海域天然气水合物的原位种植和采集系统及其方法

摘要

本发明所述的海域天然气水合物的原位种植和采集系统及其方法，提供一种原位井扩孔、截留并种植天然气水合物以实施后续采集的系统及其方法。以期加速提高泄漏区羽状流气体的收集速度与效率，在原位形成固态水合物的前提下形成封存并转移，从而实现天然气水合物海域采集作业的低能耗、无污染开发、并改善海水缺氧与酸化程度、缓解温室气体排放效应。包括有冷泉扩孔及成品收集单元、冷泉集气种植单元和海底工程辅助单元。冷泉扩孔及成品收集单元，包括工程船或钻井平台、钻井装置和吊装系统；冷泉集气种植单元，包括固气采集装置和扩孔导流系统；海底工程辅助单元，包括通过爬行车脐带缆连接工程船或钻井平台的工程爬行车。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自然条件下海域浅表层天然气水合物(表现为海底冷泉或流体泄漏)的原位种植和采集系统及其方法，属于海洋资源开发工程技术领域。

背景技术

天然气水合物作为一种新型、高效环保能源，在全球有着广泛的分布，全球资源级的水合物总量保守估计约为n×10¹⁵m³(数个千万亿立方米)，被各国视为未来最有希望的石油天然气替代能源。

天然气水合物是自然产出的、由甲烷为主的烃类气体和水分子构成的结晶态化合物，通常呈冰雪状，化学上属于“笼形包含物”，通常生成和赋存于低温(0—10℃)高压(大于10.1MPa)环境下。天然气水合物中甲烷含量通常占80％～99.9％，是一种高效、清洁的能源资源，其能量密度是煤炭或碳质页岩的10倍、常规天然气的2倍，且燃烧污染比煤、石油、天然气等传统化石燃料小得多。

广泛的调查研究已经证实，99％的天然气水合物总量赋存于海洋中，而且与常规油气藏相比，天然气水合物的埋藏深度都较浅，主要赋存于陆坡、岛屿和盆地的表层沉积物内。水合物是一种处于亚稳态的化合物，只要水深足够，冷泉泄漏排放到水体之后仍能形成水合物，在世界多地的冷泉调查中，都发现了甲烷气泡溢出后在调查容器中形成水合物的现象，甲烷气泡溢出后迅速在其表面形成了水合物包壳。由于水合物的密度要小于水，因此，形成的水合物晶体又迅速漂浮到上部水体中，直至到其稳定带上部发生分解融化。因此，基于这类自然规律，如何利用天然气水合物泄漏现象(即海底冷泉活动)最终从海底获得清洁的甲烷气体，既能够克服现有钻井开发经济成本较高、环境污染较大的问题，同时又实现从源头截留泄漏的甲烷气体，解决由此造成的海水酸化缺氧与大气中温室效应气体排放增加的问题，是当前天然气水合物海域开采与收集的重要技术难题。

如下述在先申请专利，申请号CN201710228147.X，名称为深海热液金属硫化物矿床原位种植系统。该申请提出的原位种植系统利用自然因素，培育深海热液金属硫化物矿床以降低开采成本，避免污染环境。包括热液金属硫化物丘体、钻井套管、井口控制导流装置和流体混合控制罩，钻井套管穿入热液金属硫化物丘体，热液金属硫化物丘体由外向内依次为隔水层、热液流体富集层和丘体基岩，钻井套管在位于热液流体富集层位置的管壁开设有射孔，钻井套管的顶端设置井口控制导流装置，流体混合控制罩的底端开设有下开口，下开口套在钻井套管的顶端的四周，流体混合控制罩的顶端开设有上开口，流体混合控制罩的侧壁开设有若干个流体孔，流体混合控制罩的内壁设置有硫化物矿物涂层。

又如以下在先申请，申请号201710228024.6，名称为深海热液金属硫化物采集电解系统。该申请以降低开采、冶炼和运输成本为目的，包括集矿机器人、采矿平台、金属硫化物电解池和温差发电机，在金属硫化物矿床上布置若干个集矿机器人，集矿机器人经矿石输送通道连接采矿平台，采矿平台经采矿回流水排放管道连接海洋，采矿平台上设置金属硫化物电解池，金属硫化物电解池经电解废水排放管道连接海洋，温差发电机的热端放置于金属硫化物矿床的热液喷口处，温差发电机的冷端放置于底层海水中，温差发电机经电缆连接金属硫化物电解池。

上述2篇对比文献集中地体现了深海区域、液态或固体形态、金属硫化物的原位种植与采集技术，其中披露的是针对热液金属矿物的收集过程，热液金属矿物属稳态物质，并不涉及到如天然气水合物所特有的气液混合与固态间转化的亚稳态现象，因此并未针对性地提供如何形成固态水合物、转移封存与减少甲烷气体逃逸的技术解决手段，而此类问题又恰是海域天然气水合物采集过程必须面临与克服的问题。

