CN108222892A - 一种连续开采海洋天然气水合物的开采装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种连续开采海洋天然气水合物的开采装置及方法，属于天然气水合物开采领域,包括海上辅助装置、双通道连续管钻进装置、分解分离装置及废料回填装置，本发明采用双通道连续管作为钻杆，采用定向钻进和高压射流的方法沿着天然气水合物层进行破碎，并形成浆态化混合物，其中双通道连续管分别为高压流体输送和浆态化混合物上返提供通道；浆态化混合物通过双通道连续管内部的矿浆输送通道输送至分解分离装置，浆态化混合物经分解分离后，天然气收集使用，液体废弃物、固体废弃物由双通道连续管回填至采空区域。该方法具有钻采一体、连续开采、方向可控的优点，同时将液体废弃物、固体废弃物及时回填，降低了地质灾害发生的可能性。
Description
技术领域
本发明涉及一种连续开采海洋天然气水合物的开采装置及方法，属于天然气水合物开采领域。
背景技术
天然气水合物分布于海洋沉积物或陆域的永久冻土中，是天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。天然气水合物中甲烷的含量高，燃烧污染比煤、石油小得多，而且储量丰富，有可能成为页岩气、煤层气之后又一储量巨大的接替能源。
由于海洋中的天然气水合物储量远远地大于陆地上天然气水合物的储量，海洋将成为未来天然气水合物资源开发的主要区域。其中海底砂岩型天然气水合物渗透性好，饱和度高，开采难度相对较小。但大部分天然气水合物属于分散的海洋泥质粉砂型水合物，渗透性差，开采难度极大。
目前，应用于开采天然气水合物的方法有热激发法、减压法、化学抑制剂法、置换法等多种开采方法。热激发法是通过注入蒸汽、热水、热盐水或其它方法，实现对该地层的加热，但该方法存在热损失大、效率低、能耗高的缺点。降压法在开采天然气水合物的过程中，由于天然气水合物分解吸收热量，导致温度下降，在孔隙中形成二次天然气水合物或者冰，堵塞流通通道，使开采效率下降，同时开采井通常设计成低压井，需制定严格的防砂措施。化学试剂法通过改变天然气水合物的相平衡条件使天然气水合物分解，但应用于现场开采时，存在费用高，污染环境的缺点。置换法通过二氧化碳将天然气水合物中的甲烷置换出来，同时起到开采甲烷和封存二氧化碳的作用，减少温室效应，但是该方法涉及复杂的相变过程，同时受到地层性质及温压条件的影响，需要进一步的研究。
上述方法在开采水合物的过程中，作用的天然气水合物地层范围有限，同时由于改变了天然气水合物的原有状态，使天然气水合物分解，导致地层的有效应力下降，造成海底滑坡等地质灾害的发生，甚至会造成海底大量天然气水合物的分解，产生的甲烷气体会导致温室效应。同时上述方法对于资源量最大的海洋泥质粉砂型天然气水合物，不能实现有效的开采。在申请号为201710249143.X的“一种海底浅层非成岩天然气水合物固态流化开采装置及方法”的专利文献中提到一种连续软管与水力喷嘴配合开采水合物的方法，但该方法需要在海底表面层内设置隔水导管，同时破碎后的固体水合物颗粒需经中转站输送到水合物收集船，因此现有技术中亟需一种新的技术方案解决上述技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对海洋天然气水合物现有开采方案的不足和缺陷，提供一种连续开采海洋天然气水合物的开采装置及方法，实现连续开采海底天然气水合物。
本发明采用如下的技术方案：
一种连续开采海洋天然气水合物的开采装置，其特征在于：包括海上辅助装置、双通道连续管钻进装置、分解分离装置及废料回填装置，
其中海上辅助装置包括动力设备和控制设备，控制设备与动力设备连接；
