本发明属于天然气水合物开采技术领域，尤其是涉及一种利用套管式加热器开采天然气水合物的方法。
背景技术：
天然气水合物是指天然气与水在特定温度和压力下生成的一种笼型晶体物质，似冰雪状，因其可以点燃，故俗称为“可燃冰”。天然气水合物具有能量密度大、分布广、储量大和埋藏浅等特征，被认为是成为21世纪理想的替代能源。2007年～2016年广州海洋地质调查局在南海北部陆坡开展了4次天然气水合物实地钻进调查，均获取了天然气水合物样品，4次调查共完成钻探井88口，在南海圈定了11个有利远景区，19个成矿带，初步预测我国海域天然气水合物资源量约800亿吨油当量。
2017年5月10日～7月9日，我国采用降压法成功实现资源量占全球90％以上、开发难度最大的泥质粉砂型天然气水合物安全可控开采，累计产气30.9×104m3，创造了产气时长和总量的世界纪录，为天然气水合物商业开采奠定了坚实的基础。然而，室内实验与数值模拟研究表明，天然气水合物降压开采过程中，可能会在井周、井筒或水合物分解前缘形成二次水合物，井周或开采段井筒内二次水合物的形成会导致井周储层渗透性降低或发生井筒堵塞，进而导致产气速率和产气量降低。尤其是对于我国低孔隙低渗透泥质粉砂型天然气水合物储层，二次水合物的形成对水合物开采效果影响更大。因此，针对水合物降压开采过程中二次水合物形成的问题，亟需一种行之有效的预防井周或井筒内二次水合物形成的开采方法。
技术实现要素：
本发明的目的是针对降压开采过程中井周或开采段井筒内形成的二次水合物造成产气速率和产气量降低的问题，提供一种利用套管式加热器开采天然气水合物的方法，通过提高井周和开采段井筒内温度，预防二次水合物形成。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种利用套管式加热器开采天然气水合物的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、结合区域地质资料和天然气水合物储层沉积物特征，在天然气水合物储层内设计水平井布置方案；
步骤二、钻井与完井，采用深水钻井平台进行开采井钻进，完井时在天然气水合物储层拟开采层段下放套管式加热器，其他层段下放普通套管，安装井口装置，井口装置通过隔水管与深水钻井平台连接，固井；
步骤三、在开采井井筒内安装光纤温度传感器、潜水泵、潜水泵电缆及套管式加热器动力供给管线，潜水泵电缆一端与潜水泵连接，另一端与深水钻井平台连接，套管式加热器动力供给管线一端与套管式加热器连接，另一端与深水钻井平台连接；
步骤四、启动潜水泵，逐步降低水平井内压力，进行降压开采；
步骤五、开采井井筒内温度出现持续降低或产气速率低于正常值的10％时，开启套管式加热器，待井筒内温度或产气速率恢复正常后调节套管式加热器加热功率使产气量保持稳定，产气量保持稳定1小时后可选择关闭套管式加热器，如此往复调节套管式加热器加热功率或开启/关闭套管式加热器，实现降压加热耦合开采天然气水合物。
所述套管式加热器为套管式电加热器或套管式流体加热器。
第一种套管式电加热器，所述套管式电加热器包括套管本体、电加热丝系统、筛管及插接式主电缆系统，套管本体的端部具有螺纹，相邻的两节套管本体相互之间采用螺纹进行连接，在套管本体上加工有电加热丝双螺旋槽和过水螺旋槽，电加热丝双螺旋槽的槽宽为2mm～4mm，槽距为2mm～4mm，螺距为30mm～40mm；过水螺旋槽的槽宽为1mm～3mm，过水螺旋槽的螺距与电加热丝双螺旋槽的螺距一致，过水螺旋槽呈倾斜设置，其与套管本体轴向所成夹角为60度，过水螺旋槽和电加热丝双螺旋槽间隔布置