一种采用高水材料充填海底天然气水合物开采空洞的方法与流程

本发明涉及海底天然气水合物开采过程中地层稳定性控制领域，尤其涉及一种采用高水材料充填海底天然气水合物开采空洞的方法。

背景技术：

天然气水合物是由气体分子与水在低温高压条件下形成的结晶状物质，具有储量丰富、能量密度高等特点，自上世纪60年代起，前苏联、美国、日本等诸多国家制定了一系列的天然气水合物勘探开发研究计划，我国也已于2017年首次海域天然气水合物试采成功。当今世界能源危机日趋严峻，天然气水合物这种新的替代能源的开发与利用更具有重大战略意义。

天然气水合物在低温高压环境中以固体形式填充于多孔介质之中，水合物的分解是基于固、液、气三相的热力学平衡。当天然气水合物赋存环境的温度或压力发生变化时，三相平衡条件被破坏，水合物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。大范围的固液分离导致水合物层出现较大空间形成空洞。空洞一方面降低了沉积地层的结构强度，导致海底地层的沉降失稳坍塌和开采井的破坏；另一方面空洞的存在会使得水合物藏赋存条件难以控制，导致天然气水合物大范围分解，严重时诱发海底滑坡、温室效应等环境地质灾害。因此对天然气水合物开采后形成的空洞进行控制是保证水合物安全高效开采的重要途径。

高水材料充填技术目前广泛应用于矿山充填技术领域，用以控制地压、减少地表沉降，提高资源回收率，取得了良好的技术经济效益。高水材料具有原料易得、早强快硬、含水率高(水体积分数可达95％～97％)、流动性好、初凝时间及抗压强度可调等特点，生成的固结体在三向受力状态下体应变小，具有良好的不可压缩性。该技术成本较低、操作简单，适于在潮湿、密闭及低温环境中使用。

现有的针对天然气水合物的降压开采、注热开采、化学试剂开采以及固体开采等方法，均是改变天然气水合物的三相平衡条件促使水合物分解，随着开采的不断进行，水合物层剥离空间形成空洞，但以上方法对空洞导致的上覆地层稳定性降低、安全隐患大的问题并未过多涉及。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种采用高水材料充填海底天然气水合物开采空洞的方法，可以提高水合物开采过程中赋存地层的结构稳定，维护海底生态地质环境，保证天然气水合物开采工作安全高效进展。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

本发明提供一种采用高水材料充填海底天然气水合物开采空洞的方法，包括(1)利用天然气水合物开采监测系统对空洞情况进行可视化处理，为高水材料充填系统提供必要的技术参数；(2)采用高水材料充填系统根据利用天然气水合物开采监测系统提供的空洞环境参数，分别配置a、b浆液并经三通混合器混合后送至注入单元，进行空洞充填工作；(3)采用充填效果检测系统对充填体应力、裂隙分布进行探测，对充填体与岩层的结合程度进行勘探，根据对采集信息处理后的结果，调整a、b充填浆料的配比及泵入速度反馈至高水材料充填系统，进行加注直至达到充填要求。

进一步的，天然气水合物开采监测系统由空洞原位监测装置和信号综合处理装置组成；空洞原位监测装置安装在开采机具上，包括专用电缆和空洞原位监测单元；信号综合处理装置包括大型数据处理设备和信息反馈装置，信号综合处理装置位于海面开采平台上，利用原位监测装置上的物理传感器、声发射设备采集空洞情况数字信号，并通过专用电缆上传至综合处理装置，采用大型数据处理设备对空洞情况进行可视化处理，为高水材料充填系统提供必要的技术参数。

进一步的，高水材料充填系统由原料制备设备、混料设备、泵送设备组成；原料制备设备分为a、b原料配比装置，混料设备由搅拌池、搅拌机、控制阀、三通混合器组成，用于混合制成a、b浆液；泵送设备由高压泵组和泵送控制器组成，用于控制泵入浆料；a、b原料配比装置分别配置a、b浆液并经三通混合器混合后送至注入单元，进行空洞充填工作。

