海域天然气水合物筒式开采装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种海域天然气水合物筒式开采装置。


背景技术：

2.天然气水合物（又称可燃冰）是一种绿色能源。现已勘查探明的天然气水合物中的含碳量相当于已探明化石能源（石油、天然气和煤）含碳量总和的2倍，大多储藏在近海大陆架的沉积层，少量储存在高原冻土区，可满足人类未来1000年的能源需求。因此，被认为是具有替代石油、煤和天然气等传统能源巨大潜力的新型能源。
3.天然气水合物的开采原理包括：降压、热激、化学试剂驱替和固态流化，及上述单一方法的联合应用。目前普遍认为，降压法及基于降压法的改良方案可能是实现海域天然气水合物产业化试采的最佳途径，而其他方法则主要作为降压法的辅助增产措施或产气稳定措施使用。
4.现有的降压法主要通过钻井后降低井筒内压力实现，如专利cn107676058b
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一种海洋天然气水合物砂浆置换开采方法及开采装置、cn109763794b
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海洋水合物多分支水平井降压加热联采方法和cn101672177b
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一种海底天然气水合物开采方法等。然而，由于井筒周围天然气水合物分解会导致储层强度大幅度下降，地层大量出沙，进一步导致井筒失稳，很难实现持续性开采，国内外进行的多次海域天然气水合物钻采法试开采均出现该问题。另外，采出的天然气的价值远远无法覆盖钻井成本，所以目前未能实现商业化开采。


