利用地热开采海洋水合物藏的回型井结构及方法

摘要

本发明涉及海洋水合物藏开采技术领域，公开了一种利用地热开采海洋水合物藏的回型井结构及方法。本发明通过采用回型井结构，利用携热流体将地热层的能量传递给水合物层以促进天然气水合物的分解，其能够在增强热传导效率的同时实现携热流体的循环利用，具有开采速度快、开采成本低、能量损失小、热能利用率高等优点。

权利要求

1.一种利用地热开采海洋水合物藏的回型井结构，其特征在于，所述回型井结构包括：

注入井(8)，所述注入井(8)设置为从海平面(6)延伸至地热层(25)，所述注入井(8)用于注入携热流体；

采热井(14)，所述采热井(14)位于所述地热层(25)内，所述采热井(14)的入口端与所述注入井(8)的出口端连通，所述采热井(14)用于输送所述携热流体并使所述携热流体采集所述地热层(25)内的热量；

循环井(15)，所述循环井(15)设置为从所述地热层(25)延伸至水合物层(22)，所述循环井(15)的入口端与所述采热井(14)的出口端连通；

放热收集井(19)，所述放热收集井(19)位于所述水合物层(22)，所述放热收集井(19)的入口端与所述循环井(15)的出口端连通，所述放热收集井(19)用于将所述携热流体释放至所述水合物层(22)，同时收集所述水合物层(22)的分解产物；以及生产管道(9)，所述生产管道(9)套设于所述注入井(8)内并与所述注入井(8)之间形成径向间隙，所述生产管道(9)设置为从所述海平面(6)延伸至所述水合物层(22)，并且所述生产管道(9)的入口端伸出所述注入井(8)外与所述放热收集井(19)的出口端连通，所述生产管道(9)内设置有气液分离器(11)，所述气液分离器(11)设置为阻断所述生产管道(9)的入口端和出口端的直接连通，所述气液分离器(11)的入口与所述生产管道(9)的入口端连通，所述气液分离器(11)的液体出口与所述注入井(8)连通，所述气液分离器(11)的气体出口与所述生产管道(9)的出口端连通。

2.根据权利要求1所述的回型井结构，其特征在于，所述生产管道(9)内设置有用于阻止气体倒流至所述气液分离器(11)内的单向流动阀(10)。

3.根据权利要求1所述的回型井结构，其特征在于，所述注入井(8)和所述循环井(15)均形成为竖直井，和/或所述采热井(14)和所述放热收集井(19)均形成为水平井。

4.根据权利要求3所述的回型井结构，其特征在于，所述放热收集井(19)的中心轴线距离所述水合物层(22)的顶面的高度为所述水合物层(22)高度的1/3-1/4。

5.根据权利要求1所述的回型井结构，其特征在于，所述采热井(14)和所述放热收集井(19)均采用筛管；和/或所述回型井结构包括用于为所述携热流体提供循环动力的增压装置(13)。

6.根据权利要求1所述的回型井结构，其特征在于，所述回型井结构包括位于所述注入井(8)上方的海洋平台(5)，所述海洋平台(5)上设置有与所述生产管道(9)的出口端连通的处理站以及与所述处理站连通的天然气回收仓(4)。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的回型井结构，其特征在于，所述水合物层(22)与所述地热层(25)之间具有间隔层，所述循环井(15)的位于所述间隔层的部分外套设有保温套(16)。

8.一种利用地热开采海洋水合物藏的方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1-7中任意一项所述的回型井结构，所述方法包括：S1、向地热层(25)注入携热流体，并使所述携热流体采集所述地热层(25)的热量后流动至水合物层(22)，以促进所述水合物层(22)中天然气水合物的分解；

S2、将所述水合物层(22)的分解产物进行气液分离后，将气体产物进行回收，将液体产物注入所述地热层(25)中使其随所述携热流体按照所述S1进行循环流动。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述S2还包括在所述气体产物回收的过程中，将所述气体产物携带的热量传递给将要注入所述地热层(25)的所述携热流体。

