專利名稱：一種開采海洋天然氣水合物的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種海洋天然氣水合物開采方法與裝置，屬于海洋油氣藏開發(fā)領域。
背景技術(shù)：
天然氣水合物是低溫高壓條件下由水和氣體分子構(gòu)成的冰狀固體物質(zhì)，隨儲層和氣源性質(zhì)不同，其性狀也不盡相同。海底天然氣水合物的開采方式與現(xiàn)有氣藏開采方式有重大差別，文獻中常見的開采方法是注熱分解法、降壓分解法、注入抑制劑分解法和置換分解法等。降壓分解法是通過減小氣水合物表面壓力，使其處于相平衡區(qū)域之外從而發(fā)生分解。該法面臨的最大問題是分解速度過慢，氣體產(chǎn)出量有限。注熱分解法通過向水合物中注入熱量促其升溫從而造成水合物分解。注熱可由多種手段實現(xiàn)，比如向氣水合物中注入熱水，蒸汽或特殊介質(zhì)(比如特殊的酸或堿)，甚至火燒氣水合物，也可使用微波加熱。前兩種方法尚可考慮采用地熱來實現(xiàn)，而微波加熱必須要考慮巨大的能量來源，以及合理的控制熱量波及范圍；注入介質(zhì)的方法需要經(jīng)過進一步的實驗室研究和現(xiàn)場試驗，因為大部分沉積層的滲透率并不高，難以保證注入介質(zhì)的作用范圍和最終效果；火燒氣水合物則需要考慮更多的技術(shù)問題，比如如何注入氧氣以及在氣水合物中打通燃燒的通道等。還需注意，常規(guī)油氣藏開發(fā)過程中，生產(chǎn)壓力通常由地層流體提供，通過注入流體即可基本維持初始生產(chǎn)壓差。而對于氣水合物，開采時如果注入足夠熱量，那么其分解時產(chǎn)生的天然氣完全有能力造成地層壓力的急劇升高，甚至大大高于初始地層壓力。注入抑制劑法原理是通過向氣水合物層注入化學試劑改變其相平衡從而引起分解。該法可能引起環(huán)境污染，不適宜大規(guī)模開發(fā)應用。置換分解法是一種新穎的開采方法，一旦實現(xiàn)，既能夠采出寶貴的資源， 又能將溫室效應顯著的二氧化碳封存在海底。但是相關試驗表明，這種方法反應速度過慢， 而且二氧化碳在礦藏中的運移將受到地層和氣水合物的阻隔，替換效率很低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種開采海洋天然氣水合物的方法與裝置。本方法是向海洋天然氣水合物中注入溶解劑，使固態(tài)氣水合物轉(zhuǎn)化為液態(tài)后進行收集，之后對該溶液進行分離獲得天然氣。既能合理有效地開發(fā)氣水合物，又能保證環(huán)境和設備的安全。本發(fā)明所述的開采海洋天然氣水合物的方法由如下步驟實現(xiàn)1.構(gòu)建安全井組安全井組由觀察井和加固井組成，其目的是保障海底的穩(wěn)定性，削弱天然氣水合物被采出所帶來的影響，安全井組的建設過程遵循如下步驟(1)鉆觀察井開發(fā)初期應在整個作業(yè)區(qū)域內(nèi)合理布置觀察井，用以了解海底地層的動態(tài)；觀察井可采用深水鉆井技術(shù)完成，可使用小井眼鉆井技術(shù)以降低成本，鉆達設計深度后根據(jù)地質(zhì)狀況確定是否固井；應保證觀察井能夠?qū)崟r準確地取得地層參數(shù)。(2)鉆加固井
加固井用于向開采過氣水合物的海底地層注入固化劑以穩(wěn)固礦層骨架，防止海底滑坡或巖層流動；鉆井完成后不固井。加固井采用等直徑井身結(jié)構(gòu)，使用套管鉆井技術(shù)完成；井身為封閉金屬筒結(jié)構(gòu)，由懸掛段，剪切接頭和口袋段三部分組成；懸掛段連接井身與平臺，口袋段封閉井筒，剪切接頭連接懸掛段和口袋段，并控制固化劑的注入位置；固化劑的注入有兩種工作模式一是主動注入，即由觀察井所得資料表明海底地層可能出現(xiàn)不穩(wěn)定跡象時，增大加固井中壓力， 則井身自剪切接頭處斷開，固化劑即被注入地層；二是被動注入，即地層突然發(fā)生流動時將使加固井由剪切接頭處剪斷，固化劑由斷開處注入地層。