；电加热丝系统包括电加热丝和电加热丝高压密封母接头，电加热丝直径为2mm～4mm，以双螺旋的方式缠绕在电加热丝双螺旋槽内，电加热丝穿过套管本体上的通孔与电加热丝高压密封母接头相连；电加热丝高压密封母接头固定在套管本体内壁上；筛管套在套管本体上，覆盖住电加热丝，筛管的外径与套管本体的最大外径一致，以保持整个套管式电加热器外径一致；插接式主电缆系统由插接式主电缆、电缆保护管、电加热丝高压密封公接头、主电缆高压密封公接头、主电缆高压密封母接头和电缆保护管固定架构成，插接式主电缆放置在电缆保护管内；电缆保护管一端通过电缆保护管固定架固定在套管本体内壁上，电缆保护管另一端通过电加热丝高压密封公接头与电加热丝高压密封母接头插接配合固定在套管本体内壁上；主电缆高压密封公接头、主电缆高压密封母接头分别设置在插接式主电缆两端端部，主电缆高压密封公接头延伸至电缆保护管外部；电缆保护管固定架与电缆保护管之间设置有轴承。
下放套管式电加热器过程如下：相邻两节套管式电加热器螺纹连接之前，首先将前一节套管式电加热器的主电缆高压密封公接头与后一节套管式电加热器的主电缆高压密封母接头相连，然后通过螺纹连接的方式将两节套管式电加热器的套管本体连接，此时后一节套管式电加热器的电加热丝高压密封公接头与电加热丝高压密封母接头处于断开状态，待相邻两节套管式电加热器连接好后，将后一节套管式电加热器的电加热丝高压密封公接头和电加热丝高压密封母接头连接在一起，完成套管式电加热器之间连接。
第二种套管式电加热器，所述套管式电加热器包括套管本体、电加热丝系统和筛管，套管本体的端部具有螺纹，相邻的两节套管本体相互之间采用螺纹进行连接，在套管本体上加工有电加热丝双螺旋槽和过水螺旋槽，电加热丝双螺旋槽的槽宽为2mm～4mm，槽距为2mm～4mm，螺距为30mm～40mm；过水螺旋槽的槽宽为1mm～3mm，过水螺旋槽的螺距与电加热丝双螺旋槽的螺距一致，过水螺旋槽呈倾斜设置，其与套管本体轴向所成夹角为60度，过水螺旋槽和电加热丝双螺旋槽间隔布置；电加热丝系统包括电加热丝及高压密封接头，电加热丝直径为2mm～4mm，以双螺旋的方式缠绕在电加热丝双螺旋槽内，电加热丝通过高压密封接头与套管式加热器动力供给管线相连；所述筛管的外径与套管本体的最大外径一致，以保持整个套管式电加热器外径一致。
下放套管式电加热器过程如下：相邻两节套管式电加热器的套管本体通过螺纹连接，两节套管本体螺纹连接之后将套管式加热器动力供给管线固定在套管本体外壁上，完成套管式电加热器之间连接。
所述电加热丝为金属电阻丝或碳纤维加热丝。
所述套管式流体加热器包括套管本体、筛管和高温流体管线，套管本体的端部具有螺纹，相邻的两节套管本体相互之间采用螺纹进行连接，在套管本体上加工有过水螺旋槽，过水螺旋槽的槽宽为1mm～3mm，螺距为30mm～40mm，过水螺旋槽呈倾斜设置，其与套管本体轴向所成夹角为60度，任意相邻两个过水螺旋槽等间隔布置；筛管套在套管本体上，筛管的外径与套管本体的最大外径一致，以保持整个套管式流体加热器外径一致；高温流体管线包括进流体管和回流体管，进流体管的一端设置有进流体管公接头，另一端设置有进流体管母接头，回流体管的一端设置有回流体管母接头，另一端设置有回流体管公接头，进流体管和回流体管的内径均为2cm～4cm,两条高温流体管线螺旋分布在套管本体内，并与套管本体内壁接触。
下放套管式流体加热器过程如下：在相邻两节套管式流体加热器螺纹连接之前，先将前一节套管式流体加热器的进流体管公接头与后一节套管式流体加热器的进流体管母接头相连，前一节套管式流体加热器的回流体管母接头与后一节套管式流体加热器的回流体管公接头相连；然后进行两节套管式流体加热器的套管本体螺纹连接。
