本发明涉及一种海洋天然气水合物矿藏开采方法及开采装置。
背景技术：
天然气水合物是由水分子和碳氢分子在一定温度和压力下形成的具有笼形结构的似冰雪状的结晶化合物，因其中气体分子以甲烷(CH4)为主(含量大于90％)，故也被称为甲烷水合物。天然气水合物是一种埋藏浅、能量密度高、储量大的绿色能源，其有机碳含量相当于全球已探明煤、石油和天然气总和的两倍，具有巨大的潜在开发价值。
我国于2007年和2013年分别在南海神狐海域和珠江口盆地钻获了天然气水合物样品，发现的天然气水合物样品具有埋藏浅、厚度大、类型多、纯度高四个主要特点。以珠江口盆地为例，天然气水合物赋存于水深600-1100米的海底以下220米以内的两个矿层中，上层厚度15米，下层厚度30米，自然产状呈层状、块状、结核状、脉状等多种类型，肉眼可辨。岩芯中天然气水合物含矿率平均为45％—55％，通过实施23口钻探井，控制天然气水合物分布面积55平方公里，将天然气水合物折算成天然气，控制储量1000-1500亿立方米，相当于特大型常规天然气规模，因此开展天然气水合物开采技术研究势在必行。
天然气水合物赋存于低温高压的环境中，以固态成藏于海底沉积物之下，呈薄层状与沉积物互层，具有高压、低渗、分布不均匀等特点。目前，海洋天然气水合物开采技术主要为降压法，打破其相平衡条件，在原位促使其天然气水合物分解，然后进行天然气收集。由于海域天然气水合物通常赋存于尚未固结的地层中，水合物的分解可能会引起地层变形和破坏，对井和地层的岩土力学特性影响较大，可能会出现井壁失稳和大量产砂，造成孔内事故或降压设备失效。另外，降压开采过程中，颗粒运移可能会导致储层渗透率变化，压实作用引起地层破坏，成为影响产气稳定性和可持续性的重要因素。日本于2013年3月12日在爱知县和三重县近海的东部南海板块海域采用降压法进行了首次海域天然气水合物试采项目，虽然其对AT1-P井开采段布置了防砂装置(砾石填充)，但在生产试验的第六天出现严重的出砂问题(总出砂量超过30立方米)，试采被迫终止，由于生产井填充有砂，无法回收井下生产设备，AT1-P井被废弃。
结合日本海域开采试验可知，采用降压法进行海域天然气水合物原位开采方法，开采周期较长，且需采取复杂的隔砂措施，但效果一般，无论从效率还是经济角度都不是行之有效的开采手段。我国水合物储层泥质含量较高，储层渗透率较低，采用降压法效率相对会更低，为此本专利提出一种一种射流破碎、反循环输送浆态海洋天然气水合物的开采方法，以提高开采效率。
技术实现要素：
本发明针对海洋天然气水合物现有的开采方案中的不足，结合海洋天然气水合物矿藏的赋存条件，从经济效益和安全性等角度出发，提供一种射流破碎、反循环输送浆态海洋天然气水合物的开采方法及装置，实现海底天然气水合物高效、经济、安全的大规模开采。
本发明之射流破碎、反循环输送浆态海洋天然气水合物的开采方法，其包括以下步骤：
(1)用高压水射流方法对海洋天然气水合物地层进行破碎，射流的水与破碎后的岩土、破碎的水合物共同形成多相浆态化混合物；
(2)用反循环的方法将浆态化混合物输送至海平面上分解装置和分离装置；
(3)海平面上分解装置和分离装置对浆态化混合物进行降压分解、固液分离、气液分离，分别得到气体、固体和液体，并进行相应的利用和收集。
所述的高压水射流方法采用可伸缩的射流工具，能在轴向和径向移动，实现水平段和垂直段大范围开采。
所述反循环的方法采用气举反循环或者泵吸反循环，浆态化混合物沿双臂钻杆中心通道输送至孔口。所述的气举反循环的方法采用的气源为甲烷气。
所述的在海平面分离、分解得到的气体为甲烷，一部分作为气举反循环的气源，一部分进行收集；海平面分离、分解得到的固体，回填至已经开采完的开采井的采空区。
本发明之射流破碎、反循环输送浆态海洋天然气水合物的开采装置由射流碎岩浆化系统、反循环输送系统、分解分离收集系统、辅助系统组成。
射流碎岩浆化系统包括射流工具、花管、双壁钻杆、高压射流泵和水箱；
反循环输送系统包括甲烷储气罐、防爆式甲烷空气压缩机、输气管和气液混合器；
分解分离收集系统包括水合物降压分解罐、固液分离器、气液分离器和气体储气罐；
辅助系统包括钻井平台、钻机、隔水管、套管和水回收箱；
