一种冻土区天然气水合物直井开采系统和方法
技术领域
本发明实施例涉及天然气水合物开采技术领域，具体涉及一种冻土区天然气水合物直井开采系统和方法。
背景技术
根据天然气水合物的开采方案措施及目前油气开发的实际经验，提出了以电能为动力，孔内分解的天然气为循环介质，降压为主、加热为辅，现场无人化、自动及手动控制一体，远程报警监控的经济可行、环境友好的开采方案。
根据木里地区天然气水合物蕴藏特点及地质特征，采用潜水泵排水的方式进行降压开采，使水层保持在天然气水合物层以下，水合物层不再受地下水压力，1、打破了其高压环境，分解出天然气；2、在进行完降压开采后，利用分解的天然气作为循环介质进行电磁加热或太阳能加热，加热后的天然气在通过增压泵输送到孔底，对孔内水合物层进行加热，加速水合物的分解。
但是现有的冻土区天然气水合物直井开采系统还存在的缺陷如下：
(1)通过泵出天然气水合物层下方的游离气或其他流体来降低天然气水合物层的压力，打破天然气水合物的平衡存储条件促进其分解，但是现有的降压管道长，导致降压工作不稳定、降压时间长，降压效率慢，并且对降压泵的动力要求高的问题；
(2)由于天然气水合物受水柱高压环境作用，难以分解，气体难以逸出，待压力释放掉后，气体会以井喷式的挥发出来，井喷的天然气在采气时的安全性差，稳定性低，采气管在内外压力作用下容易爆裂。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种冻土区天然气水合物直井开采系统和方法，以解决现有技术中降压工作不稳定、降压时间长，降压效率慢、采气时的安全性差，稳定性低，采气管在内外压力作用下容易爆裂的问题。
为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：
一种冻土区天然气水合物直井开采系统，包括安插在天然气水合物稳定带下方的一阶深井压力管道，以及与所述一阶深井压力管道上端连接的二阶降压管道，所述一阶深井压力管道利用单向抽气原理将一阶深井压力管道的管道内气体排出形成真空环境，所述二阶降压管道利用抽水泵将二阶降压管道的管道内气体排出形成真空环境，所述天然气水合物稳定带下方的游离气或者游离体在高压作用下沿着所述一阶深井压力管道和所述二阶降压管道排出来实现对所述天然气水合物稳定带的降压处理；
所述一阶深井压力管道连接有采气管，所述采气管的下端设有若干均匀分布的集气口，所述集气口内设有用于缓解分解的天然气冲力的缓冲器，所述一阶深井压力管道下方的通口同样作为所述采气管的进气口。
作为本发明的一种优选方案，所述一阶深井压力管道的上端设有抽气气缸，所述抽气气缸的伸缩轴上安装有单向抽拉活塞，所述一阶深井压力管道在所述单向抽拉活塞的下方设有仅允许气体向上移动的单向阀门，所述一阶深井压力管道的下端设有自带过滤筛网的降压抽取孔。
作为本发明的一种优选方案，所述单向抽拉活塞包括蜂窝透气块以及包裹在所述蜂窝透气块侧曲面上的密封橡胶块，所述蜂窝透气块的上表面中心位置设有下凹孔槽，所述下凹孔槽的内部设有高度低于所述下凹孔槽深度的二级橡胶板，所述二级橡胶板的上表面与所述抽气气缸的伸缩轴连接，所述二级橡胶板通过连杆穿过所述蜂窝透气块的中心位置连接有所述密封杯垫，所述密封杯垫的上表面设有用于堵塞所述蜂窝透气块气孔的橡胶插针。
作为本发明的一种优选方案，所述抽气气缸在所述一阶深井压力管道内的伸缩工作范围分为降压伸缩范围和采气工作位置，所述降压伸缩范围低于所述采气工作范围，并且所述二阶降压管道与所述一阶深井压力管道的连接位置均处于所述抽气气缸的采气工作位置，所述采气管与所述一阶深井压力管道的连接位置位于所述抽气气缸的降压伸缩范围和采气工作位置之间，所述密封橡胶块将所述二阶降压管道的连接气口堵住，所述天然气水合物分解的天然气从所述一阶深井压力管道内转移至所述采气管内。
