阅读说明：本技术 一种海相天然气水合物的开采方法及开采装置 (Exploitation method and exploitation device for marine natural gas hydrate ) 是由 李小森 申鹏飞 李刚 陈朝阳 张郁 王屹 刘建武 于 2019-11-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种海相天然气水合物的开采方法及开采装置。该开采方法,包括如下步骤：(1)完成垂直井的构建后构造固定管,固定管中心设置开采井,固定管内壁和开采井外壁之间填充混合均匀的混合物；(2)自激振荡射流喷嘴沿垂直井进入到开采井内,通过开采井上的孔口到达指定位置对混合物进行喷射,进而使得混合物均匀打碎,形成人造裂缝；(3)在相应温度之下,进行降压开采,水合物分解产气；(4)开采井开采出来的气液混合物在气液分离装置内进行分离得到液体和气体,收集得到的液体和气体。本发明提出的开采方法有稳定降压开采、提高开采效率、高浓度天然气的回收、自动化操作和远程控制的优点,能为海相天然气水合物的开采提供指导。(The invention discloses a method and a device for exploiting marine natural gas hydrate. The mining method comprises the following steps: (1) constructing a fixed pipe after the construction of the vertical well is completed, arranging a production well in the center of the fixed pipe, and filling a uniformly mixed mixture between the inner wall of the fixed pipe and the outer wall of the production well; (2) the self-oscillation jet nozzle enters the exploitation well along the vertical well, and reaches a designated position through an orifice on the exploitation well to jet the mixture, so that the mixture is uniformly broken to form artificial cracks; (3) carrying out decompression exploitation under the corresponding temperature, and decomposing the hydrate to generate gas; (4) and separating the gas-liquid mixture produced by the production well in a gas-liquid separation device to obtain liquid and gas, and collecting the obtained liquid and gas. The exploitation method provided by the invention has the advantages of stable decompression exploitation, improvement of exploitation efficiency, recovery of high-concentration natural gas, automatic operation and remote control, and can provide guidance for exploitation of marine natural gas hydrate.)

一种海相天然气水合物的开采方法及开采装置

技术领域：

本发明属于能源技术领域，具体涉及一种海相天然气水合物的开采方法及开采装置。

背景技术：

天然气水合物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，因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”，其资源密度高，全球分布广泛，具有极高的资源价值，被认为是最有应用前景的能替代石油等化石能源的新能源之一，2017年11月3日，国务院正式批准将天然气水合物列为新矿种，成为我国第173个矿种。

天然气水合物降压开采方法，它是指利用降低水合物藏的压力从而破坏水合物相平衡稳定,进而促使其分解的一种开采方法，是所有开采方法中最有发展前景的，因而可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一。2013年，日本在爱知县渥美半岛以南70公里、水深1000米处海底开采出可燃冰，6天之内成功开采出12万立方米天然气气体，成为世界上首次开采出海底可燃冰的国家，为期6天的开采结束主要原因是泥沙堵住钻井通道，导致开采井堵塞，气体无法产出。2017年3月28日，我国在珠海市东南320千米南海北部的神狐海域，开始第一口试采井的钻探，5月10日下午14时52分点火成功，从水深1266米海底以下203-277米的天然气水合物矿藏开采出天然气，截至6月10日下午，试采总产气量达到21万立方米，平均日产6800立方米，取得了持续产气时间长、气流稳定、环境安全等多项重大突破性成果。对于这两次海底天然气水合物藏的开采，采用的方法都是降压开采，都存在海底泥沙堵塞开采井、开采效率低的情况。

对低渗透率的海相沉积物开采效率低的原因深入分析，发现降压开采方法依靠压力的下降来破坏天然气水合物的相平衡条件，造成水合物的分解，但是对于低渗透性的海相沉积物，传统的水力压裂无法造成储层的渗透性提高，因为水力压裂造成的裂缝很快被粉质泥沙等极细颗粒物填充密闭，而水合物储层的渗透率决定着降压开采的成败，同时，大量研究表明降压幅度的增大会造成大量二次水合物的生成，因此，如何提高储层的渗透性又保证不被泥沙堵塞、抑制二次水合物的生成成为降压开采海相天然气水合物的关键。

