本发明属于海域天然气水合物开采技术领域，具体地，涉及一种循环海水抑制井筒水合物生成的装置和方法。
背景技术：
在海域天然气水合物开采过程中，储层水合物分解产生的天然气和水共同流入井底，以气水两相流的状态在井筒中运移。受海水温度、节流效应、井口压力等方面的影响，井筒内温度、压力随井深不断变化。对于处于深水低温环境中的泥线以上井筒，易在其内壁上二次生成水合物，堵塞管柱，严重时会形成憋压导致管柱破裂，造成巨大的经济损失。
目前，常用的防止气井井筒天然气水合物生成的方法主要有化学抑制剂注入法和井下节流方法。化学抑制剂注入法是定期从地面向井筒中注入化学剂，该方法打断了生产的连续性，且存在成本大、不够安全环保等缺点。井下节流技术是依靠地层热能加热气体，以防止水合物生成，但对于低温深水海洋环境，热量散失速度快，地层提供的热源不足以抑制井筒二次水合物的生成。
还有一些其他的措施，详见专利文献，文献号cn201910128714.3公布了一种用于海底可燃冰开采的电磁加热装置及方法，在潜油电泵入口端安装一定长电磁发热装置，对井底加热，不适用深水泥线以上井筒。文献号cn201810345979.4公布了一种利用套管式加热器开采天然气水合物的方法，套管式加热器放置于开采层段，对于低温海洋环境，井筒热量散失速度快，不能解决深水泥线以上井筒二次水合物堵塞问题。文献号cn201510183801.0公布了采气井井筒水合物堵塞的解除方法，利用酸性溶液与氧化钙反应释放热量解除冰堵，但该方法不能用于预防二次水合物生成。文献号cn201110313048.4公布了自发热式天然气水合物防治装置，依靠地层气工作，不适用于气水同产井。
因此，针对海域天然气水合物开采过程泥线以上井筒二次水合物形成的问题，亟需一种行之有效的预防方法。
技术实现要素：
本发明的目的是提供了一种循环海水抑制井筒水合物生成的装置和方法，用于解决海域天然气水合物开采过程泥线以上井筒二次水合物形成的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提出了一种循环海水抑制井筒水合物生成的装置，其特征在于，包括：外套筒、隔水管、油管、水泵、滑轮、缆绳和电机，所述外套筒套设在隔水管外部，外套筒的长度大于开设在隔水管外壁上的上开窗与下开窗之间的距离，外套筒能够相对于隔水管作轴向移动，用于覆盖上开窗或下开窗；所述隔水管是由隔水管外壁及隔水管内壁组成的中空双层结构，所述隔水管外壁与隔水管内壁之间形成环空，在隔水管外壁上设有上、下两处开窗，其中上开窗位于海平面以下3m～10m的位置，下开窗位于海平面以下10m～100m的位置，循环海水抑制井筒水合物生成的装置工作时，所述上开窗和下开窗中的一个敞开时，另一个即遮蔽，且敞开的开窗所在位置处的海水温度高于20℃；所述油管位于隔水管内部，油管与隔水管内壁之间形成环空；所述缆绳缠绕在滑轮上，缆绳的一端连接电机、另一端连接外套；所述水泵的泵吸入口位于隔水管内壁与油管之间形成的环空中。
作为本发明的一种优选的方案，所述外套筒的长度大于所述上开窗与下开窗之间的距离1m～3m。
进一步，在所述隔水管外壁的内外表面均设置有隔热保温涂层，或者所述隔水管外壁采用双层同心管壁，并在所述双层同心管壁的环形空间内填充绝热材料、惰性气体或抽真空，以使隔水管外壁的视导热系数保持在0.04w/m·℃以下。
更进一步，所述隔热保温涂层采用气凝胶涂层或玻璃纤维涂层。
更进一步，所述绝热材料为石棉、硅藻土、珍珠岩、气凝胶毡、玻璃纤维、泡沫混凝土和硅酸钙中的一种；所述惰性气体为氩气、氪气、氙气中的一种。
进一步，所述油管管壁的内侧设有隔热保温涂层。
更进一步，所述隔热保温涂层采用气凝胶涂层或玻璃纤维涂层。
作为本发明的一种优选的方案，所述泵吸入口所在位置位于隔水管内壁与油管之间形成的环空中海水液面以下5m～20m处。
本发明还提出了一种循环海水抑制井筒水合物生成的方法，其特征在于，该方法采用上述的循环海水抑制井筒水合物生成的装置进行海水循环从而抑制井筒水合物生成，包括以下步骤：
