一种海洋天然气水合物、浅层气、深部气合采系统及方法

本发明涉及深海油气资源开采装备领域，具体涉及一种海洋天然气水合物、浅层气、深部气合采系统及方法。

背景技术：

1、天然气水合物又称为可燃冰，具有分布广、地质储量大、能量密度高、环境污染小的特点，是一种开发潜力巨大的新能源。我国天然气水合物开采研究启动较晚，于2011年和2016年，研究人员首先在祁连山冻土区进行了两次陆上可燃冰试采，分别产气近5天和23天。2017年，在南海神狐海域进行了首次海上试采，稳定生产60天，产气30.9万立方米。2020年，在南海同一海域完成了第二次试采，试验了水平井在海底软泥沙中的钻探技术，实现稳定生产30天，产气86.14万立方米。目前为止，我国是世界上累计试采可燃冰产气量最多的国家。海洋天然气水合物的开发虽然迈出了关键一步，但无论在基础理论研究还是开采方法、装备、运营模式等方面，都还面临巨大挑战。2018年10月在西南石油大学召开了第十二届世界天然气水合物研究与开发大会暨中国工程院284次中国工程科技论坛，众多天然气水合物研究领域世界顶级专家们指出：“天然气水合物、浅层气、常规气“三气合采”可能是人类早期实现天然气水合物商业性开发利用的有效途径。”

2、然而，目前尚未形成一套可实现天然气水合物、浅层气、深部气“三气合采”的系统与方法。因此，为了实现天然气水合物早期商业性开发利用，所发明的海洋天然气水合物、浅层气、深部气合采系统需要满足以下要求、功能及特性：

3、1、在同一系统中实现天然气水合物、浅层气和深部气的共同开采，实现建立单井筒可以进行三种资源的开采，减少装备数量，降低作业成本，提高单井筒产量；

4、2、具有分层开采浅层气、深部气，并对其开采过程的产气流量、压力等环境工况参数进行监测和调控的功能，即可在实现三种资源同时开采的情况下实现各资源各自单独开采；

5、3、可以调控浅层气、深部气产出，利用浅层气、深部气自身高压特点实现浅层气、深部气气举助排天然气水合物，提高采出量和采出效率，防止天然气水合物不返出、漏失等问题。

6、因此，需要发明一种海洋天然气水合物、浅层气、深部气合采系统及方法，实现水下单井筒中联合或独立开采天然气水合物、浅层气、深部气，且实现对井筒中不同层位产出气的流量、压力等参数进行监测和调控，提升天然气水合物开采效率，满足天然气水合物商业化开采产量、效益及经济要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对天然气水合物单井筒产量低，天然气水合物开采效率低、不返出，天然气水合物、浅层气、深部气联合或者单独开采的问题，提出一种海洋天然气水合物、浅层气、深部气合采系统及方法，以解决上述问题。本发明通过海底支持系统、天然气开采系统、水合物开采系统进行天然气水合物、浅层气、深部气同时开采，提高单系统产量；通过利用浅层气、深部气自身高压气源举升助排破碎后的天然气水合物浆液，提高天然气水合物开采效率；通过井下节流器实现天然气开采过程中的控压调产，通过井下监测器实时监测天然气状态，以此来控制井下节流器对天然气的调节。

2、本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种海洋天然气水合物、浅层气、深部气合采系统，包括：

3、海面支持系统；所述海面支持系统包括海面钻采船，设置在海面钻采船上的控制装置、高压泵组、连续管钻机、钻机井架、地面循环处理系统；

4、海底支持系统；所述海底支持系统包括大尺寸钻杆、连续管、海底双井口吸力桩、生产油管，海底防喷器，所述大尺寸钻杆首端安装在海面钻采船上，末端安装在海底双井口吸力桩上，所述连续管安装在大尺寸钻杆内，首端与高压泵组连接，末端与水合物开采系统连接，所述海底双井口吸力桩安装在海底双生产井口处，所述生产油管安装在天然气井筒内，与海底双井口吸力桩连接；

5、天然气开采系统；所述天然气开采系统包括井下监测器ⅰ、井下节流器ⅰ、封隔器ⅰ、智能完井滑套ⅰ、井下监测器ⅱ、井下节流器ⅱ、封隔器ⅱ、智能完井滑套ⅱ，所述井下监测器ⅰ安装在浅层气层上部生产油管上，所述井下节流器ⅰ安装在井下监测器ⅰ下方生产油管上、所述封隔器ⅰ锚定在井下节流器ⅰ下方、所述智能完井滑套ⅰ安装在封隔器ⅰ下方，所述井下监测器ⅱ安装在深部气层上部生产油管上，所述井下节流器ⅱ安装在井下监测器ⅱ下方生产油管上、所述封隔器ⅱ锚定在井下节流器ⅱ下方、所述智能完井滑套ⅱ安装在封隔器ⅱ下方；

