本发明涉及能源开采技术领域，具体地涉及一种用于开采海洋水合物的双连通井结构及方法。
背景技术
自工业革命以来，全球的能源需求就持续增加，近几年来，随着常规石油资源的减少，能源问题变得越来越严峻，各个国家开始将眼光转向非常规能源。其中，天然气水合物资源尤其受到人们的关注。天然气水合物，也叫可燃冰，是一种储量丰富的、较为洁净的新型能源。它主要是由天然气在足够低的温度和足够高的压力下，与水结合生成的。根据多年来的调研发现，自然界中原有的天然气水合物主要分布在高纬度地区的极地冻土带及全球范围内的深海海底、陆坡、陆基及海沟中，极端的储层环境使得开采海洋中的天然气水合物困难重重。一般情况下，先要设法使水合物分解，然后再采集游离出来的天然气。
目前，用于开采天然气水合物的方法可以分为注热法、降压法、化学剂法以及二氧化碳置换法。其中，注热法是在地面利用电泵将带有一定温度的热流体注入到海洋中的天然气水合物储层里，或者采用火驱等井下加热方法，提升储层内的体系温度，促使天然气水合物分解；降压法是通过降低储层体系压力，在一定程度上改变水合物的相平衡，促使天然气水合物分解；化学剂法是通过注入甲醇类的化学剂，促使天然气水合物分解；二氧化碳置换法是通过从地面向储层中注入一定压力、温度的二氧化碳，置换出天然气水合物中的甲烷，促使天然气水合物分解。
虽然上述四种方法能够实现天然气水合物的开采，但水合物储层较低的传热效率和导流能力至今仍是开采天然气水合物的两大难题。因此，如何提高储层传热效率和导流能力，以提高天然气水合物的开采效率，节约成本，是目前全球关注的热点问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于开采海洋水合物的双连通井结构及方法，以提高储层传热效率和导流能力，实现天然气水合物的高效开采。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种用于开采海洋水合物的双连通井结构，所述双连通井结构包括从海平面延伸至水合物层的第一注入井、第二注入井和生产井，其中，所述第一注入井用于注入二氧化碳，所述第二注入井用于注入热流体或水合物分解促进剂，所述生产井用于回收所述水合物层的分解产物；
所述双连通井结构还包括位于所述水合物层的第一连通井和第二连通井，所述第一连通井间隔地位于所述第二连通井的下方，其中：所述第一连通井的入口端与所述第一注入井的出口端连通，所述第一连通井的出口端与所述生产井的入口端连通，所述第一连通井用于将所述二氧化碳向上注入所述水合物层，同时收集所述水合物层的分解产物；所述第二连通井的入口端与所述第二注入井的出口端连通，所述第二连通井的出口端与所述生产井的入口端连通，所述第二连通井用于将所述热流体或水合物分解促进剂向下注入所述水合物层，同时收集所述水合物层的分解产物。
优选地，所述第一连通井和所述第二连通井均形成为水平井。
优选地，所述第二连通井的中心轴线位于距离所述水合物层的顶面的1/6-1/8处，所述第一连通井的中心轴线位于距离所述水合物层的底面的1/6-1/8处。
优选地，所述第一连通井和所述第二连通井均采用筛管；或者
所述第一连通井的顶壁上开设有多个第一开孔，该多个第一开孔沿所述第一连通井的延伸方向间隔排布；所述第二连通井的底壁上开设有多个第二开孔，该多个第二开孔沿所述第二连通井的延伸方向间隔排布。
优选地，所述双连通井结构包括用于提高进入所述第一连通井内流体压力的增压装置。
优选地，所述增压装置位于所述第一注入井的出口端或所述第一连通井的入口端处，所述增压装置设置为阻断所述第一注入井和所述第一连通井的直接连通，所述增压装置包括呈莲蓬状的喷嘴，所述喷嘴的入口与所述第一注入井连通，所述喷嘴的喷口与所述第一连通井连通。
本发明另一方面提供一种用于开采海洋水合物的方法，所述方法包括：
s1、分别从水合物层的两个不同高度沿相对的方向向所述水合物层中同时注入热流体或水合物分解促进剂以及二氧化碳，以在所述水合物层中形成流动通道；
s2、从所述两个不同高度收集所述水合物层的分解产物。
优选地，所述s1包括：以300～400m3/日的速度注入温度为80℃～90℃的所述热流体或水合物分解促进剂，以200～300m3/日的速度注入温度为60℃～90℃的所述二氧化碳；和/或
所述水合物分解促进剂采用质量浓度为5％～25％的盐水。
优选地，所述方法包括：当所述分解产物的产量稳定时，以每日减少2％～5％的速率分别调节所述热流体或水合物分解促进剂以及所述二氧化碳的注入量。
优选地，所述方法采用以上所述的双连通井结构。