发明内容

：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种海相天然气水合物的开采方法及开采装置，本发明提出的开采方法可实现自动化操作和远程控制，可有效阻止开采井出砂、提高开采井周边渗透性和抑制开采井内二次水合物生成，实现稳定降压开采、提高开采效率及高浓度天然气的回收。

本发明的目的在于提供一种海相天然气水合物的开采方法，包括如下步骤：

(1)构造人工防砂井壁：对一个水合物生产区域进行开采时，先完成垂直井的构建，待垂直井到达水合物层后，在水合物层内设置固定管，在固定管中心设置开采井，固定管内壁和开采井外壁之间填充混合均匀的疏水多孔材料和无机透水砼增强剂的混合物，所述的混合物胶接成型，即构成人工防砂井壁；

(2)水力射流增透人工防砂井壁：自激振荡射流喷嘴沿垂直井进入到固定管的开采井内，通过开采井上的孔口到达指定位置对混合物进行喷射，进而使得胶接成型的混合物均匀打碎，形成人造裂缝；

(3)降压开采：在相应温度之下，开采压力低于天然气水合物相平衡的压力时，水合物分解产气，智能控制系统根据温度传感器和压力传感器的条件判定升温装置和抑制剂循环装置的启动与停止，当温度传感器和压力传感器测得的温度和压力对应点在天然气水合物相平衡之下时，升温装置和抑制剂循环装置自动启动，升温装置为固定管的外层持续加热，抑制剂循环装置中的抑制剂喷嘴将抑制剂喷向开采井井口，抑制固定管外层和井底二次水合物的形成；

(4)气液分离：开采井开采出来的气液混合物在气液分离装置内进行分离得到液体和气体，液体从排液口排出至上泥层，气体从出气口沿垂直井到达气体增压室，当压力高于设定压力值时，气体上升至海上平台，完成气体的收集。

步骤(1)中，固定管的直径根据水合物层的渗流条件确定，构造完成的固定管内填充疏水多孔材料和无机透水砼增强剂，两者均匀混合填满整个固定管并胶接成型，此步骤的目的是利用疏水多孔材料的孔隙来通过分解产出的气体和液体，将海泥阻挡在固定管之外。

步骤(2)中人造裂缝是为了提高开采井周边的渗透性，提高产气效率。

步骤(3)中在相应温度之下，开采压力低于天然气水合物相平衡的压力时，水合物分解产气，由于水合物分解过程中会造成周围的温度降低，此时天然气水合物相平衡的压力也随之降低，这导致开采井与固定管管壁很容易出现二次水合物，造成管体的堵塞，因此采用智能控制系统，智能控制系统可根据温度传感器和压力传感器的条件判定升温装置和抑制剂循环装置的启动与停止，当温度及压力的对应点在天然气水合物相平衡之下时，升温装置和抑制剂循环装置自动启动，为固定管的外层持续加热，同时抑制剂喷向开采井井口，有效抑制固定管外层和井底二次水合物的形成。

