阀为远程电动调节阀，用于调节分配进入液相立管的液量，剩余部分进入回注管道；液相立管增压泵为液相中心汇集后的集中增压泵，用于将汇集系统收集的液相统一举升至水面处理设施，液相立管增压泵优选螺杆泵，以适应含液、含砂的流体特性；回注截断阀设置于回注管道入口，用于控制回注管道的开闭；回注泵为用于将需要回注井下的液相进行增压，满足回注压力需求；回注管道连接至回注井口，提供回注介质流动的通道。

其中，所述公用工程系统包括脐带缆51、分配器52、冲砂液管道53、水合物抑制剂管道54、举升气管道55以及其他的电力、仪表、控制线缆，用于依托水上中心处理平台，为水下各单井和中心汇集系统提供电力、控制信号、通信信号、水合物抑制剂、冲砂水等供应。

具体地，所述脐带缆51连接水上平台中心与单井井口系统，提供多股共用工程介质、能量与信号传输功能；所述分配器52设置在井口，用于将各种管道、能量与信号管线进行分离与接出；所述冲砂液管道53与冲砂液入口管道13相连，提供高压净化水，用于供气液分离器进行底部冲砂；所述水合物抑制剂管道54用于为井下和井口提供水合物抑制剂，一方面提高井下的水合物分解效果，另一方面为井口及下游采集系统提供水合物抑制剂；所述举升气管道55用于为井下提供高压氮气，维持井下气相通道的举升能力，支撑井下系统的压力控制。另外，电力、通信、控制信号等线路接入对应的阀门与设备。

在本实施例中，所述气相采出管道5与气相海底管道31通过气相旁路管路系统相连，所述液相采出管道6与液相海底管道32通过液相旁路管路系统相连，所述气相旁路管路系统和液相旁路管路系统用于井口产出介质不经过气液分离器7而直接进入下游的气相海底管道31和液相海底管道32。

具体地，所述气相旁路管路系统包括气相旁路管道21以及设置在气相旁路管道21上的气相旁路第一截断阀18、气相旁路调节阀19以及气相旁路第二截断阀20，主要用于在气液分离器检修时提供临时的气相流动通道，所述气相旁路管道21用于连通气相采出管道5与气相海底管道31；所述液相旁路管路系统包括液相旁路管道25以及设置在液相旁路管道25上的液相旁路第一截断阀22、液相旁路调节阀23以及液相旁路第二截断阀24，主要用于在气液分离器检修时提供临时的液相流动通道，所述液相旁路管道25用于连通液相采出管道6与液相海底管道32。

其中，所述冲砂系统包括冲砂液入口管道13和冲砂液排出管道17，所述气液分离器7底部通过冲砂液入口管道13与公用工程系统相连，所述气液分离器7底部通过冲砂液排出管道17与液相海底管道32相连，在所述冲砂液入口管道13上设置有冲砂入口截断阀11和冲砂液调节阀12，在所述冲砂液排出管道17上设置有冲砂出口截断阀14、冲砂液出口调节阀15和冲砂液相泵16。通过在分离器底部出口设置两相泵，在分离器内部设置多条抽吸管，用于对分离器底部含砂量较高的液相进行持续抽吸，抽吸后的含砂液相与液相泵增压后的液相混合，并外输至中心汇集系统。

具体地，冲砂入口截断阀为远程电动截断阀，用于连通或隔断脐带缆供给的冲砂水与气液分离器；冲砂液调节阀为远程电动调节阀，用于对冲砂水的压力进行调节，满足分离器内冲砂的需求；冲砂液入口管道提供冲砂液进入分离器的通道；冲砂出口截断阀为远程电动截断阀，用于控制含砂液流出通道的开闭；冲砂液出口调节阀为远程电动调节阀，用于调节含砂液的压力和排出流量；冲砂液相泵为远程电动泵，用于对含砂液进行增压外输；冲砂液排出管道连接冲砂液相泵，将增压后的介质输入液相海底管道。

同时，本系统还在关键点位设置压力变送器，以监控各点压力值，为采集系统操作提供关键参数。

本发明的工作原理为：

(1)水下天然气水合物在井底降压后发生气化，分解为天然气、水和部分泥砂，在井底经过防砂系统、分离系统、举升系统后，液相从井筒输往海床表面，接入水下采气树的液相通道，气相从环空输往海床表面，接入水下采气树的气相通道。该部分结构在本系统结构范围以外，但本系统考虑为井下生产提供水合物抑制剂与举升气供应，并在开井、运行与检修时，匹配井下生产，提供协同功能。

