CN111155972B - 一种覆盖式深海泥火山型天然气水合物开采系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种覆盖式深海泥火山型天然气水合物开采系统及方法，应用于海底泥火山型浅层块状水合物，根据深海泥火山水合物的赋存特征，采用覆盖式保温加热的方法，基于特殊设计的隔气绝热罩和热电极加热来开采天然气水合物，将分解的水合物在井底压差的作用下，从产出井的射孔流进产出井，并在产出井中布设降压装置进一步分解水合物。本方案能够有效克服加热开采水合物中加热范围小、耗能多、产出率低的缺点，大大提高开采效率；同时，也能够有效避免已有方法中海底大范围开挖造成环境风险和生态灾难的可能性；另外，现场利用太阳能，成本低廉、绿色环保，实现水合物的大规模高效经济开采，具有较高的应用前景及价值。
Description
技术领域
本发明属于海底天然气水合物资源勘探和开采技术领域，特别涉及一种覆盖式深海泥火山型天然气水合物开采系统及方法。
背景技术
天然气水合物(又称“可燃冰”)是甲烷等烃类气体和水在低温高压环境下形成的类冰状结晶化合物，按气体运聚方式、埋藏深度以及成因模式等综合因素划分，海洋中的天然气水合物又可分为深层扩散型和浅层渗漏型两类。其中，浅层渗漏型水合物通常和很多特殊地质体，如泥底辟、泥火山、气烟囱密切相关。
在很多海域，泥火山型浅表层水合物非常发育，这些泥火山的直径在数米到数百米之间，高出海底数米到数十米，其中充填着巨量的高饱和度水合物。据调查，南海海槽单个泥火山的甲烷储量达到10亿立方米，而这样的泥火山在海域中通常成群出现，动辄数十到数百个，如日本海已经发现了1742个浅表型水合物构造体，大多数是泥火山构造。由于在海底分布的普遍程度、浅埋深和厚层状的赋存方式以及所具有高饱和度等特征，泥火山型浅表层水合物有望和深层扩散型水合物成为水合物产业化同等重要的目标，其资源意义不可估量。
当前针对浅表层水合物已经有人提出数种开采方法，包括已经广为人知的固态流化法、机器人采掘法等。但到现在为止没有针对泥火山这种特殊构造提出相应的办法。同时，固态流化法虽然简单易行、但需要在海底大面积开挖，有可能造成大面积的生态灾难和环境灾害，风险不可控；机器人采掘法思路较新颖，但同样具有海底开挖造成环境风险的可能性，同时，机器人采矿涉及到的技术难度大、困难多，到目前为止，包括海底锰结核结壳、金属硫化物在内的各个海底采矿领域，未有一例进入实施阶段的机器人工作的先例，说明海底机器人在目前阶段采矿仍能是一种概念化的设计，真正投入到工业化生产中任重道远。
由于深海泥火山型水合物由于赋存位置较浅，甚至裸露在海底表面，且赋存范围一般较集中，上部成丘状突出海表，中心位置发育气气体流经的通道，针对此特殊构造，亟待提出具有针对性的开采技术。
发明内容
本发明提供一种覆盖式深海泥火山型天然气水合物开采系统及方法，主要应用于海底泥火山型浅层块状水合物，根据深海泥火山水合物的赋存特征，采用覆盖式保温加热的方法开采水合物。
本发明是采用以下的技术方案实现的：
一种覆盖式深海泥火山型天然气水合物开采系统，包括工程船支持单元、供电单元、钻井及套管单元以及隔气绝热单元，工程船支持单元为水合物开采提供基础硬件支持并实现对开采天然气水合物的收集，供电单元通过供电电缆与隔气绝热单元相连；
所述钻井及套管单元包括生产井、射孔和天然气输送管道，所述射孔设置在生产井内水合物富集层位，以更好地导流水合物释放流体，天然气输送管道一端设置在生产井内，另一端与工程船支持单元相连，且在天然气输送管道上布设有减压控制阀，以达到加压和热采联用，确保天然气水合物的顺利产出；
所述隔气绝热单元均匀铺设覆盖在泥火山上，包括与供电单元相连的隔气绝热罩，所述隔气绝热罩从下至上依次分别为导热铝箔层、碳纤维发热丝层、石棉绝热层和耐热隔气层，用以向面向沉积物层的内部供热，实现对天然气水合物储层的加热。
