深海天然气水合物开采与二氧化碳封存一体化系统及方法
本发明涉及天然气水合物开采和二氧化碳封存，具体涉及一种深海天然气水合物开采与二氧化碳封存一体化系统及方法。
背景技术：
1、天然气水合物是目前尚未开发的、资源潜力最为巨大的非常规天然气资源之一，与传统的油气藏相比，安全高效开发挑战巨大。如今，天然气水合物资源开采主要是通过打破天然气水合物的相态平衡来实现天然气水合物的开采，基于此原理已经提出的天然气水合物开发技术方法主要有：降压法、热激法、化学势差驱动法(包括注剂以及二氧化碳置换等)；除此之外，针对我国海洋环境中赋存的天然气水合物具有弱胶结、无致密盖层等特点学者们还提出了固态流化开采的方法。
2、深海二氧化碳水合物固碳技术是指将二氧化碳以固体水合物的形式储存到深海中的技术。这种技术通常涉及将二氧化碳注入海底沉积物，使其在特定的温度和压力条件下形成稳定的固态水合物，从而实现长期的碳封存。深海二氧化碳水合物固碳技术的原理是类似于天然气水合物的形成机制，在深海环境中，甲烷等气体可以与水分子结合形成水合物，这个过程称为水合化。同样地，二氧化碳也可以在特定条件下与水分子形成水合物。这些水合物在深海环境中相对稳定，可以长期封存二氧化碳。
3、目前，天然气水合物各种开采方法还处于研究阶段，距离商业化开采还有一定的距离。尽管深海二氧化碳水合物固碳技术的研究和开发已经取得了一些进展，但各国对深海二氧化碳水合物固碳技术还处于研究阶段、缺乏相关经验，在具体工程实施中仍然面临一系列挑战，包括技术难题、经济成本等。总之，天然气开采与深海二氧化碳水合物固碳技术方法各有不足，存在诸多问题亟需解决，具体如下：
4、(1)天然气水合物目前的单一开采方法存在一些问题，导致其效率低下、成本高昂，且产气周期较短，难以满足规模化、商业化开采的要求，例如，二氧化碳置换开采天然气水合物，置换时间长、置换接触面积小、效率不高；降压法开采天然气水合物，由于天然气水合物分解为吸热，天然气水合物会二次生成或造成地层水结冰,导致天然气水合物储层渗透率下降,压力降在地层中传播速度较慢,影响天然气水合物分解产气速度；固态流化开采天然气水合物过程中单次产量小、经济效益低。
5、(2)在天然气水合物开采过程中，由于水合物分解和采出会降低天然气水合物储层的强度，加大了天然气水合物开采过程中储层失稳的风险。此外，天然气水合物的分解和采出还会导致地层的力学性质发生变化，导致井壁失稳、地层坍塌、海底滑坡，甚至海啸等工程和地质问题。
6、(3)深海二氧化碳水合物固碳的成本主要来自于专用设施的建设和维护。此外，选址、钻探、注入封存等步骤也需要大量的资金投入。据相关研究显示，这些工程实践的成本非常高，以至于在短期内难以实现商业化。
7、(4)深海二氧化碳水合物固碳后面临二氧化碳泄漏问题。二氧化碳泄漏可能会导致海洋酸化和生态系统破坏，减少碳封存的效果，并可能对人类健康和海洋资源造成威胁。
8、因此，需要发明一种深海天然气水合物开采与二氧化碳封存一体化系统及方法，将现有的多种天然气水合物开采方法相结合，提高天然气水合物开采效率和产量；增大二氧化碳与天然气水合物接触面积与二氧化碳封存空间，增加天然气水合物储层结构强度，提高开采过程安全性；防止天然气水合物开采后所引起的海底地质灾害；提高二氧化碳封存的持久性和安全性，降低碳封存的工程实践成本。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种深海天然气水合物开采与二氧化碳封存一体化系统及方法，实现了固态流化法、降压法、置换法等多方法相结合开采深海天然气水合物，有效利用各个方法优点，并提高了开采效率和产量；采用了超临界二氧化碳射流造腔和压裂，增大了二氧化碳与水合物矿体接触面积，提高了开采和固碳的效率和安全性；实现了二氧化碳水合物形式固碳，具有更高的稳定性；实现了开采与固碳区域实时监测，有效提高了作业的安全性。