步骤s1、所述上开窗所在位置的海水温度高于下开窗所在位置的海水温度，且上开窗所在位置的海水温度高于20℃，启动电机，所述电机驱动缆绳通过滑轮下放外套筒；
步骤s2、所述外套筒下放至覆盖下开窗、敞开上开窗的位置时，关闭电机；海水通过上开窗依次流入隔水管外壁与隔水管内壁之间的环空和隔水管内壁与油管之间的环空中；
步骤s3、启动水泵，以10l/s～60l/s的排量抽吸隔水管内壁与油管之间的环空中的海水；
步骤s4、所述水泵所抽吸的海水直接排放至大海中；
步骤s5、随着四季交替，所述下开窗所在位置的海水温度高于上开窗所在位置的海水温度，且上开窗所在位置的海水温度高于20℃，启动电机，电机驱动缆绳通过滑轮上提外套筒；
步骤s6、外套筒上提至覆盖上开窗、敞开下开窗的位置时，关闭电机；海水通过上开窗依次流入隔水管外壁与隔水管内壁之间的环空和隔水管内壁与油管之间的环空中；
步骤s7、启动水泵，以10l/s～60l/s的排量抽吸隔水管内壁与油管之间的环空中的海水；
步骤s8、所述水泵所抽吸的海水直接排放至大海中。
作为本发明的一种优选的方案，所述水泵的排量为30l/s～60l/s。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出了一种循环海水抑制井筒水合物生成的装置和方法，直接利用天然海水加热油管管壁，无需人为额外提供加热能量，能量消耗低，且安全环保；通过在隔水管外壁不同位置设置上、下开窗，实现了不同时间节点海水能量的高效利用，可保证系统长期有效运行。
附图说明
此处的附图说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1为在春夏季时，循环海水抑制井筒水合物生成的装置工作状态图。
图2为在秋冬季时，循环海水抑制井筒水合物生成的装置工作状态图。
图中各标记如下：1-外套筒；2-隔水管外壁；3-隔水管内壁；4-上开窗；5-下开窗；6-油管；7-水泵；8-泵吸入口；9-滑轮；10-缆绳；11-电机。
具体实施方式
为使本发明实施例中的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的表述。
如图1和图2所示，图中箭头a表示海水循环方向，b表示水合物储层。
如图1和图2所示，一种循环海水抑制井筒水合物生成的装置包括外套筒1、隔水管、油管6、水泵7、滑轮9、缆绳10和电机11。
所述外套筒1活动套设在隔水管外部，外套筒1的长度大于开设在隔水管外壁2上的上开窗4与下开窗5之间的距离。为兼顾开窗的窗口封闭效果和管材消耗，外套筒1的长度大于所述上开窗4与下开窗5之间的距离1m～3m，外套筒1在缆绳10的带动下能够相对于隔水管作轴向移动，用于覆盖上开窗4或下开窗5。
所述隔水管是由隔水管外壁2及隔水管内壁3组成的中空双层结构，所述隔水管外壁2与隔水管内壁3之间形成环空；隔水管为隔热保温隔水管，具体在隔水管外壁2的内外表面均设置有隔热保温涂层或者隔水管外壁2采用双层同心管壁，并在所述双层同心管壁的环形空间内填充绝热材料、惰性气体或抽真空，使隔水管外壁2的视导热系数保持在0.04w/m·℃以下，以防止海水循环过程中热量向下部低温海水中传递；隔热保温涂层采用气凝胶涂层或玻璃纤维涂层。所述绝热材料为石棉、硅藻土、珍珠岩、气凝胶毡、玻璃纤维、泡沫混凝土和硅酸钙中的一种；所述惰性气体为氩气、氪气、氙气中的一种。在隔水管外壁2上设有上、下两处开窗，其中，上开窗4位于春夏季海水高温区，位于海平面以下3m～10m的位置；下开窗5位于秋冬季海水高温区，位于海平面以下10m～100m的位置。由于不同海域海水四季垂向分布不同，其开窗具体位置由开采海域海水垂向温度分布决定。循环海水抑制井筒水合物生成的装置工作时，所述上开窗4和下开窗5中的一个敞开时，另一个即遮蔽，为防止在油管6内壁上生成水合物，敞开的开窗作为海水进入整个装置的入口，其所在位置处的海水温度高于20℃。