进一步的，所述隔气绝热单元还包括热电极，热电极设置在水合物饱和度高、厚度大的位置，热电极与隔气绝热罩的碳纤维发热丝层采用两路独立的供电电路，热电极的供电电路独立埋设于石棉绝热层和耐热隔气层之间。
进一步的，在开采母船和天然气输送管道的连接处还设置有安全脱钩系统，以应对突发恶劣天气或其它灾害性事件，实现避险，保证作业安全。
进一步的，所述供电单元包括设置在工程船支持单元上的太阳能加热板、光电转换器和蓄电池，通过供电单元将太阳能或者蓄电池中的电传输到隔气绝热罩和热电极中，对水合物进行加热。
进一步的，所述工程船支持单元包括开采母船、吊装机构和天然气储集装置，天然气储集装置上设置有流量控制阀，所述供电电缆上还设置有温度压力传感器，通过温度压力传感器和流量控制阀采集的系统信息，对系统运行状态进行判别和调控，保障系统安全、高效运行。
本发明另外还提出一种覆盖式深海泥火山型天然气水合物开采系统的开采方法，包括以下步骤：
第一步，确定泥火山中心通道，在泥火山中心通道钻井、布设套管并射孔；
第二步，在泥火山侧翼布放隔气绝热单元，所述隔气绝热单元包括隔气绝热罩和热电极，隔气绝热罩从下至上依次分别为导热铝箔层、碳纤维发热丝层、石棉绝热层和耐热隔气层；
第三步，利用船载供电单元加热水合物；
第四步，收集生产井内的气体，在工程船上进行储集。
进一步的，第一步中，所述泥火山中心通道的位置通过二维多道地震剖面解释结果和海底摄像确定的冷泉喷口位置进行确定。
进一步的，第一步具体通过以下方式实现：
利用深水钻井技术在泥火山中心通道内实施钻井，所述钻井穿过天然气上部沉积物覆盖层，进入水合物储层，并在泥火山基岩处终孔，由此形成生产井；
然后安装套管，在水合物储层位置进行射孔，以其引导水合物分解产生的水和气体进入，生产井内布设减压控制阀，以达到热采和减压方法联用的效果，以更加充分地分解水合物。
进一步的，所述第二步具体通过以下方式实现：
在泥火山侧翼水合物饱和度大、层位厚的位置进行钻孔，放入热电极；
然后利用工程型水下机器人将隔气绝热罩均匀布放在泥火山之上，并且将隔气绝热罩连接已经放入钻孔的热电极，该隔气绝热罩在泥火山中心钻孔位置开口；
进一步的，所述第四步中，待水合物释放气体从射孔流入生产井之后，通过天然气输送管道将其输送到开采母船上的天然气储集装置中；且天然气输送管道与开采母船的连接处还设置有安全脱钩系统，以应对突发恶劣天气或其它灾害性事件。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
1)隔气绝热罩可以根据泥火山的形状任意铺设，并具有很好的防气体渗漏能力，以阻止水合物分解气体从侧翼溢出，且具有均匀加热功能，在隔气层和发热层之间利用石棉材料作绝热处理，使发热层单向面对下部向水合物，以最大限度地减少能耗；
2)同时，在水合物饱和度高、厚度大的位置集成多个热电极，与隔气绝热罩发热元件有效连接，每个热电极可以根据水合物层的实际深度贯入到所需深度，进一步加热目标区水合物，以将分解的水合物在井底压差的作用下，从产出井的射孔流进产出井。
本方案不仅克服了加热开采水合物中加热范围小，耗能多、产出率低的缺点，可大大提高开采效率；同时，克服了已有方法中海底大范围开挖造成环境风险和生态灾难的可能性，能够实现水合物的大规模高效经济开采，具有较高的应用前景及价值。
附图说明
图1为本发明实施例所述深海泥火山型水合物开采系统示意图；
图2为本发明实施例所述隔气绝热罩结构示意图；
其中，1-开采母船；2-吊装机构；3-天然气储集装置；4-流量控制阀；5-太阳能加热板；6-光电转换器；7-蓄电池；8-安全脱钩系统；9-温度压力传感器；10-供电电缆；11-生产井；12-射孔；13-减压控制阀；14-天然气输送管道；15-隔气绝热罩；16-热电极；17-水合物层；18-沉积物层，151-导热铝箔层；152-碳纤维发热丝；153-石棉绝热层；154-耐热隔气层。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
