一种天然气水合物高效率开采方法与流程

本发明涉及海底浅层天然气水合物开采技术领域，具体涉及一种天然气水合物高效率开采方法。

背景技术：

天然气水合物俗称“可燃冰”，是由于天然气和水在高压低温的环境下形成的晶状物质，天然气水合物中甲烷的含量极高，具有燃烧时产热量大、污染小、储蓄含量是化石能源的两倍等优势。具有广阔开发前景，是未来发展中重要的清洁能源之一。

我国天然气水合物主要存在于冻土以及海底，其中海底天然气水合物的储量远远超过陆地冻土区域中的储量，因此，如何妥善的开发海底天然气水合物具有重要的战略意义。目前的研究表明我国海底天然气水合物具有埋藏深度浅、不易胶结的特点，目前所提出的开采方法包括热激法、物理破碎法、固体流化法、降压法、co2置换开采法等。

所谓热激法，主要是通过向开采井(9)中注入大量的热水或者热气将具有一定密闭空间的天然气水合物储层分解为气相的混合物，通过输送管道(6)的输送、收集、分离获得高纯度的天然气。热激法的热源主要是利用加热的热海水或者地热，目前较为创新的热激法是利用电磁生热的原理，具体是将电极下放到水合物层，通过电磁生热使电极产生热能使密闭空间的水合物由固相转变为液相。热激法也存在一定的缺陷，由于开采过程中水合物层的热量损失和套管不是绝热套管等原因造成大量的热能损失，一般不单独使用。

固态流化是将海底凝结的天然气水合物通过物理破碎等方法使其破碎成小颗粒同时注入一定量的流体便于水合物流动，通过输送流动的水合物颗粒实现开采。固态流化的开采方法可以同时用于沉积岩和非沉积岩中的水合物开采，应用面较常规的开采方法更广。但是，目前其海底破岩效率低，且目前机械破碎方法的能量获取麻烦，且具有安全风险。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对目前天然气水合物海底开采破岩效率低、能量来源获取麻烦和安全风险高的问题，提供一种天然气水合物高效率开采方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种天然气水合物高效率开采方法，在海内设置注水井和采气井，并通过所述注水井以加热水合物层，在注水井底部设置金属管，采用电磁生热的原理使所述金属管发热以加热水合物层，注入所述注水井的水通过所述金属管以被所述金属管加热，所述金属管下部设置有电力钻头，所述电力钻头或所述金属管的下端部设置有射流喷嘴。电力钻头，即是用电力驱动的钻头，采用常规石油钻井钻头即可。

作为优选，通过太阳能电池板向所述金属管和所述电力钻头供电。

作为优选，所述金属管外壁设置保温层。

作为优选，所述金属管内的流道内间隔设置若干折流板以多次改变水的流向。

作为优选，通过第一水管在水面上连通注水井和采气井，使采气井排出的水进入注水井中。

作为优选，设置第二水管以吸取注水井附近的海水，来自所述第二水管和所述第一水管的混合水注入注水井。

作为优选，所述第二水管上设置海水净化装置(16)以去除水中的钙化物和氯化物。

作为优选，在所述采气井底部设置井下分离器(10)，同时在所述采气井底部和所述注水井底部之间设置回填管道(13)，以使得来自采气井的混合物经过井下分离器(10)进行过滤，以让分离出的固体物质进入回填管道(13)进行原位回填。

作为优选，在所述采气井内设置气液分离装置(3)，以使来自井下分离器(10)的气液混合物进入气液分离装置(3)，所述气液分离装置(3)分离出的天然气进入天然气收集罐(1)，分离出的热海水通过第一水管(14)进入所述注水井。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本申请的有益效果是：采用电力钻头代替原有的钻头，能源获取方便，采用太阳能驱动使得开采方法清洁可靠，同时，对于水合物开采，采用射流开采技术和物理破碎技术的结合，提高水合物的开采效率。