本发明的双连通井结构通过在水合物层设置上下间隔排布的两个连通井，能够在两个连通井之间形成压差，在压差的作用下，水合物层内会形成相应的流动通道，以利于注入流体和水合物层中流体的流动，增大注入流体与水合物层的接触面积，而且流体的流动还能够带动热量的交换，从而能够提高水合物层的传热效率和导流能力，提升天然气水合物的开采效率。另外，本发明通过向水合物层注入二氧化碳，将注热法和置换法结合在一起，能够进一步提升天然气水合物的开采效率，同时维持储层的稳定性。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明中双连通井结构的一种实施方式的结构示意图；
图2是本发明中增压装置的一种实施方式的结构示意图。
附图标记说明
10第一注入井101第一注入井井口
11第二注入井111第二注入井井口
12生产井121生产井井口
13第一连通井14第二连通井
15增压装置151喷嘴
152壳体153密封件
20海平面21水合物层
22盖层23地层
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指安装使用状态下的上、下。“内、外”是指相对于各部件本身轮廓的内、外。
本发明中，为了便于理解，将海洋的内部结构简单地分为由上至下依次分布的海平面20、海水层、盖层22、水合物层21以及地层23。
本发明一方面提供一种用于开采海洋水合物的双连通井结构，所述双连通井结构包括从海平面20延伸至水合物层21的第一注入井10、第二注入井11和生产井12，其中，所述第一注入井10用于注入二氧化碳，所述第二注入井11用于注入热流体或水合物分解促进剂，所述生产井12用于回收所述水合物层21的分解产物；所述双连通井结构还包括位于所述水合物层21的第一连通井13和第二连通井14，所述第一连通井13间隔地位于所述第二连通井14的下方，其中：所述第一连通井13的入口端与所述第一注入井10的出口端连通，所述第一连通井13的出口端与所述生产井12的入口端连通，所述第一连通井13用于将所述二氧化碳向上注入所述水合物层21，同时收集所述水合物层21的分解产物；所述第二连通井14的入口端与所述第二注入井11的出口端连通，所述第二连通井14的出口端与所述生产井12的入口端连通，所述第二连通井14用于将所述热流体或水合物分解促进剂向下注入所述水合物层21，同时收集所述水合物层21的分解产物。
也就是说，由第一注入井10注入的二氧化碳可经第一连通井13释放至水合物层21中，由第二注入井11注入的热流体或水合物分解促进剂可经第二连通井14释放至水合物层21中，而水合物层21中的分解产物可通过第一连通井13和第二连通井14收集而进入生产井12中以进行回收。
本发明的双连通井结构通过在水合物层21设置上下间隔排布的两个连通井(即第一连通井13和第二连通井14)，由于第一连通井13和第二连通井14位于水合物层21的不同高度，因此第一连通井13和第二连通井14之间会形成压差，在压差的作用下，水合物层21内(即第一连通井13和第二连通井14之间的区域)会形成相应的流动通道，以利于注入流体和水合物层中流体的流动，增大注入流体与水合物层的接触面积，而且流体的流动还能够带动热量的交换，从而能够提高水合物层的传热效率和导流能力，提升天然气水合物的开采效率。另外，本发明通过向水合物层注入二氧化碳，将注热法和置换法结合在一起，能够进一步提升天然气水合物的开采效率，同时维持储层的稳定性。
其中，如图1所示，使第一连通井13在竖直方向上位于第二连通井14的下方，根据密度较大的热流体向下流动，密度较小的气体向上流动的原理，可利于二氧化碳向上流动，热流体或水合物分解促进剂向下流动，从而加速流动通道的形成，以及注入流体与水合物层的作用。
本发明中，所述第一连通井13和所述第二连通井14均可形成为水平井。这样，可利于第一连通井13和第二连通井14通过热传导与对流传热的方式释放能量，促进水合物分解，同时收集分解产物。此外还能缩短完井周期，降低打井成本，节省开采时间。
另外，第一注入井10、第二注入井11和生产井12还分别具有第一注入井井口101、第二注入井井口111和生产井井口121，以便于流体的注入以及分解产物的回收。此外，第一注入井10、第二注入井11和生产井12优选形成为竖直井，此处需要说明的是，第一注入井10、第二注入井11和生产井12可以不仅仅包括竖直段，为了便于钻井、井与井之间的连通以及实际效果，例如图1所示，第一注入井10、第二注入井11和生产井12还可分别包括水平段。
进一步地，作为优选，所述第二连通井14的中心轴线位于距离所述水合物层21的顶面的1/6-1/8处，所述第一连通井13的中心轴线位于距离所述水合物层21的底面的1/6-1/8处。通过上述设置，可使第一连通井13和第二连通井14之间的区域最大化，能够最大限度地开采天然气水合物，同时保证分解产物的有效收集。此外，需要说明的是，1/6-1/8是指水合物层21的高度的1/6-1/8。
