天然气水合物开采与地质修复于一体的智能布井系统与方法
技术领域
本发明涉及天然气水合物开采、固碳与地质修复于领域，尤其涉及天然气水合物开采与地质修复于一体的智能布井系统与方法。
背景技术
天然气水合物(NGH)又称可燃冰，我国可燃冰主要存在于南海海底沉积物中，目前，可燃冰开采只有降压法得到了一定程度的工业验证。可燃冰在开采中分子结构发生变化，从固体变为气体，使得海底的沉积物力学性质改变，致使其底层因重量负荷过重而出现薄弱区域，进而引发大规模的水合物滑坡，最终会带动岩石层流动或崩塌，继而引发地质灾害，如可能会导致海平面升降，或是引发海啸，因此安全问题是水合物实现商业化开采需要面对的重要问题之一。
CO2置换开采NGH是一种新型开采NGH方法，采用注入CO2到NGH沉积层中置换开采出天然气，同时将温室气体CO2形成水合物永久储存于海底，在开采出天然气的同时可达到固碳和降低水合物储层地质破坏程度的目的。目前该方法已在热力学与动力学上均被证明是可行的，但CO2置换开采CO2-CH4置换速率缓慢，且在沉积层中的渗透性较差导致其开采效率较低。
因此，有必要提供天然气水合物开采与地质修复于一体的智能布井系统与方法解决上述技术问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种既能提高可燃冰开采效率，同时又能实现固碳和地质修复的布井和开采方法，以此来代替CO2置换开采法，解决CO2-CH4置换开采置换速率慢和CO2在沉积层中渗透性较差问题的天然气水合物开采与地质修复于一体的智能布井系统与方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的天然气水合物开采与地质修复于一体的智能布井系统，包括：竖直井，所述竖直井中布置有采气主管线和注CO2主管线；
水平井，所述水平井连通所述竖直井，其包括分别用以布置采气支管线和注CO2支管线的采气井和注CO2井，所述采气支管线和注CO2支管线分别和所述采气主管线和注CO2主管线连通；
人工智能开槽机器人，所述人工智能开槽机器人数目若干，设置于所述注CO2主管线和注CO2支管线内。
优选的，所述采气井和注CO2井的数量为多个且交替布置；所述采气支管线和注CO2支管线的数量分别和所述采气井和注CO2井的数量相同，且逐一布置在所述采气井和注CO2井内。
优选的，所述采气主管线和注CO2主管线均竖直设置，所述采气支管线和注CO2支管线均水平设置，所述采气主管线和注CO2主管线与所述气支管线和注CO2支管线分别通过90°接头连接；其中所述采气主管线上包含若干管孔，管孔上有防砂装置；所述注CO2支管线上包含若干无防砂装置的敞开管孔；所有采气主管线、注CO2主管线、采气支管线及注CO2支管线均为耐高压管线。
优选的，至少两口水平井组合在一块形成一个三维立体区块。
优选的，所述采气主管线的顶端连接降压采气装置，所述注CO2主管线的顶端连接高压注CO2装置。
优选的，CO2包含三种相态，分别为气态CO2、液态CO2和乳液态CO2。
优选的，所述人工智能开槽机器人包括机身主体和开槽器，二者通过转动器相连。
优选的，所述机身主体集成了人工智能芯片，运动轨迹为三维网状；机身主体上安装有驱动系统，驱动系统包含驱动器、微型电池和摩擦轮。
优选的，所述开槽器为外缘具有螺纹的三角锥型结构。
本发明还提供一种集天然气水合物开采与地质修复于一体的方法，该方法包括如下步骤：
S1，提供所述的天然气水合物开采与地质修复于一体的智能布井系统，开启采气主管线的降压采气装置，对水合物沉积层中某一区块进行天然气水合物降压分解产生天然气和液态水，部分水在重力作用下一定程度的进行下移和重新分配，部分水和天然气依次通过所述采气支管线和所述采气主管线，抽吸到地面，进行水气分离得到天然气；
S2，采集一段时间后，关闭所述降压采气装置，在注CO2支管线内放入人工智能开槽机器人，启动无线遥控程序，使人工智能开槽机器人按照指定的路线在天然气开采后的沉积层内进行开槽；
S3，开启高压注CO2装置，在高压力下将CO2注入到注CO2管线内，等待CO2在沉积层内扩散生成CO2水合物，进行地质修复；
S4，该立体区块开采修复结束后，进行另一立体区块开采修复，重复步骤S1-S3。
与相关技术相比较，本发明提供的天然气水合物开采与地质修复于一体的智能布井系统与方法具有如下有益效果：
1)该方法最大的优点为：分区块快速高效修复地质。多口水平井分区块定距离交替布列注CO2和降压开采管线，这种分区块布井方式使得小区域内的地质得到高效修复，并将水合物开采过程中由地质损毁所引发灾害的可能性大大降低。
2)其采用先开采后注CO2的方法实现集天然气水合物开采、固碳与地质修复于一体，其比注CO2到NGH储藏CO2-CH4置换开采天然气有较大商业优势：CO2置换CH4水合物速率缓慢，开采效率低，时间长，而本方法通过先降压高效快速开采出天然气，通过人工智能开槽机器人开辟三维扩散通道，然后迅速注入CO2填补由CH4气体逃逸而导致的沉积层空隙，所注CO2流体中加有水合物生成强化剂，更加速了这个过程的快速高效。
附图说明
图1是本发明一种较佳实施例的集天然气水合物开采、固碳与地质修复于一体的智能布井系统示意图；
图2是本发明智能布井系统竖直和水平井及管道布置方式示意图；
图3是本发明人工智能开槽机器人示意图；