有鉴于此，特提出本专利申请。

发明内容

本发明所述的海域天然气水合物的原位种植和采集系统及其方法，为解决现有技术存在的问题而针对当前遍布海底的冷泉泄漏，提供了一种原位井扩孔、截留并种植天然气水合物以实施后续采集的系统及其方法。以期加速提高泄漏区羽状流气体的收集速度与效率，在原位形成固态水合物的前提下形成封存并转移，从而实现天然气水合物海域采集作业的低能耗、无污染开发、并改善海水缺氧与酸化程度、缓解温室气体排放效应的目的。

为实现上述设计目的，本申请海域天然气水合物的原位种植和采集系统，主要包括有冷泉扩孔及成品收集单元、冷泉集气种植单元和海底工程辅助单元。其中，

冷泉扩孔及成品收集单元，包括工程船或钻井平台、钻井装置和吊装系统；

冷泉集气种植单元，包括固气采集装置和扩孔导流系统；所述的固气采集装置，包括降压输气阀门、压力传感器及智能控制单元，以及自动封闭装置；所述的扩孔导流系统，包括套管、设置于套管管壁上的射孔和井口流量控制装置；

海底工程辅助单元，包括通过爬行车脐带缆连接工程船或钻井平台的工程爬行车，在爬行车脐带缆处连接爬行车中继器。

如以上设计构思所述，冷泉扩孔单元及成品收集单元，通过钻井至游离气层后，促使游离气排放起到降压作用，从而促进上部作为盖层的块状水合物发生进一步泄漏，加大水合物泄漏点的甲烷气体的排放通量；

冷泉集气种植单元，负责将逃逸的气体妥善导流至采集种植单元内，利用天然气存在的水合物稳定带特征，在原位迅速形成固态水合物晶体，待整个采集单元充满水合物固体后，进行妥善的保压自封闭操作。

海底工程辅助单元，以爬行车为主，进行采集种植单元的准确布放和收集等作业，最终实现海域天然气水合物无污染开发。

因此，海域天然气水合物的原位种植和采集系统实现了加速并收集水合物泄漏区的羽状流气体，在原位形成固态水合物，然后进行封存，待水下释放后，在向上自浮的过程中自然气化，在海面工程船或工程平台予以转移封存，实现天然气水合物的低能耗、无污染开发。通过该装置的应用，能有效减少甲烷气体的逃逸，改善海水缺氧和酸化的程度，并有利于缓解大气中的温室气体效应；同时，变过去天然气水合物资源的钻探开发为集约式的控制种植，从而去除泥沙的干扰，获得优质的天然气水合物，同时还可统一控制获得的矿体的形状，使之在液化分离甲烷的后期采气过程中，更适合流程性的产业化操作，从而提高生产效率，由于生产过程中只从工程船或平台排放水体，几乎不存在环境污染。

进一步地，所述的固气采集装置，设置有连接锚索的锚定重块，在锚索上连接有释放器。即当装置内部水合物浮力达到上限时，在压力传感器和智能控制单元的指示下，装置整体地从海底自主脱钩并利用总体密度小于海水的特征，自浮至海面，以助于由工程平台或工程船进行收集。

另外，所述的固气采集装置，设置有北斗(或铱星)定位装置和吊装环，以免在上升过程中丢失或进入工程船或钻井平台的危险位置。

基于应用上述海域天然气水合物的原位种植和采集系统，本申请同时提出一种新的水合物原位种植和采集方法，包括冷泉扩孔及成品收集单元、冷泉集气种植单元的作业实施过程。具体地，

所述冷泉扩孔及成品收集单元的作业过程如下：

首先，使用工程船或钻井平台和钻井装置对冷泉泄漏中心钻井并扩孔；

然后，布放扩孔导流系统并进行支护，放置附带有射孔的套管，使得流体随内外压力差进入套管内；

所述冷泉集气种植单元的作业实施过程如下，

首先，从工程船或钻井平台投放工程爬行车；

然后，投放锚定重块；

随之，布放固气采集装置；

在整体采集过程中，固气采集装置的浮力由压力传感器及智能控制单元感知，当达到预设的阈值时，固气采集装置与锚定重块分离并在浮力差的驱使下向海面浮动上升；

最后，固气采集装置到达海面时，以吊装系统通过吊装环进行收集；待固体水合物完全分解完毕，使用降压输气阀门进行甲烷气输出；

完成一个施工流程的固气采集装置，继续用于重复下一个施工过程。

进一步地，在所述冷泉扩孔及成品收集单元的作业过程中，为获得更为优质的天然气水合物和提高收集水合物的作业效率，可在海底井口处设置井口流量控制装置；在生产过程中，利用工程爬行车进行关闭和打开该井口流量控制装置。