本发明提供了一种覆盖式深海泥火山型天然气水合物开采系统及方法，主要应用于海底泥火山型浅层块状水合物，基于特殊设计的隔气绝热罩和热电极加热来开采天然气水合物，将分解的水合物在井底压差的作用下，从产出井的射孔流进产出井，并在产出井中布设降压装置，进一步分解水合物，完成泥火山型水合物的热采；同时，为了减少能耗、提高经济性，利用太阳能发电对热电极加热，在阴雨或黑夜，太阳能转化效率不足的情况下，又可切换到船载自主供电装置，以确保生产能稳定持续的进行。
实施例1
本实施例提供一种面向海底泥火山型水合物的热开采的覆盖式开采系统，当在资源勘探阶段确定海底泥火山中有水合物层17位于沉积物层18之下后，就可以利用该装置系统和相关技术进行水合物开采，从而获得天然气。具体的，如图1所示：
所述开采系统包括工程船支持单元、供电单元、钻井及套管单元和隔气绝热单元；所述工程船支持单元包括开采母船1、吊装机构2、天然气储集装置3和安全脱钩系统8，天然气储集装置3上设置有流量控制阀4，安全脱钩系统为应对突发恶劣天气或其它灾害性事件可紧急将开采母船和其它水下系统分离，以离开作业现场避险，而其它系统继续留在海底，待天气恢复正常或灾害性事件消除后开采母船可继续返回现场，通过脱钩装置连接后继续作业。
所述供电单元包括设置在工程船支持单元上的太阳能加热板5、光电转换器6和蓄电池7，供电单元通过供电电缆10与隔气绝热单元相连，供电电缆10上还设置有温度压力传感器9，通过供电单元将太阳能或者蓄电池中的电传输到隔气绝热罩和热电极中，对水合物进行加热，通过温度压力传感器9以及流量控制阀4自动收集系统信息，判断运行状态，及时控制阀门的运行，保障系统安全、高效运行；
所述钻井及套管单元包括生产井11、射孔12和天然气输送管道14，所述射孔12设置在生产井11内水合物富集层位，以更好地导流水合物释放流体，且在天然气输送管道14适当位置布设减压控制阀13，以达到加压和热采联用，确保天然气水合物的顺利产出。钻井位置优先选择泥火山中心通道位置，泥火山中心通道位置是泥火山流体和外界进行物质交换的最重要的通道，侧向流通情况良好，当水合物加热分解后，气体通常向此方向聚集迁移，具体可通过二维多道地震剖面解释结果和海底摄像确定的冷泉喷口位置对泥火山中心通道的位置精确锁定。
所述隔气绝热单元仅能够向面向沉积物层的内部供热，包括隔气绝热罩15和热电极16；所述隔气绝热罩15是一种特殊的发热体，从下至上依次为导热铝箔层151、碳纤维发热丝层152、石棉绝热层153和耐热隔气层154。导热铝箔层151具有阻燃导热作用，有助于热量向其下的沉积物层传递；碳纤维发热丝152由碳纤维材料制成，在隔气绝热罩中呈S形、回形、或波浪形等方式排布；石棉绝热层153以石棉材料作绝热处理，使之仅可能面向沉积物层内部供热，以达到高效、均匀加热天然气水合物储层的目的；在隔热石棉层表面铺设耐热塑料膜(聚砜类塑料，可在100-180℃长期使用)作为耐热隔气层154，以使该装置具有隔绝气体渗漏的作用，防止水合物分解气体通过覆盖层向海洋或大气中泄漏，同时，这四层材料都具有很好的柔韧性，可以根据泥火山的形状进行随意弯折，而不影响使用效果。
另外，为避免加热功率不同可能带来的矛盾，热电极16与隔气绝热罩15的碳纤维发热丝采用独立的供电电路，施工时将热电极的电路独立埋设于隔气绝热罩15的绝热层及隔气层之间，以免在隔气绝热罩15上再另行开口，造成施工难度加大和气体泄漏的风险，开采时热电极单独供电，并通过控温开关来调节发热效率，以适应不同的水合物厚度加热的需要。
