CN115306353B - 水合物开采中超声波与微波联合防砂解堵的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波与微波联合防砂解堵的方法，用于水合物开采，涉及水合物开采技术领域，其采用超声波与微波技术联合作用，在保证天然气水合物能快速分解的同时，对井壁及管柱周围二次生成的水合物进行快速分解，提高开采效率。本发明还公开了一种超声波与微波联合的天然气水合物开采装置，其包括：开采船、设置于所述开采船上的气液分离器、与所述气液分离器连接的天然气储存罐、绞车与天车，所述气液分离器用于分离从开采井中开采的天然气混合物；所述天然气储存罐用于存储经过气液分离的天然气；绞车与天车，相配合以用于往开采井下放或回收开采设备。本装置能够解决开采水合物时所遇到的砂砾堵塞防砂筛网及水合物二次生成等问题。
Description
技术领域
本发明涉及水合物开采技术领域，具体涉及水合物开采中超声波与微波联合防砂解堵的方法及装置。
背景技术
天然气水合物是一种气体分子(以甲烷为主)与水在一定温度和压力条件下形成的结晶状固体物质，俗称“可燃冰”。天然气水合物在自然界中分布广泛在陆地上的永久冻土层以及大陆边缘海底的沉积层中，其储量丰富，且清洁干净，被认为是具有前景的新型清洁能源，具有极高的资源价值。
天然气水合物开采的原理就是破坏其稳定存在的相平衡条件，使其分解成天然气和水，通过分离和过滤，得到我们想要的天然气。然而，在天然气水合物开采过程中不可避免地出现水合物二次生成的现象。这是由于大量水合物分解吸热会引起局部温度的下降，同时受到焦耳－汤姆逊效应影响，气、水在低温高压区附近就可能会再次形成水合物。水合物的二次生成会堵塞流体流通渠道，影响流体在多孔介质中的流动，减少原位储层的渗透率，从而大大降低天然气水合物的产出量和开采效率。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种水合物开采中超声波与微波联合防砂解堵的方法，其采用超声波与微波技术联合作用，在保证天然气水合物能快速分解的同时，对井壁及管柱周围二次生成的水合物进行快速分解，提高开采效率。
为实现上述目的，本发明可以采用以下技术方案进行：
一种超声波与微波联合防砂解堵的方法，用于水合物开采，其包括：
选择钻井位置并在所述钻井位置向海底方向钻井直至水合物储层；
往开采井下放开采设备直至水合物储层，所述开采设备包括带有微波加热和带有超声波震动的电子器具，其中，所述带有超声波探测的电子器具设置在可展开和收缩的伞状装置上，所述伞状装置由防砂筛网构成其伞体表面；
提升展开的所述伞状装置直至超声波探头和防砂筛网抵住开采井井口底部；
将水合物储层上方的游离气层中的游离气抽离出地层，随着游离气持续的移除，水合物开始持续的分解；
水合物分解后形成的天然气、部分水和砂状固体颗粒在开采设备的作用下，通过开采井底部的防砂筛网进入开采井，随着分解后的天然气不断穿过防砂筛网，防砂筛网会逐渐被砂状固态颗粒及二次生成的水合物堵塞；
开启带有微波加热和带有超声波震动的电子器具，带有超声波震动的电子器具使得堵塞状态的的砂状固态颗粒破碎脱落，从而脱离防砂筛网，带有微波加热的电子器具产生的热量也使得防砂筛网处生成的二次水合物则进一步分解。
如上所述的超声波与微波联合防砂解堵的方法，进一步地，所述开采井在海底钻孔入口处固定安装有用于完井固井的安全阀。
本发明还提供了一种超声波与微波联合的天然气水合物开采装置，其利用上述的方法进行水合物开采，其包括：
开采船；
设置于所述开采船上的气液分离器，所述气液分离器用于分离从开采井中开采的天然气混合物；
与所述气液分离器连接的天然气储存罐，所述天然气储存罐用于存储经过气液分离的天然气；以及，