(2)各单井采出的天然气和水中由于只经过了一次井下分离，气相中含有少量液相和砂；液相中含有少量气相和砂。同时，在井下生产中，不可避免产生井筒段塞流，因此，为了提高单井生产效率、降低气相管道含砂的冲蚀风险、提高下游海底管道与立管的输送效率、支撑中心汇集系统液相回注功能，在水下井口设置了气液分离器；为了缓解气液分离器的砂沉积风险，在气液分离器内设置了冲砂与排砂系统，排出的砂通过增压后并入液相海底管道，通过液相海底管道进行携砂输运。同时，在水下井口区域设置了气相旁路与液相旁路，在气液分离器或排砂系统需要检修时临时进行气相与液相输送。

(3)在海底中心汇集系统中，提供了多井汇集的功能，主要考虑是提高可燃冰区块的总体采集能力；对汇集后的液相提供了集中增压功能；对汇集后的气相暂未考虑集中增压，当产量规模足够时，可以考虑在中心汇集系统设置水下压缩机。由于可燃冰成藏的条件较为清洁，采出物为地层水、天然气(以甲烷为主)和地层砂，具备直接进行回注的条件，这样可避免将全部产出的介质集中举升至水面处理，造成能耗的浪费。

本发明还提供了一种基于水平井降压开采的可燃冰水下采集方法，包括以下步骤：

步骤一：在水下井口处设置气液分离器，井下井筒产出的天然气通过气相采出管道输送至气液分离器，环空产出的采出水通过液相采出管道输送至气液分离器。

其中，海域可燃冰井下开采至海床的基本方法为：海域可燃冰生产是在井下进行降压，压力降低使可燃冰藏进行分解，生成天然气、采出水，同时携带出部分砂粒。分解后的产物，经井下气液一级分离和井下电潜泵液相升压后，天然气通过井筒输送至海床，采出水通过环空输送至海床。受分离效率的影响，井下可燃冰降压分解后输送至海床的天然气(含少量水、砂)和采出水(含少量天然气、砂)理论上为多相介质，并非单相流体。其中，分解后的天然气和采出水的压力为3～5MPa，天然气在井下不进行增压，通过剩余压力排出，采出水在井下可利用电潜泵进行增压；同时，通过水面提供的脐带缆，为井下生产控制提供举升气和增产液(水合物抑制剂)。

首口单井初期投产时，由于井下井筒(理想介质主要为天然气)和井下环空(理想介质主要为水)尚未建立稳定的生产平衡。井筒内部压力为完井后的终止压力，需要通过减压后才能诱发井下天然气水合物分解。逐步开井时，开启水下电潜泵抽吸逐步降低井下压力，配合开启井口气相井口截断阀和液相井口截断阀，缓慢开启气相井口调节阀和液相井口调节阀，建立井下与井口的压力差，天然气与水分别由井口产出，并调压后进入气液分离器；开启气液分离器的气相出口截断阀、液相出口截断阀和液相出口增压泵，打通海底管道的气相和液相流道；开启中心系统液相入口截断阀、中心系统气相入口截断阀以及液相立管增压泵，打通气相立管及液相立管举升通道；由此，从井口至立管的气相通道不断充压，最终达到设定的运行压力，并投入运行；从井口至立管的液相通道不断充水排气，直至形成稳定的压力控制梯度，并投入运行；同时，利用连接到单井的脐带缆，向井下注入水合物抑制剂，并提供井下潜在需求的举升气(氮气)的供应。

步骤二：当已经运行多口井，并准备投产一口新井时，开井前，从水下汇集区域的液相管道内分别取液，对气液分离器液相出口下游的液相海底管道32进行排气充水，排出的气通过气液分离器进入气相海底管道；然后开启水下电潜泵抽吸逐步降低井下压力，配合开启气相井口截断阀、液相井口截断阀，缓慢开启气相井口调节阀、液相井口调节阀，建立井下-井口的压力差，天然气与水分别井口产出，并调压后进入气液分离器；开启气相出口截断阀、液相出口截断阀、液相出口增压泵，打通海底管道的气相和液相流道；当气相海底管道压力达到水下汇集区域气相压力后，开启中心系统气相入口截断阀；当液相海底管道压力达到水下汇集区域液相压力后，开启中心系统液相入口截断阀。由此，新开井口投入运行。同时，利用连接到单井的脐带缆，向井下注入水合物抑制剂，并提供井下潜在需求的举升气(氮气)的供应。

