本发明涉及一种降压式海洋天然气水合物开采方法和海底开采系统，包括半潜式海上平台、多簇射孔开采井、井口气水采集树、气水混输系统、海底气水分离设备、输气系统、管路系统、动力与通信系统和辅助设备九个部分，可实现海底天然气水合物藏的安全、高效和经济开采。本发明系统完整，各部分模块化强，可重复使用，制造成本低、周期短；大部分装置位于海底，通过海上平台控制，只输送天然气到海上，额外能量消耗少；开采井采用多簇射孔技术，有效减少漏采区域，采用多水平井，有效提高产气量；具有防井塞、防井喷和水合物二次生成等功能，保证安全生产；各主要设备可灵活移动和组合使用，实现移动式、区域化生产作业。
1.一种降压式海洋天然气水合物海底开采系统，其特征在于，整个开采系统包括半潜式海上平台、多簇射孔开采井、井口气水采集树、气水混输系统、海底气水分离设备、输气系统、管路系统、动力与通信系统和辅助设备，共九个部分；除半潜式海上平台外，其余部分全部安装在海底；
(1)半潜式海上平台包括船体、吊装设备、后处理设备、终端设备和其他设施，半潜式海上平台采用动力定位系统，灵活移动；船体是支撑半潜式海上平台的基础，用于搭载吊装设备、后处理设备、终端设备、其他设施和其他海底设备，保持在任何状况下半潜式海上平台的稳定性和自持力；吊装设备主要是船体上的电动绞车，用于悬挂固定输气管线，保证输气安全；后处理设备将海底输送上来的天然气进一步分离、提纯后输出到气站供用户使用；终端设备负责与海底各设备进行通信与控制；其他设施包括海上平台电力供应、安全生产措施以及生活设施；
(2)多簇射孔开采井分为竖直井段和水平井段，竖直井段从水合物藏上部的岩石盖层直穿到水合物藏的下部，由内部的套管和外部的固井水泥组成，竖直井段与水平井段垂直连接，连接处设有滤砂器防止泥沙进入竖直井段，水平井段均位于水合物藏内，由套管保护；
竖直井段在水合物藏上部的岩石盖层与水合物藏的连接部设有两层滤砂器和紧急封井器，阻止水合物层泥沙进入后续管路中，防止井内压力过高以及井喷事故；
(3)井口气水采集树结构上主要由壳体和钝体组成，与竖直井段的上端连接，钝体控制可升降井盖进而控制降压法分解压力兼具防井喷管路切断功能，同时具备电辅助加热功能防止水合物二次生成；
采集树内压力控制在3-4MPa，钝体电辅助加热温度设定在6-8℃；
(4)气水混输系统通过气水混输泵，将气水采集树中的气水输送至海底气水分离设备；
(5)海底气水分离设备包括分离器本体、分离室、前置泵、抽水泵和止回阀，分离室位于分离器本体内部，分离室上部开口与前置泵连接，前置泵入口置于分离室内底部，前置泵出口与抽水泵入口相连，抽水泵出口连有止回阀；分离器通过其上部开口与输气系统相连，底部入口与气水混输系统连接；海底气水分离设备要求严格按重力竖直安装，保证内部液面工作时呈水平状态；
气水混合物从分离器底部入口进入，沿分离器内壁四周上升达到分离室口时进入分离室内，采用前置泵和抽水泵两级抽水，保证分离室内水位低于标定水位，分离室液面上部空间即为分离出的气体；抽水泵出口连有止回阀，防止海水倒灌；
(6)输气系统通过气体增压泵，将气体从气水分离器上部抽出，加压输送到海上平台进行后处理；
(7)管路系统主要包括海底管道终端设施和配套的跨接管，将各设备连接成整体管路；
(8)动力与通信系统包括海底电站和海底通讯站以及配套管缆，通过管缆，海底电站和海底通讯站与各设备连接，通过无线通讯技术与海上平台终端系统相连；
海底电站，用于海底各用电设备的电力供应；海底通讯站串接各设备，由海上平台终端设备控制，发布海底各设备的运转指令；
(9)辅助设备主要包括探测设备、钻进设备和水下作业机器人；
探测设备采用先进探测技术准确定位水合物藏的分布位置、深度和储量，反馈到终端设备进行钻井位置决策，确定竖直井的位置和多水平井的布置；
钻进设备包括钻机、射孔和固井设备，确定钻井位置后，采用分段钻进、固井渐进式钻井技术，射孔设备用来在水平井段实施多簇射孔；
水下作业机器人，即无人遥控潜水器，自由往返于海底和海上，具备无线通讯与控制功能，自带电源，通过海底动力系统充电，由海上平台终端系统控制，负责水下设备的生产安装、紧急维修和正常监控；