作为本发明的一种优选方案，所述采气管与所述一阶深井压力管道的连接端同样设有只允许气体从所述一阶深井压力管道转移至所述采气管的单向阀门。
作为本发明的一种优选方案，所述缓冲器包括安装在所述集气口内部的多个相互连接的导通气囊，两个所述导通气囊之间通过环形板连接，所述环形板的中心位置铰接有控制分解的天然气朝向所述采气管移动的单向圆板，多个所述导通气囊的体积从与所述集气口的安装位置至所述采气管的内部依次增大。
另外，本发明还提供了一种冻土区天然气水合物直井开采方法，包括以下步骤：
步骤100、检测所述双阶降压管道和采气管道的机械运转，将降压管道和所述采气管道同时下放到直井内；
步骤200、将双阶降压管道分为两段降压工作，分别将双阶降压管道依次抽取为真空环境来破坏天然气水合物层的高压平衡条件，并且实时监测采气管的气压强度；
步骤300、将降压管道的上层降压管道封闭，分解的天然气从下层降压管道和集气口分散进入采气管内；
步骤400、将采气管的天然气经过采气树储存到气罐内。
作为本发明的一种优选方案，在步骤100中，检测所述双阶降压管道和采气管道运转的内容主要包括所述双阶降压管道的抽气工作、双阶降压管道之间的封闭效果以及所述下层降压管道与采气管之间的导通关系。
作为本发明的一种优选方案，在步骤200中，将所述双阶降压管道的内部环境抽取真空的实现步骤为：
步骤201、双阶降压管道中的上层降压管道的高频工作，设定上层降压管道动力源为变频动力；
步骤202、上层降压管道内为真空环境时，双阶降压管道中的下层降压管道的动力源工作，将管道内的气体抽取到上层降压管道内；
步骤203、调整上层降压管道的动力源低频工作，实时监测下层降压管道内的液位高度；
步骤204、调整上层降压管道的动力源高频工作，直至液位高度低于设定值，关闭双阶降压管道的动力源。
作为本发明的一种优选方案，所述下层降压管道的动力源分为降压工作范围和采气工作位置，所述下层降压管道的动力源处于降压工作范围时，所述天然气水合物层的游离物由所述下层降压管道内进入所述上层降压管道，所述下层降压管道的动力源处于降压工作范围时，天然气水合物分解的天然气由下层降压管道进入所述上层降压管道。
本发明的实施方式具有如下优点：
(1)本发明为了提高对天然气水合物储层的降压速度，以及减小降压的耗能和降压动力源的工作压力，将降压管道分为双阶管道，在每个管道内安装降压动力源，先将双阶管道抽取真空环境，由于天然气水合物层下方存在游离气或其他流体，将每个管道逐渐调整到真空环境后，天然气水合物层下方的游离气或其他流体在储存层的高压作用下进入管道，因此利用较小的泵取动力，即可实现较高的降压开采速度；
(2)本发明将采气管的进口位置分别集气口以及一阶深井压力管道与采气管的连接位置，这样分解的天然气气体将在一阶深井压力管道内实现一定的缓冲效果，降低采气管自身的集气口的采气压力，从而提高天然气采集的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施方式中的直井开发系统的整体侧剖结构示意图；
图2为本发明实施方式中的采气管的结构示意图；
图3为本发明实施方式中的单向抽拉活塞的结构示意图；
图4为本发明实施方式中的缓冲器的结构示意图。
图中：
1-一阶深井压力管道；2-二阶降压管道；3-抽水泵；4-采气管；5-集气口；6-缓冲器；7-抽气气缸；8-单向抽拉活塞；9-单向阀门；10-降压抽取孔；
601-导通气囊；602-环形板；603-单向圆板；
