CN108590594A - 一种利用海洋表层温水开采天然气的方法和装置*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及能源开采技术，具体涉及一种利用海洋表层温水开采可燃冰地层中天然气的方法：（1）确定可燃冰天然气开采层段和温水注入层段；（2）在可燃冰天然气开采层段和温水注入层段，用射孔等手段建立地层与井眼的连通通道；（3）把温水管及连接在其底部的井下调控装置和防砂筛管放到相应井下位置；（4）将海洋表层的温水，经测量和/或适当调控之后，引入可燃冰层的下方，注入选定的注入层段；（5）融化后的水和天然气混合液在压差驱动下，流经防砂筛管，进入气水通道，向上流动至分离提升***，分离提升***实现气水分离；（6）可燃冰融化并流出进入气水通道；（7）安全、稳定进行可燃冰天然气开采。
Description
技术领域
本发明涉及能源开采技术，具体涉及一种利用海洋表层温水开采可燃冰地层中天然气的方法。
背景技术
可燃冰的开采方法以融化可燃冰水合物为目标，包括减压法、CO2置换法、井下燃烧产生CO2再注入法、活性化学剂注入法、电磁波融化法。可燃冰的融化是吸热过程，当没有能量补充时，融化过程会停止，且已融化的水气混合流体会再次结冰。这种二次结冰现象妨碍开采方法的有效性，也使得其经济效率降低。
如是人们提出利用深层的地层热水给融化过程中的可燃冰层补充能量。地球浅部地层（特别是海洋底部地层）的地温梯度一般是每100米3°C，按这一梯度计算，如果要提高20°C，则要往地层深部钻近700米，成本较高。除非可燃冰层下方不远处有地热层。
太阳辐射的作用，使海洋水能保持一定的温度，全世界海洋表面的年平均温度是17.4℃。在热带和亚热带低纬度区域，海洋表层温度能达到20°左右，这些温水储存着巨大的热能，可以给融化过程中的可燃冰层补充能量。
申请公布号 CN105822267A提出了“一种开采深海天然气水合物的方法与开采装置”，该方法利用海洋表层温水开采海床面上的可燃冰，但所提出的方法和装置无法用于开采成藏于海床面下地层孔隙中的可燃冰。勘查证明，大多数可燃冰埋藏于海床面下几十米到几百米深的地层中，只有极少的可燃冰裸露于海床上。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种利用海洋表层温水开采可燃冰地层中天然气的方法和开采时用到的***装置。
一种利用海洋表层温水开采可燃冰地层中天然气的方法，包括以下作业步骤:
（1）确定可燃冰天然气开采层段和温水注入层段；选择偏底部的储层段作为注水层段。注水层段要与其上方的可燃冰层具有连通性，以便热能和物质能够传送到可燃冰层。可燃冰层得到了热能补充后，可燃冰的融化过程得以持续进行；
（2）在可燃冰天然气开采层段和温水注入层段，用射孔等手段建立地层与井眼的连通通道；
（3）把温水管及连接在其底部的井下调控装置和防砂筛管放到相应井下位置；
（4）将海洋表层的温水，经测量和/或适当调控之后，引入可燃冰层的下方，注入选定的注入层段；
（5）融化后的水和天然气混合液在压差驱动下，流经防砂筛管，进入气水通道，向上流动至分离提升***，分离提升***实现气水分离；
（6）分离提升***同时在可燃冰层与气水通道之间产生压差，在压差和热能的共同作用下，可燃冰融化并流出进入气水通道；分离提升***同时也在气水通道中产生压力梯度，使水气混合液流动；
（7）监控全过程，适当调整工作状态，确保安全、稳定可燃冰天然气开采。
上述步骤（5）中，与气水通道的压力相比，当可燃冰层压力偏大时的压差定义为正压差；当可燃冰层压力偏小时的压差定义为负压差；所述正压差的最大极限记为，负压差的最大极限记为；