此外，根据本发明的一种实施方式，所述第一连通井13和所述第二连通井14均可采用筛管。可以理解的是，筛管的管壁上布有多个通孔，管内外的流体可通过所述通孔进出(参见图1)。通过采用筛管，可以加强管内外流体的热传导和对流传热，增强传热效果，而且在一定流速下，筛管内会产生局部低压，利于水合物层21中的分解产物进入筛管中。这种情况下，注入流体可分别从第一连通井13和第二连通井14的四周释放出，在收集分解产物时，分解产物可分别从第一连通井13和第二连通井14的四周进入第一连通井13和第二连通井14中。也就是说，除了第一连通井13和第二连通井14之间的区域，第一连通井13和第二连通井14还可以从其他方向向水合物层21注入流体，以促进水合物层21其他区域的天然气水合物的分解。
根据本发明的另一种实施方式，所述第一连通井13的顶壁上开设有多个第一开孔，该多个第一开孔沿所述第一连通井13的延伸方向间隔排布；所述第二连通井14的底壁上开设有多个第二开孔，该多个第二开孔沿所述第二连通井14的延伸方向间隔排布。在这种情况下，第一连通井13和第二连通井14只能向水合物层21的位于第一连通井13和第二连通井14之间的区域注入流体。
本发明中，所述双连通井结构还可包括用于提高进入所述第一连通井13内流体压力的增压装置15，这样可以利于流动通道的形成。
根据本发明的一种实施方式，所述增压装置15可设置于所述第一注入井10的出口端或所述第一连通井13的入口端处，所述增压装置15设置为阻断所述第一注入井10和所述第一连通井13的直接连通，所述增压装置15包括呈莲蓬状的喷嘴151，所述喷嘴151的入口与所述第一注入井10连通，所述喷嘴151的喷口与所述第一连通井13连通。具体地，如图2所示，喷嘴151的内部限定有圆柱腔和从所述圆柱腔的一端向外延伸的内径逐渐增大的圆台腔，圆柱腔与圆台腔同轴设置，圆柱腔的远离圆台腔的一端(即图2中的左端)形成喷嘴151的入口，圆台腔的远离圆柱腔的一端(即图2中的右端)形成有多个喷口。此外，为了实现对喷嘴151的防护以及阻断第一注入井10和第一连通井13的直接连通，所述增压装置15还可包括套设于喷嘴151外的壳体152和设置于壳体152外的密封件153，密封件153设置为与第一注入井10或第一连通井13的内壁密封配合。也就是说，来自第一注入井10的流体只能由喷嘴151的入口进入圆柱腔内，由于圆柱腔的直径小于第一注入井10的内径，因此会增大流体流速，在该处造成局部低压，以利于水合物分解；而且流体在通过喷口时，会形成泡状流，更容易与水合物层21接触，从而利于开采的进行。
本发明另一方面提供一种用于开采海洋水合物的方法，所述方法包括：
s1、分别从水合物层21的两个不同高度沿相对的方向向所述水合物层21中同时注入热流体或水合物分解促进剂以及二氧化碳，以在所述水合物层21中形成流动通道；
s2、从所述两个不同高度收集所述水合物层21的分解产物。
本发明的上述方法通过分别从水合物层21的两个不同高度沿相对的方向向所述水合物层21中同时注入热流体或水合物分解促进剂以及二氧化碳，能够在水合物层21中形成流动通道，从而能够提高水合物层的传热效率和导流能力，提升天然气水合物的开采效率；通过从所述两个不同高度收集水合物层21的分解产物，能够在有效收集分解产物的同时降低水合物的开采成本。需要说明的是，对本发明上述方法所达到的效果的具体解释可参见上述双连通井结构中的说明。
其中，作为优选，所述s1包括：以300～400m3/日的速度注入温度为80℃～90℃的所述热流体或水合物分解促进剂，以200～300m3/日的速度注入温度为60℃～90℃的所述二氧化碳。其中，二氧化碳在高温条件下更容易与天然气水合物发生置换，流体的高温散热也有益于改善水合物储层较低的传热效率，促进水合物的分解，同时，随着热量不断被传递出去，二氧化碳的压力也会有所下降，改变水合物的相态平衡，提高水合物储层的开采效率。
此外，所述水合物分解促进剂优选采用质量浓度为5％～25％的盐水。
开采过程中，在注入初期，高温条件下的二氧化碳置换甲烷的能力较强，在传递热量的同时，温度的下降也会导致压力降低，同时在上下连通井注入流体散发热能或水合物分解促进剂的多重激励下，天然气水合物会开始分解，分解产生的气体在上下连通井的压差作用下进入连通井中，同时在水合物层21中形成流动通道；经过一段时间的开采，随着水合物的不断分解，水合物层21与注入流体的接触面积不断增大，从而有效地提高了水合物层21的传热传质效率；开采一段时间后，水合物层21与注入流体的接触面积逐渐趋于稳定，当水合物层21内分解产物的产量趋于稳定时，以每日减少2％～5％的速率分别调节所述热流体或水合物分解促进剂以及所述二氧化碳的注入量，这个过程既控制住了每日的产气量，又由于井筒内注入流体量不断减少，流体内气体所占比例相对增加，导致压力持续降低，进而实现了降压开采，提高了水合物的开采效率，保证了开采的稳定性。
本发明中，所述方法可采用以上所述的双连通井结构，当然也可采用其他任意能够实现上述方法的结构或装置。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。