801-蜂窝透气块；802-密封橡胶块；803-下凹孔槽；804-二级橡胶板；805-密封杯垫；806-橡胶插针；807-连杆。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种冻土区天然气水合物直井开采系统和方法，本实施方式为了提高对天然气水合物储层的降压速度，以及减小降压的耗能和降压动力源的工作压力，特将降压管道分为双阶管道，在每个管道内安装降压动力源，先将双阶管道抽取真空环境，由于天然气水合物层下方存在游离气或其他流体，将每个管道逐渐调整到真空环境后，天然气水合物层下方的游离气或其他流体在储存层的高压作用下进入管道，因此利用较小的泵取动力，即可实现较高的降压开采速度。
降压后，天然气水合物层不受地下水静压力作用，天然气水合物层平衡条件被破坏，水合物开始分解释放，随着天然气气体的释放并在开采套管内的不断上升至地表采集装置，跟现有技术中利用一阶潜水泵排出地下水的操作相比，提高了降压速度，因而提高了天然气开采速度。
具体包括安插在天然气水合物稳定带下方的一阶深井压力管道1，以及与所述一阶深井压力管道1上端连接的二阶降压管道2，所述一阶深井压力管道1利用单向抽气原理将一阶深井压力管道1的管道内气体排出形成真空环境，所述二阶降压管道2利用抽水泵3将二阶降压管道2的管道内气体排出形成真空环境，所述天然气水合物稳定带下方的游离气或者游离体在高压作用下沿着所述一阶深井压力管道1和所述二阶降压管道2排出来实现对所述天然气水合物稳定带的降压处理。
天然气水合物由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，因此天然气水合物稳定带的压力大，现有技术对天然气水合物稳定带的降压方式大多为在钻井内下放潜水泵，通过启动潜水泵排出地下水，并使液面低于天然气水合物稳定层，由于在对天然气水合物降压时，需要将直井的深度下钻至天然气水合物稳定带的下方，因此利用潜水泵抽取地下水的工作压力大，对抽水泵的功率要求高，并且降压时间长，降压效率慢。
而本实施方式将泵取方式分为上下两段，一阶深井压力管道1采用单向抽气原理将地下水抽至一阶深井压力管道1的上端，二阶降压管道2采用抽水泵将一阶深井压力管道1上端的地下水抽向地面，因此本实施方式对一阶深井压力管道1和二阶降压管道2的动力工作范围都略大于各自的管道高度即可，两个降压管道的负压环境稳定，因此降压工作稳定且效率高，相对缩减天然气的开采时间。
如图2所示，所述一阶深井压力管道1连接有采气管4，所述采气管4的下端设有若干均匀分布的集气口5，所述集气口5内设有用于缓解分解的天然气冲力的缓冲器6，所述一阶深井压力管道1下方的通口同样作为所述采气管4的进气口。
众所周知，减压开采法是一种通过降低压力促使天然气水合物分解的开采方法，天然气水合物稳定带由于地下水的压力，天然气气体难以逸出，待地下水抽出后，压力释放掉，天然气气体会以井喷式的挥发出来，因此为了避免井喷现象，提高天然气采集的稳定性，缓解采气管4道的压力，本实施方式将采气管4的进口位置分别集气口以及一阶深井压力管道1与采气管4的连接位置，这样分解的天然气气体将在一阶深井压力管道1内实现一定的缓冲效果，降低采气管4自身的集气口5的采气压力，从而提高天然气采集的安全性。
另外，对于二阶降压管道2连接的表面装置以及采气管4连接的地面集气装置均使用现有技术中的处理方式，由于这里的地表装置不是本实施方式的主要改进方向，因此不再赘述。