本实施例根据深海泥火山水合物的赋存特征，采用覆盖式保温加热的方法；隔气绝热罩可以根据泥火山的形状任意铺设，并具有很好的防气体渗漏能力，以阻止水合物分解气体从侧翼溢出，且具有均匀加热功能，在隔气层和发热层之间利用石棉材料作绝热处理，使发热层单向面对下部向水合物，以最大限度地减少能耗；同时，在水合物饱和度高、厚度大的位置集成多个热电极，与隔气绝热罩发热元件有效连接，每个热电极可以根据水合物层的实际深度贯入到所需深度，进一步加热目标区水合物，以将分解的水合物在井底压差的作用下，从产出井的射孔流进产出井。
实施例2
基于实施例1所公开的覆盖式深海泥火山型天然气水合物开采系统，本实施例提供对应的开采方法，具体如下：
第一步，确定泥火山中心通道，在泥火山中心通道钻井、布设套管并射孔；
先将开采母船1开至泥火山水合物区，利用深水钻井技术在泥火山型水合物的通道内实施钻井，保证钻井穿过天然气上部沉积物覆盖层18，进入水合物储层17，一般最终需在泥火山基岩处终孔，由此形成生产井11；然后安装套管，在水合物储层位置进行射孔12，以其引导水合物分解产生的水和气体进入，生产井内布设减压控制阀13，以达到热采和减压方法联用的效果，以更加充分地分解水合物。
第二步，利用工程机器人在泥火山侧翼布放隔气绝热罩；
在泥火山侧翼水合物饱和度大、层位厚的位置进行钻孔，放入热电极16。然后，利用工程型水下机器人将隔气绝热罩15均匀布放在泥火山之上，并且将隔气罩体连接已经放入钻孔的热电极16。该隔气绝热罩15在泥火山中心钻孔位置开口。由此，完成隔气绝热单元施工。
第三步，利用船载供能单元(太阳能板和备用蓄电池)加热水合物；
将开采母船1的太阳能加热板5采集的太阳能经光电转换器6转换为电能，输送至海底泥火山隔气绝热罩15。隔气绝热罩15以及集成的热电极16向外供热并加热天然气水合物。当阴天和夜晚时，整个太阳能系统产生电能的功率达不到开采活动所需，则启动船载蓄电池7供电，以确保整个生产过程的平稳与持续。
第四步，收集生产井内的气体，在船上进行储集；
待水合物释放气体从射孔12流入生产井11之后，即可以通过天然气输送管道14将其输送到开采母船上布放的天然气储集装置3中储存起来。天然气输送管道上设置减压控制阀13，一方面可以防止气体聚集过程中压力过高，仪器损坏的风险，另外也可以通过适当降压，达到热采和减压两种技术方法联用，促进水合物开采效率的提高。
需要说明的是，在整个开采过程中，利用整个体系的自动控制反馈安全监测全程运行，如通过温度压力传感器9以及流量控制阀4自动收集系统信息，判断运行状态，及时控制阀门的运行，实现运行方式的切换，满足不同条件的作业要求，保障系统安全、高效运行。
本发明根据深海泥火山水合物的赋存特征，采用覆盖式保温加热的方法，首先克服了加热开采水合物中加热范围小，耗能多、产出率低的缺点，可大提高开采效率；同时，克服了已有方法中海底大范围开挖造成环境风险和生态灾难的可能性；不仅如此，还现场利用了太阳能，成本低廉，绿色环保，使用过程中通过控制气井压力条件，在夜晚和阴雨天气系统由船上储存的备用电量驱动。以上措施，可实现水合物的大规模高效经济开采，具有很好的应用前景。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种覆盖式深海泥火山型天然气水合物开采系统，其特征在于，包括工程船支持单元、供电单元、钻井及套管单元以及隔气绝热单元，工程船支持单元为水合物开采提供基础硬件支持并实现对开采天然气水合物的收集，供电单元通过供电电缆(10)与隔气绝热单元相连；
所述钻井及套管单元包括生产井(11)、射孔(12)和天然气输送管道(14)，所述射孔(12)设置在生产井(11)内水合物富集层位，天然气输送管道(14)一端设置在生产井(11)内，另一端与工程船支持单元相连，且在天然气输送管道(14)上布设有减压控制阀(13)；