在所述冷泉扩孔及成品收集单元的作业过程中，工程爬行车以爬行车脐带缆与工程船或钻井平台相联且装有爬行车中继器，以提高工程爬行车移动灵活性与受控性能。

在此基础上，利用工程爬行车投放锚定重块并将其妥善布置在扩孔导流系统周围，以及，利用工程爬行车将固气采集装置用锚索与锚定重块进行连接。

在监测到固气采集装置内部压力达到预设的阈值时，自动封闭装置采取气密性处理方式关闭固气采集装置；压力传感器及智能控制单元给予释放器指令，释放固气采集装置。

综上所述，本申请所述海域天然气水合物的原位种植和采集系统及其方法具有的优点与有益效果是，实现加速并收集水合物泄漏区的羽状流气体，在原位形成固态水合物，然后进行封存，待水下释放后，在向上自浮的过程中自然气化，在海面工程船或工程平台予以转移封存，实现天然气水合物的低能耗、无污染开发。通过该装置的应用，能有效减少甲烷气体的逃逸，改善海水缺氧和酸化的程度，并有利于缓解大气中的温室气体效应；同时，变过去天然气水合物资源的钻探开发为集约式的控制种植，从而去除泥沙的干扰，获得优质的天然气水合物，同时还可统一控制获得的矿体的形状，使之在液化分离甲烷的后期采气过程中，更适合流程性的产业化操作，从而提高生产效率，由于生产过程中只从工程船或平台排放水体，几乎不存在环境污染。

附图说明

下面给出附图以进一步地详述本申请的设计构思与特征内容。

图1是海域天然气水合物的原位种植和采集系统示意图。

在图中示出，1、工程船或钻井平台，11、钻井装置，12、吊装系统；2、固气采集装置，21、降压输气阀门，22、北斗(或铱星)定位装置，23、吊装环，24、已形成固态水合物，25、压力传感器及智能控制单元，26、释放器，27、锚定重块，28、锚索，29、自动封闭装置；3、工程爬行车，31—爬行车脐带缆，32、爬行车中继器；4、扩孔导流系统，41、套管，42、射孔，43、井口流量控制装置；5、发育冷泉和浅表层水合物层的泥火山，51、上覆沉积物层，52、固态水合物层，53、水合物层下游离气层，54、下部沉积物层或基岩，55、主要断层区(流体快速泄漏区)。

具体实施方式

结合附图和以下优选的实施例对本申请作进一步地展开说明。

实施例1，如图1所示，本申请针对水合物驱动的冷泉，当确定水合物区域存在较好的水合物资源量与明显的冷泉泄漏通道时，首先在海底收集冷泉流体，然后进行原位种植，最后进行采集。

所述海域天然气水合物的原位种植和采集系统，包括有冷泉扩孔及成品收集单元、冷泉集气种植单元和海底工程辅助单元。其中，

冷泉扩孔及成品收集单元，包括工程船或钻井平台1，钻井装置11和吊装系统12；

冷泉集气种植单元，包括固气采集装置2和扩孔导流系统4；

所述的固气采集装置2，包括设置于装置顶部的降压输气阀门21，装置管壁上的压力传感器及智能控制单元25，以及装置瓶口位置的自动封闭装置29；在装置底部设置有连接锚索28的锚定重块27，在锚索28上连接有释放器26；在装置顶部设置有北斗(或铱星)定位装置22和吊装环23；

所述的扩孔导流系统4，包括套管41、设置于套管41管壁上的射孔42和管口装置的井口流量控制装置43；

海底工程辅助单元，包括通过爬行车脐带缆31连接工程船或钻井平台1的工程爬行车3，在爬行车脐带缆31处连接爬行车中继器32。

本申请所述海域天然气水合物的原位种植和采集方法，包括冷泉扩孔及成品收集单元、冷泉集气种植单元的作业实施过程。

所述冷泉扩孔及成品收集单元的作业实施过程如下：

首先，探测到具有一定冷泉通量的发育冷泉和浅表层水合物层的泥火山5后，使用具有钻井施工能力的工程船或钻井平台1，利用钻井装置11对正在进行冷泉泄漏中心(断层或具有明显通道处)钻井并扩孔；

然后，布放扩孔导流系统4并进行支护，放置附带有射孔42的套管41，使得流体随内外压力差进入套管41内，在海底井口处设置井口流量控制装置43；在生产过程中，随时可以利用工程爬行车3进行关闭和打开该井口流量控制装置43，以控制流量、同时避免在更换固气采集装置2的过程中而造成流体直接泄漏到海水中去；