下面将对双阶降压管道的工作原理进行细述，一阶深井压力管道1的上端设有抽气气缸7，所述抽气气缸7的伸缩轴上安装有单向抽拉活塞8，所述一阶深井压力管道1在所述单向抽拉活塞8的下方设有仅允许气体向上移动的单向阀门9，所述一阶深井压力管道1的下端设有自带过滤筛网的降压抽取孔10。
如图1和3所示，所述单向抽拉活塞8包括蜂窝透气块801以及包裹在所述蜂窝透气块801侧曲面上的密封橡胶块802，所述蜂窝透气块801的上表面中心位置设有下凹孔槽803，所述下凹孔槽803的内部设有高度低于所述下凹孔槽803深度的二级橡胶板804，所述二级橡胶板804的上表面与所述抽气气缸7的伸缩轴连接，所述二级橡胶板804通过连杆807穿过所述蜂窝透气块802的中心位置连接有所述密封杯垫805，所述密封杯垫805的上表面设有用于堵塞所述蜂窝透气块801气孔的橡胶插针806。
需要特别说明的是，一阶深井压力管道1利用抽气气缸7对天然气水合物稳定带进行降压处理，主要是用于适应钻井的内部狭小空间，并且方便地面的控制系统对抽气气缸7的工作进行调控。
其中，一阶深井压力管道1的工作原理为：一阶深井压力管道1的工作原理与压水井的工作原理基本类似，当抽气气缸7拉动单向抽拉活塞8向上抽动时，单向阀门9打开，单向抽拉活塞8密封，因此单向阀门9下方的气体向上移动，当抽气气缸7下推单向抽拉活塞8向下移位时，单向阀门9关闭，单向抽拉活塞8打开，空气从活塞内部冒出来，在二阶降压管道2的抽力下将气体排向地面。如此循环将下面管子里抽成真空，天然气水合物稳定层下方的游离气或者游离水就在储层大气压的作用下被抽出。
也就是说，此种方式不仅仅通过动力抽取游离水或者游离气实现降压处理，同时还利用了天然气水合物储层的高压环境，通过气压差加快游离水或者游离气的抽取速度，因此也实现了加快降压速度，提高天然气水合物分解速度的效果。
还需要进一步解释的是，单向抽拉活塞8的密封和透气工作的实现过程具体为：当抽气气缸7拉动单向抽拉活塞8向上抽动时，连杆807被提起，密封杯垫805在拉力作用上移，密封杯垫805上表面的橡胶插针806对应安插在蜂窝透气块801的气孔内，蜂窝透气块801被堵住，此时的单向抽拉活塞8实现密封工作，加快一阶深井压力管道1下端的气体上体，实现一阶深井压力管道1的真空环境。
当抽气气缸7下推单向抽拉活塞8整体向下移位时，连杆807被下推，密封杯垫805在推力作用下移，密封杯垫805上表面的橡胶插针806对应从蜂窝透气块801的气孔内拔出，蜂窝透气块801被打开，此时的单向抽拉活塞8实现透气工作，实现将一阶深井压力管道1内的空气排出到二阶降压管道2内。
当天然气水合物稳定层下方的游离气或者游离水被抽取后，天然气水合物稳定层的液位下降，天然气水合物的储层高压环境被破坏，天然气水合物分解，此时需要利用采气管4将释放的天然气转移至地表采集装置。
而根据上述，在采气工作时，抽气气缸7和抽水泵3暂停工作，一阶深井压力管道1当做集气入口，因此本实施方式将抽气气缸7在所述一阶深井压力管道1内的伸缩工作范围分为降压伸缩范围和采气工作位置。
所述降压伸缩范围低于所述采气工作范围，并且所述二阶降压管道2与所述一阶深井压力管道1的连接位置均处于所述抽气气缸7的采气工作位置，所述采气管4与所述一阶深井压力管道1的连接位置位于所述抽气气缸7的降压伸缩范围和采气工作位置之间。
所述采气管4与所述一阶深井压力管道1的连接端同样设有只允许气体从所述一阶深井压力管道1转移至所述采气管4的单向阀门9。
因此一阶深井压力管道1在降压工作时，抽气气缸7在降压伸缩范围内带动单向抽拉活塞8上下抽动，由于二阶降压管道2的抽水泵3工作，因此由于负压工作原理，一阶深井压力管道1内抽出的游离气和游离水均由一阶深井压力管道1转移到二阶降压管道2内。