所述隔气绝热单元均匀铺设覆盖在泥火山上，包括与供电单元相连的隔气绝热罩(15)，所述隔气绝热罩(15)从下至上依次为导热铝箔层(151)、碳纤维发热丝层(152)、石棉绝热层(153)和耐热隔气层(154)，用以向面向沉积物层的内部供热，实现对天然气水合物储层的加热；
所述隔气绝热单元还包括热电极(16)，热电极(16)设置在水合物饱和度高、厚度大的位置，热电极(16)与碳纤维发热丝层(152)采用两路独立的供电电路，热电极(16)的供电电路独立埋设于石棉绝热层(153)和耐热隔气层(154)之间。
2.根据权利要求1所述的覆盖式深海泥火山型天然气水合物开采系统，其特征在于：在开采母船(1)和天然气输送管道(14)的连接处还设置有安全脱钩系统(8)，以应对突发恶劣天气或其它灾害性事件。
3.根据权利要求1所述的覆盖式深海泥火山型天然气水合物开采系统，其特征在于：所述供电单元包括设置在工程船支持单元上的太阳能加热板(5)、光电转换器(6)和蓄电池(7)，通过供电单元将太阳能或者蓄电池中的电传输到隔气绝热罩(15)和热电极(16)中，对水合物进行加热。
4.根据权利要求2所述的覆盖式深海泥火山型天然气水合物开采系统，其特征在于：所述工程船支持单元包括开采母船(1)、吊装机构(2)和天然气储集装置(3)，天然气储集装置(3)上设置有流量控制阀(4)，所述供电电缆(10)上还设置有温度压力传感器(9)，通过温度压力传感器(9)和流量控制阀(4)采集的系统信息对系统运行状态进行判别和调控。
5.基于权利要求1所述的覆盖式深海泥火山型天然气水合物开采系统的开采方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、确定泥火山中心通道，在泥火山中心通道钻井、布设套管并射孔；
2)、在泥火山侧翼布放隔气绝热单元，所述隔气绝热单元包括隔气绝热罩(15)和热电极(16)，隔气绝热罩(15)从下至上依次分别为导热铝箔层(151)、碳纤维发热丝层(152)、石棉绝热层(153)和耐热隔气层(154)；
3)、利用船载供电单元加热水合物；
4)、收集生产井内的气体，在工程船上进行储集。
6.根据权利要求5所述的覆盖式深海泥火山型天然气水合物开采系统的开采方法，其特征在于，第1)步中，所述泥火山中心通道的位置通过二维多道地震剖面解释结果和海底摄像确定的冷泉喷口位置进行确定。
7.根据权利要求5所述的覆盖式深海泥火山型天然气水合物开采系统的开采方法，其特征在于，第1)步具体通过以下方式实现：
利用深水钻井技术在泥火山中心通道内实施钻井，所述钻井穿过天然气上部沉积物覆盖层(18)，进入水合物储层(17)，并在泥火山基岩处终孔，由此形成生产井(11)；
然后安装套管，在水合物储层位置进行射孔(12)，以其引导水合物分解产生的水和气体进入，生产井(11)内布设减压控制阀(13)，以达到热采和减压方法联用的效果，以更加充分地分解水合物。
8.根据权利要求5所述的覆盖式深海泥火山型天然气水合物开采系统的开采方法，其特征在于，所述第2)步具体通过以下方式实现：
在泥火山侧翼水合物饱和度大、层位厚的位置进行钻孔，放入热电极(16)；
然后利用工程型水下机器人将隔气绝热罩(15)均匀布放在泥火山之上，并且将隔气绝热罩(15)连接已经放入钻孔的热电极(16)，该隔气绝热罩(15)在泥火山中心钻孔相应位置开口。
9.根据权利要求5所述的覆盖式深海泥火山型天然气水合物开采系统的开采方法，其特征在于，所述第4)步中，待水合物释放气体从射孔(12)流入生产井(11)之后，通过天然气输送管道(14)将其输送到开采母船上的天然气储集装置(3)中，且天然气输送管道(14)与开采母船的连接处还设置有安全脱钩系统(8)，以应对突发恶劣天气或其它灾害性事件。
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