所述油管6位于隔水管内部，油管6与隔水管内壁3之间形成环空，油管6管壁的内侧设有隔热保温涂层，以防止油管6热量散失，这样可近似认为油管6管壁温度等于循环海水的温度，可防止水合物在油管6内壁上生成。隔热保温涂层可选择采用气凝胶涂层或玻璃纤维涂层。
所述缆绳10缠绕在滑轮9上，缆绳10的一端连接电机11、另一端连接套筒4，电机11转动的同时带动缆绳10在滑轮9上运转，通过改变电机11的转动方向实现外套筒1的提拉和下放。
所述水泵7的泵吸入口8位于隔水管内壁3与油管6之间形成的环空中，为保证抽吸效果，所述泵吸入口8所在位置位于隔水管内壁3与油管6之间形成的环空中海水液面以下5m～20m处。
下面结合图1详细说明在春夏季本发明所提出的循环海水抑制井筒水合物生成的装置的具体操作过程，具体包括以下实施步骤：
a、在春夏季，上开窗4所在位置的海水温度高于下开窗5所在位置的海水温度，打开电机11，电机11驱动缆绳10通过滑轮9下放外套筒1；
b、当外套筒1下放至覆盖下开窗5、敞开上开窗4的位置时，关闭电机11；
c、根据u型管原理，海水通过上开窗4依次流入隔水管外壁2与隔水管内壁3之间的环空和隔水管内壁3与油管6之间的环空中，建立压力平衡系统；
d、启动水泵7，以45l/s的排量抽取隔水管内壁3与油管6环空中的海水，实现隔水管中海水循环；
e、水泵7所抽吸的海水直接排放至大海中。
下面结合图2详细说明在秋冬季本发明所提出的循环海水抑制井筒水合物生成的装置的具体操作过程，具体包括以下实施步骤：
a、在秋冬季，下开窗5所在位置的海水温度高于上开窗4所在位置的海水温度，打开电机11，电机11驱动缆绳10通过滑轮9上提外套筒1；
b、当外套筒1上提至覆盖上开窗4、敞开下开窗5的位置时，关闭电机11；
c、根据u型管原理，海水通过下开窗5依次流入隔水管外壁2与隔水管内壁3之间的环空和隔水管内壁3与油管6之间的环空中，建立压力平衡系统；
d、启动水泵7，以50l/s的排量抽取隔水管内壁3与油管6环空中的海水，实现隔水管中海水循环；
e、水泵7所抽吸的海水直接排放至大海中。
一种循环海水抑制井筒水合物生成的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)当浅层海水温度高于中层海水温度时，电机11驱动缆绳10通过滑轮9下放外套筒1，此处浅层海水是指位于海平面以下3m～10m处的海水，中层海水是指位于海平面以下10m～100m出的海水；
(b)当外套筒1下放至覆盖下开窗5、敞开上开窗4的位置时，关闭电机11；
(c)根据u型管原理，浅层高温海水通过上开窗4依次流入隔水管外壁2与隔水管内壁3之间的环空和隔水管内壁3与油管6之间的环空中，建立压力平衡系统；
(d)启动水泵7，以10l/s～60l/s的排量抽吸隔水管内壁3与油管6之间的环空中的海水，实现隔水管中海水循环；
(e)水泵7所抽吸的换热后的海水直接排放至大海中；
(f)随着四季交替，当浅层海水温度低于中层海水温度时，关闭水泵7；
(g)打开电机11，电机11驱动缆绳10通过滑轮9上提外套筒1；
(h)当外套筒1上提至覆盖上开窗4、敞开下开窗5的位置时，关闭电机11；
(i)根据u型管原理，中层海水通过下开窗5流入隔水管；
(j)启动水泵7，抽取隔水管内壁3与油管6之间的环空中的海水，实现隔水管中海水循环；
进一步地，为保证油管6温度始终大于天然气水合物的生成温度，可调大泵排量加大海水循环速度，优选地，泵排量在30l/s以上。
综上，针对海域天然气水合物开采过程泥线以上井筒二次水合物形成的问题，本发明提出了一种循环海水抑制井筒水合物生成的装置和方法，直接利用天然海水加热油管6管壁，无需人为额外提供加热能量，能量消耗低，且安全环保；通过在隔水管外壁2不同位置设置上开窗4和下开窗5，实现了不同时间节点海水能量的高效利用，可保证系统长期有效运行。
