一种海底天然气水合物稳定层逆向开采方法及其开采设备技术领域
本发明涉及天然气水合物开采技术领域，特别是一种海底天然气水合物稳定层逆向开采方法及其开采设备。
背景技术
天然气水合物（NaturalGasHydrates，NGH）是在低温高压条件下由轻烃、CO2及H2S等小分子气体与水相互作用过程中形成的白色固态结晶物质，因遇火可以燃烧，又称可燃冰。1立方米天然气水合物可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水，是一种极为高效清洁的能源，其污染比煤、石油要小得多。
水合物的常规开采方法主要有四类：降压法、注热法、注化学试剂法与二氧化碳置换法。降压法是通过抽取生产井内的水或者以其他的方式，将水合物藏的压力降低到水合物的相平衡压力以下，从而使水合物发生分解。降压法主要缺点是水合物分解相变所需热量很大，可能导致水合物二次生成或产生大范围结冰，堵塞渗透路径，影响长期开采效率。
注热法是通过向井底的水合物注入热能，使水合物藏的温度升高，当水合物的物藏压力低于此种温度下水合物的相平衡压力时，水合物就会发生分解。注热开采法存在的缺点是不仅要提供水合物分解相变的热量，也要加热沉积物、孔隙气体和液体，同时上下边界层存在散热问题，导致热量损失很大，开采费用较高。
注化学抑制剂法是通过向水合物藏注入化学试剂，如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等，改变它的水合物藏平衡条件，使水合物的相平衡曲线向上移动。于是水合物在现有的条件下不能稳定存在，从而发生分解。注化学试剂法的缺点是化学试剂价格高而且环境污染严重，化学试剂对水合物相平衡影响并不十分明显，且很难单独采用此方法开采海底天然气水合物稳定层。
二氧化碳置换法主要是通过向天然气水合物稳定层通入置换物二氧化碳，由于二氧化碳在同等条件下（如同等的压力），它可以在更高的温度下形成水合物，因此，二氧化碳能够将天然气水合物中的天然气替换出来。二氧化碳置换法开采存在的问题是置换过程持续的时间较长，置换效率较低，效果不明显，且不适用于没有封闭盖层的海底天然气水合物稳定层的开采。综上所述，若用常规方法直接顺层开采这种海洋天然气水合物稳定层，容易导致没有封闭盖层的天然气水合物藏分解失控，释放大量天然气造成环境的污染。所以目前探索没有封闭盖层的海底天然气水合物矿体开发模式已成为全世界关注的焦点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种海底天然气水合物稳定层逆向开采方法及其开采设备，克服了海底天然气水合物在开采过程中易泄漏的难题，提高了开采过程中的安全性与环保性。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种海底天然气水合物稳定层逆向开采方法，它包括以下步骤：
S1、降压采气：打一口生产井穿越海底沉积物层、天然气水合物稳定层，到达生产层，在生产井的井底安装潜水泵，打开调节阀A，启动降压采气模块，通过潜水泵抽取生产井内的液体，使生产井内的压力降低，天然气水合物稳定层下面的游离态气体和天然气水合物稳定层下表面分解的天然气在海底静水高压的作用下，流向低压的生产井内，采出的混合流体经过除沙装置、潜水泵和节流阀后，再经过气液固分离器，将混合流体中的气体、水和泥沙进行分离，分离出的混合气体进入气体分离器，使混合气体中的天然气分离进入天然气储罐，二氧化碳气体分离进入二氧化碳储罐；
S2、注热分解：打开调节阀C，启动注热分解模块，热介质储罐中的热水或蒸汽由高压泵通过控制井向生产层内注入，天然气水合物稳定层的下表面获得热量后分解，分解后的气体和注入的热水或蒸汽通过潜水泵由生产井采出；