优选地，所述的疏水多孔材料和无机透水砼增强剂的混合物中疏水多孔材料和无机透水砼增强剂的质量比为1000:1-10:1。

优选地，所述的开采井为竖直开采井或水平开采井。

本发明还保护了实现上述海相天然气水合物的开采方法的海相天然气水合物的的开采装置，包括人工防砂井壁系统、水力射流增透系统、降压开采系统和气液分离控制系统；所述的人工防砂井壁系统包括埋藏在水合物层的固定管，所述的水力射流增透系统包括自激振荡射流喷嘴；所述的降压开采系统包括垂直井、设置在固定管中心的开采井、设置在固定管外部的升温装置和设置在固定管外部的抑制剂循环装置，抑制剂循环装置包括设置于开采井外部的抑制剂喷嘴和设置于固定管外部的抑制剂回收仓，自激振荡射流喷嘴沿垂直井进入到固定管的开采井内，通过开采井上的孔口到达指定位置对混合物进行喷射，进而使得混合物均匀打碎，形成人造裂缝；所述的气液分离控制系统包括气液分离装置、气体增压室和智能控制系统，智能控制系统根据设置在固定管外部的温度传感器和压力传感器的条件判定升温装置和抑制剂循环装置的启动与停止，开采井开采出来的气液混合物在气液分离装置内进行分离得到液体和气体，液体从排液口排出至上泥层，气体从出气口沿垂直井到达气体增压室，当压力高于设定压力值时，气体上升至海上平台，完成气体的收集。

优选地，所述的开采井外部设置有防止极细颗粒物混入到水平开采井内的内层网和外层网，所述的内层网和外层网上均设置有用于气液混合物流入的孔口。

进一步优选，所述的升温装置为加热丝，所述的加热丝均匀设置于固定管的外层，当温度传感器和压力传感器测得的温度及压力的对应点在天然气水合物相平衡之下时，加热丝为固定管的外层持续加热，破除在固定管外层生成的水合物，保证气体从开采井的孔口进入开采井。

固定管的外层均匀布置加热丝，智能控制系统可根据温度传感器和压力传感器的条件判定升温装置的启动与停止，当温度及压力的对应点在天然气水合物相平衡之下时，升温装置自动开启，为固定管的外层持续加热，破除在固定管外层生成的水合物，保证气体可从孔口进入开采井；从开采井开采出来的气液混合物在气液分离装置内进行分离，液体从排液口排出至上泥层，气体从出气口沿垂直井到达气体增压室，当压力高于设定压力值时，气体上升至海上平台。

优选地，所述的固定管内壁和开采井外壁之间填充有疏水多孔材料和无机透水砼增强剂的混合物。疏水多孔材料对水无亲和性，在水中聚集成块，无机透水砼增强剂与疏水多孔材料反应形成高分子聚合物的水化体，不易被水分散，大幅度提高水化体的抗压和粘结强度，增强疏水多孔材料的抗冻融性、耐久性和耐候性。

固定管提前预埋在水合物层中，开采井套设于固定管内部，从疏水多孔材料仓出来的疏水多孔材料与无机透水砼增强剂储罐出来的无机透水砼增强剂混合之后经液压增压器作用，通过垂直井进入并充满整个开采井外壁和固定管内壁之间，在无机透水砼增强剂的作用下胶接成型；自激振荡射流喷嘴可以在固定管及开采井内定向移动，可根据需求到达指定位置对疏水多孔材料进行喷射，进而使得与无机透水砼增强剂胶接成型的疏水多孔材料均匀打碎，形成人造裂缝；抑制剂循环装置可由智能控制系统控制抑制剂喷嘴的开启与停止，当抑制剂喷嘴开启时，抑制剂喷向开采井井口，抑制井底二次水合物的形成，当抑制剂喷嘴停止时，多余的抑制剂到抑制剂回收仓。

本发明的有益效果是：本发明提出的开采方法可实现自动化操作和远程控制，可有效阻止开采井出砂、提高开采井周边渗透性和抑制开采井内二次水合物生成，实现稳定降压开采、提高开采效率及高浓度天然气的回收。

附图说明：

图1为本发明海相天然气水合物的的开采装置的结构示意图，图中的虚线箭头为气液流动方向；

图2为图1中固定管纵向切面结构示意图；

附图标记说明：

1、生产单元边界；2、海水层；3、上泥层；4、水合物层；5、下泥层；6、自激振荡射流喷嘴；7、水平开采井；8、固定管；8-1、固定管外层；8-2、固定管内层；9、孔口；10、疏水多孔材料；11、人造裂缝；12、水力射流软管；13、抑制剂回收仓；14、抑制剂喷嘴；15、温度传感器；16、压力传感器；17、升温装置；18、排液口；19、出气口；20、气液分离装置；21、增压室；22、垂直井；23、疏水多孔材料仓；24、无机透水砼增强剂储罐；25、磨料缓冲罐；26、液压增压器；27、海上平台；28、智能控制系统；29、气液流动方向。