说明书

利用地热开采海洋水合物藏的回型井结构及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及海洋水合物藏开采技术领域，具体地涉及一种利用地热开采海洋水合物藏的回型井结构及方法。

背景技术

[0002] 天然气水合物是一种笼型结构络合物，其具有储量丰富、分布广泛、能量密度高、燃烧后较为清洁等特点，因此被视为21世纪极具潜力的新型可替代能源。天然气水合物是由小分子气体在高压、低温条件下与水分子结合生成的，小分子气体主要包括甲烷、乙烷等烃类气体。根据多年来的调研发现，自然界中原有的天然气水合物主要分布在高纬度地区的极地冻土带及全球范围内的深海海底、陆坡、陆基及海沟中，其中赋存于海洋水合物中的天然气储量估测为20×1015m3。因此，合理开发利用海洋水合物资源，对缓解能源危机、丰富能源结构具有重要意义。

[0003] 目前，较为成熟的水合物开采方法包括热激法、降压法、注化学剂法以及CO2置换法。其中，降压法一般是通过降低储层体系压力来改变水合物的相平衡，促使天然气水合物分解，其优点为成本低、操作简易、能量损耗小，但存在开发速度缓慢、可控性差的缺陷；注化学剂法是通过注入醇类、卤水等化学剂，促使天然气水合物分解，其优点为操作简便、效果显著，但存在成本较高、污染环境的缺陷；CO2置换法是利用CO2比CH4更容易生成水合物的性质，将天然气水合物中的甲烷气体置换出来，其优点为实现了既采集了天然气又埋存了温室气体的双赢目的，同时维持了储层的稳定性，但存在性价比较低、开发速度慢的缺陷；而热激法通常指利用注入热流体或电磁加热的方式提升储层内的体系温度，促使天然气水合物分解，其优点为操作方便、开发速度快、可控性好，但存在成本较高、能量损失大、热能利用率较低的缺陷。

[0004] 因此，需要研发一种开采速度快、开采成本低、能量损失小、热能利用率高的开采海洋水合物藏的装置和方法。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种利用地热开采海洋水合物藏的回型井结构及方法，其具有开采速度快、开采成本低、能量损失小、热能利用率高等优点。

[0006] 为了实现上述目的，本发明一方面提供一种利用地热开采海洋水合物藏的回型井结构，所述回型井结构包括：

[0007] 注入井，所述注入井设置为从海平面延伸至地热层，所述注入井用于注入携热流体；

[0008] 采热井，所述采热井位于所述地热层内，所述采热井的入口端与所述注入井的出口端连通，所述采热井用于输送所述携热流体并使所述携热流体采集所述地热层内的热量；

[0009] 循环井，所述循环井设置为从所述地热层延伸至水合物层，所述循环井的入口端与所述采热井的出口端连通；

[0010] 放热收集井，所述放热收集井位于所述水合物层，所述放热收集井的入口端与所述循环井的出口端连通，所述放热收集井用于将所述携热流体释放至所述水合物层，同时收集所述水合物层的分解产物；以及

[0011] 生产管道，所述生产管道套设于所述注入井内并与所述注入井之间形成径向间隙，所述生产管道设置为从所述海平面延伸至所述水合物层，并且所述生产管道的入口端伸出所述注入井外与所述放热收集井的出口端连通，所述生产管道内设置有气液分离器，所述气液分离器设置为阻断所述生产管道的入口端和出口端的直接连通，所述气液分离器的入口与所述生产管道的入口端连通，所述气液分离器的液体出口与所述注入井连通，所述气液分离器的气体出口与所述生产管道的出口端连通。