所述套管式电加热器的供电电压为1000v～3000v。
通过上述设计方案，与现有技术相比本发明可以带来如下有益效果：本发明通过套管式加热器既可维持孔壁稳定，又可加热井周水合物储层和开采段井筒，避免降压开采过程中井周或开采段井筒内形成的二次水合物对开采效果的影响。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明一种利用套管式加热器开采天然气水合物的方法原理结构示意图。
图2为本发明实施例中一种套管式电加热器的示意图。
图3为本发明实施例中另一种套管式电加热器的示意图。
图4为本发明套管式流体加热器的示意图。
图中：1-海水；2-上覆沉积物；3-天然气水合物储层；4-水平井；5-套管式加热器；6-深水钻井平台；7-普通套管；8-井口装置；9-隔水管；10-光纤温度传感器；11-潜水泵；12-潜水泵电缆；13-套管式加热器动力供给管线；14-套管本体；15-筛管；16-电加热丝双螺旋槽；17-过水螺旋槽；18-电加热丝；19-电加热丝高压密封母接头；20-通孔；21-插接式主电缆；22-电缆保护管；23-电加热丝高压密封公接头；24-主电缆高压密封公接头；25-主电缆高压密封母接头；26-电缆保护管固定架；27-轴承；28-高压密封接头；30-进流体管；31-回流体管；32-进流体管公接头；33-进流体管母接头；34-回流体管母接头；35-回流体管公接头。
具体实施方式
为了更清楚地表明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程并没有详细的叙述。
如图1所示，本发明提出的一种利用套管式加热器开采天然气水合物的方法，包括如下步骤：
步骤一、结合区域地质资料和天然气水合物储层3沉积物特征，天然气水合物储层3位于海水1及上覆沉积物层2之下，在天然气水合物储层3内设计水平井4布置方案，并选取套管式加热器5的类型；
步骤二、钻井与完井，采用深水钻井平台6进行开采井钻进，完井时在天然气水合物储层3拟开采层段下放套管式加热器5，其他层段下放普通套管7，安装井口装置8，井口装置8通过隔水管9与深水钻井平台6连接，固井；
步骤三、经过隔水管9和井口装置8，在开采井井筒内安装光纤温度传感器10、潜水泵11、潜水泵电缆12及套管式加热器动力供给管线13，潜水泵电缆12一端与潜水泵11连接，另一端与深水钻井平台6连接，套管式加热器动力供给管线13一端与套管式加热器5连接，另一端与深水钻井平台6连接；套管式加热器动力供给管线13安装时间取决于套管式加热器5类型，将在下述实施例中逐一阐述；
步骤四、启动深水潜水泵11，逐步降低水平井4段内压力，进行降压开采；
步骤五、当井筒内光纤温度传感器10测得的井筒内温度出现持续降低或产气速率明显下降时，开启套管式加热器5，对井筒系统和井周储层进行加热，防止井筒内和井周天然气水合物储层3内形成二次水合物；观察产气量与井筒内温度变化情况，待井筒内温度或产气速率恢复正常后调节套管式加热器加热功率使产气量保持稳定，产气量保持稳定1小时后可选择关闭套管式加热器，如此往复调节套管式加热器加热功率或开启/关闭套管式加热器，实现降压加热耦合开采天然气水合物。
如图2、图3和图4所示，步骤一所述的套管式加热器5可分为套管式电加热器和套管式流体加热器，其中套管式电加热器所用加热元件可以是金属电阻丝也可以是碳纤维加热丝，套管式流体加热器所用加热流体可以是高温气体，如空气、氮气和天然气等，也可以是高温液体，如海水。