(3)建設海底安全監(jiān)控平臺海底安全監(jiān)控平臺不承擔天然氣水合物開采任務，只負責檢測和控制海底地層的穩(wěn)定，防止出現(xiàn)滑坡的異常現(xiàn)象。監(jiān)控平臺的規(guī)模和形式應與實際需要相匹配；地質(zhì)穩(wěn)定區(qū)域勿需建設這類平臺； 近海區(qū)域可使用固定式平臺；深海區(qū)域則使用浮動式平臺；平臺上設有觀察井資料收集和分析工作區(qū)，裝有加固井壓力和流量監(jiān)控設備，備有足量固化劑；固化劑可以為水泥或其他類似屬性的物質(zhì)。2.構(gòu)建開發(fā)井組開發(fā)井組由注入井和收集井組成，其目的是用溶解劑將氣水合物進行溶解后再分離產(chǎn)出天然氣；開發(fā)井組是產(chǎn)出天然氣的必要裝置，其建設過程可分為如下步驟(1)鉆注入井注入井采用水平井，其水平段位于氣水合物儲層的較低層位；視儲層地質(zhì)條件選擇合適的完井方式，保證井眼與儲層良好連通；注入井的走向與儲層走向一致，以盡可能多得接觸氣水合物。注入劑經(jīng)由注入井進入儲層，注入井可使用單一水平井，也可使用多井筒并排注入。由注入井輸入的溶解劑造成氣水合物溶解，且產(chǎn)出溶液密度比相同條件下的空隙水密度小，因而在浮力作用下逐漸向地層上部運動。(2)鉆叢式收集井收集井采用叢式井，用以收集注入井產(chǎn)出的溶液；收集井可為直井或定向井，由現(xiàn)有叢式鉆井技術(shù)完成；所有井筒均與氣水合物上部蓋層連通，可根據(jù)需要適當開啟或關閉部分井眼；開啟狀態(tài)下，地層流體進入井筒，并逐漸上升至開采平臺；關閉狀態(tài)下，井眼與地層隔絕，關井方式有助于控制開發(fā)速度。(3)建設天然氣水合物開采平臺開采平臺負責開發(fā)天然氣水合物以產(chǎn)出天然氣，是開發(fā)過程中的關鍵裝置；視實際需求，開采平臺可采用固定式或浮動式結(jié)構(gòu)形式。收集井與注入井均可布置在開采平臺上；平臺上設有溶解劑配置與儲存系統(tǒng)、氣液分離系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、壓力監(jiān)控系統(tǒng)、排水系統(tǒng)。本發(fā)明所用的溶解劑為普通淡水、凈化后的海水或化學劑；對溶解劑的要求是低溫、高壓條件下可溶解較大量的天然氣(主要成分為甲烷)；使用降壓或升溫等簡易措施即可使溶液分解產(chǎn)出天然氣；無毒、無腐蝕，不造成環(huán)境破壞。
3.構(gòu)建海底集輸氣系統(tǒng)海底集輸氣系統(tǒng)用以將開發(fā)井組采出的天然氣及時輸送到陸地上的存儲和使用單位；該系統(tǒng)主要由集氣站、流量、壓力監(jiān)控系統(tǒng)、海底氣體輸送管道組成；該系統(tǒng)可使用現(xiàn)有海底儲運技術(shù)所實現(xiàn)的長輸管線；輸送終端為陸上配氣站或液化天然氣站。4.啟動開發(fā)方案待開發(fā)井組和安全井組構(gòu)建完成，相應的儲運系統(tǒng)具備工作條件后，即可啟動開發(fā)方案；由注入井輸入溶解劑，溶解劑擴散進入儲層，與氣水合物形成穩(wěn)定溶液；溶液密度較小，在浮力作用下向地層上部運動并進入收集井；開采平臺將對溶液進行分離，產(chǎn)出天然氣；天然氣經(jīng)由集氣站進入海底管道并被輸送到相應陸上設施。本發(fā)明與現(xiàn)有開采方法相比具有如下優(yōu)勢(1)使用安全井組實時檢測地層動態(tài)，可根據(jù)實際狀況采取地層加固措施，很大程度上保持海底地層的穩(wěn)定；(2)采用溶解氣水合物的方法將天然氣溶液運移至開采平臺上，一方面不至破壞儲層原始條件，不會引起氣水合物的無節(jié)制分解；另一方面易于實現(xiàn)對開采過程的控制，可根據(jù)需要調(diào)整注入速度。特殊情況下，還可實現(xiàn)向注入井中通入固化劑以加固地層；(3)通過有選擇地開關叢式收集井有助于合理控制開采速率，調(diào)配開采平臺生產(chǎn)負荷；(4)經(jīng)由海底管道集輸系統(tǒng)可將產(chǎn)出的天然氣迅速轉(zhuǎn)運到陸上終端，可實現(xiàn)天然氣水合物的大規(guī)模開發(fā)。