[0012] 优选地，所述生产管道内设置有用于阻止气体倒流至所述气液分离器内的单向流动阀。

[0013] 优选地，所述注入井和所述循环井均形成为竖直井，和/或所述采热井和所述放热收集井均形成为水平井。

[0014] 优选地，所述放热收集井的中心轴线位于距离所述水合物层的顶面的1/3-1/4处。

[0015] 优选地，所述采热井和所述放热收集井均采用筛管；和/或所述回型井结构包括用于为所述携热流体提供循环动力的增压装置。

[0016] 优选地，所述回型井结构包括位于所述注入井上方的海洋平台，所述海洋平台上设置有与所述生产管道的出口端连通的处理站以及与所述处理站连通的天然气回收仓。

[0017] 优选地，所述水合物层与所述地热层之间具有间隔层，所述循环井的位于所述间隔层的部分外套设有保温套。

[0018] 本发明另一方面提供一种利用地热开采海洋水合物藏的方法，包括：

[0019] S1、向地热层注入携热流体，并使所述携热流体采集所述地热层的热量后流动至水合物层，以促进所述水合物层中天然气水合物的分解；

[0020] S2、将所述水合物层的分解产物进行气液分离后，将气体产物进行回收，将液体产物注入所述地热层中使其随所述携热流体按照所述S1进行循环流动。

[0021] 优选地，所述S2还包括在所述气体产物回收的过程中，将所述气体产物携带的热量传递给将要注入所述地热层的所述携热流体。

[0022] 优选地，所述方法采用以上所述的回型井结构。

[0023] 本发明通过采用回型井结构，将地热层与水合物层相连通，通过携热流体将地热层的能量传递给水合物层以促进天然气水合物的分解，其能够在增强热传导效率的同时实现携热流体的循环利用，具有开采速度快、开采成本低、能量损失小、热能利用率高等优点。

[0024] 本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

[0025] 附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

[0026] 图1是本发明的回型井结构的一种实施方式的结构示意图。

[0027] 附图标记说明

[0028] 1      液体回收储存罐     2      循环泵

[0029] 3      精细气液分离装置   4      天然气回收仓

[0030] 5      海洋平台           6      海平面

[0031] 7      海水层             8      注入井

[0032] 9      生产管道           10     单向流动阀

[0033] 11     气液分离器         12     分支井口

[0034] 13     增压装置           14     采热井

[0035] 15     循环井             16     保温套

[0036] 17     封隔器             18     循环井井口

[0037] 19     放热收集井         20     泥线

[0038] 21     盖层               22     水合物层

[0039] 23     沉积地层           24     地层

[0040] 25     地热层

具体实施方式

[0041] 以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

[0042] 在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指安装使用状态下的上、下。“内、外”是指相对于各部件本身轮廓的内、外。

[0043] 本发明一方面提供一种利用地热开采海洋水合物藏的回型井结构，所述回型井结构包括：注入井8，所述注入井8设置为从海平面6延伸至地热层25，所述注入井8用于注入携热流体；采热井14，所述采热井14位于所述地热层25内，所述采热井14的入口端与所述注入井8的出口端连通，所述采热井14用于输送所述携热流体并使所述携热流体采集所述地热层25内的热量；循环井15，所述循环井15设置为从所述地热层25延伸至水合物层22，所述循环井15的入口端与所述采热井14的出口端连通；放热收集井19，所述放热收集井19位于所述水合物层22，所述放热收集井19的入口端与所述循环井15的出口端连通，所述放热收集井19用于将所述携热流体释放至所述水合物层22，同时收集所述水合物层22的分解产物；以及生产管道9，所述生产管道9套设于所述注入井8内并与所述注入井8之间形成径向间隙，所述生产管道9设置为从所述海平面6延伸至所述水合物层22，并且所述生产管道9的入口端伸出所述注入井8外与所述放热收集井19的出口端连通，所述生产管道9内设置有气液分离器11，所述气液分离器11设置为阻断所述生产管道9的入口端和出口端的直接连通，所述气液分离器11的入口与所述生产管道9的入口端连通，所述气液分离器11的液体出口与所述注入井8连通，所述气液分离器11的气体出口与所述生产管道9的出口端连通。