S3、二氧化碳固结：关闭调节阀A和调节阀C，关闭降压采气模块和注热分解模块，打开调节阀B，启动二氧化碳固结模块，将二氧化碳储罐中的二氧化碳通过高压泵加压后由控制井通入生产层的底部，通入的二氧化碳在地层高压、低温环境的作用下，与生产层中的泥沙和水形成固态的二氧化碳水合物层，随着二氧化碳水合物层形成过程的推进，二氧化碳水合物层上表面向上推移，生产层的厚度逐渐减少，当减少到生产层的最小厚度时，停止向生产层注二氧化碳；
S4、停止注入二氧化碳，待生产层内的二氧化碳与泥沙、水充分形成固态的二氧化碳水合物层后，重复步骤S1、S2和S3，如此循环逆向开采天然气水合物稳定层，直至海底天然气水合物稳定层减薄到适宜厚度时，停止生产。
用于海底天然气水合物稳定层逆向开采方法的开采设备包括降压采气模块、注热分解模块和二氧化碳固结模块，所述的降压采气模块包括生产井、潜水泵、排液采气管道、气液固分离器和气体分离器，生产井由海平面依次穿过海底沉积物层和天然气水合物稳定层，并伸入生产层，潜水泵设置于生产井内侧底部，排液采气管道的下端与潜水泵的出口连接，上端与气液固分离器的入口连接，气液固分离器的气体出口与气体分离器的入口连接，气体分离器的天然气出口与天然气储罐的入口连接，二氧化碳出口与二氧化碳储罐的入口连接，排液采气管道的管路上还安装有节流阀和调节阀A；所述的二氧化碳固结模块包括控制井、注入管道和高压泵，控制井由海平面依次穿过海底沉积物层和天然气水合物稳定层，并伸入生产层，注入管道设置于控制井内，且下端位于控制井的底部，上端与高压泵的出口连接，高压泵的入口与二氧化碳储罐的出口连接，高压泵与二氧化碳储罐之间的管路上设置有调节阀B；所述的注热分解模块包括加热装置和热介质储罐，加热装置的入口与海水连通，出口与热介质储罐的第一入口连通，热介质储罐的出口与高压泵的入口连通，热介质储罐与高压泵之间的管路上设置有调节阀C。
所述的生产井的底部设置有防沙装置。
所述的气液固分离器的液体出口与热介质储罐的第二入口连通。
本发明具有以下优点：
1、开采过程中，采用了降压法和注热法联合逆向开采天然气水合物稳定层下部的方法，利用天然气水合物稳定层本身作为封闭的盖层，由于生产层上部是天然气水合物稳定层，下部是二氧化碳水合物固态层，形成了一个上覆盖层和一个下覆盖层，保证了生产层开采过程的安全性，理论上不存在开采天然气的泄露，污染环境的问题。
2、利用二氧化碳易于形成固态水合物的特性，将水合物分解后的泥沙和剩余水进行固结处理，保证了天然气水合物开采后的海底地质结构的稳定，形成的固态二氧化碳水合物对海底有支撑作用，不会因为天然气水合物稳定层开采过量，而造成其下部出现空腔，进而导致海底地质灾害，如海底坍塌与滑坡，甚至引起海啸的发生。
3、由于合理地利用了二氧化碳废气，避免了向大气中直接排放，降低了大气中的二氧化碳含量，减少了大气温室效应。当需要的二氧化碳不足时，可以向一些产生二氧化碳较多的工厂和企业收集，确保二氧化碳的供应。
附图说明
图1为一种海底天然气水合物稳定层逆向开采的结构示意图；
图中：1-生产井，2-防沙装置，3-潜水泵，4-排液采气管道，5-节流阀，6-调节阀A，7-气液固分离器，8-气体分离器，9-天然气储罐，10-二氧化碳储罐，11-调节阀B，12-高压泵，13-控制井，14-注入管道，15-加热装置，16-热介质储罐，17-调节阀C，18-海底沉积物层，19-天然气水合物稳定层，20-生产层，21-二氧化碳水合物层，22-地层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
一种海底天然气水合物稳定层逆向开采方法，它包括以下步骤：