圖1天然氣水合物開采方法相應裝置在局部海域范圍內(nèi)的配置圖。圖加加固井與觀察井分布格局圖。圖2b加固井主動注入固化劑的工作狀態(tài)圖。圖2c加固井被動注入固化劑的工作狀態(tài)圖。圖3使用溶解法采出氣水合物中的天然氣原理圖。其中1.陸地，2.海底集輸管道，3.大洋底，4.天然氣水合物儲層，5.加固井，6.觀察井，7.叢式收集井，8.注入井，9.深海天然氣集輸管道，10.海底安全監(jiān)控平臺，11.浮動式天然氣水合物開采平臺，12.固定式天然氣水合物開采平臺，13.近海天然氣集輸管道， 501.懸掛段，502.剪切接頭，503. 口袋段，504.輸入管，506.固化劑，701.輸送管道，702. 管道，801.注入井輸入管，802.管道，803.穩(wěn)定溶液，804.少量逸散，
具體實施例方式本發(fā)明所述的開采海洋天然氣水合物的裝置由加固井5，觀察井6，叢式收集井7， 注入井8，深海天然氣集輸管道9，海底安全監(jiān)控平臺10，浮動式天然氣水合物開采平臺11， 固定式天然氣水合物開采平臺12，近海天然氣集輸管道13構(gòu)成；加固井5和觀察井6位于大洋底部，加固井5井眼上部為懸掛段501，下部為口袋段503，中間由剪切接頭502連接， 其內(nèi)部存有足量固化劑506，口袋段503位于天然氣水合物儲層4處，剪切接頭位于地層結(jié)構(gòu)松散處，加固井6與輸入管504連接，輸入管504與海底安全監(jiān)控平臺10連接，觀察井6 分布在加固井5周圍，與海底安全監(jiān)控平臺10連接控制和收集數(shù)據(jù)；叢式收集井7和注入井8位于觀察井6和加固井5附近；注入井8的水平段位于天然氣水合物儲層的底部，注入井采用裸眼或篩管完井方式，其垂直段與輸入管801連接；收集井7位于注入井8上方，為叢式井，井筒全部或部分為直井，所有井口置于同一浮動式天然氣水合物開采平臺11或固定式天然氣水合物開采平臺12上，由輸送管道701與深海天然氣集輸管道9和近海天然氣集輸管道13連接，收集井覆蓋區(qū)域面積應與注入井控制體積相匹配，深海天然氣集輸管道 9和近海天然氣集輸管道13與集氣站連接，集氣站通過海底集輸管道2與陸地1上的用戶連接。下面結(jié)合附圖對發(fā)明內(nèi)容做進一步說明如圖1所示，在經(jīng)勘探確定的天然氣水合物礦藏區(qū)域布置觀察井6，詳查地層動態(tài)，掌握足夠地質(zhì)資料，確保儲層具有良好的開采條件。根據(jù)觀察井獲得數(shù)據(jù)確定地層薄弱區(qū)域，并于該區(qū)域布置加固井5。圖2說明了加固井的工作原理。加固井由套管鉆井技術(shù)完成，鉆井完成后不固井。井眼上部為懸掛段501，下部為口袋段503，中間由剪切接頭502 連接。剪切接頭未斷開時，加固井處于封閉狀態(tài)，其內(nèi)部始終存有足量固化劑506。一旦剪切接頭斷開，固化劑流入地層，加固井即完成加固任務。應保證剪切接頭位于地層結(jié)構(gòu)松散處，以便固化劑擴散進入地層。圖2(a)為加固井與觀察井分布格局，每口加固井周圍應布置多口觀察井，以取得足夠地層信息。