具体实施方式

：

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

除特别说明，本发明中提到的设备和材料均为市售。SR-无机透水砼增强剂购自南京佳境

实施例1：

如图1和图2所示，一个水合物生产区域进行开采时，先确定生产单元边界1，生产单元自上而下分为海水层2、上泥层3、水合物层4和下泥层5，水合物的气液流动方向29如图1所示。

海相天然气水合物的的开采装置，包括人工防砂井壁系统、水力射流增透系统、降压开采系统和气液分离控制系统；人工防砂井壁系统包括埋藏在水合物层4的固定管8，水力射流增透系统包括水力射流软管12、自激振荡射流喷嘴6和存储在磨料缓冲罐25内的射流磨料；降压开采系统包括垂直井22、设置在固定管8中心的开采井、设置在固定管8外部的升温装置和设置在固定管8外部的抑制剂循环装置，固定管内壁和开采井外壁之间填充有疏水多孔材料和无机透水砼增强剂的混合物，抑制剂循环装置包括设置于开采井外部的抑制剂喷嘴14和设置于固定管8外部的抑制剂回收仓13，自激振荡射流喷嘴6沿垂直井22进入到固定管8的开采井内，通过开采井上的孔口9到达指定位置对混合物进行喷射，进而使得混合物均匀打碎，形成人造裂缝；气液分离控制系统包括气液分离装置20、气体增压室21和智能控制系统28，智能控制系统28根据设置在固定管8外部的温度传感器15和压力传感器16的条件判定升温装置17和抑制剂循环装置的启动与停止。

开采井根据实际的开采位置可设置为竖直开采井或水平开采井，气液分离装置20为只要能实现水合物气液分离的装置即可，本实施例中优选开采井为水平开采井7，气液分离装置20优选为离心力分离和拆流分离结构的分离器，水平开采井7开采出来的气液混合物在气液分离装置20内进行分离得到液体和气体，液体从排液口18排出至上泥层3，气体从出气口19沿垂直井22到达气体增压室21，当压力高于设定压力值时，气体上升至海上平台27，完成气体的收集。

水平开采井7外部设置有防止极细颗粒物混入到水平开采井7内的内层滤网和防止大颗粒物混入到水平开采井7内的外层滤网，水平开采井7上设置有用于气液混合物流入的孔口9，固定管8外部设置有固定管外层8-1和固定管内层8-2，固定管外层8-1为工字钢均匀排布，该设置的作用是防止大颗粒物混入到固定管内，固定管内层8-2为滤网，作用是防止极细颗粒物混入到固定管8内。在本实施例中，升温装置17为加热丝，加热丝均匀设置于固定管8的外层，当温度传感器15和压力传感器16测得的温度及压力的对应点在天然气水合物相平衡之下时，加热丝为固定管8的外层持续加热，破除在固定管8外层生成的水合物，保证气体从水平开采井7的孔口9进入水平开采井7。

疏水多孔材料为硅藻土、气体凝胶或泡沫合金，疏水多孔材料和无机透水砼增强剂的质量比为1000:1-10:1，疏水多孔材料对水无亲和性，在水中聚集成块，无机透水砼增强剂与疏水多孔材料反应形成高分子聚合物的水化体，不易被水分散，大幅度提高水化体的抗压和粘结强度，增强疏水多孔材料的抗冻融性、耐久性和耐候性。