1.一种循环海水抑制井筒水合物生成的装置，其特征在于，包括：外套筒(1)、隔水管、油管(6)、水泵(7)、滑轮(9)、缆绳(10)和电机(11)，所述外套筒(1)套设在隔水管外部，外套筒(1)的长度大于开设在隔水管外壁(2)上的上开窗(4)与下开窗(5)之间的距离，外套筒(1)能够相对于隔水管作轴向移动，用于覆盖上开窗(4)或下开窗(5)；所述隔水管是由隔水管外壁(2)及隔水管内壁(3)组成的中空双层结构，所述隔水管外壁(2)与隔水管内壁(3)之间形成环空，在隔水管外壁(2)上设有上、下两处开窗，其中上开窗(4)位于海平面以下3m～10m的位置，下开窗(5)位于海平面以下10m～100m的位置，循环海水抑制井筒水合物生成的装置工作时，所述上开窗(4)和下开窗(5)中的一个敞开时，另一个即遮蔽，且敞开的开窗所在位置处的海水温度高于20℃；所述油管(6)位于隔水管内部，油管(6)与隔水管内壁(3)之间形成环空；所述缆绳(10)缠绕在滑轮(9)上，缆绳(10)的一端连接电机(11)、另一端连接外套筒(1)；所述水泵(7)的泵吸入口(8)位于隔水管内壁(3)与油管(6)之间形成的环空中。
2.根据权利要求1所述的循环海水抑制井筒水合物生成的装置，其特征在于：所述外套筒(1)的长度大于所述上开窗(4)与下开窗(5)之间的距离1m～3m。
3.根据权利要求1所述的循环海水抑制井筒水合物生成的装置，其特征在于：在所述隔水管外壁(2)的内外表面均设置有隔热保温涂层，或者所述隔水管外壁(2)采用双层同心管壁，并在所述双层同心管壁的环形空间内填充绝热材料、惰性气体或抽真空，以使隔水管外壁(2)的视导热系数保持在0.04w/m·℃以下。
4.根据权利要求3所述的循环海水抑制井筒水合物生成的装置，其特征在于：所述隔热保温涂层采用气凝胶涂层或玻璃纤维涂层。
5.根据权利要求3所述的循环海水抑制井筒水合物生成的装置，其特征在于：所述绝热材料为石棉、硅藻土、珍珠岩、气凝胶毡、玻璃纤维、泡沫混凝土和硅酸钙中的一种；所述惰性气体为氩气、氪气、氙气中的一种。
6.根据权利要求1所述的循环海水抑制井筒水合物生成的装置，其特征在于：所述油管(6)管壁的内侧设有隔热保温涂层。
7.根据权利要求6所述的循环海水抑制井筒水合物生成的装置，其特征在于：所述隔热保温涂层采用气凝胶涂层或玻璃纤维涂层。
8.根据权利要求1所述的循环海水抑制井筒水合物生成的装置，其特征在于：所述泵吸入口(8)所在位置位于隔水管内壁(3)与油管(6)之间形成的环空中海水液面以下5m～20m处。
9.一种循环海水抑制井筒水合物生成的方法，其特征在于，该方法采用权利要求1至8中任意一项所述的装置，包括以下步骤：
步骤s1、所述上开窗(4)所在位置的海水温度高于下开窗(5)所在位置的海水温度，且上开窗(4)所在位置的海水温度高于20℃，启动电机(11)，所述电机(11)驱动缆绳(10)通过滑轮(9)下放外套筒(1)；
步骤s2、所述外套筒(1)下放至覆盖下开窗(5)、敞开上开窗(4)的位置时，关闭电机(11)；海水通过上开窗(4)依次流入隔水管外壁(2)与隔水管内壁(3)之间的环空和隔水管内壁(3)与油管(6)之间的环空中；
步骤s3、启动水泵(7)，以10l/s～60l/s的排量抽吸隔水管内壁(3)与油管(6)之间的环空中的海水；
步骤s4、所述水泵(7)所抽吸的海水直接排放至大海中；
步骤s5、随着四季交替，所述下开窗(5)所在位置的海水温度高于上开窗(4)所在位置的海水温度，且上开窗(4)所在位置的海水温度高于20℃，启动电机(11)，电机(11)驱动缆绳(10)通过滑轮(9)上提外套筒(1)；
步骤s6、外套筒(1)上提至覆盖上开窗(4)、敞开下开窗(5)的位置时，关闭电机(11)；海水通过上开窗(4)依次流入隔水管外壁(2)与隔水管内壁(3)之间的环空和隔水管内壁(3)与油管(6)之间的环空中；
步骤s7、启动水泵(7)，以10l/s～60l/s的排量抽吸隔水管内壁(3)与油管(6)之间的环空中的海水；
步骤s8、所述水泵(7)所抽吸的海水直接排放至大海中。
10.根据权利要求9所述的循环海水抑制井筒水合物生成的方法，所述水泵(7)的排量为30l/s～60l/s。
技术总结