其中双通道连续管钻进装置包含连续管钻机、双通道连续管、定向工具、随钻测量装置、井下动力工具、射流喷嘴及高压射流泵，所述连续管钻机安装在海上钻井平台、钻探船或海底作业平台上；所述双通道连续管缠绕在连续管钻机的滚筒上，双通道连续管的非钻进端与连续管钻机的滚筒通过法兰连接，双通道连续管的钻进端连接有定向工具、随钻测量装置、井下动力工具及射流喷嘴，双通道连续管的内部具有沿轴向贯穿的流体输送通道，流体输送通道数量为两个，两个流体输送通道并列分布，分别是高压流体输送通道和矿浆输送通道，双通道连续管内部还具有动力电缆和通讯电缆；所述动力电缆一端连接于动力设备，另一端连接定向工具、随钻测量装置及井下动力工具；所述通讯电缆一端连接于控制设备，另一端连接定向工具、随钻测量装置及井下动力工具，所述定向工具用于调整双通道连续管的钻进方向；所述随钻测量装置用于测量地层物理参数及井眼轨迹参数；所述井下动力工具用于驱动射流喷嘴旋转；所述射流喷嘴的射流出口与高压流体输送通道连通，射流喷嘴的矿浆入口与矿浆输送通道相通；所述高压射流泵通过法兰与连续管钻机的滚筒相连；
其中分解分离装置包括水合物分解器、固液分离器和气液分离器，所述水合物分解器一端通过管道与连续管钻机的滚筒连接，另一端通过管道依次连接到固液分离器、气液分离器；所述气液分离器与集气及输送装置连接；
其中废料回填装置包括混合装置、废料注入泵及泥浆处理装置，所述混合装置一端分别与固液分离器、气液分离器相连，另一端与废料注入泵相连；所述废料注入泵通过法兰与连续管钻机的滚筒相连；所述泥浆处理装置一端与气液分离器相连，另一端与高压射流泵相连。
所述双通道连续管、定向工具、随钻测量装置、井下动力工具及射流喷嘴同轴设置且顺次连接，其中定向工具、随钻测量装置及井下动力工具内部具有两个通道，分别对应高压流体输送通道和矿浆输送通道。
所述定向工具采用液压驱动***或电驱动***调整双通道连续管的钻进方向。
所述随钻测量装置内部安装有无线随钻测量仪、温度传感器及压力传感器。
一种连续开采海洋天然气水合物的开采方法，其特征在于：该开采方法采用上述连续开采海洋天然气水合物的开采装置进行开采，具体包括如下步骤：
步骤一、将双通道连续管钻进装置放置在预定的孔口位置；
步骤二、采用双通道连续管钻进装置钻进竖直井段至目标天然气水合物层；
步骤三、采用定向钻进方法，使双通道连续管钻进装置沿天然气水合物层进行高压射流钻进，天然气水合物层破碎形成浆态化混合物；
步骤四、经步骤三所得的浆态化混合物通过双通道连续管内部的矿浆输送通道输送至分解分离装置，首先通过水合物分解器对浆态化混合物中的天然气水合物进行分解，再依次通过固液分离器、气液分离器进行气液固三相分离，产生的天然气经集气及输送装置输送到陆地，液体废弃物、固体废弃物通过废料回填装置回填至采空区域。
所述定向钻进方法为在钻进过程中随钻测量装置对井眼轨迹进行实时测量，并将测得的井眼轨迹参数数据通过通信电缆实时传输到控制设备，控制设备根据随钻测量装置测得的井眼轨迹参数数据通过通讯电缆对定向工具、井下动力工具进行控制，实现定向钻进。
所述高压射流钻进过程如下：开启高压射流泵，钻井液通过双通道连续管的高压流体输送通道流经井下动力工具和射流喷嘴，钻井液驱动井下动力工具带动射流喷嘴进行旋转运动，钻井液流经射流喷嘴后通过射流出***出形成高压水射流对天然气水合物层进行破碎。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明采用双通道连续管代替常规钻杆，采用定向钻进和高压射流的方法沿着天然气水合物层进行破碎，并形成浆态混合物，其中双通道连续管分别为高压流体输送和浆态化混合物上返提供通道；浆态化混合物经分解分离后，天然气收集经输送管线运输到陆地使用，液体废弃物、固体废弃物由双通道连续管的高压流体输送通道回填至采空区域，本发明采用双通道连续管代替常规的钻杆，不仅能满足高压射流钻进的要求，还能将浆态化混合物通过矿浆通道输送到海平面进行开采，实现钻采一体化作业；使地面设备占地空间减小；采用双通道连续管与定向钻进相结合的方法，使井眼轨迹可沿着天然气水合物层改变方向，对天然气水合物层进行最大程度的开采；在钻进过程中不需接单根，实现连续钻进；将采出的液体废弃物、固体废弃物由双通道连续管的高压流体输送向已开采区域进行回填，防止地质灾害的发生。
附图说明
图1为本发明一种连续开采海洋天然气水合物的开采装置的结构示意图。
图2为本发明中双通道连续管的结构剖视图。
图3为本发明中射流喷嘴的结构示意图。