固定管8提前预埋在水合物层4中，水平开采井7套设于固定管8内部，从疏水多孔材料仓23出来的疏水多孔材料10与无机透水砼增强剂储罐24出来的无机透水砼增强剂混合之后经液压增压器26作用，通过垂直井22进入并充满整个水平开采井7外壁和固定管8内壁之间，疏水多孔材料10在无机透水砼增强剂的作用下胶接成型；磨料缓冲罐25的磨料在恒压恒速泵的作用下，通过自激振荡射流喷嘴6高压射出，对固定管8内的胶接成型物进行喷射，自激振荡射流喷嘴6与水力射流软管12连接，实现自激振荡射流喷嘴6在固定管8及水平开采井7内定向移动，可根据需求到达指定位置对疏水多孔材料10进行喷射，进而使得与无机透水砼增强剂胶接成型的疏水多孔材料10均匀打碎，形成人造裂缝11；抑制剂循环装置可由智能控制系统28控制抑制剂喷嘴14的开启与停止，当抑制剂喷嘴14开启时，抑制剂喷向开采井井口，抑制井底二次水合物的形成，当抑制剂喷嘴14停止时，多余的抑制剂到抑制剂回收仓13。

通过上述海相天然气水合物的开采装置得到的海相天然气水合物的开采方法，包括如下步骤：

(1)对一个水合物生产区域进行开采时，通过钻井技术先完成垂直井的构建，到达水合物层中间后构造水平固定管，水平固定管的直径根据水合物层的渗流条件确定，构造完成的固定管内填充疏水多孔材料和无机透水砼增强剂的混合物，疏水多孔材料和无机透水砼增强剂的混合物中疏水多孔材料和无机透水砼增强剂的质量比为1000:1-10:1，两者均匀混合填满固定管内壁和水平开采井外壁并胶接成型，此步骤的目的是利用疏水多孔材料的孔隙来通过分解产出的气体和液体，将海泥阻挡在固定管之外；在固定管内部的疏水多孔材料中部布置水平开采井，水平开采井分内、外两层，均设有细网和孔口，细网防止极细颗粒物混入到水平开采井内，孔口用于气体和液体的流入构造人工防砂井壁；

(2)水力射流增透人工防砂井壁：自激振荡射流喷嘴沿垂直井进入到固定管的开采井内，通过开采井上的孔口到达指定位置对混合物进行喷射，进而使得胶接成型的混合物均匀打碎，形成人造裂缝，人造裂缝是为了提高开采井周边的渗透性，提高产气效率；

(3)降压开采：在相应温度之下，开采压力低于天然气水合物相平衡的压力时，水合物分解产气，由于水合物分解过程中会造成周围的温度降低，此时天然气水合物相平衡的压力也随之降低，这导致开采井与固定管管壁很容易出现二次水合物，造成管体的堵塞，智能控制系统根据温度传感器和压力传感器的条件判定升温装置和抑制剂循环装置的启动与停止，当温度传感器和压力传感器测得的温度和压力对应点在天然气水合物相平衡之下时，升温装置和抑制剂循环装置自动启动，升温装置为固定管的外层持续加热，抑制剂循环装置中的抑制剂喷嘴将抑制剂喷向开采井井口，抑制固定管外层和井底二次水合物的形成；

(4)气液分离：水平开采井开采出来的气液混合物在气液分离装置内进行分离得到液体和气体，液体从排液口排出至上泥层，气体从出气口沿垂直井到达气体增压室，当压力高于设定压力值时，气体上升至海上平台，完成气体的收集。

实施例2：

参考实施例1的海相天然气水合物的开采方法及开采装置，对水合物藏进行开采，疏水多孔材料为硅藻土、气体凝胶或泡沫合金，疏水多孔材料和无机透水砼增强剂的质量比为1000:1-10:1，本实施例优选疏水多孔材料为硅藻土，无机透水砼增强剂为SR-无机透水砼增强剂，疏水多孔材料和无机透水砼增强剂的质量比为100:1，开采压力为3MPa,水合物分离产生的气液混合物进入水平井后，气体从出气口沿垂直井到达气体增压室，当压力高于设定压力值时，由垂直井采出，完成气体的收集，使用本实施例的开采方法得到的天然气浓度高，产气速率是现有技术(未使用实施例2的人工防砂井壁)的产气速率的4倍以上。

以上对本发明提供的海相天然气水合物的开采方法及开采装置进行了详细的介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。