上述的九个部分共同构成降压式海洋天然气水合物海底开采系统。
2.根据权利要求1所述的降压式海洋天然气水合物海底开采系统，其特征在于，竖直井段连有多个不同深度、方向的水平井。
3.根据权利要求1或2所述的降压式海洋天然气水合物海底开采系统，其特征在于，所述的海底设备均具有滚轮和锚固装置，滚轮用来移动位置，锚固装置将海底设备底架与海底岩石层固定，防止水下暗流冲击和地形起伏造成的滑移和沉降。
4.根据权利要求1或2所述的降压式海洋天然气水合物海底开采系统，其特征在于，所述的开采系统通过海底管道终端设施，实现多个开采井汇聚到一台气水分离器，多台气水分离器汇总到一个增压输气管路，形成区域化开采，提高采气效率；所述的海上平台与海底设备均能灵活移动和重复使用，可实现移动式开采。
5.根据权利要求3所述的降压式海洋天然气水合物海底开采系统，其特征在于，所述的开采系统通过海底管道终端设施，实现多个开采井汇聚到一台气水分离器，多台气水分离器汇总到一个增压输气管路，形成区域化开采，提高采气效率；所述的海上平台与海底设备均能灵活移动和重复使用，可实现移动式开采。
6.根据权利要求1、2或5所述的降压式海洋天然气水合物海底开采系统，其特征在于，所述的气水采集树采用电辅加热防止水合物二次生成阻塞管路。
7.根据权利要求3所述的降压式海洋天然气水合物海底开采系统，其特征在于，所述的气水采集树采用电辅加热防止水合物二次生成阻塞管路。
8.根据权利要求4所述的降压式海洋天然气水合物海底开采系统，其特征在于，所述的气水采集树采用电辅加热防止水合物二次生成阻塞管路。
一种降压式海洋天然气水合物开采方法与海底开采系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种天然气水合物资源开采技术，尤其是一种降压式天然气水合物开采方法与系统，特别适用于海底天然气水合物资源的高效开采。
背景技术
[0002] 天然气水合物(Natural Gas Hydrate，简称NGH)是天然气在高压低温的条件下与水相互作用结晶形成的固态物质，自然界存在的水合物绝大部分是甲烷水合物，主要蕴藏在海底沉积物和陆地的永久冻土带中。根据现代地质勘测和研究，发现NGH分布范围广、规模大、能量密度高，是最有前途的新型高效清洁能源之一，其有机碳含量相当于全世界已探明矿物燃料(煤、石油、天然气)的两倍，具有巨大的商业开采价值。
[0003] 天然气水合物的开采主要是通过破坏其相平衡条件，促使其分解成和天然气，现阶段常见的开采方法主要是降压法、注热法和化学试剂法。而降压法，相对是一种具有较高经济性的开采方法，因为它不需要消耗额外能量，且对环境也没有污染。
[0004] 然而，天然气水合物的蕴藏条件较为复杂，和石油、天然气常规能源相比情况特殊，固态成藏，钻探的难度大得多，开采过程中相变成气态，对储层结构具有很大挑战。并且，海洋水合物藏一般分布在距海面1000多米的海底、300多米的岩石层下，呈薄层状与沉积物互层，具有高压、低渗、极不均匀的特点，海底天然气水合物的开采明显不同于常规油气藏的开采，需要综合考虑成本、效率以及安全等因素，因此目前还没有针对天然气水合物开采的行之有效的系统方案，日本等国NGH试开采的技术方案只不过是常规开采方法的组合或变形搭配而已，所以天然气水合物的开采技术和方案具有极大的研究和发展空间。
发明内容
[0005] 本发明针对天然气水合物现有开采方案中的不足和缺陷，结合海底水合物藏的具体实际，提供一种系统的降压式海洋天然气水合物开采方法与海底开采系统，可以实现海底天然气水合物藏的安全、高效和经济开采。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0007] 一种降压式海洋天然气水合物开采方法与海底开采系统，整个开采系统包括半潜式海上平台、多簇射孔开采井、井口气水采集树、气水混输系统、海底气水分离设备、输气系统、管路系统、动力与通信系统和辅助设备，共九个部分；除半潜式海上平台外，其余部分全部安装在海底；