2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种深海天然气水合物开采与二氧化碳封存一体化系统，其特征在于：它包括海洋平台注采总控系统，水下管柱集输与井口系统，地层钻采与注入系统，海底泄漏实时监测系统；
3、所述海洋平台注采总控系统包括浮于海面上的浮式注采平台，设置于浮式注采平台上的注采作业操控终端、注采高压泵组、水合物预处理与存储装置、双层管成套作业装置、多功能井架、双层管注入头、高压二氧化碳压缩机组、二氧化碳处理与存储装置；
4、所述水下管柱集输与井口系统包括双层管、隔水管、水下防喷器组、安装于泥沙盖层的裸眼封隔器，所述隔水管首端安装在浮式注采平台上，末端安装在水下防喷器组上，所述水下防喷器组安装在海底井口，所述双层管安装在隔水管内，首端安装在双层管成套作业装置上，内层通道与水合物预处理与存储装置连接，外层通道与注采高压泵组连接，末端与地层钻采与注入系统连接，所述裸眼封隔器锚定在水下防喷器组下的套管上；
5、所述地层钻采与注入系统依次由双层管转接头、全方位造斜器、双层管安全接头、双层管水力锚、双层扩张式封隔器、井下温压及可视化监测短节、可换芯双喷嘴射流泵、射流造腔压裂与注入多功能工具、水平井井下牵引器、弯螺杆动力钻具、近钻头地质导向工具、水合物钻头连接组成，所述双层管转接头内层通道与双层管内层通道连通，外层通道与双层管外层通道连通，所述双层管安全接头首端与双层管转接头相连，末端与双层管水力锚相连，所述双层管水力锚与双层扩张式封隔器相连，所述井下温压及可视化监测短节首端与双层扩张式封隔器相连，末段与可换芯双喷嘴射流泵相连，所述射流造腔压裂与注入多功能工具首端与可换芯双喷嘴射流泵连通，末端与水平井井下牵引器相连，所述弯螺杆动力钻具首端与水平井井下牵引器连通，末端与近钻头地质导向工具连通，所述水合物钻头与近钻头地质导向工具相连通。
6、所述海底泄漏实时监测系统包括分布式光纤压力温度传感器、海底ph值传感器、水合物泄漏检测装置，供电装置、数据采集与无线通讯装置，所述分布式光纤压力温度传感器安装在地层钻采与注入系统中，随工具管串下入，所述海底ph值传感器和水合物泄漏检测装置安装于泥沙盖层中，所述数据采集与无线通讯装置连接，并实时传递监测信息，所述供电装置为安装于海底的设备提供电力保障。
7、所述可换芯双喷嘴射流泵包含有喉管，射流喷嘴和分流喷嘴，所述可换芯双喷嘴射流泵的喉管与井下温压及可视化监测短节内层通道连通，分流喷嘴与射流造腔压裂与注入多功能工具内部连通，所述可换芯双喷嘴射流泵可通过解锁泵芯将双喷嘴结构更换为单射流喷嘴结构。所述海洋平台注采总控系统中的注采高压泵组与所述隔水管与双层管间的环空空间连通。所述双层管水力锚和双层扩张式封隔器具有内外层双通道，可通过海水流量大小的变化来实现坐、解封，并且能在水平裸眼段实现锚定与封隔。所述全方位造斜器通过钻杆下入井中，并在水合物储层进行定位，引导水合物钻头按照预定的轨迹进行定向钻进。所述海底ph值传感器和水合物泄漏检测装置在泥沙盖层多点位布置并在海底组成监测网络，实现对封存区域的覆盖监测。
8、本发明还提供了基于一种深海天然气水合物开采与二氧化碳封存一体化系统的天然气水合物开采和封存二氧化碳的方法，其特征在于：它包括以下步骤：
9、sⅰ、钻进、固态流化开采，具体包括以下步骤：
10、sa、下入工具：将全方位造斜器通过钻杆下入井中，并在水合物储层进行定位后，将双层管、隔水管、地层钻采与注入系统经由多功能井架、双层管注入头一起下至水合物储层；
11、sb、水平段钻进：通过注采作业操控终端控制注采高压泵组，注采高压泵组将海水泵入双层管的外层通道中，带压力的海水顺次经过双层管转接头、双层管安全接头、双层管水力锚、双层扩张式封隔器、井下温压及可视化监测短节、进入可换芯双喷嘴射流泵外层通道后分别进入其射流喷嘴和分流喷嘴中，经分流喷嘴后的海水通过射流造腔压裂与注入多功能工具进入到水平井井下牵引器、弯螺杆动力钻具、近钻头地质导向工具后带动水合物钻头做旋转运动，水合物钻头在水合物储层水平钻进至预定开采位置，而经由射流喷嘴喷出的海水在可换芯双喷嘴射流泵的喉管处卷吸水合物浆液通过双层管进入浮式注采平台；