附图说明

图1为本申请开采方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种天然气水合物高效率开采方法,主要用于浅层天然气水合物开采，采用的开采装置包括天然气收集罐1、第一开采船2、气液分离装置3、密封橡胶环4、密封伸缩套5、输送管道6、第一隔水管7、第一封隔器8、天然气水合物开采井9、井下分离器10、抽吸装置11、抽吸管道12、回填管道13、第一水管14、水泵15、海水净化装置16、第一单向阀17、第二水管18、第一单向阀19、电能蓄能装置20、太阳能电池板21、电力转换装置22、开采船b23、第一电缆线24、第二电缆线25、配水器26、导管27、速度调节装置28、电缆上接头29、电缆下接头30、第二隔水管31、突肩32、绝热保温层33、折流板34、金属管35、过电缆封隔器36、第二封隔器37、注水井38、射流喷头39、球铰连接短节40、万向节短节41、电磁铁42、电力钻头43和循环装置44。

天然气水合物开采井9中，第一隔水管7下放至天然气水合物层上方，采用第一封隔器8进行入泥第一隔水管7的快速坐封，第一封隔器8下方随机布置三个抽吸装置11，混合物经过井下分离器10进行第一次过滤，分离出的固体物质进入回填管道13进行原位回填，气液混合物通过输送管道6输送到气液分离装置3，气液分离装置3左端出口与天然气收集罐1相连，右端出口与循环装置44相连，天然气收集罐1和循环装置44置于第一开采船2上；注水井38中，第二隔水管31下放至天然气水合物层上方，利用第二封隔器37进行入泥第二隔水管31的快速坐封，第二封隔器37上方坐封有过电缆封隔器36，第二隔水管31上端定固在第二开采船23，第二开采船23上放置有电力转换装置22、电能蓄能装置20，太阳能电池板21将采集的太阳能输送给电力转换装置22，最终输送给电能蓄能装置20，电能蓄能装置20分别引出第一电缆线24和第二电缆线25；第二隔水管31内部设置有金属管35，金属管35通过突肩32固定在隔水管适当位置，金属管35下端连接有射流喷头39，金属管35上端与导管27螺纹连接，金属管35内部焊接有螺旋状电缆下接头30，电缆下接头30与金属管35的轴线重合并与电缆上接头29配合，电缆上接头29焊接在速度调节装置28的旋转主轴的几何中心，旋转主轴通过第一电缆线24与电力转换装置22连接，速度调节装置28上方安装有配水器26；电力转换装置22通过第二电缆线25，经过第二隔水管31和过电缆封隔器36、万向节电缆接入口，最终连接电力钻头43；配水器26引出第一水管14和第二水管18，第一水管14与第一开采船2上的循环装置44连接，第二水管18连接海水净化装置16，海水净化装置16连接水泵15。

第一隔水管7包括的隔水管固定部分和隔水管浮动部分，隔水管固定部分下放到海底泥层，隔水管固定部分上面的轴向滑槽与隔水管浮动部分的滑块间隙配合，密封伸缩套5密封连接部位；密封伸缩套5两端粘接有密封橡胶环4，密封橡胶环4遇水膨胀以实现密封。第一封隔器8、第二封隔器37为扩张式封隔器。回填管道13内安装有加压装置，加快碎石和淤泥等固体输送，回填管道13的入口设置成具有一定斜度的切口，便于加压原位回填。第一水管14和第二水管18上分别设置有第一单向阀17和第一单向阀19。太阳能电池板21可以转动，提高太阳能的接收效率。

电力蓄能装置暂时储存电力转换装置22所转化的电能，同时配备应急电能装置，满足开采过程的电力需求。速度调节装置28的旋转主轴通过旋转控制扇叶的重合程度，进而控制配水器26进入导管27的水量。