充填效果检测系统由充填效果检测装置、海洋地球物理探测装置、信息综合装置组成；

充填效果检测装置布置于注入单元上，充填效果检测装置上的声发射装置和应力检测装置可以对充填体应力、裂隙分布进行探测；

海洋地球物理探测装置包括磁力探测设备、声呐探测设备，用来对充填体与岩层的结合程度进行勘探；

信息综合处理装置包括大型数据处理设备和信息反馈装置，根据对采集信息处理后的结果，调整充填浆料的配比及泵入速度反馈至充填系统，进行加注直至达到充填要求；

海洋地球物理探测装置和信息处理与反馈装置布置于海面开采平台。

进一步的，所述天然气水合物开采监测系统、高水材料充填系统、充填效果检测系统采用plc程序控制。

本发明的有益效果：

高水材料主料为铝土矿、石膏、石灰，原料易得、技术成熟、节约成本；高水材料混合浆液含水率高、流动性好，固结体具有良好的不可压缩性且抗压强度可调，能够满足不同条件下的空洞充填要求；从信息采集处理、配料注浆到充填检测与反馈，一系列过程均由计算机程序化操作完成，自动化程度高，劳动成本低；设置的海洋地球物理探测装置不仅能够探测充填效果，为反馈环节提供合理的修正参数，还能对水合物开采过程地质灾害进行预测预报，保证开采及充填工作的安全进行；能够在成本低廉、自动化程度高、安全可靠的前提下，保证水合物开采后的地层强度，避免因海底地层沉降失稳坍塌而导致的海底滑坡、温室效应等地质环境灾害，对天然气水合物安全高效开采具有指导意义。

附图说明

图1为本发明一个实施例的系统工作结构图。

图2为天然气水合物层空洞充填工作简图。

附图标记说明：1—a、b配料装置，2—搅拌池，3—搅拌机，4—泵送控制器，5—控制阀，6—三通混合器，7—高压泵组，8—泵送管道，9—开采井，10—信息处理与反馈装置，11—大型数据处理设备，12—磁力探测设备，13—声呐探测设备，14—专用电缆，15—沉积地层，16—天然气水合物层，17—下覆地层，18—注入单元，19—充填效果检测装置，20—开采机具，21—空洞原位监测单元。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：如图1-2所示，本实施例提供一种采用高水材料充填海底天然气水合物开采空洞的方法(1)利用天然气水合物开采监测系统对空洞情况进行可视化处理，为高水材料充填系统提供必要的技术参数；(2)采用高水材料充填系统根据利用天然气水合物开采监测系统提供的空洞环境参数，分别配置a、b浆液并经三通混合器混合后送至注入单元，进行空洞充填工作；(3)采用充填效果检测系统对充填体应力、裂隙分布进行探测，对充填体与岩层的结合程度进行勘探，根据对采集信息处理后的结果，调整a、b充填浆料的配比及泵入速度反馈至高水材料充填系统，进行加注直至达到充填要求。

所述天然气水合物开采监测系统由空洞原位监测装置vi和信号综合处理装置iv组成；其中空洞原位监测装置安装在开采机具20上，包括专用电缆14和空洞原位监测单元21；信号综合处理装置包括大型数据处理设备11和信息处理装置10。

所述高水材料充填系统由原料制备设备i、混料设备ii、泵送设备iii组成；其中原料制备设备分为a、b原料配比装置，装置1完全由plc控制；混料设备由搅拌池2、搅拌机3、控制阀5、三通混合器6组成，分别制成a、b浆料并进行混合；泵送设备由高压泵组7和泵送控制器4组成，用于控制泵入浆料。

所述充填效果检测系统由充填效果检测装置vii、海洋地球物理探测装置v、信息综合装置iv组成。其中充填效果检测装置布置于注入单元18上，注入单元布置有检测装置19；海洋地球物理探测装置包括磁力探测设备12和声呐探测设备13，用来充填效果检测；信息综合处理装置包括大型数据处理设备11和信息反馈装置10。

具体包括以下步骤：

(1)开采井9连通海上作业平台和水合物层16，使用开采机具20对水合物层进行开采，随着开采作业的进行，开采区域逐渐扩大形成空洞，此时布置在开采机具20上的原位监测装置21开始工作，利用物理传感器和声发射设备对空洞位置、体积分布、结构强度进行信息采集，采集的数字线号通过专用电缆14上传至信息综合处理装置iv；

(2)信息综合处理装置iv中的数字信号由大型数据处理设备11和信息处理与反馈装置10进行可视化处理，根据处理后的空洞环境参数经专用电缆14传输至配料装置1；

(3)配料装置1根据信息综合处理装置iv提供的空洞环境参数，确定a、b两种主料及添加剂的比例，按照高水材料水体积分数进行注水在搅拌池2中分别混合均匀，并经三通混合器6将两种浆液混合输送至高压泵组7；

(4)高压泵组7由泵送控制器4控制流量、流速和泵入压力，经泵送管道8输送至水合物层中的注入单元18，对水合物层空洞区域进行注浆，待混合浆液固结后，进行充填效果检测工作；

(5)通过布置在泵送管道上的充填效果检测装置19和布置在海上开采平台上的磁力探测设备12和声呐探测设备13，从海面上及水合物层对充填固结体强度、孔隙分布、岩层结合度等方面进行检测，检测后的信息收集到信号综合处理装置iv，通过信息处理与反馈装置10对配料装置1和泵送控制器4进行反馈控制，加注或更改配料参数直至充填效果复合要求，结束回填工作。