[0008] (1)半潜式海上平台包括船体、吊装设备、后处理设备、终端设备和其他设施，半潜式海上平台采用动力定位系统，可以移动灵活；船体是支撑半潜式海上平台的基础，用于搭载吊装设备、后处理设备、终端设备、其他设施和足量的海底设备，能保持在任何状况下海上平台的稳定性和自持力；吊装设备主要是船体上的电动绞车，其用于悬挂固定输气管线，保证输气安全；后处理设备将海底输送上来的天然气进一步分离、提纯后输出到气站供用户使用；终端设备负责与海底各设备进行通信与控制；其他设施包括海上平台电力供应、安全生产措施以及生活设施。
[0009] (2)多簇射孔开采井分为竖直井段和水平井段，竖直井段从水合物藏上部的岩石盖层直穿到水合物藏的下部，由内部的套管和外部的固井水泥组成，竖直井段与水平井段垂直连接，连接处设有滤砂器防止泥沙进入竖直井段，水平井段均位于水合物藏内，由套管保护；
[0010] 竖直井段在上盖层与水合物藏的连接部设有两层滤砂器和紧急封井器，阻止水合物层泥沙进入后续管路中，防止井内压力过高以及井喷事故；
[0011] 竖直井段连有多个不同深度、方向的水平井，水平井段管套四周利用多簇射孔技术打孔，可提高与水合物藏的接触面积，减少漏采区域，进而提高产气率。
[0012] (3)井口气水采集树结构上主要由壳体和钝体组成，与竖直井段的上端连接，钝体控制可升降井盖进而控制降压法分解压力兼具防井喷管路切断功能，同时具备电辅助加热功能防止水合物二次生成；
[0013] 采集树内压力控制在3-4MPa，钝体电辅助加热温度设定在6-8℃。
[0014] (4)气水混输系统通过气水混输泵，将气水采集树中的气水输送至海底气水分离设备。
[0015] (5)海底气水分离设备包括分离器本体、分离室、前置泵、抽水泵和止回阀，分离室位于分离器本体内部，上部开口且与前置泵连接，前置泵入口置于分离室内底部，前置泵出口与抽水泵入口相连，抽水泵出口连有止回阀；分离器通过其上部开口与输气系统相连，底部入口与气水混输系统连接；海底气水分离设备要求严格按重力竖直安装，保证内部液面工作时呈水平状态；
[0016] 气水混合物从分离器底部入口进入，沿分离器内壁四周上升达到分离室口时进入分离室内，采用前置泵和抽水泵两级抽水，保证分离室内水位低于标定水位，分离室液面上部空间即为分离出的气体；抽水泵出口连有止回阀，防止海水倒灌。
[0017] (6)输气系统通过气体增压泵，将气体从气水分离器上部抽出，加压输送到海上平台进行后处理。
[0018] (7)管路系统主要包括海底管道终端设施(PLET)和配套的跨接管，将各设备连接成整体管路。
[0019] (8)动力与通信系统包括海底电站和海底通讯站以及配套管缆，通过管缆海底电站和通讯站与各设备连接，通过无线通讯技术与海上平台终端系统相连；
[0020] 海底电站，用于海底各用电设备的电力供应；海底通讯站串接各设备，由海上平台终端设备控制，发布海底各设备的运转指令。
[0021] (9)辅助设备主要包括探测设备、钻进设备和水下作业机器人；
[0022] 探测设备采用先进探测技术准确定位水合物藏的分布位置、深度和储量，反馈到终端设备进行钻井位置决策，确定竖直井的位置和多水平井的布置；
[0023] 钻进设备包括钻机、射孔和固井设备，确定钻井位置后，采用分段钻进、固井渐进式钻井技术，射孔设备用来在水平井段实施多簇射孔；
[0024] 水下作业机器人，即无人遥控潜水器，可自由往返于海底和海上，具备无线通讯与控制功能，自带电源，可通过海底动力系统充电，由海水平台终端系统控制，负责水下设备的生产安装、紧急维修和正常监控。
[0025] 上述的九个部分共同构成降压式海洋天然气水合物开采方法和海底开采系统。
[0026] 上述的开采系统除海上平台外均置于海底，均耐腐蚀和高压，主要海底设备均具有滚轮和锚固装置，滚轮用来移动位置，锚固装置将海底设备底架与海底岩石层固定，防止水下暗流冲击和地形起伏造成的滑移和沉降。
[0027] 上述的开采系统可通过海底管道终端设施，实现多个开采井汇聚到一台气水分离器，多台气水分离器汇总到一个增压输气管路，形成区域化开采，提高采气效率；此外，海水平台与海底设备均能灵活移动和重复使用，可实现移动式开采，有效降低设备投入成本，提高经济性。