钻井时，选择主要断层区(流体快速泄漏区)55作为钻井靶点；在纵向上，首先穿过上覆沉积层51，然后再穿过冷泉区的固态水合物层52，直达53水合物层下游离气层；另外，因保证射孔覆盖范围也包括水合物层和游离气层，以扩大出气量，增加生产能力。

所述冷泉集气种植单元的作业实施过程如下：

首先，待上述扩孔与导流施工完成后，从工程船或钻井平台1投放工程爬行车3，工程爬行车3以爬行车脐带缆31与工程船或钻井平台1相联且装有爬行车中继器32，以增加在海底的活动范围。

然后，投放锚定重块27，利用工程爬行车3将其妥善布置在扩孔导流系统4周围；随之，布放固气采集装置2，利用工程爬行车3将其用锚索28与锚定重块27进行连接，完成气体收集装置的布放。此时，下方导流孔内的冷泉流体进入固气采集装置2中。

由于处于水合物稳定带内部，因此会在固气采集装置2的装置顶部逐步地形成固体水合物，如图中已形成固态水合物24所示；固态水合物的密度小于海水，形成的水合物不断将海水排除，因此整个装置所受的浮力就会越来越大，该浮力以压力传感器及智能控制单元25来感知；当达到预设的阈值时，也就是当整个采集装置完全被固态水合物充满后，所获得的浮力最大，此时压力传感器及智能控制单元25就会控制自动封闭装置29使之自动闭合；自动封闭装置29可采取气密性处理方式，因此整个固气采集装置2的装置内部即完全地与外界环境气密隔绝；此时，压力传感器及智能控制单元25又给予释放器26指令，使固气采集装置2整体地与锚定重块27分离，然后在浮力差的驱使下，向海面浮动上升；

在该过程中，固气采集装置2装置内部的固体水合物不断地分解，在到达海面时逐渐地成为气(甲烷)、水混合物；同时，固气采集装置2上设置有北斗(或铱星)定位装置22，以免其在上升过程中丢失或进入工程船或钻井平台1的危险位置(例如工程船的螺旋桨位置等)；同时，在固气采集装置2上设置有吊装环23，待其到达海面时，以吊装系统12进行收集，方便放置到甲板；待固体水合物完全分解完毕，使用降压输气阀门21进行甲烷气输出，完成一个施工流程；空置后的固气采集装置2，可继续用于重复下一个施工过程。

需要指出的是，本发明提出的原位种植水合物的整体采集效率，受制于冷泉通量的大小，尤其是扩孔导流后的通量。因此，在发育冷泉和浅表层水合物层的泥火山5，需要寻找具有较大断裂和流体通道的中心位置进行扩孔导流，然后进行采集，这样才能保证较高的生产效率。另外，整体采集效率还受制于固气采集装置2的周转率，因此需要多个固气采集装置2不间断地轮换使用。还有，在上述采集作业过程中，应充分地利用好井口流量控制装置43，调节流量并妥善地减少更换固气采集装置2过程中不必要的气体流失。综合上述环节与因素，能够保证一定的生产速率，提高水合物原位种植速率和最终的采气速率，并减少流体对海水环境的影响。

本申请所述的海域天然气水合物的原位种植和采集系统，适用于具有一定水深(如大于500米水深)的冷泉，在该深度范围内，天然气水合物的稳定带处于海底之上，这样固气采集装置2中就能在天然条件下种植系统内迅速形成固态水合物，这样就可以尽最大可能采集气体。理论上，1体积固态水合物中能含有164—172体积的甲烷气，因此，只有当其形成固体水合物后，才能具有较高的采集效率。而在其脱离锚定重块27向上上升过程以及吊装到工程船或钻井平台1后，又在天然的温度、大气压力条件下自动地转变为气水相态，这样就可以直接获得甲烷气体。而在一个施工流程中的气相—固相—气相的两次转变过程中，只利用海底和海面之间天然存在的温度和压力差，不需要耗费外加能量；而从海底脱离后，也靠自身的浮力向上上升，而不耗费外加能量，在整个施工流程中，仅在扩孔导流和海底锚定施工耗费能量，因此大大降低了成本，也避免了通常施工所可能造成的污染。

同时，本发明装置由于拦截了冷泉流体直接进入海水中，降低了甲烷气体对海水的酸化和缺氧的负面影响，也大大降低了冷泉去流体直接进入大气的可能，对于缓解全球变暖的趋势具有较好的效果，也因此具有一定的社会效益。

如上所述，结合附图和描述给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明的结构内容，均仍属于本发明技术方案的权利范围。