如果压差大于就会发生喷涌，如果压差小于-就会发生坍塌；设定一个小于1的安全系数，则安全目标为：
；
为维护可燃冰天然气自动产出，我们将压差控制在正压差范围，此时，调控目标为：
；
可燃冰的冰点温度记为（它是压力等的函数），为了安全可控产出天然气，也不能让温度高于上限，此时，温度调控目标为：
。
上述用海洋表层温水开采可燃冰地层中天然气的方法，所述温水调控***(1)中添加活性剂。
上述用海洋表层温水开采可燃冰地层中天然气的方法，在所述温水管和套管之间形成有一个截面为环形的气水通道。
上述用海洋表层温水开采可燃冰地层中天然气的方法，所述温水调控***实现对海洋表面温水的调控，该调控方式包括加温、加压和活性剂。
一种利用海洋表层温水开采可燃冰地层中天然气的***，包括用于吸入、加温和加压海洋表层水的温水调控***、温水管、套管、井下调控装置和分离提升***。所述温水管、井下调控装置和防砂筛管均放置在套管中进入井下；温水管的末端连接井下调控装置，以向孔隙储层中注入温水；设置有防砂筛管。所述温水管和套管之间形成了环形的气水通道。所述气水通道上端接入分离提升***实现气水分离和产生提升压力差。
所述井下调控装置的外壁和可燃冰层处的温水管外壁上分别设置有防砂筛管，防砂筛管的上下两端均设置有封隔装置；防砂筛管的内外层上开设有用于气或水流通的通道孔。
所述温水调控***实现对海洋表面温水的调控，包括加温、加压和活性剂的混和；所述加温可以利用太阳能等绿色能源。
本发明的有益效果为：
（1）解决了可燃冰融化吸热造成二次结冰现象。可燃冰层天然气开采过程容易出现二次结冰，其原因是井眼和热能降低所致。通往可燃冰层注入热水液，补充物理热能和或化学能。通过调整控制注入水温度、压力、活性剂浓度和流量，保持可燃冰有控、连续地融化，以使可燃冰天然气持续产出。
（2）解决了因物质亏空而造成可燃冰地层压力难以保持的问题。可燃冰层天然气产出后，注入的水填补亏空的物质，保持住可燃冰地层的压力，防止因物质亏空、压力变化而出现局部垮塌。
本方法基于传统石油油气开采和注水技术，实现起来没有难度。
附图说明
图1为本发明实施例一的直井结构示意图；
图2为本发明实施例二的管柱结构示意图；
图3为本发明实施例三的斜井或水平井的井下结构示意图；
图4为本发明的井下调控装置的工作原理图。
图中：1为温水调控***、2为温水管、3为套管、4为堵头、5为防砂筛管、6为封隔装置、7为井下调控装置、8为分离提升***、9为气水通道、11为可燃冰层、12为孔隙储层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步解释说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
本发明实施例一的结构如图1所示，本实施例的开采装置包括用于吸入加温加压海洋表层水的温水调控***1、温水管2、套管3、井下调控装置7和分离提升***8，所述温水管2、井下调控装置7、防砂筛管5和封隔器6均放置在套管3中进入井下。温水管2的末端连接井下调控装置7以向孔隙储层(12)中注入温水。所述井下调控装置7的外壁和可燃冰层11处的温水管2外壁上分别设置有防砂筛管5，设置有防砂筛管5用于防砂、堵砂，阻止固体颗粒物随可燃冰融化液一道流出可燃冰地层。所述温水管2和套管3之间形成了截面为环形的气水通道9。气水通道9上端接入分离提升***8实现气水分离，同时产生提升压差。温水调控***1的注入动力一般由海面设施提供，也可由井下调控装置7提供。
所述井下调控装置7的外壁和可燃冰层11处的温水管2外壁上分别设置有防砂筛管5，用于防砂、堵砂，阻止固体颗粒物随可燃冰融化液一道流出可燃冰地层。防砂筛管5的上下两端均设置有封隔装置6，实现封堵。防砂筛管5的内外层上开设有通道孔，方便气水流出地层和温水注入地层。