绞车与天车，相配合以用于往开采井下放或回收开采设备。
如上所述的超声波与微波联合的天然气水合物开采装置，进一步地，还包括：
设置于所述开采船上的发电机，所述发电机用于给所述开采装置提供电力能源。
如上所述的超声波与微波联合的天然气水合物开采装置，进一步地，还包括：
设置于所述开采船上的控制单元，所述控制单元与所述开采装置的电子设备和电机控制器分别控制信号连接。
如上所述的超声波与微波联合的天然气水合物开采装置，进一步地，所述开采设备包括：
超声波发生器、超声波换能器和超声波聚能器，相配合以用于在防砂筛网堵塞状态下产生超声波；
带有电动收缩功能的伞状装置，所述伞状装置的伞骨中心设有微波加热器，且伞状装置的沿伞骨中心辐射发散的伞骨处设有若干超声波探头；所述伞状装置由防砂筛网构成其伞体表面。
如上所述的超声波与微波联合的天然气水合物开采装置，进一步地，所述开采设备包括：
电缆终端，其上端通过加热电缆与天车连接。
如上所述的超声波与微波联合的天然气水合物开采装置，进一步地，所述开采设备包括：
电机减速机构，所述电机减速机构用于驱动伞状装置的展开和回收。
如上所述的超声波与微波联合的天然气水合物开采装置，进一步地，所述超声波的频率范围为10k-50kHz，所述超声波的功率范围为0-10kW，所述微波加热器的频率范围为2450MHz，所述微波加热器的功率范围为0-1kW，所述微波加热器的供电要求为380VAC。
如上所述的超声波与微波联合的天然气水合物开采装置，进一步地，所述超声波探头的数量为偶数个，所述超声波探头铰接所述超声波聚能器，所述超声波探头与所述超声波聚能器的铰接端外部密封且包裹有耐高压软管，所述铰接端的内部设有信号线及可弯曲的超声波信号传输媒介。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明采用超声波与微波技术联合作用，在保证天然气水合物能快速分解的同时，通过大功率超声波发生器对防砂筛网进行振动，能防砂解堵，并通过微波加热技术对筛网及井壁周围二次生成的水合物进行快速分解，大幅提高开采效率及产量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的超声波与微波联合的天然气水合物开采装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的装置的开采设备的结构示意图；
图3为本发明实施例的装置的伞状装置张开过程中的结构示意图；
图4为本发明实施例的装置的伞状装置张开后的结构示意图；
图5为本发明实施例的装置的超声波探头及防砂筛网的结构示意图。
其中：1、海水层；2、水合物盖层；3、游离气层；4、下覆岩层；5、天然气储存罐；6、气液分离器；7、天车；8、发电机；9、控制单元；10、绞车；11、加热电缆；12、安全阀；13、开采井；14、水合物储层；15、电缆终端；16、电机减速机构；17、超声波发生器；18、超声波换能器；19、超声波聚能器；20、电动收缩装置；21、超声波探头；22、微波加热器；23、筛孔；25、防砂筛网；。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例：
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
参见图1至图5，本发明提供了一种水合物开采中超声波与微波联合防砂解堵的方法及装置，其采用超声波与微波技术联合作用，在保证天然气水合物能快速分解的同时，通过大功率超声波发生器17对防砂筛网25进行振动，能防砂解堵，并通过微波加热技术对筛网及井壁周围二次生成的水合物进行快速分解，大幅提高天然气水合物的开采效率及产量。