步骤三：多口井正常生产时，由于井下降压生产较为稳定，井口区域基本保持正常生产。开启冲砂入口截断阀和冲砂液调节阀，利用水面中心平台连接的脐带缆提供处理后的冲砂水，保持平台冲砂水稳定供应，利用气液分离器内部的多处喷嘴，持续、均匀破坏分离器内部形成的稳定积砂层；开启冲砂出口截断阀和冲砂液出口调节阀，在易积砂区域实施持续的抽吸，排出的液砂混合物经冲砂液相泵增压后，与增压的液相混合；开启海底中心汇集系统各处来气和来液的截断阀。当水下具备回注条件时，开启海底中心汇集系统的回注截断阀和回注泵，并调节液相立管调节阀开度，控制海底中心汇集系统送往海上平台和回注井的液相分配流量，回注泵下游管道连接新建回注管道，也可在利用已建且停产的天然气水合物生产井作为回注井时，接入该井的气相输送管道，形成反输通道。多井正常生产时，控制分离器下游的气相输送压力在3MPa～4MPa，按照深海1000m左右海流温度3℃考虑，系统可不考虑在海底加注水合物抑制剂。

其中，当单井井口气液分离器需要检修时，关闭单井井口的气相井口截断阀、液相井口截断阀、气相出口截断阀和液相出口截断阀，开启气相旁路第一截断阀、气相旁路调节阀、气相旁路第二截断阀、气相旁路管道、液相旁路第一截断阀、液相旁路调节阀、液相旁路第二截断阀以及液相旁路管道，形成备用通路，使该单井临时生产。

本发明并不局限于前述的具体实施方式，本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统，其特征在于：包括井口分离系统、管道输送系统、海底中心汇集系统以及公用工程系统；

所述井口分离系统设置在水下井口处，所述井口分离系统包括气液分离器(7)，所述气液分离器(7)的气液相进口分别与气相采出系统和液相采出系统相连，所述气液分离器(7)用于在各可燃冰水下井口下游进行采出介质的二次分离，所述气液分离器(7)底部与冲砂系统连接，所述冲砂系统用于清除气液分离器(7)内积存的砂粒，所述气液分离器(7)的气液相出口通过管道输送系统与海底中心汇集系统相连；

所述海底中心汇集系统用于对管道输送系统输送来的各生产井产出的气相和液相进行集中汇集；所述公用工程系统通过管道与冲砂系统相连，所述公用工程系统用于依托水上中心处理平台，为水下各单井和海底中心汇集系统进行管控。

2.根据权利要求1所述的基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统，其特征在于：所述气相采出系统包括气相采出管道(5)以及设置在气相采出管道(5)上的气相井口截断阀(1)和气相井口调节阀(2)，所述液相采出系统包括液相采出管道(6)以及设置在液相采出管道(6)上的液相井口截断阀(3)和液相井口调节阀(4)，所述气相采出管道(5)和液相采出管道(6)分别连接井口气相与液相接口，将产出的气相和液相分别输送至气液分离器(7)。

3.根据权利要求2所述的基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统，其特征在于：所述管道输送系统包括气相海底管道(31)、液相海底管道(32)、气相立管(33)以及液相立管(34)，所述气液分离器(7)通过气相海底管道(31)和液相海底管道(32)与海底中心汇集系统相连，所述海底中心汇集系统汇集后的气相和液相分别输出至气相立管(33)和液相立管(34)。

4.根据权利要求3所述的基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统，其特征在于：所述气相采出管道(5)与气相海底管道(31)通过气相旁路管路系统相连，所述液相采出管道(6)与液相海底管道(32)通过液相旁路管路系统相连，所述气相旁路管路系统和液相旁路管路系统用于井口产出介质不经过气液分离器(7)而直接进入下游的气相海底管道(31)和液相海底管道(32)。

5.根据权利要求4所述的基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统，其特征在于：所述气相旁路管路系统包括气相旁路管道(21)以及设置在气相旁路管道(21)上的气相旁路第一截断阀(18)、气相旁路调节阀(19)以及气相旁路第二截断阀(20)，所述气相旁路管道(21)用于连通气相采出管道(5)与气相海底管道(31)；所述液相旁路管路系统包括液相旁路管道(25)以及设置在液相旁路管道(25)上的液相旁路第一截断阀(22)、液相旁路调节阀(23)以及液相旁路第二截断阀(24)，所述液相旁路管道(25)用于连通液相采出管道(6)与液相海底管道(32)。