图中：1-海上钻井平台、2-连续管钻机、3-双通道连续管、4-定向工具、5-随钻测量装置、6-井下动力工具、7-射流喷嘴、8-水合物分解器、9-固液分离器、10-气液分离器、11-混合装置、12-废料注入泵、14-泥浆处理装置、15-高压射流泵、17-天然气水合物层、21-集气及输送装置、22-高压流体输送通道、23-动力电缆、24-矿浆输送通道、25-通讯电缆、26-矿浆入口、27-射流出口。
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、图2及图3所示，一种连续开采海洋天然气水合物的开采装置，包括海上辅助装置、双通道连续管钻进装置、分解分离装置及废料回填装置，
其中海上辅助装置包括动力设备和控制设备，控制设备与动力设备连接；为其它设备提供动力及相关参数控制，具体动力设备通过动力电缆23将电能输送到定向工具4、随钻测量装置5、井下动力工具6，随钻测量装置5将测得的地层物理参数数据、井眼轨迹参数数据通过通讯电缆25实时地传输到控制设备，控制设备根据随钻测量装置5测得的数据通过通讯电缆25对定向工具4、井下动力工具6进行控制，实现定向钻进。
其中双通道连续管钻进装置包含连续管钻机2、双通道连续管3、定向工具4、随钻测量装置5、井下动力工具6、射流喷嘴7及高压射流泵15，所述连续管钻机2安装在海上钻井平台1、钻探船或海底作业平台上；所述双通道连续管3是一种柔性管，在钻进过程中不需接单根，便可实现对天然气水合物层17的连续开采，双通道连续管3缠绕在连续管钻机2的滚筒上，双通道连续管3的非钻进端与连续管钻机2的滚筒通过法兰连接，双通道连续管3的钻进端连接有定向工具4、随钻测量装置5、井下动力工具6及射流喷嘴7，双通道连续管3的内部具有沿轴向贯穿的流体输送通道，流体输送通道数量为两个，两个流体输送通道并列分布，分别是高压流体输送通道22和矿浆输送通道24，高压流体输送通道22为高压水射流破碎岩石提供高压流体通道、矿浆输送通道24为射流破碎天然气水合物层17后产生的浆态化混合物提供上返流动通道；双通道连续管3内部还具有动力电缆23和通讯电缆25；所述动力电缆23一端连接于动力设备，另一端连接定向工具4、随钻测量装置5及井下动力工具6；所述通讯电缆25一端连接于控制设备，另一端连接定向工具4、随钻测量装置5及井下动力工具6，所述定向工具4用于调整双通道连续管3的钻进方向，具体采用液压驱动***或电驱动***调整双通道连续管3的钻进方向，双通道连续管3方向可沿着天然气水合物层17进行改变，从而控制井眼方向，实现开采方向可控；所述随钻测量装置5用于测量地层物理参数及井眼轨迹参数，随钻测量装置5内部安装有无线随钻测量仪、温度传感器及压力传感器；所述井下动力工具6用于驱动射流喷嘴7旋转；所述射流喷嘴7的射流出口27与高压流体输送通道22连通，射流喷嘴7的矿浆入口26与矿浆输送通道24相通；所述高压射流泵15通过法兰与连续管钻机2的滚筒相连；
其中分解分离装置包括水合物分解器8、固液分离器9和气液分离器10，所述水合物分解器8一端通过管道与连续管钻机2的滚筒连接，另一端通过管道依次连接到固液分离器9、气液分离器10；所述气液分离器10与集气及输送装置21连接；水合物分解器8将浆态化混合物中未分解的天然气水合物颗粒经过加热、降压等步骤进行分解，然后经固液分离器9、气液分离器10进行固液气三相分离，分解分离后产生的天然气经过集气及输送装置21输送到陆地，从固液分离器9、气液分离器10分离出的液体废弃物、固体废弃物在开采完成后经由高压流体输送通道22回填至采空区域。
其中废料回填装置包括混合装置11、废料注入泵12及泥浆处理装置14，所述混合装置11一端分别与固液分离器9、气液分离器10相连，另一端与废料注入泵12相连；所述废料注入泵12通过法兰与连续管钻机2的滚筒相连；所述泥浆处理装置14一端与气液分离器10相连，另一端与高压射流泵15相连；废料注入泵12和高压射流泵15所泵出的液体废弃物、固体废弃物和高压钻井液经过连续管钻机2的滚筒内的流动通道进入到双通道连续管3的高压流体输送通道22回填至采空区域。
所述双通道连续管3、定向工具4、随钻测量装置5、井下动力工具6及射流喷嘴7同轴设置且顺次连接，其中定向工具4、随钻测量装置5及井下动力工具6内部具有两个通道，分别对应高压流体输送通道22和矿浆输送通道24。