12、sc、固态流化开采：通过注采作业操控终端控制注采高压泵组增大海水流量，注采高压泵组将海水泵入双层管的外层通道中，大流量海水依次经过双层管转接头、双层管安全接头、双层管水力锚、双层扩张式封隔器、井下温压及可视化监测短节、可换芯双喷嘴射流泵外层通道，其中经分流喷嘴后的海水到达射流造腔压裂与注入多功能工具，射流造腔压裂与注入多功能工具切换为径向喷射状态，高压海水通过射流喷头射向水合物储层进行水合物破碎，其中由射流喷嘴喷出的海水通过喉管卷吸破碎后的水合物浆液通过双层管内层通道进入水合物预处理与存储装置，同时回拖海底钻进与注入系统完成天然气水合物储层固态流化造腔作业。
13、sⅱ、第一次降压开采，具体包括以下步骤：
14、sd、更换可换芯双喷嘴射流泵泵芯：当完成固态流化造腔作业后，通过注采作业操控终端控制将海水从双层管内管注入，解锁可换芯双喷嘴射流泵中的泵芯；待泵芯解锁后，海水从双层管外管注入，将解锁后的双喷嘴泵芯输送至浮式注采平台，在井口取出后，将单射流喷嘴泵芯投入，从双层管内管中注入海水，输送至可换芯双喷嘴射流泵中并完成锁定，此时可换芯双喷嘴射流泵不具有分流作用，双喷嘴射流泵变成常规射流泵。
15、se、水合物第一次降压开采：将海水从双层管外层管注入，经过可换芯双喷嘴射流泵进行天然气水合物降压开采。
16、sⅲ、天然气水合物储层压裂，具体包括以下步骤：
17、sf、水合物储层压裂：当完成降压开采后，通过注采作业操控终端控制将超临界二氧化碳经由二氧化碳处理与存储装置、高压二氧化碳压缩机组加砂后形成超临界二氧化碳压裂介质，从双层管内外管一同注入；超临界二氧化碳压裂介质从可换芯双喷嘴射流泵喷出进入天然气水合物空腔中形成高压环境，同时由于内外压差使得双层管水力锚锚定、双层扩张式封隔器坐封，对水合物储层进行压裂改造，形成压裂缝网，并且二氧化碳能对天然气水合物进行一定程度的置换，且形成二氧化碳水合物固化天然气水合物腔体。
18、sⅳ、压裂后第二次降压开采，具体包括以下步骤：
19、sg、第二次降压开采：当压裂完成后，通过注采作业操控终端控制将注入介质由超临界二氧化碳压裂介质换成海水，并将海水从双层管外层管注入，海水经过可换芯双喷嘴射流泵进行降压开采，同时将置换出的天然气经由双层管抽入到水合物预处理与存储装置。
20、sⅴ、压裂后置换开采，具体包括以下步骤：
21、sh、注入置换：当压裂后降压开采完成后，通过注采作业操控终端控制将超临界二氧化碳经由二氧化碳处理与存储装置、高压二氧化碳压缩机组从双层管内外管注入，超临界二氧化碳经过可换芯双喷嘴射流泵喷出注入到压裂后的水合物腔体中，关井一段时间；
22、si、置换举升：待天然气置换完成后，将海水从双层管外层管注入，经过可换芯双喷嘴射流泵完成抽吸置换后的天然气与二氧化碳混合气作业。
23、sⅵ、二氧化碳封存，具体包括以下步骤：
24、sj、注入封存：待二氧化碳置换法完成后，将超临界二氧化碳经由二氧化碳处理与存储装置、高压二氧化碳压缩机组、从双层管内外管注入，超临界二氧化碳由可换芯双喷嘴射流泵喷出注入到天然气水合物采空区，形成二氧化碳水合物，实现二氧化碳永久地质封存。
25、sⅶ、全方位水合物开采与固碳，具体包括以下步骤：
26、sk、当一个方位水合物开采与固碳完毕后，解封双层管水力锚、双层扩张式封隔器，回收地层钻采与注入系统至井口，调整全方位造斜器方位；
27、sl、重复上述sa—sk步骤，完成对应点位全方位的水合物开采与固碳；
28、sⅷ、二氧化碳及水合物泄漏监测，具体包括以下步骤：