6.根据权利要求3所述的基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统，其特征在于：所述冲砂系统包括冲砂液入口管道(13)和冲砂液排出管道(17)，所述气液分离器(7)底部通过冲砂液入口管道(13)与公用工程系统相连，所述气液分离器(7)底部通过冲砂液排出管道(17)与液相海底管道(32)相连，在所述冲砂液入口管道(13)上设置有冲砂入口截断阀(11)和冲砂液调节阀(12)，在所述冲砂液排出管道(17)上设置有冲砂出口截断阀(14)、冲砂液出口调节阀(15)和冲砂液相泵(16)。

7.根据权利要求3所述的基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统，其特征在于：所述海底中心汇集系统包括气相汇管(42)和液相汇管(44)，所述气相汇管(42)预留多个接口，用于汇集各条气相海底管道(31)的气相介质，并输出至气相立管(33)，在每条气相海底管道(31)上分别设置有气相出口截断阀(8)和中心系统气相入口截断阀(41)，所述液相汇管(44)预留多个接口，用于汇集各条液相海底管道(32)的液相介质，并输出至液相立管(34)和/或回注管道(50)，在每条液相海底管道(32)上分别设置有液相出口截断阀(9)、液相出口增压泵(10)以及中心系统液相入口截断阀(43)，在所述液相立管(34)上设置有液相立管入口截断阀(45)、液相立管调节阀(46)和液相立管增压泵(47)，在所述回注管道(50)上设置有回注截断阀(48)和回注泵(49)。

8.根据权利要求6所述的基于水平井降压开采的可燃冰水下采集系统，其特征在于：所述公用工程系统包括脐带缆(51)、分配器(52)、冲砂液管道(53)、水合物抑制剂管道(54)以及举升气管道(55)，所述脐带缆(51)连接水上平台中心与单井井口系统，所述分配器(52)设置在井口，用于将各种管道、能量与信号管线进行分离与接出，所述冲砂液管道(53)与冲砂液入口管道(13)相连，所述水合物抑制剂管道(54)用于为井下和井口提供水合物抑制剂，所述举升气管道(55)用于为井下提供高压氮气，维持井下气相通道的举升能力，支撑井下系统的压力控制。

9.一种基于水平井降压开采的可燃冰水下采集方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：在水下井口处设置气液分离器，井下井筒产出的天然气通过气相采出管道输送至气液分离器，环空产出的采出水通过液相采出管道输送至气液分离器；

逐步开井时，开启水下电潜泵抽吸逐步降低井下压力，配合开启井口气相井口截断阀和液相井口截断阀，缓慢开启气相井口调节阀和液相井口调节阀，建立井下与井口的压力差，天然气与水分别由井口产出，并调压后进入气液分离器；开启气液分离器的气相出口截断阀、液相出口截断阀和液相出口增压泵，打通海底管道的气相和液相流道；开启中心系统液相入口截断阀、中心系统气相入口截断阀以及液相立管增压泵，打通气相立管及液相立管举升通道；由此，从井口至立管的气相通道不断充压，最终达到设定的运行压力，并投入运行；从井口至立管的液相通道不断充水排气，直至形成稳定的压力控制梯度，并投入运行；

步骤二：当已经运行多口井，并准备投产一口新井时，开井前，从水下汇集区域的液相管道内分别取液，对气液分离器液相出口下游的液相海底管道32进行排气充水，排出的气通过气液分离器进入气相海底管道，然后按照步骤一的开井操作运行；

步骤三：多口井正常生产时，开启冲砂入口截断阀和冲砂液调节阀，利用水面中心平台连接的脐带缆提供处理后的冲砂水，保持平台冲砂水稳定供应，利用气液分离器内部的多处喷嘴，持续、均匀破坏分离器内部形成的稳定积砂层；开启冲砂出口截断阀和冲砂液出口调节阀，在易积砂区域实施持续的抽吸，排出的液砂混合物经冲砂液相泵增压后，与增压的液相混合；开启海底中心汇集系统各处来气和来液的截断阀。

10.根据权利要求9所述的基于水平井降压开采的可燃冰水下采集方法，其特征在于：当水下具备回注条件时，开启海底中心汇集系统的回注截断阀和回注泵，并调节液相立管调节阀开度，控制海底中心汇集系统送往海上平台和回注井的液相分配流量，回注泵下游管道连接新建回注管道，也可在利用已建且停产的天然气水合物生产井作为回注井时，接入该井的气相输送管道，形成反输通道；

当单井井口气液分离器需要检修时，关闭单井井口的气相井口截断阀、液相井口截断阀、气相出口截断阀和液相出口截断阀，开启气相旁路第一截断阀、气相旁路调节阀、气相旁路第二截断阀、气相旁路管道、液相旁路第一截断阀、液相旁路调节阀、液相旁路第二截断阀以及液相旁路管道，形成备用通路，使该单井临时生产。

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