本发明采用双通道连续管3作为钻杆，采用定向钻进和高压水射流碎岩相结合的方法沿着天然气水合物层17进行破碎，并形成浆态化混合物，其中双通道连续管3为高压水射流破碎岩石提供高压流体通道、射流破碎天然气水合物层17后产生的浆态化混合物提供上返流动通道，不仅能满足高压射流钻进的要求，还能将浆态化混合物通矿浆输送通道24输送到海平面的，分解分离装置将浆态化混合物中未分解的天然气水合物颗粒经过加热、降压等步骤进行分解，然后进行固液气三相分离，浆态化混合物经分解分离后产生的天然气收集使用，液体废弃物、固体废弃物由双通道连续管3的高压流体输送通道22回填至采空区域，定向钻进方法是通过随钻测量装置5对井眼轨迹进行实时测量，根据所测的井眼轨迹参数数据，定向工具4改变双通道连续管3的钻进方向，同时井下动力工具6使射流喷嘴7旋转，实现对天然气水合物层17进行不同半径、不同方向的开采；
本发明之连续开采海洋天然气水合物的开采方法，主要包括以下步骤：
步骤一、将双通道连续管钻进装置放置在预定的孔口位置，可放置在海上钻井平台1、钻探船或海底作业平台上；
步骤二、采用双通道连续管钻进装置钻进竖直井段至目标天然气水合物层17；
步骤三、采用定向钻进方法，使双通道连续管钻进装置沿天然气水合物层17进行高压射流钻进，天然气水合物层17破碎形成浆态化混合物；
步骤四、浆态化混合物通过双通道连续管3内部的矿浆输送通道24输送至分解分离装置，首先通过水合物分解器8对浆态化混合物中的天然气水合物进行分解，再依次通过固液分离器9、气液分离器10进行气液固三相分离，产生的天然气经集气及输送装置21输送到陆地，液体废弃物、固体废弃物通过废料回填装置回填至采空区域。
具体的连续开采海洋天然气水合物的开采方法如下：
将双通道连续管钻进装置放置在预定的孔口位置,可放置在海上钻井平台1、钻探船或海底作业平台上，利用连续管钻机2将双通道连续管3下放到预定井眼位置，开启高压射流泵15，钻井液通过双通道连续管3的高压流体输送通道22流经井下动力工具6和射流喷嘴7，钻井液驱动井下动力工具6带动射流喷嘴7进行旋转运动，钻井液流经射流喷嘴7后通过射流出口27射出形成高压水射流对天然气水合物层17进行破碎。当钻进至天然气水合物层17时，使用随钻测量装置5对井眼轨迹及温度、压力等地层物理参数数据进行测量，根据所测井眼轨迹，使用定向工具4改变双通道连续管3的前进方向，使井眼轨迹沿着天然气水合物层17进行延长，实现天然气水合物的定向开采。在钻进的同时，由于压力作用，高压水射流破碎岩石产生的岩土颗粒、天然气水合物、钻井液等组成的浆态化混合物由矿浆入口26进入矿浆输送通道24，最终上返至海上钻井平台1。
经由矿浆输送通道24上返的浆态化混合物在水合物分解器8中，利用海水的温度实现对天然气水合物的升温分解或利用大气压力对天然气水合物降压分解。天然气水合物分解后的浆态化混合物在固液分离器9中实现固液分离，气液分离器10中实现气液分离，分离后的固体废弃物进入到废料回填装置中进行处理，当开采结束后注入已开采区域中，防止地质灾害的发生。分离后的气液两相混合物在气液分离器10中进行分离，其中一部分液体输送到泥浆处理装置14，另一部分液体输送到废料回填装置回填至采空区域，天然气进入集气及输送装置21。
Claims (7)
1.一种连续开采海洋天然气水合物的开采装置，其特征在于：包括海上辅助装置、双通道连续管钻进装置、分解分离装置及废料回填装置，
其中海上辅助装置包括动力设备和控制设备，控制设备与动力设备连接；