当一阶深井压力管道1在采气工作范围时，抽气气缸7拉动单向抽拉活塞8上移至采气工作范围，所述密封橡胶块805将所述二阶降压管道2的连接气口堵住，所述天然气水合物分解的天然气从所述一阶深井压力管道1内转移至所述采气管4内。
因此本实施方式的一阶深井压力管道1不仅仅作为降压工作的媒介，同时还可以作为采气集气入口的媒介，因此可降低采气管4本身的集气口5的工作压力，防止在天然气开采初期出现井喷现象，提高天然气采集的安全性和稳定性。
如图2和图4所示，所述缓冲器6包括安装在所述集气口5内部的多个相互连接的导通气囊601，两个所述导通气囊601之间通过环形板602连接，所述环形板602的中心位置铰接有控制分解的天然气朝向所述采气管4移动的单向圆板603，多个所述导通气囊601的体积从与所述集气口5的安装位置至所述采气管4的内部依次增大。
单向圆板603的张开角度与单个导通气囊601的内部气压有关，当单个导通气囊601的内部气较大时，单向圆板603的张开角度相应增加，以避免单个导通气囊601体积膨胀过大而爆裂，当天然气分解量降低时，则可以通过一阶深井压力管道1进行集气。
本实施方式还采用了缓冲气囊的方式降低天然气开采的流量压力，降压分解的天然气从集气口5进入采气管4，先要依次降每个导通气囊601的填充鼓起，然后再沿着采气管4上移至地面采集装置，因此起到了缓冲井喷现象的效果。
另外基于上述天然气水合物直井开采系统，本发明还提供了一种冻土区天然气水合物直井开采方法，包括以下步骤：
步骤100、检测所述双阶降压管道和采气管道的机械运转，将降压管道和所述采气管道同时下放到直井内。
检测所述双阶降压管道和采气管道运转的内容主要包括所述双阶降压管道的抽气工作、双阶降压管道之间的封闭效果以及所述下层降压管道与采气管之间的导通关系，以确保降压工作和采气工作的稳定工作，由于降压管道和所述采气管道之间通过采气管道连接，因此降压管道和所述采气管道需要同时下放到直井内。
步骤200、将双阶降压管道分为两段降压工作，分别将双阶降压管道依次抽取为真空环境来破坏天然气水合物层的高压平衡条件，并且实时监测采气管的气压强度。
在此步骤中，将所述双阶降压管道的内部环境抽取真空的实现步骤为：
步骤201、双阶降压管道中的上层降压管道的高频工作，设定上层降压管道动力源为变频动力；
步骤202、上层降压管道内为真空环境时，双阶降压管道中的下层降压管道的动力源工作，将管道内的气体抽取到上层降压管道内。
步骤203、调整上层降压管道的动力源低频工作，实时监测下层降压管道内的液位高度。
先将上层降压管道抽至真空后，当下层降压管道抽取下层降压管道的空气向上移动时，下层降压管道的空气由于气压差自动转移至上层降压管道，因此在降低上层降压管道的动力源的工作压力的同时，也提高了降压采集的效率。
步骤204、调整上层降压管道的动力源高频工作，直至液位高度低于设定值，关闭双阶降压管道的动力源。
当天然气水合物下发给的液位高度小于设定值时，为了避免上层降压管道的动力源空转，提高动力源工作的安全性。
步骤300、将降压管道的上层降压管道封闭，分解的天然气从下层降压管道和集气口分散进入采气管内。
所述下层降压管道的动力源分为降压工作范围和采气工作位置，所述下层降压管道的动力源处于降压工作范围时，所述天然气水合物层的游离物由所述下层降压管道内进入所述上层降压管道，所述下层降压管道的动力源处于降压工作范围时，天然气水合物分解的天然气由下层降压管道进入所述上层降压管道。
步骤400、将采气管的天然气经过采气树储存到气罐内。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