参见图1，本发明提供了一种水合物开采中超声波与微波联合防砂解堵的方法，其包括以下步骤：
1)首先根据海上地质勘察结果，选择合适的钻井位置，由于海的底层层位包括海水层1、水合物盖层2、游离气层3、水合物储层14以及下覆岩层4，水合物盖层2与下覆岩层均为非渗透层，因此在钻井位置通过钻探技术向海底方向钻井直至水合物储层14；下放安装套管及相应固控设备，连通抽压泵与井孔后，将该竖直井作为开采井13进行作业。
2)开采船位于海水层1，在开采船上往开采井13内下放开采设备直至水合物储层14，开采设备包括带有微波加热和带有超声波震动的电子器具，带有超声波探测的电子器具设置在可展开和收缩的伞状装置上，伞状装置由防砂筛网25构成其伞体表面。
3)通过开采船上的控制单元9控制电动收缩装置20，将带有超声波探头21的伞状装置打开，然后提升展开的伞状装置直至超声波探头21和防砂筛网25抵住开采井13的井口底部。
4)通过开启抽压泵，将水合物储层14上方的游离气层3中的游离气抽离出地层，随着游离气持续的移除，该地层的压力降低，当地层的压力降低至天然气水合物相平衡曲线的压力以下，天然气水合物开始持续分解成天然气和水。水合物分解后形成的天然气、部分水和砂状固体颗粒在开采设备的作用下，通过开采井13底部的防砂筛网25进入开采井13，随着分解后的天然气不断穿过防砂筛网25，防砂筛网25会逐渐被砂状固态颗粒及二次生成的水合物堵塞。
5)通过开采船上的控制单元9的变频控制器开启带有微波加热和带有超声波震动的电子器具，带有超声波震动的电子器具使得堵塞状态的砂状固态颗粒破碎脱落，从而脱离防砂筛网25，带有微波加热的电子器具产生的热量也使得防砂筛网25处生成的二次水合物则进一步分解，以此实现防砂与提高产气效率的双重目的。
6)最后天然气被抽采到平台后收集到开采船上的天然气存储罐中，其余部分返排到海中，完成天然气的开采。
可以理解地是，本发明的开采方法在保证天然气水合物能快速分解的同时，通过带有超声波震动的电子器具对防砂筛网25进行振动，能防砂解堵，并通过带有微波加热的电子器具对防砂筛网25及井壁周围二次生成的水合物进行快速分解，能够大幅提高天然气的开采效率及产量。
上述实施例中，进一步地，开采井13在海底钻孔入口处固定安装有用于完井固井的安全阀12。
再次参见图1，图1展示了一种利用上述方法进行水合物开采的超声波与微波联合的天然气水合物开采装置，其包括：开采船、气液分离器6、天然气储存罐5、绞车10与天车7，气液分离器6、天然气储存罐5、绞车10与天车7均设置在开采船上，且气液分离器6连接天然气储存罐5，气液分离器6用于分离从开采井13中开采的天然气混合物；天然气储存罐5用于存储经过气液分离的天然气；绞车10与天车7相配合以用于往开采井13内下放或回收开采设备。进一步地，本装置还包括设置于开采船上的发电机8，发电机8用于给开采装置提供电力能源。更近一步地，本装置还包括设置于开采船上的控制单元9，控制单元9与开采装置的电子设备和电机控制器分别控制信号连接。具体地，控制单元9包括信号接收器和变频控制器等，用以接收底部传来的信号，并通过这些信号来控制底部的超声波与微波联合辅助开采装置。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，开采设备包括：超声波发生器17、超声波换能器18、超声波聚能器19以及伞状装置，超声波发生器17、超声波换能器18和超声波聚能器19相配合以用于在防砂筛网25堵塞状态下产生超声波；伞状装置带有电动收缩功能，伞状装置的伞骨中心设有微波加热器22，且伞状装置的沿伞骨中心辐射发散的伞骨处设有若干超声波探头21；伞状装置由防砂筛网25构成其伞体表面。进一步地，开采设备还包括电缆终端15，电缆终端15的上端通过加热电缆11与天车7连接。更进一步地，开采设备还包括电机减速机构16，电机减速机构16用于驱动伞状装置的展开和回收。