射流工具、双壁钻杆、输气管和气液混合器依位于井中，射流工具通过双壁钻杆的高压水道与高压射流泵连通，高压射流泵与水箱连通；
气液混合器通过输气管与防爆式甲烷空气压缩机连通，防爆式甲烷空气压缩机与甲烷储气罐连通，甲烷储气罐与水合物降压分解罐连通，水合物降压分解罐与固液分离器连通，固液分离器的固体物出口与已经开采完的开采井连通，固液分离器的液体出口与气液分离器连通，气液分离器的出水口与水回收箱连通，气液分离器的气体出口与气体储气罐连通；
高压射流泵、水箱、甲烷储气罐、防爆式甲烷空气压缩机、水合物降压分解罐、固液分离器、气液分离器、气体储气罐、水回收箱和钻机均位于钻井平台之上，隔水管和套管套在开采井中；开采井从下至上依次为下覆层A、水合物储藏层B、上覆层C和海底面D。
本发明之射流破碎、反循环输送浆态海洋天然气水合物的开采装置的开采流程如下：
成井：组装钻井平台，安装隔水管、套管、花管及固井作业。
组装：将双壁钻杆、输气管，气液混合器依次下入开采井中。进行高压射流泵、防爆式甲烷空气压缩机、气液混合器；水合物降压分解罐；固液分离器；气液分离器；气体储气罐的组装及调试工作。
调节：调节射流工具和花管的相对位置，使射流工具能延伸至地层中。
射流碎岩：高压射流泵将水箱中的水泵入双臂钻杆的高压水通道里，经射流工具形成高压水射流，破碎水合物地层，使含水合物地层破碎成浆态。
气举输浆：防爆式甲烷空气压缩机将甲烷储气罐中的甲烷气体并泵送至输气管，经气液混合器与钻杆中心通道流体混合，使钻杆内外形成压力差，形成反循环，浆态水合物和甲烷气体在双臂钻杆中心通道形成气液固三相混合流，上返至孔口。
分解分离：气液固三相混合流依次经水合物降压分解罐进行降压分解分离出的部分天然气体通过管路输送至甲烷储气罐，经固液分离器后，分离出的固体回填至已经开采完的开采井的采空区，再经气液分离器，将天然气体分离并输送至气体储气罐进行气体储藏，分离出的水输送至水回收箱。
封井：对水合物储层进行最大限度的开采后，将分离的固体注入至采空区，提取钻具和隔水管等井内设备，对井孔进行封井作业。
本发明的方法及装置工作原理是：
先用高压水射流方法对海洋天然气水合物地层进行破碎，射流的水与破碎后的岩土、破碎的水合物共同形成多相浆态化混合物，其中采用可伸缩的射流工具，能在轴向和径向移动，实现水平段和垂直段的大范围开采；然后用气举反循环或泵吸反循环的方法将浆态化混合物沿双壁钻杆中心通道输送至分解分离系统进行处理，其中用甲烷作为气举反循环的气源；分解、分离系统对浆态化混合物依次进行降压分解、固液分离、气液分离，得到的甲烷等气体，一部分作为气举反循环的气源，一部分进行收集，分解得到的固体，回填至上一个开采井的采空区。
射流碎岩浆化系统的工作原理是：高压射流泵将水箱中的水加压，形成的高压流体沿双壁钻杆的内外管间隙流动至孔底，经射流喷嘴喷出，形成的高压水射流通过花管的间隙将水合物层破碎，射流的水与破碎后的岩土、破碎的水合物共同形成多相浆态化混合物。射流工具通过伸缩移动不断扩大开采范围。
反循环输送系统的工作原理是：
将气液混合器和输气管下入双壁钻杆中心通道中，下入深度根据钻进深度进行调节。防爆式甲烷空气压缩机将甲烷气源罐中的甲烷加压，形成高压甲烷压缩气，沿输气管进入，在气液混合器排除，中心通道的液体混合形成低密度混合流体，与双壁钻杆外部流体形成压力差，孔底的多相浆态化混合物在压差作用下形成反循环，沿双壁钻杆中心通道上返至分解分离系统进行处理。
分解、分离系统的工作原理是：
由孔内返出的浆态化混合物先进入水合物降压分解罐进行降压分解，分解形成的自由气进入分别进入甲烷气源罐和气体储集罐，剩余的固液混合物进入固液分离器，分离后的固体回填至采空区，分离后的液体进入气液分离器，液体中的溶解气分离，分离后的气体进入气体储集罐进行收集。
辅助系统的工作原理是：
钻井台放置整个开采装置，钻机进行高压射流工具和双壁钻杆的提升和下放，隔水管隔开海水为开采提供封闭通道，套管防止上覆地层塌陷影响开采安全。
本发明的有益效果：
将海底地层中赋水合物地层沉积物浆态化后，输送至钻井平台进行分解、分离，得到天然气，并实现矿渣回填，克服了现有的海洋天然气水合物开采中开采效率低的缺点，提高了水合物矿藏利用率，降低了开采成本，提高经济效益，实现快速、可持续化开采。