金属管35为铁质金属管35，金属管35外管壁涂覆一层绝热保温材料，金属管35内部焊接有折流板34，提高海水流动时的湍动程度。

气液分离装置3内部设置有折线形挡板，同时利用天然气与海水沸点不同的原理，实现天然气与海水的分离。射流喷头39内部设置有加压元件，提高射流的压力。循环装置44将气液分离装置3所分离出的热海水进行保温，然后通过第一水管14输送至配水器26，实现热海水的再次利用。海水净化装置16能够去除海水中的大部分钙元素、氯元素，防止海水腐蚀管道和加热过程中在金属管35中结垢。

高强度套筒可以承受射流喷头39喷射出的高压水，高压水从射流喷头39圆柱面射出，底部通过球铰连接短节40和万向节短节41相连，万向节圆柱面设有第二电缆线25孔，第二电缆线25通过万向节上的第二电缆线25孔与电磁铁42相连，电磁铁42最终与电力钻头43相连。万向节通过球铰结构，实现360度旋转，满足钻头钻探转向的要求，实现钻探弯道等要求。

电力钻头43和射流喷头39可以单独或者结合使用，当钻探要求较低或者钻探过程地层较软时，可以只采用射流技术；当遇到需要岩石破碎等高要求开采工况时，可以同时在海底天然气水合物层中使用射流开采技术和电力钻头43钻采技术，提高开采效率。

本方法的具体实施步骤：

步骤一：分别向天然气水合物开采井9、注水井38下放第一隔水管7、第二隔水管31至天然气水合物层，利用第一封隔器8、第二封隔器37快速坐封入泥隔水管，同时分别将第一隔水管7、第二隔水管31固定在第一开采船2、第二开采船23所提供的支撑平台。

步骤二：在第一隔水管7中逐步下放抽吸装置11、抽吸管道12、回填管道13、输送管道6、气液分离装置3至适当的位置，气液分离装置3的管道分别与第一开采船2上的天然气水合物收集罐1和循环装置44相连。

步骤三：在第二隔水管31中首先坐封过电缆封隔器36，随后下放通过第二电缆线25连接的高强度套筒，然后下放导管27、金属管35、射流喷头39构成的整体结构到适当的位置，并利用突肩32进行锚定，最后在第二隔水管31中的导管27内下放与第一电缆线24相连的速度调节装置28。

步骤四：利用第一水管14连接第一开采船2和第二开采船23，利用第二水管18连接水泵15、海水净化装置16、配水器26，在第二开采船23中安装电能蓄能装置20、电力转换装置22和太阳能电池板21。

具体的说，一种绿色天然气水合物高效率开采方法，操作方式如下：

1、利用成熟的陆地石油开采方法和开采设备进行海底水合物的钻探出天然气水合物开采井9和注水井38，随后第一隔水管7和第二隔水管31分别由第一开采船2和第二开采船23所提供的支撑平台上下放，下放到天然气水合物开采井9和注水井38所对应的天然气水合物层的上方，最后利用扩张式第一封隔器8和扩张式第二封隔器37进行入泥隔水管的快速坐封,最终实现海水和开采层的分割。

2、待第一封隔器8和第二封隔器37坐封完成之后，在第一隔水管7中下放输送管道6和与之相连的回填管道13、抽吸装置11、抽吸管道12，输送管道6锚定在第一隔水管7的内管壁上，抽吸装置11随机布置在天然气水合物层，加快开采过程中的水合物采集气液；通过螺纹连接气液分离装置3和输送管道6，气液分离装置3管道分别与第一开采船2上的天然气水合物收集罐1和循环装置44相连，最终实现天然气水合物开采井9的开采设备安装。

