用于海底天然气水合物开采生成硐室回填装置及回填方法与流程

本发明涉及海底水合物开采过程中地层稳定性领域，尤其涉及的是一种用于海底天然气水合物开采生成硐室回填的装置及方法，其中回填方法同样适用于保持油页岩原位开采工程的稳定性。

背景技术：

天然气水合物(Natural Gas Hydrate)是一种清洁高效的新兴能源。其储量巨大，地球上天然气水合物中总有机碳的储量约为石油、天然气和煤炭三者总和的两倍，其中海洋区域的天然气水合物资源量占其总资源量的99％。据调查显示，世界上90％海域都含有天然气水合物，我国南海、东海陆坡也表现出了巨大的天然气水合物开发潜力。

在海底天然气水合物赋存地层中，水合物使沉积物相互胶结，其存在保证了附近地质结构的稳定。当天然气水合物的赋存温度和压力变化超过水合物相平衡条件时会导致水合物分解，分解不仅会破坏沉积物颗粒间的胶结结构，产生空间使颗粒间发生翻转滑移，且在分解过程中生成的水和气会使地层部分液化、孔隙压力增大、有效应力降低，进一步促进分解。水合物的大规模分解会在其赋存地层处留下较大空间形成硐室。硐室一方面降低了所在地层的结构强度，另一方面硐室会引发海水回灌，使有效应力大范围波动，可导致上覆地层失稳坍塌，赋存条件急剧变化可使水合物大范围分解，严重时诱发边坡失稳、海水毒化、地震、海啸等地质灾害。因此硐室的形成会严重影响到海底水合物赋存地层的稳定性与安全系数。

现有的热激、降压、化学试剂水合物开采法思路均是改变水合物的赋存条件使水合物分解。从已有的海底水合物开采工程经验中可以得出，随着工程的进行，开采区域会留下空间形成硐室。新兴的固体开采法也是采用物理方法对水合物矿层进行大块切割，矿层碎块被整体取出，水合物矿层的缺失会在海底形成更大的硐室，若放任硐室规模增大，则会令开采工作区结构强度降低、硐室坍塌，造成重大安全事故。

在海底水合物勘探开发研究方面，目前国内外的海底天然气水合物开发研究主要处于水合物开采方法及装置研发阶段，而现有的水合物勘探开采方法都面临着硐室形成导致水合物赋存地层及上覆地层稳定性降低、工程安全无法保障的问题。在硐室回填研究方面，目前回填设计主要集中在内陆矿山，而由于海底具有高压、淹没、低温等特殊环境，且水合物赋存地层在强度、孔隙度、含水率等方面与普通地层差异极大，在海底对位于水合物层的硐室行回填的方法和工艺更加复杂。因此，亟需研究一种针对海底天然气水合物开采生成硐室回填的装置及方法

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种用于海底天然气水合物开采生成硐室回填装置及回填方法。本发明可在海底复杂工况下，独立进行硐室复杂情况监测工作，并根据实际情况即时做出响应进行回填设计与施工，填补水合物开采时由于水合物赋存地层大块剥离与水合物分解形成的硐室。硐室回填工作能够大幅提高水合物开采过程中水合物赋存及其上覆地层的结构强度，保证海底天然气水合物开采工程安全、高效的开展，且维护海底地质、生态环境的稳定。

本发明之一种用于海底天然气水合物开采生成硐室回填装置是由硐室情况原位监测系统、原料收集系统、配料系统、泵送注入系统、回填效果检测系统组成。

硐室情况原位监测系统由硐室情况综合测算设备、硐室情况采集单元组成，其中硐室情况综合测算设备位于海面操作平台上，硐室情况采集单元安装在开采机具上。硐室情况采集单元的数字信号通过专用电缆传输至硐室情况综合测算设备，对硐室复杂情况进行三维可视化监测，为其他系统提供当前硐室工作参数。；

原料收集系统由储存罐、过滤箱组成，二者由管路连接，原料收集系统位于海面操作平台上。用于储存记录上返浆液经过基本处理后的余浆液量，并对浆液进行筛选过滤作为回填原料；

配料系统由填料搅拌箱、添加剂自动加入设备、添加剂量配比计算设备组成，相互之间通过管路联接，配料系统位于海面操作平台上，可根据硐室情况要求配置出满足回填复杂要求的回填材料；

泵送注入系统由高压多相泵组、注入设备组成，高压多相泵为注入单元提供的50MPa压力可保证注入单元快速、安全的注入回填材料，其中高压多相泵组位于海面操作平台上。注入设备设置有多个方向出浆孔，并具有单动机构，且在注入管道内设置有单向控制阀，以向硐室中多相混输回填材料；