附图说明
图1是本发明的系统组成和设备布置示意图。
图中：1-射流工具；2-花管；3-双臂钻杆；4-高压射流泵；5-水箱；6-甲烷储气罐；7-防爆式甲烷空气压缩机；8-输气管；9-气液混合器；10-水合物降压分解罐；11-固液分离器；12-气液分离器；13-气体储气罐14；钻井平台；15-钻机；16-隔水管；17-套管；18-水回收箱。
具体实施方式
本发明之射流破碎、反循环输送浆态海洋天然气水合物的开采方法，其包括以下步骤：
(1)用高压水射流方法对海洋天然气水合物地层进行破碎，射流的水与破碎后的岩土、破碎的水合物共同形成多相浆态化混合物；
(2)用反循环的方法将浆态化混合物输送至海平面上分解装置和分离装置；
(3)海平面上分解装置和分离装置对浆态化混合物进行降压分解、固液分离、气液分离，分别得到气体、固体和液体，并进行相应的利用和收集。
所述的高压水射流方法采用可伸缩的射流工具，能在轴向和径向移动，实现水平段和垂直段大范围开采。
所述反循环的方法采用气举反循环或者泵吸反循环，浆态化混合物沿双臂钻杆中心通道输送至孔口。所述的气举反循环的方法采用的气源为甲烷气。
所述的在海平面分离、分解得到的气体为甲烷，一部分作为气举反循环的气源，一部分进行收集；海平面分离、分解得到的固体，回填至已经开采完的开采井的采空区。
如图1所示，本发明之射流破碎、反循环输送浆态海洋天然气水合物的开采装置由射流碎岩浆化系统、反循环输送系统、分解分离收集系统、辅助系统组成。
射流碎岩浆化系统包括射流工具1、花管2、双壁钻杆3、高压射流泵4和水箱5；
反循环输送系统包括甲烷储气罐6、防爆式甲烷空气压缩机7、输气管8和气液混合器9；
分解分离收集系统包括水合物降压分解罐10、固液分离器11、气液分离器12和气体储气罐13；
辅助系统包括钻井平台14、钻机15、隔水管16、套管17和水回收箱18；
射流工具1、双壁钻杆3、输气管8和气液混合器9依位于井中，射流工具1通过双壁钻杆3的高压水道与高压射流泵4连通，高压射流泵4与水箱5连通；
气液混合器9通过输气管8与防爆式甲烷空气压缩机7连通，防爆式甲烷空气压缩机7与甲烷储气罐6连通，甲烷储气罐6与水合物降压分解罐10连通，水合物降压分解罐10与固液分离器11连通，固液分离器11的固体物出口与已经开采完的开采井19连通，固液分离器11的液体出口与气液分离器12连通，气液分离器12的出水口与水回收箱18连通，气液分离器12的气体出口与气体储气罐13连通；
高压射流泵4、水箱5、甲烷储气罐6、防爆式甲烷空气压缩机7、水合物降压分解罐10、固液分离器11、气液分离器12、气体储气罐13、水回收箱18和钻机15均位于钻井平台14之上，隔水管16和套管17套在开采井中；开采井从下至上依次为下覆层A、水合物储藏层B、上覆层C和海底面D。
本发明之射流破碎、反循环输送浆态海洋天然气水合物的开采装置的开采流程如下：
成井：组装钻井平台14，安装隔水管16、套管17、花管2及固井作业。
组装：将双壁钻杆3、输气管8，气液混合器9依次下入开采井中。进行高压射流泵4、防爆式甲烷空气压缩机7、气液混合器9；水合物降压分解罐10；固液分离器11；气液分离器12；气体储气罐13的组装及调试工作。
调节：调节射流工具1和花管2的相对位置，使射流工具能延伸至地层中。
射流碎岩：高压射流泵4将水箱5中的水泵入双臂钻杆3的高压水通道里，经射流工具1形成高压水射流，破碎水合物地层，使含水合物地层破碎成浆态。
气举输浆：防爆式甲烷空气压缩机7将甲烷储气罐6中的甲烷气体并泵送至输气管8，经气液混合器9与钻杆中心通道流体混合，使钻杆内外形成压力差，形成反循环，浆态水合物和甲烷气体在双臂钻杆3中心通道形成气液固三相混合流，上返至孔口。
分解分离：气液固三相混合流依次经水合物降压分解罐10进行降压分解分离出的部分天然气体通过管路输送至甲烷储气罐6，经固液分离器11后，分离出的固体回填至已经开采完的开采井19的采空区，再经气液分离器12，将天然气体分离并输送至气体储气罐13进行气体储藏，分离出的水输送至水回收箱18。
封井：对水合物储层进行最大限度的开采后，将分离的固体注入至采空区，提取钻具和隔水管等井内设备，对井孔进行封井作业。