[0044] 上述中，可以理解的是，所述回型井结构形成了供所述携热流体循环流动的循环通路，实现了对携热流体的循环利用。具体为，所述携热流体经注入井8流动至采热井14中，接着由采热井14经循环井15流入放热收集井19，在放热收集井19中，部分携热流体释放至水合物层22，以提升储层内的体系温度，促使天然气水合物分解；随着携热流体的释放以及天然气水合物的分解，分解产物会在压力作用下进入放热收集井19中与剩余的携热流体一起从生产管道9的入口端进入气液分离器11中进行气液分离，分离得到的气体产物从气液分离器11的气体出口经生产管道9的出口端排出以便于收集，分离得到的液体产物则从气液分离器11的液体出口进入注入井8中，与注入井8中的携热流体一起进入下一个循环(参见图1)。通过上述循环，能够实现对天然气水合物的快速、稳定开采。

[0045] 在上述过程中，分离后的气体和液体产物会带有残余热量，其中，气体产物在上升过程中可与注入井8和生产管道9之间的所述径向间隙内的注入流体(即刚从注入井8的入口端注入的携热流体)发生热传导，同时还能避免水合物二次生成堵塞管道；液体产物能够进入注入井8中参与携热，同时与携热流体之间发生热传导和对流传热，从而减少热量损失，实现热量的高效利用。

[0046] 通过上述技术方案，本发明的回型井结构能够将地热层25与水合物层22相连通，通过携热流体将地热层25的能量传递给水合物层22以促进天然气水合物的分解，其能够在增强热传导效率的同时实现携热流体的循环利用，具有开采速度快、开采成本低、能量损失小、热能利用率高等优点。

[0047] 另外，在放热收集井19的出口端或者生产管道9的入口端可设置有过滤装置(例如滤网)，以用于过滤由放热收集井19采集的流体中混杂的岩屑等固态杂质。

[0048] 本发明中，为了避免从气液分离器11的气体出口排出的气体倒流回气液分离器11中，可在所述生产管道9内设置用于阻止气体倒流至所述气液分离器11内的单向流动阀10。其中，单向流动阀10可设置于气液分离器11的气体出口与生产管道9的出口端之间的位置，最好设置于靠近气液分离器11的气体出口的位置，例如图1所示。

[0049] 根据本发明的一种实施方式，如图1所示，所述注入井8和所述循环井15均可形成为竖直井。此处需要说明的是，注入井8和循环井15可以不仅仅包括竖直段，为了便于安装以及实际效果，例如图1所示，注入井8和循环井15还可分别包括水平段，例如分支井口12的设置。另外，所述采热井14和所述放热收集井19均可形成为水平井。这样，可利于采热井14通过热传导与对流传热的方式采集能量；利于放热收集井19通过热传导与对流传热的方式发散能量，促进水合物分解，同时收集分解产物。优选地，采热井14可采用大位移水平井，以增加携热流体与地热交换能量的距离和时间，从而提高携热效果。放热收集井19也可采用大位移水平井，以增加携热流体与水合物交换能量的距离和时间，从而提高促进水合物分解的作用效果。

[0050] 另外，在实际应用时，循环井15需要从图1中所示的循环井井口18处钻井，并用封隔器17封闭循环井15的上部流通通道。循环井井口18在开采过程中应处于关井状态。

[0051] 其中，作为优选，所述放热收集井19的中心轴线位于距离所述水合物层22的顶面的1/3-1/4处。这样有利于密度较大的热流体向下流动，密度较小的气体向上收集。