具体地，电缆终端15、电机减速机构16、超声波发生器17外部均为螺纹连接，螺纹连接端部均有密封圈，内部则有通道，用于通过电源及信号线。微波加热器22设置在底部伞状装置的伞骨中心，伞状装置设有若干超声波探头21，超声波探头21以伞状装置中心为圆点，在圆周方向上呈均布排列，优选地，超声波探头21的数量为偶数个。电机减速机构16设置于电缆终端15与超声波发生器17之间，其包括电机和减速装置，通过电机驱动减速装置实现伞状装置的防砂筛网25的展开和回收。优选地，伞状装置的防砂筛网25采用现有的柔性防砂筛网25，用以防止沙粒随着分解后的水合物进入开采井13内部并堵塞通道。
本装置运行过程中，当防砂筛网25的筛孔23逐渐被砂状固态颗粒及二次生成的水合物堵塞时，微波加热器22发出微波信号，通过装置内部的信号线传输到开采船上的控制单元9，控制单元9的变频控制器开启超声波发生器17、超声波换能器18和超声波聚能器19，使其产生超声波，使得堵塞状态的砂状固态颗粒破碎脱落，从而脱离防砂筛网25，同时控制单元9的变频控制器调控微波加热器22的频率和功率，通过微波加热器22产生的热量使得防砂筛网25处生成的二次水合物进一步分解，从而实现了本装置的防砂与提高产气效率的双重目的。
上述实施例中，进一步地，超声波的频率范围为10k-50kHz，超声波的功率范围为0-10kW，微波加热器22的频率范围为2450MHz，微波加热器22的功率范围为0-1kW，微波加热器22的供电要求为380VAC。
具体地，电缆终端15内部的电源线一部分连接到电机减速机构16的电机，一部分连接到超声波换能器18，还有一部分连接在微波加热器22上；超声波的波源可通过船上的控制单元9进行线性调节，根据需要可改变超声波的频率及功率。通过调节超声波的功率和振动频率，能够加速天然气水合物内部空化核的振动、膨胀、压缩和崩溃，从而使天然气水合物快速分解。
上述实施例中，进一步地，超声波探头21铰接超声波聚能器19，超声波探头21与超声波聚能器19的铰接端外部密封且包裹有耐高压软管，铰接端的内部设有信号线及可弯曲的超声波信号传输媒介。
总的来说，本装置在开采天然气水合物的过程中，能够解决遇到的砂砾堵塞防砂筛网25及水合物二次生成等问题，这是因为超声波对于水合物储层14的防砂具有很好的效果，通过超声波在水合物储层14空隙中传播产生的“空穴”效应，可以改善储层渗透率，实现增产目的，并且在防砂筛网25处安装超声波发生器17，能够激发防砂筛网25及附近砂状颗粒的振动，使得堵塞防砂筛网25的砂状颗粒脱落，达到防砂减堵，提高开采效率的目的。此外，超声波在水合物储层14孔隙中传播会产生的“超声空化”现象，通过调整超声波的功率和振动频率，可加速天然气水合物内部空化核的振动、膨胀、压缩和崩溃，从而使天然气水合物快速分解。
而微波属于电磁波的一种，它是一种有着变波长、变频率的超高频电磁波，频率在3010MHz～300GHz，即波长在100cm至1mm范围内。当微波作用于介电材料时，会产生电子极化、原子极化及界面极化等现象，从而会在介质内部产生一个与电场相同的电流，造成了介质内部的功率消耗。这种功率耗散以热的形式表现出来，也就是微波加热是因介质损耗变成热能的过程。而天然气水合物是一种极性分子，对微波有一定的吸收作用，水合物接受能量后，被作用的分子从相对静止状态瞬间转变为动态，通过分子偶极以数十亿次的告诉旋转产生热效应。热量可通过传导、对流和辐射的方式，从介质外部传递到水合物藏内部，因此，微波解热速度快，向外辐射和传导损失的热量也少。此外，微波的造缝作用可使得天然气水合物气藏产生大量的微裂缝，提高该地层的渗透率，从而提高气藏的高渗开发。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种超声波与微波联合防砂解堵的方法，其适用于超声波与微波联合的天然气水合物开采装置，其特征在于，