[0028] 本发明的有益效果是：本发明系统完整，各部分模块化强，可重复使用，制造成本低、周期短；大部分装置位于海底，通过海上平台控制，只输送天然气到海上，额外能量消耗少；开采井采用多簇射孔技术，有效减少漏采区域，采用多水平井，有效提高产气量；具有防井塞、防井喷和水合物二次生成等功能，保证安全生产；各主要设备可灵活移动和组合使用，实现移动式、区域化生产作业。
附图说明
[0029] 图1是本发明的系统组成和设备布置示意图。
[0030] 图2是本发明的一个组合实施例示意图。
[0031] 图中：半潜式海上平台1；船体11；吊装设备12；后处理设备13；终端设备14；多簇射孔开采井2；井口21；竖直井段22；水平井段23；套管24；固井水泥25；滤砂器26；紧急封井器27；多簇射孔28；井盖29；井口气水采集树3；壳体31；钝体32；气水混输系统4；气水混输泵
40；海底气水分离设备5；分离器本体50；分离室51；前置泵52；疏水泵53；止回阀54；输气系统6；气体增压泵60；输气管线61；管路系统7；海底管道终端设施(PLET)；70跨接管71；动力与通信系统8；海底电站80；海底通讯站81；管缆82；辅助设备9；探测设备91；钻进设备92；水下作业机器人93。
具体实施方式
[0032] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
[0033] 如图1所示，本开采系统包括半潜式海上平台1、多簇射孔开采井2、井口气水采集树3、气水混输系统4、海底气水分离设备5、输气系统6、管路系统7、动力与通信系统8和辅助设备9。标准化开采流程如下：
[0034] 探测：海上平台1搭载各种设备到达预定海域后，首先抛下辅助设备9，无人作业机器人93启动探测设备91在海底表面进行先进精准探测，确定水合物藏分布的深度、位置和含量，反馈到终端设备14进行决策判定。
[0035] 完井：确定开采钻位和多水平井的布置后，动力与通讯系统8入水，锚固在钻位附近，通过管缆81连接到钻进设备92，海底电站80运转，钻进设备92开始钻井、固井和射孔工作，并安装滤砂器26和紧急封井器27。钻井结束后，盖上井盖29，移出钻进设备92，在井口安装气水采集树3。
[0036] 组装：陆续将气水混输系统4、气水分离设备5、输气系统6和管路系统7投入水下，通过海底管道终端设施70和跨接管71依次连接气水采集树3、气水混输系统4、气水分离设备5和输气系统6，输气管线61通过海上平台吊装设备12悬固，动力与通讯系统8通过管缆81连接所有用电设备，提供电源和控制指令。
[0037] 产气：通过调节气水采集树3的钝体32的位置，改变开采井井盖29的开度，控制井内压力在3-4MPa，进而控制水合物分解速度，同时钝体电辅助加热温度控制在6-8℃，防止水合物生成；气水混输泵40、抽水泵51和气体增压泵60协同运作，将天然气分解送入后处理设备13中；终端设备14既能保证气水分离设备正常运转，又能优化运行方案，降低能耗。
[0038] 封井：水合物达到最大开采限度后，通过气水采集树3，将海水注入到水平井段23中，开启紧急封井器27封水平井，继续灌注海水到井口21位置，用井盖29封闭整个开采井，移走气水采集树3。
[0039] 以上实施例为用本发明进行海洋天然气水合物海底降压开采的一个完整流程和最基本的系统，具体实施中可用其他已有的技术替代本发明所述的技术。如图2所示的一个组合实施例，每个海上平台1通过气体输送系统6可连接3个海底气水分离设备5，而每台气水分离设备5又能通过气水混输系统4连接3台气水采集树以及开采井，即可实现海底水合物的区域化开采。
[0040] 值得注意的是，上述实施例是示例而非限制本发明，依据本发明的基本原理和思路，还可以更换、增减所述的具体设备或技术，抑或组合、拆分使用本发明所述的部分或全部功能，本领域技术人员将能够设计出很多替代实施例而不脱离本发明保护的范围。