[0052] 本发明中，所述采热井14和所述放热收集井19均可采用筛管。可以理解的是，筛管的管壁上布有多个通孔，管内外的流体可通过所述通孔进出(参见图1)。通过采用筛管，可以加强管内外流体的热传导和对流传热，增强传热效果，而且在一定流速下，筛管内会产生局部低压，利于地热层内原始的热流体流入筛管中。当然，本发明并不仅限于此，采热井14和放热收集井19还可以采用其他任意能够实现其功能的管路。

[0053] 本发明中，所述回型井结构还可包括用于为所述携热流体提供循环动力的增压装置13(例如增压泵)。该增压装置13可设置于各个井中(包括注入井8、采热井14、循环井15、放热收集井19)，当井内流体压力不足时，可打压为流体提供循环动力。

[0054] 本发明中，作为优选，所述携热流体可以是水、水基醇类溶液或卤水(以氯离子为主的电解质溶液)等。

[0055] 此外，在实际应用时，为了实现所述回型井结构的钻井作业以及携热流体的注入、分离气体的回收处理等作业，所述回型井结构还可包括位于所述注入井8上方的海洋平台5，所述海洋平台5上设置有与所述生产管道9的出口端连通的处理站以及与所述处理站连通的天然气回收仓4。其中，天然气回收仓4可用于储存、液化较纯净的天然气，而且还可以将天然气输送至其他装置以实现天然气的利用。

[0056] 其中，所述处理站用于对所述气体产物进行处理。所述处理站可包括各种装置，例如精细气液分离装置3(可对从生产管道9的出口端排出的气体进行更精细的气液分离)，液体回收储存罐1(可用于回收、储存、加工携热流体)，循环泵2(可用于将精细气液分离装置3分离后的液体吸入液体回收储存罐1内加工处理后，再注入注入井8)。

[0057] 由于水合物层22与地热层25之间具有间隔层，因此，为了降低携热流体上返至水合物层22前的能量损失，可在所述循环井15的位于所述间隔层的部分外套设保温套16。其中，所述间隔层指现状海洋中位于水合物层22与地热层25之间的各层的组合。例如图1所示，由上至下依次分布有海平面6、海水层7、泥线20、盖层21、水合物层22、沉积地层23、地层24以及地热层25，其中，所述间隔层包括沉积地层23和地层24。

[0058] 本发明另一方面提供一种利用地热开采海洋水合物藏的方法，包括：

[0059] S1、向地热层25注入携热流体，并使所述携热流体采集所述地热层25的热量后流动至水合物层22，以促进所述水合物层22中天然气水合物的分解；

[0060] S2、将所述水合物层22的分解产物进行气液分离后，将气体产物进行回收，将液体产物注入所述地热层25中使其随所述携热流体按照所述S1进行循环流动。

[0061] 本发明的上述方法通过采用携热流体将地热层25的能量传递给水合物层22以促进天然气水合物的分解，其能够在增强热传导效率的同时实现携热流体的循环利用，具有开采速度快、开采成本低、能量损失小、热能利用率高等优点。需要说明的是，对本发明上述方法所达到的效果的具体解释可参见上述回型井结构中的说明。

[0062] 进一步地，所述S2还可包括在所述气体产物回收的过程中，将所述气体产物携带的热量传递给将要注入所述地热层25的所述携热流体。这样，能够实现热量的高效利用，减少热量损失。

[0063] 本发明中，所述方法可采用以上所述的回型井结构，当然也可采用其他任意能够实现上述方法的结构或装置。

[0064] 最后，需要说明的是，地热通常指那些能够经济地为人类所开发和利用的地球内部岩石中的热能量、地热流体中的热能量以及伴生组分。一般情况下，随着深度的增加，温度会越来越高，正常增温梯度为每1000m增加25℃～30℃。研究表明，地热资源储量丰富，不但清洁，而且可再生、可持续使用，具有极高的利用价值。因此，本发明通过采用上述回型井结构及方法，利用地热能开采天然气水合物，能够克服传统热激法热损大、成本高的缺陷，提高资源利用效率。

[0065] 以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

[0066] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

[0067] 此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。