图4是本发明三维网状扩散通道开辟示意图。
图中附图标记：
1-降压采气装置；2-高压注CO2装置；3-竖直井；4-采气主管线；5-注CO2主管线；6-三维网状扩散通道；7-管孔和防砂装置；8-管孔；9-采气井；10-采气支管线；11-注CO2支管线；12-注CO2井；13-16-主管线阀门；17-人工智能开槽机器人；18-摩擦轮；19-机身主体；20-转动器；21-开槽器。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，本发明提供的集天然气水合物开采、固碳与地质修复于一体的智能布井系统包含一口竖直井3、八口采气井9、四口注CO2井12、四根采气主管线4、四根注CO2主管线5、八根采气支管线10及和四根注CO2支管线11。
采气支管线10通过90°接头和采气主管线4相连，注CO2支管线11通过90°接头和注CO2主管线5相连。四根采气主管线4在井外汇聚一处和降压采气装置1相连，四根注CO2主管线5在井外汇聚一处和高压注CO2装置2相连。
采气支管线10上有管孔和防砂装置7，注CO2支管线11上有管孔8。此管孔为人工智能开槽机器人和CO2进入开采后水合物沉积层的入口。其中CO2注入形态可根据需要选择气态CO2、液态CO2或乳液态CO2，在注入CO2前先从注CO2管线放入机器人，并启动程序使机器人按照事先设定的路线进行循环，使水合物开采后的沉积层有充分的扩散通道，然后注入CO2，CO2通过管孔后沿着扩散通道快速扩散，并渗透进入扩散通道周围的沉积层，扩散渗透过程中保持智能机器人沿着设定的程序循环，防止渗透过程中CO2在扩散通道内生成CO2水合物堵塞扩散通道，保证扩散通道的畅通，促使CO2在沉积层内对流循环。
在一个优选的实施例中，如图2所示，本发明提供的集天然气水合物开采、固碳与地质修复于一体的智能布井系统将开采区域分为四个区块(区块1-4)，在竖直井的左右侧各包含两个区块，四个区块大小均一，每个区域包含两根采气支管线10和一根注CO2支管线11，注CO2支管线11居于两根采气支管线10的中间，图1为其图2中区块1的详细示意图。
在一个优选的实施例中，如图2所示，每一区块其人工智能开槽机器人的开槽范围被分割为上下两个小区间。
在一个优选的实施例中，如图3所示，人工智能开槽机器人在每一个小区间的循环的路线设定为三维网状结构，首先在Y方向上开槽一个通道，然后每隔一定距离安置四个人工智能开槽机器人，沿上下左右各开辟四个通道，各个平面上的四个通道(如图3(18)所示)构成一个三维网状扩散通道。
在一个优选的实例中，如图4所示，所述人工智能开槽机器人17包括机身主体19和开槽器21，人工智能开槽机器17具有防水耐高压特征，通过电池驱动摩擦轮18和开槽器21，开槽器21为三角锥型，上面带有锯齿，通过挤压和旋转开出通道，机身主体19装有集成芯片用于接受无线信号，以完成所述的三维网状通道的开辟。
基于上述实施例中提供的智能布井系统，本发明还提出了一种集天然气水合物开采、固碳与地质修复于一体的方法，包括以下步骤：
S1,开启采气井中的降压采气装置1，打开阀门13，先对区块1进行降压开采天然气水合物，使储层天然气水合物降压分解产生天然气和液态水，部分水在重力作用下一定程度的进行下移和重新分配，部分水和天然气随着采气管抽吸到地面，并进行水气分离得到天然气；
S2,采集一段时间后关闭采气阀门13，打开阀门15，在注CO2主管线5内入人工智能开槽机器人17，通过井外计算机启动无线遥控程序，使人工智能开槽机器人17按照指定的路线在天然气开采后的沉积层内开槽三维网状扩散通道6；
人工智能开槽机器人17的循环路线通过程序控制由计算机通过无线连接技术远程操作，首先让一个智能机器人沿着一个方向开槽一条主通道，然后在主通道的上每隔一定的距离放置四个机器人从主通道的上下左右各开四个支通道，从而形成三维扩散通道，这些机器人在地质修复结束前在三维扩散通道内来回循环，保证通道畅通，让CO2有充分的时间进行渗透到通道周围的沉积层内进行CO2水合物生成，使地质得以修复。
人工智能开槽机器人主要包括机身主体和开槽器，两者通过转动器相连。机身主体上载有人工智能芯片，通过无线技术和井外计算机相连，通过计算机设置运动轨迹；机身主体上安装驱动系统，驱动系统包含驱动器、电池和摩擦轮；开槽器呈三角锥型，其上有锋利的螺纹。当启动程序时，依次放入多个机器人，机器人先沿着注CO2主管线进入支管线，然后从管孔处进入水合物沉积层，按照设定路线进行开槽。机器人内安装有微型电池，电池供给驱动器电源带动摩擦轮和开槽器转动，摩擦轮和沉积层接触产生持续向前的驱动力，借助开槽器的转动和挤压开槽通道。
S3,开启高压注CO2装置2，在高压力下将CO2注入到注CO2管线5内，CO2通过支管线11上的管孔8进入三维网状扩散通道，等待CO2在沉积层内扩散生成CO2水合物，修复区块1的地层；
注入的CO2流体中加有少量CO2水合物强化生成化学剂，如SDS(十二烷基硫酸钠)，可以使CO2渗透进入沉积层后快速生成水合物，达到快速修复地质的目的；
S4,区块1开采修复结束后，关闭阀门13和15封闭区块1，按照上述步骤S2-S3，对区块2，3和4进行水合物开采和地质修复。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