其中双通道连续管钻进装置包含连续管钻机(2)、双通道连续管(3)、定向工具(4)、随钻测量装置(5)、井下动力工具(6)、射流喷嘴(7)及高压射流泵(15)，所述连续管钻机(2)安装在海上钻井平台(1)、钻探船或海底作业平台上；所述双通道连续管(3)缠绕在连续管钻机(2)的滚筒上，双通道连续管(3)的非钻进端与连续管钻机(2)的滚筒通过法兰连接，双通道连续管(3)的钻进端连接有定向工具(4)、随钻测量装置(5)、井下动力工具(6)及射流喷嘴(7)，双通道连续管(3)的内部具有沿轴向贯穿的流体输送通道，流体输送通道数量为两个，两个流体输送通道并列分布，分别是高压流体输送通道(22)和矿浆输送通道(24)，双通道连续管(3)内部还具有动力电缆(23)和通讯电缆(25)；所述动力电缆(23)一端连接于动力设备，另一端连接定向工具(4)、随钻测量装置(5)及井下动力工具(6)；所述通讯电缆(25)一端连接于控制设备，另一端连接定向工具(4)、随钻测量装置(5)及井下动力工具(6)，所述定向工具(4)用于调整双通道连续管(3)的钻进方向；所述随钻测量装置(5)用于测量地层物理参数及井眼轨迹参数；所述井下动力工具(6)用于驱动射流喷嘴(7)旋转；所述射流喷嘴(7)的射流出口(27)与高压流体输送通道(22)连通，射流喷嘴(7)的矿浆入口(26)与矿浆输送通道(24)相通；所述高压射流泵(15)通过法兰与连续管钻机(2)的滚筒相连；
其中分解分离装置包括水合物分解器(8)、固液分离器(9)和气液分离器(10)，所述水合物分解器(8)一端通过管道与连续管钻机(2)的滚筒连接，另一端通过管道依次连接到固液分离器(9)、气液分离器(10)；所述气液分离器(10)与集气及输送装置(21)连接；
其中废料回填装置包括混合装置(11)、废料注入泵(12)及泥浆处理装置(14)，所述混合装置(11)一端分别与固液分离器(9)、气液分离器(10)相连，另一端与废料注入泵(12)相连；所述废料注入泵(12)通过法兰与连续管钻机(2)的滚筒相连；所述泥浆处理装置(14)一端与气液分离器(10)相连，另一端与高压射流泵(15)相连。
2.根据权利要求1所述的一种连续开采海洋天然气水合物的开采装置，其特征在于：所述双通道连续管(3)、定向工具(4)、随钻测量装置(5)、井下动力工具(6)及射流喷嘴(7)同轴设置且顺次连接，其中定向工具(4)、随钻测量装置(5)及井下动力工具(6)内部具有两个通道，分别对应高压流体输送通道(22)和矿浆输送通道(24)。
3.根据权利要求1所述的一种连续开采海洋天然气水合物的开采装置，其特征在于：所述定向工具(4)采用液压驱动***或电驱动***调整双通道连续管(3)的钻进方向。
4.根据权利要求1所述的一种连续开采海洋天然气水合物的开采装置，其特征在于：所述随钻测量装置(5)内部安装有无线随钻测量仪、温度传感器及压力传感器。
5.一种连续开采海洋天然气水合物的开采方法，其特征在于：该开采方法采用权利要求1-4中任意一项所述的连续开采海洋天然气水合物的开采装置进行开采，具体包括如下步骤：
步骤一、将双通道连续管钻进装置放置在预定的孔口位置；
步骤二、采用双通道连续管钻进装置钻进竖直井段至目标天然气水合物层(17)；
步骤三、采用定向钻进方法，使双通道连续管钻进装置沿天然气水合物层(17)进行高压射流钻进，天然气水合物层(17)破碎形成浆态化混合物；
步骤四、经步骤三所得的浆态化混合物通过双通道连续管(3)内部的矿浆输送通道(24)输送至分解分离装置，首先通过水合物分解器(8)对浆态化混合物中的天然气水合物进行分解，再依次通过固液分离器(9)、气液分离器(10)进行气液固三相分离，产生的天然气经输送集气及输送装置(21)输送到陆地，液体废弃物、固体废弃物通过废料回填装置回填至采空区域。
6.根据权利要求5所述的一种连续开采海洋天然气水合物的开采方法，其特征在于：所述定向钻进方法为在钻进过程中随钻测量装置(5)对井眼轨迹进行实时测量，并将测得的井眼轨迹参数数据通过通讯电缆(25)实时传输到控制设备，控制设备根据随钻测量装置(5)测得的井眼轨迹参数数据通过通讯电缆(25)对定向工具(4)、井下动力工具(6)进行控制，实现定向钻进。
7.根据权利要求5所述的一种连续开采海洋天然气水合物的开采方法，其特征在于：所述高压射流钻进过程如下：开启高压射流泵(15)，钻井液通过双通道连续管(3)的高压流体输送通道(22)流经井下动力工具(6)和射流喷嘴(7)，钻井液驱动井下动力工具(6)带动射流喷嘴(7)进行旋转运动，钻井液流经射流喷嘴(7)后通过射流出口(27)射出形成高压水射流对天然气水合物层(17)进行破碎。
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