实施例一
如图2所示，第一种套管式电加热器，该套管式电加热器包括套管本体14、电加热丝系统、筛管15及插接式主电缆系统，套管本体14的端部具有螺纹，相邻的两节套管本体14相互之间采用螺纹进行连接，在套管本体14上加工有电加热丝双螺旋槽16和过水螺旋槽17，电加热丝双螺旋槽16的槽宽为2mm～4mm，槽距为2mm～4mm，螺距为30mm～40mm；过水螺旋槽17的槽宽为1mm～3mm，过水螺旋槽17的螺距与电加热丝双螺旋槽16的螺距一致，过水螺旋槽17呈倾斜设置，其与套管本体14轴向所成夹角为60度，过水螺旋槽17和电加热丝双螺旋槽16间隔布置；电加热丝系统包括电加热丝18和电加热丝高压密封母接头19，电加热丝18直径为2mm～4mm，以双螺旋的方式缠绕在电加热丝双螺旋槽16内，电加热丝18穿过套管本体14上的通孔20与电加热丝高压密封母接头19相连；电加热丝高压密封母接头19固定在套管本体14内壁上；筛管15套在套管本体14上，覆盖住电加热丝18，筛管15的外径与套管本体14的最大外径一致，以保持整个套管式电加热器外径一致；筛管15侧壁上的筛孔孔径根据天然气水合物储层3沉积物粒径进行设计；插接式主电缆系统由插接式主电缆21、电缆保护管22、电加热丝高压密封公接头23、主电缆高压密封公接头24、主电缆高压密封母接头25和电缆保护管固定架26构成，插接式主电缆21放置在电缆保护管22内；电缆保护管22一端通过电缆保护管固定架26固定在套管本体14内壁上，电缆保护管22另一端通过电加热丝高压密封公接头23与电加热丝高压密封母接头19插接配合固定在套管本体14内壁上；主电缆高压密封公接头24、主电缆高压密封母接头25分别设置在插接式主电缆21两端端部，主电缆高压密封公接头24延伸至电缆保护管22外部；电缆保护管固定架26与电缆保护管22之间设置有轴承27。
本实施例中套管式加热器5采用第一种套管式电加热器：
具体步骤二所述下放套管式加热器5过程如下：相邻两节套管式电加热器螺纹连接之前，首先将前一节套管式电加热器的主电缆高压密封公接头24与后一节套管式电加热器的主电缆高压密封母接头25相连，然后通过螺纹连接的方式将两节套管式电加热器的套管本体14连接，此时后一节套管式电加热器的电加热丝高压密封公接头23与电加热丝高压密封母接头19处于断开状态，由于轴承27的存在，后一节套管式电加热器的电缆保护管22及插接式主电缆21并不随套管本体14的转动而转动，待相邻两节套管式电加热器连接好后，将后一节套管式电加热器的电加热丝高压密封公接头23和电加热丝高压密封母接头19连接在一起，完成套管式电加热器之间连接。
步骤三安装套管式加热器动力供给管线13过程中，通过电缆连接接头将套管式加热器动力供给管线13与最后一节的插接式主电缆21连接。
步骤五所述的套管式加热器5工作过程中，相邻两节套管式加热器之间的电加热丝18连接方式为并联，供电电压为高压电，电压为1000v～3000v,可根据调节供电电压整体调节各节套管式加热器5的加热功率。根据井口监测到的气体产量或井内光纤温度传感器10监测到的水平井4开采井段内温度，进行加热功率的调节或开启/关闭，实现降压加热耦合开采天然气水合物。
实施例二