S1、降压采气：打一口生产井1穿越海底沉积物层18、天然气水合物稳定层19，到达生产层20，在生产井1的井底安装潜水泵3，打开调节阀A6，启动降压采气模块，通过潜水泵3抽取生产井1内的液体，使生产井1内的压力降低，天然气水合物稳定层19下面的游离态气体和天然气水合物稳定层19下表面分解的天然气在海底静水高压的作用下，流向低压的生产井1内，采出的混合流体经过除沙装置2、潜水泵3和节流阀5后，再经过气液固分离器7，将混合流体中的气体、水和泥沙进行分离，分离出的混合气体进入气体分离器8，使混合气体中的天然气分离进入天然气储罐9，二氧化碳气体分离进入二氧化碳储罐10；
S2、注热分解：打开调节阀C17，启动注热分解模块，热介质储罐16中的热水或蒸汽由高压泵12通过控制井13向生产层20内注入，天然气水合物稳定层19的下表面获得热量后分解，分解后的天然气和部分地层流体通过潜水泵3由生产井1采出，分解后的泥沙由于防沙装置2的阻挡作用，大部分都留在生产层20内，并沉入生产层20的底部，随着天然气水合物稳定层19开采过程的推进，天然气水合物稳定层19的下表面向上推移，生产层20的厚度逐渐增加，当达到生产层20的最大厚度时，停止向生产层20注热；
S3、二氧化碳固结：关闭调节阀A6和调节阀C17，关闭降压采气模块和注热分解模块，打开调节阀B11，启动二氧化碳固结模块，将二氧化碳储罐10中的二氧化碳通过高压泵12加压后由控制井13通入生产层20的底部，通入的二氧化碳在地层22高压、低温环境的作用下，与生产层20中的泥沙和水形成固态的二氧化碳水合物层21，随着二氧化碳水合物层21形成过程的推进，二氧化碳水合物层21上表面向上推移，生产层20的厚度逐渐减少，当减少到生产层20的最小厚度时，停止向生产层20注二氧化碳。
S4、停止注入二氧化碳，待生产层20内的二氧化碳与泥沙、水充分形成固态的二氧化碳水合物层21后，重复步骤S1、S2和S3，如此循环逆向开采天然气水合物稳定层19，直至海底天然气水合物稳定层19减薄到适宜厚度时，停止生产。
如图1所示，用于海底天然气水合物稳定层逆向开采方法的开采设备包括降压采气模块、注热分解模块和二氧化碳固结模块，所述的降压采气模块包括生产井1、潜水泵3、排液采气管道4、气液固分离器7和气体分离器8，生产井1由海平面依次穿过海底沉积物层18和天然气水合物稳定层19，并伸入生产层20，所述的生产井1的底部设置有防沙装置2，防止大量泥沙混进排液采气管道4，发生堵塞，潜水泵3设置于生产井1内侧底部，排液采气管道4的下端与潜水泵3的出口连接，上端与气液固分离器7的入口连接，气液固分离器7的气体出口与气体分离器8的入口连接，气体分离器8的天然气出口与天然气储罐9的入口连接，二氧化碳出口与二氧化碳储罐10的入口连接，由于合理地利用了二氧化碳废气，避免了向大气中直接排放，降低了大气中的二氧化碳含量，减少了温室效应。排液采气管道4的管路上还安装有节流阀5和调节阀A6，节流阀5防止了采气过程中出现井喷；所述的二氧化碳固结模块包括控制井13、注入管道14和高压泵12，控制井13由海平面依次穿过海底沉积物层18和天然气水合物稳定层19，并伸入生产层20，注入管道14设置于控制井13内，且下端位于控制井13的底部，上端与高压泵12的出口连接，高压泵12的入口与二氧化碳储罐10的出口连接，高压泵12与二氧化碳储罐10之间的管路上设置有调节阀B11；所述的注热分解模块包括加热装置15和热介质储罐16，加热装置15的入口与海水连通，出口与热介质储罐16的第一入口连通，热介质储罐16的出口与高压泵12的入口连通，热介质储罐16与高压泵12之间的管路上设置有调节阀C17，所述的气液固分离器7的液体出口与热介质储罐16的第二入口连通。