回填效果检测系统由回填效果记录设备、回填效果传感器单元组成，其中回填效果测算记录设备位于海面操作平台，回填效果传感器单元布置在注入设备上。回填效果检测系统计算得到回填效果重要参数由电缆传输至硐室情况综合测算设备，以检测回填工作是否达到设计要求。

本发明之用于海底天然气水合物开采生成硐室回填方法，包括以下步骤：

海上操作平台到达作业位置，硐室情况采集单元安装在开采钻具上，开采钻具穿过海水层下放至上覆沉积物层表面，开始钻进，打开原料收集系统控制阀，水合物采集井上返的钻井液经沉渣、分离处理后继续参与钻井循环，而分理出的余浆经管道进入储存罐储存并记录以作备用，钻进至天然气水合物赋存层处，完成水合物采集井。开采时打开硐室情况井底监测设备，随着开采规模不断扩大，在天然气水合物赋存层处形成硐室，此时采集空间突变触发硐室情况采集单元对硐室进行实时监测，参数反馈至海面处理单元计算后续工作相关参数，以指挥回填工作；打开原料收集系统控制阀，上返浆液经管道进入储存罐储存并记录以作备用，，硐室情况采集单元的数字信号经专用电缆传输至硐室情况综合测算设备，其根据井底声纳、超声井下成像设备、压力温度传感器分别分析处理得出井下硐室的体积、形状、孔隙裂隙分布、压力温度分布参数；硐室情况综合测算设备反馈的硐室体积、孔隙裂隙分布信息传输至原料收集系统，调节控制过滤箱滤得孔径、启用滤网层数等工作参数，储存罐中浆液经管道进入过滤箱，得到满足井底硐室情况的回填原料；根据硐室情况综合测算设备信息，添加剂量配比计算设备计算回填材料需要的添加剂种类、配比、剂量，传输数据至添加剂自动加入设备，控制各个添加剂箱开关及流量，添加剂进入填料搅拌箱与浆液混合，填料搅拌箱转速受到硐室情况综合测算设备实时调控，搅拌形成符合要求的回填材料；硐室情况综合测算设备测算的井下体积、压力参数传输至高压多相泵组，控制其输出压力及流量以保证回填材料的注入速度符合回填材料浇凝时间，注入设备下放至硐室底部，根据硐室的形状控制注入设备的注入模式，需旋注时，单动机构使注入设备与开采钻具分开独立转动，以减少能耗，回填材料经上部管道流至单向控制阀，达到控制压力时单向控制阀打开，回填材料通过出浆孔进入硐室，采用从底部开始、沿轴线由下至上的注入方式，随着注入工作的进行，回填材料浇凝形成回填体；待初次注入工作完成，回填效果检测系统开启，井底的回填效果传感器单元中的各个传感器对回填体进行测试，所得密实度、载荷、含水量、压实系数参数传输至回填效果记录设备，与设计参数进行比较，若回填体尚未达到设计要求，则需进行加注工作，回填体与设计要求差异传输至硐室情况综合测算设备计算加注各系统所需工作参数，按上述步骤进行加注，直至回填效果记录设备测得的回填体参数满足强度、压实系数、有效时长的回填效果要求，回填工作结束，提出注入单元。

本发明的有益效果：

针对海底水合物开采工程中不可避免的会形成硐室降低赋存及上覆地层稳定性问题，本发明可配合开采钻具对硐室进行原位实时监测、方案制定、材料配比、回填施工、效果检测工作，达到对开采过程地层稳定性的监控目的，并具有：

1、本发明通过原位监测系统实时了解硐室情况，制定合理回填方案，响应速度快、与硐室的匹配性好，在开采井位施工无需另钻勘测井，免去了传统的施工前地质检测方式，更适合海底水合物开采工程。

2、回填材料主体为水合物开采中循环液必需处理工序沉砂分离余料、钻屑的回收再利用，取材方便，节约成本。

3、注入设备设置有单动机构，避免了上部钻具回转与海水摩擦，减少能耗，同时降低喷注过程中的振动，使喷注工作更加稳定。

4、配备有回填效果检测系统，可对回填体参数进行检验，保证回填体质量达到要求。

5、由硐室情况监测系统对后续工作系统参数进行控制，人工少，自动化程度高。

6、与不采取措施的硐室相比，进行回填后的硐室能够长时间保持设计强度，维持附近地层的稳定，避免了多孔开采时形成的硐室连通而导致的大范围坍塌，同时保持附近水合物地层稳定也可防止水合物大范围分解溢出大量甲烷，从而降低海底天然气水合物开采工程风险，提高工程安全性，降低水合物开采成本，保护海底地质、生态环境。