所述天然气水合物开采装置包括：
开采船；
设置于所述开采船上的气液分离器，所述气液分离器用于分离从开采井中开采的天然气混合物；
与所述气液分离器连接的天然气储存罐，所述天然气储存罐用于存储经过气液分离的天然气；以及，
绞车与天车，相配合以用于往开采井下放或回收开采设备，所述开采设备包括：
超声波发生器、超声波换能器和超声波聚能器，相配合以用于在防砂筛网堵塞状态下产生超声波；
带有电动收缩功能的伞状装置，所述伞状装置的伞骨中心设有微波加热器，且伞状装置的沿伞骨中心辐射发散的伞骨处设有若干超声波探头；所述伞状装置由防砂筛网构成其伞体表面；
所述天然气水合物开采装置利用如下方法进行水合物开采：
选择钻井位置并在所述钻井位置向海底方向钻井直至水合物储层；
往开采井下放开采设备直至水合物储层，所述开采设备包括带有微波加热和带有超声波震动的电子器具，其中，所述带有超声波探测的电子器具设置在可展开和收缩的伞状装置上，所述伞状装置由防砂筛网构成其伞体表面；
提升展开的所述伞状装置直至超声波探头和防砂筛网抵住开采井井口底部；
将水合物储层上方的游离气层中的游离气抽离出地层，随着游离气持续的移除，水合物开始持续的分解；
水合物分解后形成的天然气、部分水和砂状固体颗粒在开采设备的作用下，通过开采井底部的防砂筛网进入开采井，随着分解后的天然气不断穿过防砂筛网，防砂筛网会逐渐被砂状固态颗粒及二次生成的水合物堵塞；
开启带有微波加热和带有超声波震动的电子器具，带有超声波震动的电子器具使得堵塞状态的的砂状固态颗粒破碎脱落，从而脱离防砂筛网，带有微波加热的电子器具产生的热量也使得防砂筛网处生成的二次水合物则进一步分解。
2.根据权利要求1所述的超声波与微波联合防砂解堵的方法，其特征在于，所述开采井在海底钻孔入口处固定安装有用于完井固井的安全阀。
3.根据权利要求1所述的超声波与微波联合防砂解堵的方法，其特征在于，还包括：
设置于所述开采船上的发电机，所述发电机用于给所述开采装置提供电力能源。
4.根据权利要求1所述的超声波与微波联合防砂解堵的方法，其特征在于，还包括：
设置于所述开采船上的控制单元，所述控制单元与所述开采装置的电子设备和电机控制器分别控制信号连接。
5.根据权利要求1所述的超声波与微波联合防砂解堵的方法，其特征在于，所述开采设备包括：
电缆终端，其上端通过加热电缆与天车连接。
6.根据权利要求1所述的超声波与微波联合防砂解堵的方法，其特征在于，所述开采设备包括：
电机减速机构，所述电机减速机构用于驱动伞状装置的展开和回收。
7.根据权利要求4所述的超声波与微波联合防砂解堵的方法，其特征在于，所述超声波的频率范围为10k-50kHz，所述超声波的功率范围为0-10kW，所述微波加热器的频率范围为2450MHz，所述微波加热器的功率范围为0-1kW，所述微波加热器的供电要求为380VAC。
8.根据权利要求4所述的超声波与微波联合防砂解堵的方法，其特征在于，所述超声波探头的数量为偶数个，所述超声波探头铰接所述超声波聚能器，所述超声波探头与所述超声波聚能器的铰接端外部密封且包裹有耐高压软管，所述铰接端的内部设有信号线及可弯曲的超声波信号传输媒介。
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