3、在天然气水合物开采井9的设备安装时，进行注水井38的设备安装。第二封隔器37坐封完毕以后，在第二封隔器37上方坐封过电缆封隔器36，通过第二电缆线25连接的高强度套筒经过电缆封隔器36和第二封隔器37进入海底天然气水合物层，以备海底岩石破碎的需要；导管27、金属管35、射流喷头39构成的整体结构下放到适当的位置，并利用突肩32进行锚定；锚定完毕之后在第二隔水管31中的导管27内下放与第一电缆线24相连的速度调节装置28，最后在导管27上端面安装配水器26，调节注入金属管35中进行加热的海水量，完成注水井38的设备安装。

4、天然气水合物开采井9和注水井38的设备安装完毕之后，利用第一水管14连接第一开采船2上面的循环装置44和第二开采船23下面的配水器26，利用配水器26引出的第二水管18连接海水净化装置16，去除海水中的钙、镁、氯等元素，海水净化装置16下方连接水泵15；完成第二开采船23上电能蓄能装置20、电力转换装置22和太阳能电池板21的安装，最终完成所有的开采设备的安装。

5、检查所有的开采设备，保证太阳能电池板21始终处于太阳能收集状态，通过电力转换装置22将太阳能装换，最终存储在电能蓄能装置20。当达到一定的电能时，开启第二电缆线25所对应的开关进行海底天然气水合物的试钻探，试钻探成功后关闭其对应的开关，进行天然气水合物的开采。开启水泵15、开启第一单向阀19，海水经过海水净化装置16净化后进入配水器26，在海水的重力下带动速度调节装置28向下移动，最终实现电缆上接头29和电缆下接头30的配合，并在水压的作用下保持配合强度，达到电缆连接的要求。电缆接通后，基于电磁生热的原理使得金属管35发热，通过热传递实现海水的加热；金属管35中的折流板34可以增大海水的扰动程度、增加传热系数提高传热效率。加热后的海水进入射流喷头39，通过射流喷头39中的加压装置提高射流压力和射流强度使水合物矿体破碎成细小颗粒。

6、天然气水合物层的水合物在热海水的作用下气化，与海水形成气液混合物。当遇到较为坚硬的水合物和岩石时，开启第二电缆线25所对应的开关，电能通过第二电缆线25传递给电磁铁42，使得电磁铁42带电，最终传递给电力钻头43，驱动电力钻头43工作。

7、射流喷头39射流的同时，天然气水合物开采井9中的抽吸装置11进入工作状态，海底混合物通过抽吸管道12进入井下分离器10，分离出的气液混合物进入输送管道6，最终进入气液分离装置3进行第二次分离，分离出的天然气进入天然气收集罐1，分离出的热海水通过第一水管14进入配水器26，实现热海水的重复利用、减少能耗；井下分离器10所分离出来的碎石和淤泥通过回填管道13，在回填管道13内的加压装置的作用下进行原位加压回填。

采用上述方法，本发明具有多个优势：

1、本发明专利所提供的开采方法所需的材料和能源均清洁可靠。太阳能电池板21收集太阳能并通过电力转换装置22转换成电能，提供金属管35加热所需要的电能和电力钻头43工作时所需的动力源；因地制宜，直接利用海水加热提供开采所需的热量，循环装置44进行热海水的重复利用，降低开采成本。

2、由于海底水合物层开采后压力、地形会发生变化，利用井下分离器10、回填管道13等装置进行海底原位加压回填，加少了海底坍塌的可能。

3、利用电磁生热和电生磁的原理，提供了开采设备的动力源，最终实现海底开采过程中射流开采技术和物理破碎技术的结合，提高水合物的开采效率。

4、开采设备结合部分陆地石油开采过程中运用的设备，封隔器坐封入泥隔水管、气液分离装置3实现开采物的二次分离，同时开采过程热激法、物理破碎法、固体开采法多种方法结合，突破了传统的热激法传热效率低的问题。

5、第一隔水管7包括的隔水管固定部分和隔水管浮动部分，隔水管固定部分上面的轴向滑槽与隔水管浮动部分的滑块间隙配合，解决传统的隔水管不能防止海水造成的波动而影响开采过程的问题。

凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。