29、sm、泄漏监测：完成对应点位全方位的水合物开采与固碳作业后，经由浮式注采平台释放自主水下机器人，自主水下机器人携带海底ph值传感器，水合物泄漏检测装置、供电装置、数据采集与无线通讯装置至海底预定位置，进行泄漏监测设备安装作业，安装调试完毕后，进行长期监测。
30、本发明的有益效果是：
31、(1)相较于以往单一的天然气水合物开采方法，提出了多种天然气水合物开采方法的结合，提高了天然气水合物开采效率、增加了产量；
32、(2)采用超临界二氧化碳进行压裂，形成压裂缝网，增大接触面积与二氧化碳封存空间，同时采用超临界二氧化碳置换出表面甲烷形成二氧化碳水合物，提高天然气水合物储层结构强度；
33、(3)将天然气水合物的开采与碳封存结合，将二氧化碳以固相的水合物形式埋存具有埋存量大、安全性高的双重优势，降低了碳封存的工程实践成本，同时防止了天然气水合物开采后海底地质滑坡、垮塌等地质灾害。
34、(4)对二氧化碳封存区域进行长期监测，提高了二氧化碳封存的持久性和安全性，防止了因二氧化碳泄漏而导致的海底生态系统破坏。
技术特征：
1.一种深海天然气水合物开采与二氧化碳封存一体化系统，其特征在于：它包括海洋平台注采总控系统，水下管柱集输与井口系统，地层钻采与注入系统，海底泄漏实时监测系统；
2.根据权利要求1所述的一种深海天然气水合物开采与二氧化碳封存一体化系统，其特征在于：所述可换芯双喷嘴射流泵(22)包含有喉管(2201)，射流喷嘴(2202)和分流喷嘴(2203)，所述可换芯双喷嘴射流泵(22)的喉管(2201)与井下温压及可视化监测短节(21)内层通道连通，分流喷嘴(2203)与射流造腔压裂与注入多功能工具(23)内部连通，所述可换芯双喷嘴射流泵(22)可通过解锁泵芯将双喷嘴结构更换为单射流喷嘴(2204)结构。
3.根据权利要求1所述的一种深海天然气水合物开采与二氧化碳封存一体化系统，其特征在于：所述海洋平台注采总控系统中的注采高压泵组(3)与所述隔水管(35)与双层管(10)间的环空空间连通。
4.根据权利要求1所述的一种深海天然气水合物开采与二氧化碳封存一体化系统，其特征在于：所述双层管水力锚(19)和双层扩张式封隔器(20)具有内外层双通道，可通过海水(13)流量大小的变化来实现坐、解封，并且能在水平裸眼段实现锚定与外环空封隔。
5.根据权利要求1所述的一种深海天然气水合物开采与二氧化碳封存一体化系统，其特征在于：所述全方位造斜器(17)通过钻杆下入井中，并在水合物储层(15)进行定位，引导水合物钻头(27)按照预定的轨迹进行定向钻进，并可实现360°范围内转向。
6.根据权利要求1所述的一种深海天然气水合物开采与二氧化碳封存一体化系统，其特征在于：所述海底ph值传感器(28)和水合物泄漏检测装置(29)在泥沙盖层(14)多点位布置,并在海底组成监测网络，实现对封存区域的覆盖监测。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述系统的天然气水合物开采和二氧化碳封存一体化方法，其特征在于：它包括以下步骤：
技术总结
本发明公开了一种深海天然气水合物开采与二氧化碳封存一体化系统，它包括海洋平台注采总控系统、水下管柱集输与井口系统、地层钻采与注入系统、海底泄漏实时监测系统。地层钻采与注入系统包括全方位造斜器、双层扩张式封隔器、可换芯双喷嘴射流泵、射流造腔压裂与注入多功能工具、水合物钻头。本发明实现了固态流化法、降压法、置换法等多方法相结合开采深海天然气水合物，有效利用各个方法优点，并提高了开采效率和产量；采用了超临界二氧化碳压裂，增大了二氧化碳与水合物矿体接触面积，提高了开采和固碳的效率和安全性；实现了二氧化碳以水合物形式固碳，具有更高的稳定性；同时实现了开采与固碳区域实时监测，有效提高了作业的安全性。
技术研发人员：唐洋,谷庆,李中,张玉林,蒋晓慧,张烈辉,王国荣,赵鹏,何玉发,李清平,庞维新,薛永志,葛阳
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23