进一步，温水调控***1中可以添加活性剂；加温可以利用太阳能等绿色能源。温水管2一般由绝热性能好的材料制造，以连续管为佳。堵头4一般置于海床面位置，温水调控***1和分离提升***8一般置于海面位置。套管3可采用传统的石油井套管。
图2为本发明的实施例二与实施例的区别在于，本实施例二的气水通道9是在温水管2和套管3之间加装一个环形管。这样可以简化堵头4的设计和作业操作流程。
图3为本发明的实施例三是将该***应用于斜井中，其原理与实施例一和例二基本相同。
利用上述装置，开采可燃冰地层中天然气的方法包括以下作业步骤:
（1）确定可燃冰天然气开采层段和温水注入层段。储层中水和天然气形成了水合物即可燃冰。该储层的压力和温度正处于可燃冰（天然气水合物）的形成条件。可燃冰可能占据整个储层，也可能只占据一部分。不管哪种情况，一般选择偏底部的储层段作为注水层段。注水层段要与其上方的可燃冰层具有连通性，以便热能和物质能够传送到可燃冰层。可燃冰层得到了热能补充后，可燃冰的融化过程得以持续进行。
（2）在可燃冰天然气开采层段和温水注入层段，用射孔等手段建立地层与井眼的连通通道。
（3）把温水管2及连接在其底部的井下调控装置7和防砂筛管5放到相应井下位置。
（4）将海洋表层的温水，经测量和/或适当调控之后，引入可燃冰层11的下方，注入选定的注入层段。
（5）融化后的水和天然气混合液在压差驱动下，流经防砂筛管5，进入气水通道9，向上流动至分离提升***8，分离提升***实现气水分离；
（6）分离提升***同时在可燃冰层11与气水通道9之间产生压差，在压差和热能的共同作用下，可燃冰融化并流出进入气水通道9；分离提升***同时也在气水通道9中产生压力梯度，使水气混合液流动。
（7）温水调控***1和井下调控装置7形成向地层注入的压力，分离提升***8和气水通道9形成从地层吸出的压力，在这两个压力的共同作用下，从注入地层到产出地层形成一个压力场，该压力场是地层中流体渗流的驱动力。
（8）监控全过程，适当调整工作状态，确保安全、稳定可燃冰天然气开采。融化后的水和天然气混合液在压差驱动下，流经防砂筛管，进入气水通道9，向上输送至分离提升***实现气水分离。气水分离***也可用常见的重力分异或分子筛。
上述步骤4中，可燃冰层天然气采出与温水液注入两个过程可以同时连续进行，也可以交替间歇，也可以无关联各自连续或间歇进行。结合图4，说明本方法中井下调控装置7的工作原理：
为使可燃冰天然气安全、平稳地产出，可燃冰融化液产出时发生的热损耗速率需要与传入的热量达到平衡，可燃冰融化液产出时造成的物质亏空和补充的物质量需要达到平衡。
物质平衡的重要表象是压力平衡。当可燃冰层压力偏大时，这时的压差定义为正压差。当可燃冰层压力偏小时，这时的压差定义为负压差。可燃冰层及其上覆地层所构成的机械***可以承受一定量的压力不平衡。正压差的最大极限记为，负压差的最大极限记为。如果压差大于就会发生喷涌，如果压差小于-就会发生坍塌。设定一个小于1的安全系数，则安全目标为：
。
为维护可燃冰天然气自动产出，我们将压差控制在正压差范围，此时，调控目标为：
。 （1）
热平衡的重要表象是可燃冰融化前沿处的温度T。可燃冰的冰点温度随压力而变化。对于具体层位，其冰点温度记为。为维护可燃冰融化前沿不结冰，需保持其温度大于冰点温度。为了安全可控产出天然气，也不能让温度高于上限。此时，温度调控目标为：
。 （2）
式（1）和（2）构成了注入调控***的算法核心。
图2为本发明的井下***另一种示意图，与图1相对应。图中1生产管线为单层工作管，图2中生产管线为双层管。这时，融化后的水和天然气混合液在压差驱动下，流经防砂筛管，进入内外管间的环形空间，流向海面。