6、水合物开采系统；所述水合物开采系统包括连续管转换接头、配重钻杆ⅰ、压力及视频检测短节ⅰ、轴流泵、水力驱动马达、配重钻杆ⅱ、压力及视频检测短节ⅱ、压控射流破碎工具、高压射流组合喷嘴、动力钻具、水合物钻头，上述装置优选依次连接；

7、所述连续管转换接头首端与连续管连接，末端与配重钻杆ⅰ连接；

8、所述配重钻杆ⅰ首端与连续管转换接头末端连接，末端与压力及视频检测短节ⅰ连接；

9、所述压力及视频检测短节ⅰ首端与配重钻杆ⅰ末端连接，末端与轴流泵连接；

10、所述轴流泵首端与压力及视频检测短节ⅰ末端连接，末端与水力驱动马达连接；

11、所述水力驱动马达首端与轴流泵末端连接，末端与配重钻杆ⅱ连接；

12、所述配重钻杆ⅱ首端与水力驱动马达末端连接，末端与压力及视频检测短节ⅱ连接；

13、所述压力及视频检测短节ⅱ首端与配重钻杆ⅱ末端连接，末端与压控射流破碎工具连接；

14、所述压控射流破碎工具首端与压力及视频检测短节ⅱ末端连接，末端与动力钻具连接；

15、所述动力钻具首端与压控射流破碎工具末端连接，末端与水合物钻头连接；

16、所述水合物钻头安装在动力钻具末端，沿其轴向方向上设有喷射通道；

17、所述高压射流组合喷嘴径向安装在压控射流破碎工具上，高压射流组合喷嘴使压控射流破碎工具内部与水合物开采系统外部空间连通。

18、进一步的，所述海面支持系统中的地面循环处理系统与所述大尺寸钻杆和连续管间的环空空间连通。

19、进一步的，所述海底双井口吸力桩内部设有左通道、右通道，左右两个通道连通，连通处设有单向阀，流体只能从左通道流向右通道，左通道与生产油管连接，右通道与水合物井口连接，右通道处设有通道开关，连通和封闭右通道与连续管间的环空空间，双井生产出的产物都通过海底双井口吸力桩内右通道输送至海面。

20、进一步的，所述破碎后水合物浆体通过水合物开采系统举升，经过水合物开采系统与腔体间环空空间、连续管与腔体间环空空间、连续管与海底双井口吸力桩右通道环空空间、连续管与大尺寸钻杆间环空空间进入地面循环处理系统处理与储存。

21、进一步的，所述天然气通过智能完井滑套ⅰ、智能完井滑套ⅱ进入生产油管，经过生产油管通过海底双井口吸力桩左通道进入海底双井口吸力桩右通道，举升助排破碎后水合物浆体并随水合物浆体一同输送至地面循环处理系统。

22、进一步的，所述压控射流破碎工具位于初始位置时封闭压控射流破碎工具内部与高压射流组合喷嘴的连通。

23、进一步的，所述智能完井滑套ⅰ、智能完井滑套ⅱ能通过海面钻采船上的控制装置控制，保持和隔断生产油管与天然气井筒间的连通，滑套在安装初始时均为关闭状态。

24、本发明还提供了一种海洋天然气水合物、浅层气、深部气合采系统的使用方法，它包括以下步骤：

25、sⅰ、多资源联合开采，具体包括以下步骤：

26、s1、安装系统

27、操作人员做好安装前的准备后安装海底支持系统、天然气开采系统、水合物开采系统，并下入水合物开采系统至水合物层；

28、s2、水合物开采

29、当水合物开采系统下放到水合物层，增大钻井液流量，由于钻井液流量增大，压控射流破碎工具向右移动，压控射流破碎工具封堵与动力钻具的连通通道，同时连通压控射流破碎工具内部与高压射流组合喷嘴，此时钻井液不再经过动力钻具从水合物钻头喷出，钻井液通过高压射流组合喷嘴喷射出并且破碎天然气水合物，回拖水合物开采系统，钻井液从高压射流组合喷嘴破碎天然气水合物，由于钻井液经过水合物开采系统中的水力驱动马达，水力驱动马达带动轴流泵举升破碎后的水合物，破碎后的水合物经过轴流泵举升，沿着水合物开采系统与腔体间环空空间、连续管与腔体间环空空间、连续管与海底双井口吸力桩右通道环空空间、连续管与大尺寸钻杆间环空空间进入地面循环处理系统处理与储存；

30、s3、天然气助排

31、当开始开采水合物时，打开智能完井滑套ⅰ或者智能完井滑套ⅱ或者同时打开，天然气进入生产油管，通过生产油管、海底双井口吸力桩左通道进入海底双井口吸力桩右通道与破碎后的水合物混合，降低破碎后的水合物浆体的密度，以此帮助举升破碎后的水合物，在此过程中可以通过井下监测器ⅰ或者井下检测器ⅱ对天然气状态进行监测并通过控制井下节流器ⅰ或者井下节流器ⅱ对天然气压力、流量进行调控，使天然气达到能够气举水合物浆体所需的压力和流量；

32、s4、换方位开采

33、当一个方位天然气水合物开采完毕后，减少钻井液流量，压控射流破碎工具恢复到初始位置，关闭所有智能完井滑套，回收水合物开采系统至主井口，调整方位下放水合物开采系统至水合物层；