圖2(b)為加固井主動注入固化劑的工作狀態(tài)，當由觀察井取得資料表明地層出現(xiàn)不穩(wěn)定跡象時，即通過加固井輸入管504增大井內(nèi)壓力，剪切接頭在內(nèi)壓作用下脹裂，口袋段與懸掛段分離，固化劑由斷口處壓入地層，從而增加地層強度，提高穩(wěn)定性；圖2(c)為加固井被動注入固化劑的工作狀態(tài)，即當?shù)貙釉诓豢深A知的情況下發(fā)生塑性流動或滑移時，口袋段因被地層攜帶而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，剪切接頭因彎矩作用剪斷，從而將固化劑送入地層。此種工作狀態(tài)是對突發(fā)性地層運動的應急處理，雖然固化效果難以預計，但可在一定程度上減緩或阻止地層的運動。安全井組只布置在地質(zhì)條件薄弱的區(qū)域，地層堅固穩(wěn)定的區(qū)域勿需構(gòu)建這一井組。構(gòu)筑安全井組的同時即可進行開發(fā)井組的鉆進。圖3說明了開發(fā)井組工作的原理。該井組由水平注入井8和叢式收集井7組成。注入井由常規(guī)海洋鉆井技術(shù)完成，其水平段位于天然氣水合物儲層的底部。為盡量保持儲層自然狀態(tài)，注入井采用裸眼或篩管完井方式。視地質(zhì)條件，可使用壓裂等措施以提高井眼與地層的連通性。收集井采用叢式鉆井技術(shù)完成，井筒全部或部分為直井。所有井口放置于同一操作平臺，便于鉆井和后期的開采管理。收集井覆蓋區(qū)域面積應與注入井控制體積相匹配。Paull和Ussier (2003)指出，3000m水深處的IL海水可溶解常壓下4. 25L甲烷氣，而氣水分離只需簡單的降壓處理即可實現(xiàn)。本發(fā)明即使用了溶解的方法采出氣水合物中的天然氣，但溶解劑并不限于海水。其過程是由注入井輸入管801不斷向井中輸入溶解劑，溶解劑擴散進入天然氣水合物儲層，打破氣水合物的原有的溶解平衡，使氣水合物與溶解劑形成穩(wěn)定溶液803。溶液的密度小于原地孔隙水密度，故在浮力作用下向地層上方運動，直至進入收集井控制范圍。收集井不斷向井筒內(nèi)吸入地層流體，故可將絕大部分溶液收集起來輸送至開采平臺的處理裝置。溶液經(jīng)氣水分離后即可產(chǎn)出天然氣，由管道701輸送到海底集輸氣系統(tǒng)，產(chǎn)出水則處理后由管道702排出；溶解劑則可處理后由管道802回注入水平注入井。由于開采過程中溶解劑不可避免會發(fā)生少量逸散804，故要求其無毒、無腐蝕、 無環(huán)境危害?？梢圆捎玫娜芙鈩槠胀ǖ?、凈化后的海水或特殊配置的化學藥劑。深水區(qū)域(水深大于400m)時考慮使用浮式平臺，近海區(qū)域使用固定式平臺。海底安全監(jiān)控平臺和天然氣開采平臺均需配備必要的設施以實現(xiàn)各自功能。為將天然氣輸送到陸地上的加工和使用單位，應建設海底集輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括集氣站和輸送管道。開采平臺產(chǎn)出的天然氣首先進入集氣站，經(jīng)脫水、加壓等處理后進入海底管道并輸送到用戶終端。管道的鋪設應與開發(fā)規(guī)模相匹配，既滿足工程需求，又便于維護和改造。
權(quán)利要求
1.一種開采海洋天然氣水合物的方法，其特征在于(1)構(gòu)筑安全井組，該井組由觀察井和加固井組成；觀察井用以收集海底信息，實時檢測地層動態(tài)；加固井用于向地層中注入固化劑，以固結(jié)地層，安全井組統(tǒng)一使用海底安全監(jiān)控平臺操作；(2)構(gòu)筑開發(fā)井組，該井組由注入井和收集井組成；由注入井向天然氣水合物儲層注入溶解劑形成穩(wěn)定的天然氣溶液，溶液擴散進入收集井，經(jīng)處理后產(chǎn)出天然氣，開發(fā)井組統(tǒng)一由天然氣開采平臺操作；(3)建設海底集輸氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)由集氣站和海底管道組成，負責將開采平臺產(chǎn)出的天然氣輸送到陸地上的處理和使用