技术实现要素：

5.本实用新型对上述问题进行了改进，即本实用新型要解决的技术问题是针对海域天然气水合物通常赋存于黏土质粉砂或淤泥质沉积物中的特点，提出一种不需钻井的低成本降压开采系统和开采方法。
6.本实用新型的具体实施方案是：一种海域天然气水合物筒式开采装置，包括能沉入海面下方的开采筒、水泵、防砂装置和气液举升系统；所述开采筒包括顶板和顶板下部延伸的筒体形成上侧封闭、下侧不封闭的筒形结构；所述水泵固定于顶板上，所述水泵与筒体内腔联通能通过水泵将开采筒内的液体向外排出降低开采筒内压力，控制所述开采筒在地层中下沉；
7.所述防砂装置位于开采筒底部，防砂装置与开采筒之间形成空腔，空腔呈圆柱状；所述空腔连通有包括输水管道和输气管道；
8.所述气液举升系统，包括至少一个举升动力装置，所述举升动力装置一端连接所述空腔，另一端连接或通过所述通道将所述空腔中的液体和/或气体进行举升。
9.进一步的，所述输水管道一端连接气液举升系统，另一端延伸至采集筒外部；所述输气管道一端连接空腔，另一端延伸至采集筒外部以便于收集；在地层压力和重力作用下，空腔中的液体向下运动，气液举升系统将空腔中的液体压入输水管道并举升；空腔中的气体通过进入输气管道向上运动；所述的举升动力装置为电泵，所述电泵为电潜离心泵、电潜
螺杆泵或二者组合。
10.进一步的，所述防砂装置呈圆盘状，覆盖所述空腔底侧。防砂装置的上表面及下表面具有单向透水防护构件与防砂装置紧密贴合。
11.进一步的，举升动力装置的输入端连接有气液分离装置。
12.进一步的，空腔中具有固定于防砂装置顶部竖向的隔水板。
13.进一步的，所述开采筒顶部具有挂耳。
14.进一步的，所述开采筒内嵌入有射流注入系统；所述的射流注入系统，包括注射泵、位于开采筒表面布设有喷射口，各个喷射口内部联通有喷射管道；所述注射泵通过喷射管道向喷射口喷射水、热海水、二氧化碳、或者化学抑制剂注入开采范围。
15.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：本发明通过特别设计的开采筒及其配套装置，在不钻井的前提下实现了开采筒下沉、天然气水合物开采和开采筒回收。从根本上解决了传统钻井开采方法中钻完井成本极高、地层失稳导致的井筒易坍塌、防砂结构在地层压力作用下易破坏等一系列难题可极大降低天然气水合物的开采成本，对于海域天然气水合物商业化开采具有重要意义。
附图说明
16.图1为本发明海域天然气水合物筒式开采装置的整体示意图；
17.图2为本发明所述开采装置的一种优选实施方式外形示意图；
18.图3为本发明所述的射流注入系统的一种优选实施方式示意图；
19.图中：图中：a
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天然气水合物上覆地层；b
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天然气水合物储层；c
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天然气水合物储层下伏游离气体层；1
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开采筒；11
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单向透水防护构件； 13
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透水开口和封盖；14
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水泵；16
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隔水板；2
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防砂装置；21
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空腔；22
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输水管道；23
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输气管道；31
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举升动力装置；32
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气液分离装置；41
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输水管；42
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输气管；54
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缆线；61
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射流注入系统的管道；62
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射流注入系统的喷射口。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。
21.如图1～3，一种海域天然气水合物筒式开采装置，包括：开采筒、水泵、防砂装置和气液举升系统，以及输水管道和输气管道。
22.所述开采筒为上侧封闭、下侧不封闭的筒形结构，包括顶板和筒体；开采筒上设置有所述水泵、所述防砂装置和所述气液举升系统；开采筒上固定有所述水泵，所述水泵与筒体内腔联通通过水泵将开采筒内的液体向外排出降低开采筒内压力，控制所述开采筒在地层中下沉；
23.所述开采筒携带所述防砂装置和所述气液举升系统进入天然气水合物储层和/或、天然气水合物与游离气混合层和/或、游离天然气层。
24.本实施例中，所述开采筒和所述防砂装置形成有一个空腔，所述防砂装置允许液体和/或气体通过并进入所述空腔，防砂装置采用滤砂器过滤泥沙；所述空腔设置有两个通道，即输水通道和输气通道。
25.所述气液举升系统，包括一个举升动力装置，举升动力装置采用电潜离心泵；气液
举升系统一端连接所述空腔，另一端连接或通过所述通道，将所述空腔中的液体和/或气体进行举升；举升的同时可降低空腔内部压力，进而降低周围地层压力，促进天然气水合物分解，分解形成的水和天然气在压差作用下通过防砂装置再次进入空腔。
26.一般地所述输水管道一端连接气液举升系统，另一端延伸至采集筒外部；所述输气管道一端连接空腔，另一端延伸至采集筒外部以便于收集；在地层压力和重力作用下，空腔中的液体向下运动，气液举升系统将空腔中的液体压入输水管道并举升；空腔中的气体通过进入输气管道向上运动；所述的举升动力装置采用电泵，所述电泵为电潜离心泵、或电潜螺杆泵、或二者组合。
27.实施例一，所述的空腔设置在开采筒的筒体内侧，空腔呈圆柱状；所述防砂装置呈圆盘状，覆盖所述空腔底侧。单向透水防护构件设置在防砂装置上侧和下侧，与防砂装置紧密贴合。所述单向透水防护构件在单一水平方向或者单一竖直方向允许固体、液体和气体通过，类似蜂窝结构。
28.举升动力装置的输入端连接有气液分离装置，空腔中具有固定于防砂装置顶部竖向的隔水板。
29.在地层压力和重力作用下，空腔中的液体绕过隔水板，经气液分离装置纯化，再经输水通道进入举升动力装置，进一步在举升动力作用下进入输水管；空腔中的气体向上运动通过输气通道进入输气管道。气液分离装置，设置在举升动力装置的进口，其作用是在液体和气体在空腔中进行重力分离之后，进行液体和气体二次分离，防止气体进入举升动力装置。该方案中举升动力装置直接采用所述水泵，实际设计中也可以采用其他泵体形式作为举升动力装置。
30.上述实施例中，所述的开采筒，外形是等径圆筒形、或不等径圆筒形、或周围带有裙子的圆筒形或多棱柱筒形；
31.工作时，所述的开采筒需要借助海面支持系统进行施工，海面支持系统采用船只或者海上平台；所述的海面处理系统，包括气体干燥装置、气体压缩装置和储气罐，设置于所述海面支持系统，用于处理和储运天然气；所述锚缆系统，用于下放、提起和移动开采筒，包括缆线和缆线控制装置，缆线的一端连接开采筒顶部，另一端连接缆线控制装置；缆线控制装置设置于海面支持系统。海面支持系统与海面处理系统为油气开采后续处理设备。
32.所述的开采筒，当防砂装置设置在筒内时，在筒体上设置可以远程控制打开和闭合的通孔，将开采筒内外局部联通，实现开采筒周围天然气水合物的开采。
33.当然，所述的海域天然气水合物筒式开采装置，还包括供电系统和控制系统，供电系统为开采作业提供电力，控制系统控制各装置运行。
34.所述的开采筒，除了依靠筒内外压差和重力下潜外，还可设置冲刷辅助下潜系统，所述冲刷辅助下潜系统，包括电动转轮和注水冲刷系统，注水冲刷系统包括注水装置和水砂排出管道；冲刷下潜系统可以将筒内泥沙冲刷到筒外。
35.所述的开采筒，除了依靠筒内外压差和重力下潜外，还可设置高频振动装置，可以增加开采筒下潜深度。
36.实施例二，在上述任一实施例的基础上，所述的海域天然气水合物筒式开采装置，还包括射流注入系统；所述的射流注入系统，包括驱动装置、管道和喷射口；所述驱动装置为射流注入系统提供注射动力；所述射流注入系统用于：（1）当天然气水合物分解范围不足
时，向开采筒周围储层喷射水，其水力切割作用可以增加分解界面，提高开采效率；（2）在天然气水合物储层硬度较大的情况下，当开采筒通过常规方法难以到达预定深度时，向开采筒下部喷射水，其水力切割作用可以促使开采筒进一步下潜；（3）将热海水、或者二氧化碳、或者化学抑制剂注入开采范围，促进天然气水合物分解；（4）注水还可以减少开采装置周围细泥沙，从而提高渗透性；（5）向储层上部注入二氧化碳，二氧化碳和周围水形成二氧化碳水合物，可以提高储层上部地层强度，从而提高储层的稳定性。
37.利用上述开采筒的结构实施，一种海域天然气水合物的筒式开采方法，包括如下步骤：
38.（1）选定开采区域，在海面支持系统、锚缆系统支持下，将开采筒下放，扣在海底；
39.（2）通过所述水泵将所述开采筒内的液体向外排出降低开采筒内压力，开采筒在压差作用下向下沉，所述开采筒携带气液举升系统和防砂装置进入天然气水合物储层和/或、天然气水合物与游离气混合层和/或、游离天然气层。
40.（3）通过气液举升系统，将所述开采筒和所述防砂装置形成的空腔中的液体和/或气体进行举升，空腔内部压力降低，进而引起周围地层压力降低，促使周围地层中的天然气水合物分解，分解形成的水和天然气在压差作用下通过防砂装置进入空腔，进而同时举升液体和天然气，液体举升到海底或者海面处理系统，气体举升海面处理系统，实现天然气水合物开采。
41.在水合物储层上覆层较软的情况下，在步骤（2）和步骤（3）之间利用射流注入系统向开采筒上侧和/或周围注入二氧化碳，二氧化碳和周围水形成二氧化碳水合物，可提高地层稳定性。
42.本实用新型如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
43.另外，上述本实用新型公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
44.本实用新型提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
45.最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。