如图3所示，第二种套管式电加热器，该套管式电加热器包括套管本体14、电加热丝系统和筛管15，套管本体14的端部具有螺纹，相邻的两节套管本体14相互之间采用螺纹进行连接，在套管本体14上加工有电加热丝双螺旋槽16和过水螺旋槽17，电加热丝双螺旋槽16的槽宽为2mm～4mm，槽距为2mm～4mm，螺距为30mm～40mm；过水螺旋槽17的槽宽为1mm～3mm，过水螺旋槽17的螺距与电加热丝双螺旋槽16的螺距一致，过水螺旋槽17呈倾斜设置，其与套管本体14轴向所成夹角为60度，过水螺旋槽17和电加热丝双螺旋槽16间隔布置；电加热丝系统包括电加热丝18及高压密封接头28，电加热丝18直径为2mm～4mm，以双螺旋的方式缠绕在电加热丝双螺旋槽16内，电加热丝18通过高压密封接头28与套管式加热器动力供给管线13相连；所述筛管15的外径与套管本体14的最大外径一致，以保持整个套管式电加热器外径一致，筛管15侧壁上的筛孔孔径根据天然气水合物储层3沉积物粒径进行设计。所述的套管式加热器动力供给管线13直径约为5mm，沿着套管本体14的外壁连接至深水钻井平台6。
本实施例中套管式加热器5采用第二种套管式电加热器：
步骤二所述的下放套管式加热器5过程中，相邻两节套管式电加热器的套管本体14通过螺纹连接，两节套管本体14螺纹连接之后将套管式加热器动力供给管线13固定在套管本体14外壁上，完成套管式电加热器之间连接。在本实施例中，套管式加热器动力供给管线13随套管同时下放，套管式加热器动力供给管线13位于普通套管7和套管式电加热器的外侧。
步骤五所述的套管式加热器5工作过程中，所述的套管式电加热器之间的电加热丝18彼此独立，各节套管式电加热器供电电压为高压电，电压为1000v～3000v,可根据调节供电电压单独调节每节套管式电加热器的加热功率。根据井口监测到的气体产量或井内光纤温度传感器10监测到的水平井4开采井段内温度，进行各节套管式加热器5加热功率的调节或开启/关闭，实现降压加热耦合开采天然气水合物。
实施例三
如图4所示，所述套管式流体加热器包括套管本体14、筛管15和高温流体管线，套管本体14的端部具有螺纹，相邻的两节套管本体14相互之间采用螺纹进行连接，在套管本体14上加工有过水螺旋槽17，过水螺旋槽17的槽宽为1mm～3mm，螺距为30mm～40mm，过水螺旋槽17呈倾斜设置，其与套管本体14轴向所成夹角为60度，任意相邻两个过水螺旋槽17等间隔布置；筛管15套在套管本体14上，筛管15的外径与套管本体14的最大外径一致，以保持整个套管式流体加热器外径一致；筛管15侧壁上的筛孔孔径根据天然气水合物储层3沉积物粒径进行设计；高温流体管线包括进流体管30和回流体管31，进流体管30的一端设置有进流体管公接头32，另一端设置有进流体管母接头33，回流体管31的一端设置有回流体管母接头34，另一端设置有回流体管公接头35，进流体管30和回流体管31的内径均为2cm～4cm,两条高温流体管线螺旋分布在套管本体14内，并与套管本体14内壁接触。
本实施例中套管式加热器5采用套管式流体加热器：
步骤二所述的下放套管式加热器5过程中，在相邻两节套管式流体加热器螺纹连接之前，先将前一节套管式流体加热器的进流体管公接头32与后一节套管式流体加热器的进流体管母接头33相连，前一节套管式流体加热器的回流体管母接头34与后一节套管式流体加热器的回流体管公接头35相连；然后进行两节套管式流体加热器的套管本体14螺纹连接。
步骤五所述的套管式加热器5工作过程中，所述的套管式流体加热器的高温流体管线连接方式为串联，可根据调节热流体的温度和流量整体调节各节套管式流体加热器的加热功率。根据井口监测到的气体产量或井内光纤温度传感器10监测到的水平井4开采井段内温度，进行套管式流体加热器加热功率的调节或开启/关闭，实现降压加热耦合开采天然气水合物。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。