附图说明

图1为本发明海底天然气水合物硐室的回填装置和方法的示意图。

图2为本发明五个系统的联接关系示意图。

图3为图1中的I处的工作中的硐室情况放大图。

其中：1--海上操作平台，2-水合物采集井，3-海水层，4-上覆沉积物层，5-天然气水合物赋存层，6-下覆地层，7-硐室情况综合测算设备，8-储存罐，9-过滤箱，10-填料搅拌箱，11-添加剂自动加入设备，12-添加剂量配比计算设备，13-高压多相泵组，14-注入单元，15-回填效果记录设备，16-回填体，17-硐室情况采集单元，18-开采钻具，19-注入设备，20-单向控制阀，21-单动机构，22-回填效果传感器单元，23-出浆孔。

A-原料收集系统，B-配料系统，C-泵送注入系统，D-硐室情况原位监测系统，E-回填效果检测系统。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明之一种用于海底天然气水合物开采生成硐室回填装置是由硐室情况原位监测系统D、原料收集系统A、配料系B、泵送注入系统C、回填效果检测系统E组成，硐室情况原位监测系统D由硐室情况综合测算设备7、硐室情况采集单元17组成，硐室情况采集单元17的数字信号通过专用电缆传输至硐室情况综合测算设备7，对硐室复杂情况进行三维可视化监测；

原料收集系统A由储存罐8、过滤箱9组成，用于储存记录上返浆液量，并对浆液进行处理作为回填原料；

配料系统B由填料搅拌箱10、添加剂自动加入设备11、添加剂量配比计算设备12组成，相互之间通过管路联接，配料系统B位于海面操作平台1上，可根据硐室情况要求配置出满足回填复杂要求的回填材料；

泵送注入系统C由高压多相泵组13、注入单元14组成，高压多相泵13为注入单元14提供的50MPa压力可保证注入单元14快速、安全的注入回填材料，注入单元14具有单动机构21；

回填效果检测系统E由回填效果记录设备15、回填效果传感器单元22组成，回填效果检测系统E计算得到回填效果重要参数由电缆传输至硐室情况综合测算设备7。

本发明所述用于海底天然气水合物开采生成硐室回填方法包括以下步骤：

海上操作平台1到达作业位置，硐室情况采集单元17安装在开采钻井具18上，开采钻具18穿过海水层3下放上覆沉积物层4表面，开始钻进，钻进至天然气水合物赋存层5处，完成水合物采集井2。随着开采规模不断扩大，在天然气水合物赋存层5处形成硐室，回填工作开始；打开原料收集系统A控制阀，上返浆液经管道进入储存罐8储存并记录以作备用，此时采集空间突变触发硐室情况采集单元17开始工作，硐室情况采集单元17的数字信号经专用电缆传输至硐室情况综合测算设备7，其根据井底声纳、超声井下成像设备、压力、温度传感器分别分析处理得出井下硐室的体积、形状、孔隙裂隙分布、压力温度分布参数；硐室情况综合测算设备7反馈的硐室体积、孔隙裂隙分布信息传输至原料收集系统，调节控制过滤箱9滤得孔径、启用滤网层数等工作参数，储存罐8中浆液经管道进入过滤箱9，得到满足井底硐室情况的回填原料；根据硐室情况综合测算设备7信息，添加剂量配比计算设备12计算回填材料需要的添加剂种类、配比、剂量，传输数据至添加剂自动加入设备11，控制各个添加剂箱开关及流量，添加剂进入填料搅拌箱10与浆液混合，填料搅拌箱10转速受到硐室情况综合测算设备7实时调控，搅拌形成符合要求的回填材料；硐室情况综合测算设备7测算的井下体积、压力参数传输至高压多相泵组13，控制其输出压力及流量以保证回填材料的注入速度以符合回填材料浇凝时间，注入单元14下放至硐室底部，根据硐室的形状控制注入单元14的注入模式，需转动时，单动机构21使注入设备19与开采钻具18分开独立转动，以减少能耗，回填材料经上部管道留至单向控制阀20，达到控制压力时单向控制阀20打开，回填材料通过出浆孔23进入硐室，采用从底部开始、沿轴线由下至上的注入方式，随着注入工作的进行，回填材料浇凝形成回填体16；待初次注入工作完成，回填效果检测系统开启，井底的回填效果传感器单元22中的各个传感器对回填体进行测试，所得参数传输至回填效果记录设备15，与设计参数进行比较，若回填体16尚未达到设计要求，则需进行加注工作，回填体16与设计要求差异传输至硐室情况综合测算设备7计算加注各系统所需工作参数，按上述步骤进行加注，直至回填效果记录设备15测得的回填体16参数满足强度、压实系数、有效时长的回填效果要求，回填工作结束，提出注入单元14。