本发明可以在大斜度井或水平井中应用，其作业程序几乎与直井的相同。图3是本发明在斜井或水平井中的实施示意图。
Claims (6)
1.一种利用海洋表层温水开采可燃冰地层中天然气的方法，其特征在于，包括以下作业步骤:
（1）确定可燃冰天然气开采层段和温水注入层段；选择偏底部的储层段作为注水层段；
注水层段要与其上方的可燃冰层具有连通性，以便热能和物质能够传送到可燃冰层；
可燃冰层得到了热能补充后，可燃冰的融化过程得以持续进行；
（2）在可燃冰天然气开采层段和温水注入层段，用射孔等手段建立地层与井眼的连通通道；
（3）把温水管(2)及连接在其底部的井下调控装置(7)和防砂筛管(5)放到相应井下位置；
（4）将海洋表层的温水，经测量和/或适当调控之后，引入可燃冰层(11)的下方，注入选定的注入层段；
（5）融化后的水和天然气混合液在压差驱动下，流经防砂筛管(5)，进入气水通道(9)，向上流动至分离提升***，分离提升***实现气水分离；
（6）分离提升***同时在可燃冰层(11)与气水通道(9)之间产生压差，在压差和热能的共同作用下，可燃冰融化并流出进入气水通道(9)；分离提升***同时也在气水通道(9)中产生压力梯度，使水气混合液流动；
（7）监控全过程，适当调整工作状态，确保安全、稳定可燃冰天然气开采。
2. 根据权利要求1所述的用海洋表层温水开采可燃冰地层中天然气的方法，其特征在于：上述步骤（5）中，与气水通道(9)的压力相比，当可燃冰层(11)压力偏大时的压差定义为正压差；当可燃冰层(11)压力偏小时的压差定义为负压差；所述正压差的最大极限记为，负压差的最大极限记为；
如果压差大于就会发生喷涌，如果压差小于-就会发生坍塌；设定一个小于1的安全系数，则安全目标为：
；
为维护可燃冰天然气自动产出，我们将压差控制在正压差范围，此时，调控目标为：
；
可燃冰的冰点温度记为，为了安全可控产出天然气，也不能让温度高于上限，此时，温度调控目标为：
。
3.根据权利要求1所述的用海洋表层温水开采可燃冰地层中天然气的方法，其特征在于：所述温水调控***(1)中添加活性剂。
4.根据权利要求1所述的用海洋表层温水开采可燃冰地层中天然气的方法，其特征在于：在所述温水管(2)和套管(3)之间形成有一个截面为环形的气水通道（9）。
5.根据权利要求1所述的用海洋表层温水开采可燃冰地层中天然气的方法，其特征在于：所述温水调控***(1)实现对海洋表面温水的调控，该调控方式包括加温、加压和活性剂。
6.一种利用海洋表层温水开采可燃冰地层中天然气的***，其特征在于：包括用于吸入、加温和加压海洋表层水的温水调控***(1)、温水管(2)、套管(3)、井下调控装置(7)和分离提升***(8)；
所述温水管(2)、井下调控装置(7)和防砂筛管(5)均放置在套管(3)中进入井下；温水管(2)的末端连接井下调控装置(7)，以向孔隙储层12孔隙储层中注入温水；设置有防砂筛管(5)；
所述温水管(2)和套管(3)之间形成了环形的气水通道(9)；
所述气水通道(9)上端接入分离提升***(8)实现气水分离和产生提升压力差；
所述井下调控装置(7)的外壁和可燃冰层(11)处的温水管(2)外壁上分别设置有防砂筛管(5)，防砂筛管(5)的上下两端均设置有封隔装置(6)；防砂筛管(5)的内外层上开设有用于气或水流通的通道孔；
所述温水调控***(1)实现对海洋表面温水的调控，包括加温、加压和活性剂的混和；所述加温可以利用太阳能等绿色能源。
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