[发明专利]基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置及方法

说明书

一种基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置及方法，开采装置的真空泵、水气分离罐、注浆系统、注热系统、储气装置之间通过管路连接，并固定在开采船上；开采装置与海底天然气水合物地层接触，工作时，将开采装置压入天然气水合物储层，通过真空泵使内部套管中产生负压；迫使水合物分解的同时，在外部隔离套管、移动压板以及射孔注浆后形成的隔水层作用下逐渐排出水合物储层开采区域中的水，阻断开采区域外水的补给通道，使开采区域逐渐固结，实现开采水合物的同时加固水合物储层目的。本发明解决了储层失稳坍塌、海水毒化等地质灾害，保证了海底结构的稳定。

技术领域

本发明涉及海底天然气水合物开采领域，特别涉及一种开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的开采装置及其开采方法。

背景技术

天然气水合物(gas hydrate)是由天然气与水分子在高压(100大气压或10MPa)和低温(0-10℃)条件下合成的一种固态结晶物质。天然气水合物作为未来潜在能源，具有分布广泛、资源量巨大、埋藏浅、规模大、能量密度高、洁净等特点。2017年5月，我国首次海域天然气水合物试采成功。同年11月3日，国务院正式批准将天然气水合物列为新矿种。一个单位体积的水合物分解至少可释放160个单位体积的甲烷气体，其能量密度是常规天然气的2-5倍，是煤的10倍。同时，天然气水合物资源量巨大，据保守估算，世界上天然气水合物所含天然气的总资源量约为(1.8～2.1)×10¹⁶m³其热当量相当于全球已知煤、石油和天然气总热当量的2倍。

天然气水合物在具有上述优势的同时，其开采时具有一定的风险，天然气水合物储层中，水合物的存在使沉积物相互胶结，保证了海底结构的稳定。现有的天然气水合物的开采方法大体上分为降压法、注化学剂法和注热法等，上述这些方法均以改变天然气水合物的相平衡条件促使水合物分解。通过已知的资料可知，随着水合物开采的进行，会破坏储层沉积物颗粒间的胶结结构，使颗粒间产生滑移，分解过程中会使储层局部液化、孔隙压力增大、有效应力降低，促使形成水合物层大面积不可控分解，同时会引发海水回灌，可导致上覆地层失稳坍塌、海水毒化，甚至地震、海啸等地质灾害。

海底水合物开采装置及方法研究方面，目前国内外的海底天然气水合物开发研究主要处于水开采方法及装置研究阶段，均面临着水合物开采后的赋存地层及上覆地层稳定性下降、工程安全无法保障的问题。因此，亟需研究一种在开采水合物的同时加固储层的装置及方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置，该装置能够实现在开采水合物的同时对储层进行加固的目的，并根据水合物分解速率适时对储层进行注热来提高水合物分解速率。具有提高水合物层开采后的结构强度，保证海底天然气水合物开采施工安全、高效进行，维护海底地质结构稳定的优势。

本发明的基于真空降压法开采海底浅层非成岩地层天然气水合物的装置包括外部隔离套管、内部套管、移动压板、限位器、真空泵、双井筒套管、真空管、气液分离器、储气装置、压力和流量传感器、注浆系统、控制及信号处理系统、射孔装置、射孔孔嘴、塑料排水板、双井筒套管内管、双井筒套管外管、注热系统和开采船；

双井筒套管上端与开采船连接，双井筒套管下端穿过外部隔离套管，双井筒套管能随开采装置同步压入天然气水合物储层中，双井筒套管内管底部依次设置射孔装置、压力和流量传感器；真空管设置在外部隔离套管内侧顶端以双井筒套管为中心均匀布置八根；内部套管与真空管垂直密封连接；移动压板布置在外部隔离套管内侧并与真空管平行，移动压板上设置贯穿孔，内部套管穿过贯穿孔；限位器与外部隔离套管内壁及双井筒套管外管外侧刚性连接。

所述外部隔离套管为刚性不透水圆柱体单元，为整个静压部件的外部保护单元，为开采装置内部提供封闭的工作环境。

所述内部套管为刚性圆柱体花管，上部与真空管密封连接，其内部设置环状整体式塑料排水板，塑料排水板排水板内部为PVC材质，外部为土工材料包裹，可保证液态水和气态天然气通过，阻止储层中固体颗粒进入内部套管。