終端；溶解劑為淡水、凈化后的海水或化學劑；固化劑為水泥或其他類似屬性的物質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開采海洋天然氣水合物的方法，其特征在于步驟(1)中的加固井，井筒由懸掛段、剪切接頭和口袋段三部分組成，全井密閉，內(nèi)部充滿有一定內(nèi)壓的固化劑，剪切接頭位于地層薄弱區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開采海洋天然氣水合物的方法，其特征在于步驟O)中的注入井為水平井，水平段位于天然氣水合物儲層底部，采用裸眼或篩管完井方式；注入井不斷向儲層中注入溶解劑，溶解劑與氣水合物形成穩(wěn)定溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開采海洋天然氣水合物的方法，其特征在于步驟O)中的溶液密度比相同條件下的孔隙水密度小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開采海洋天然氣水合物的方法，其特征在于步驟O)中的收集井為叢式井，井眼為直井或定向井，收集井覆蓋區(qū)域大于注入井控制區(qū)域；收集井不斷由地層中吸入流體并輸送至開采平臺。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開采海洋天然氣水合物的方法，其特征在于所述的溶解劑可回收返回注入井重新使用。
7.—種權(quán)利要求1所述的開采海洋天然氣水合物的裝置，由加固井，觀察井，叢式收集井，注入井，深海天然氣集輸管道，海底安全監(jiān)控平臺，浮動式天然氣水合物開采平臺，固定式天然氣水合物開采平臺，近海天然氣集輸管道構(gòu)成；其特征在于加固井和觀察井位于大洋底部，加固井上部為懸掛段，下部為口袋段，中間由剪切接頭連接，其內(nèi)部存有足量固化劑，口袋段位于天然氣水合物儲層處，剪切接頭位于地層結(jié)構(gòu)松散處，加固井與輸入管連接，輸入管與海底安全監(jiān)控平臺連接；觀察井分布在加固井周圍，與安全監(jiān)控平臺相連，收集海底動態(tài)數(shù)據(jù)；收集井和注入井位于觀察井和加固井附近；注入井的水平段位于天然氣水合物儲層的底部，采用裸眼或篩管完井方式，其垂直段與輸入管連接；收集井位于注入井上方，為叢式井，井筒全部或部分為直井，所有井口置于同一個浮動式天然氣水合物開采平臺或固定式天然氣水合物開采平臺上，由輸送管道與深海天然氣集輸管道和近海天然氣集輸管道連接，收集井覆蓋區(qū)域面積與注入井控制體積相匹配；深海天然氣集輸管道和近海天然氣集輸管道與集氣站連接，集氣站通過海底集輸管道與陸地上的用戶連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種開采海洋天然氣水合物的方法與裝置；在天然氣水合物埋藏區(qū)域構(gòu)建安全井組和開發(fā)井組，通過安全井組監(jiān)控海底地層的穩(wěn)定性；通過開發(fā)井組采出天然氣并使用海底集輸系統(tǒng)將天然氣輸送到陸地終端；開發(fā)手段采取向天然氣水合物儲層注入溶解劑使之溶解隨后收集溶液并進行氣水分離從而獲得天然氣；采用本發(fā)明提出的方法和裝置可實現(xiàn)對海洋廣大區(qū)域天然氣水合物的安全開采，保證開采過程中海底的穩(wěn)定性，減少天然氣的逸散，適用于海洋天然氣水合物的大規(guī)模工業(yè)化開采。
文檔編號E21C50/00GK102337895SQ20101023648
公開日2012年2月1日 申請日期2010年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月22日
發(fā)明者李青松, 紀友哲, 馬汝濤 申請人:中國石油天然氣股份有限公司