34、s5、回拖采掘，重复步骤s2～s4完成第二方位的开采；

35、s6、重复上述换方位和回拖采掘过程，完成该点位360°方位的水合物的开采，此时在完成水合物开采的同时开采了水合物层位纵向上和水平方向上多点位浅层气、深部气，使系统达到多资源联合开采效果，并且提高了水合物举升效率。

36、当水合物未完成开采但浅层气、深部气气源不足，不足以对水合物浆体进行气举时，该系统可以进行：

37、sⅱ、单水合物开采，具体包括以下步骤：

38、s7、下放工具

39、操作人员安装好系统后，下入水合物开采系统至水合物层；

40、s8、水合物开采

41、当水合物开采系统下放到水合物层，增大钻井液流量，由于钻井液流量增大，压控射流破碎工具向右移动，压控射流破碎工具封堵与动力钻具的连通通道，同时连通压控射流破碎工具内部与高压射流组合喷嘴，此时钻井液不再经过动力钻具从水合物钻头喷出，钻井液通过高压射流组合喷嘴喷射出并且破碎天然气水合物，回拖水合物开采系统，钻井液从高压射流组合喷嘴破碎天然气水合物，由于钻井液经过水合物开采系统中的水力驱动马达，水力驱动马达带动轴流泵举升破碎后的水合物，破碎后的水合物经过轴流泵举升，沿着水合物开采系统与腔体间环空空间、连续管与腔体间环空空间、连续管与海底双井口吸力桩右通道环空空间、连续管与大尺寸钻杆间环空空间进入地面循环处理系统进行处理与储存；

42、s9、换方位开采

43、当一个方位天然气水合物开采完毕后，减少钻井液流量，压控射流破碎工具恢复到初始位置，关闭所有智能完井滑套，回收水合物开采系统至主井口，调整方位下放水合物开采系统至水合物层；

44、s10、回拖采掘

45、重复步骤s8～s9完成第二方位的开采；

46、s11、重复上述换方位和回拖采掘过程，完成该点位360°方位的水合物的开采。

47、当完成水合物开采并且还存在多点位浅层气、深部气气源时，该系统还可以完成浅层气、深部气的单独开采，具体包括以下步骤：

48、sⅲ、单浅层气开采，具体包括以下步骤：

49、s12、关闭通道开关

50、关闭海底双井口吸力桩右通道处的通道开关，封闭右通道与连续管间的环空空间；

51、s13、打开智能完井滑套

52、打开智能完井滑套ⅰ，渗透在天然气井筒内的天然气通过智能完井滑套ⅰ进入生产油管；

53、s14、浅层气开采

54、当智能完井滑套ⅰ打开，天然气进入生产油管内，随后天然气向上运移，经过封隔器ⅰ、井下节流器ⅰ、井下监测器ⅰ、海底双井口吸力桩左通道至右通道、大尺寸钻杆与连续管间环空空间至地面循环处理系统中；

55、s15、关闭智能完井滑套

56、当完成浅层气开采后，控制智能完井滑套ⅰ，隔断生产油管与井筒间的连通；

57、sⅲ、深部气开采，具体包括以下步骤：

58、s16、关闭通道开关

59、关闭海底双井口吸力桩右通道处的通道开关，封闭右通道与连续管间的环空空间；

60、s17、打开智能完井滑套

61、当深部气开采准备好后，打开智能完井滑套ⅱ，渗透在天然气井筒内的天然气通过智能完井滑套ⅱ进入生产油管；

62、s18、深部气开采

63、当智能完井滑套ⅱ打开，天然气进入生产油管内，随后天然气向上运移，经过封隔器ⅱ、井下节流器ⅱ、井下监测器ⅱ、智能完井滑套ⅰ、封隔器ⅰ、井下节流器ⅰ、井下监测器ⅰ、海底双井口吸力桩左通道至右通道、大尺寸钻杆与连续管间环空空间至地面循环处理系统中；

64、s19、关闭智能完井滑套

65、当完成深部气开采后，控制智能完井滑套ⅱ，隔断生产油管与井筒间的连通；

66、有益效果

67、本发明由于采用上述技术方案，其达到的有益效果为：

68、(1)本发明通过海底支持系统、天然气开采系统、水合物开采系统可实现水下单井筒浅层气、深部气、天然气水合物的多资源联合开采且不同种类资源的联合开采与单独开采过程实时监测与控制，有效降低了天然气水合物开采成本；

69、(2)本发明利用浅层气储层、深部气储层的高压天然气源，实现对天然气水合物浆液助排举升，合理利用浅层气储层、深部气储层中流体自身能量，提高天然气水合物开采效率，并实现整个开采过程节能降耗；

70、(3)本发明采用井下节流器对浅层和深部产出天然气开产量和压力进行调控，同时采用井下监测器对井筒内天然气状态进行实时监测，可有效防止井筒内生成水合物造成堵塞影响整个开采过程，有效保障了生产作业安全。