確定水底樣品的甲烷含量的製作方法

2023-05-31 16:51:41

專利名稱：確定水底樣品的甲烷含量的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於確定水底樣品的甲烷含量的方法和系統。
背景技術：
這樣的方法和系統可從美國專利6，659，204和以下論文獲知K. U. Heeschen 等人在 2007 年 12 月 20 日出版的期刊 Marine Chemistry, 107 卷，第 4 期，第 498-515 頁(XP002569753)中公開的 「 In situ hydrocarbon concentrationsfrom pressurized cores in surface sediments, Northern Gulf of Mexico，，；和P. Shultheiss 等人在 2009 年 3 月 I 日發行的 Scientific Drilling Journal(XP002569762, ISSN : 1816-8957)中公開的「Wireline Coring and Analysis underPressure,Recent Use and Future Developments of the Hyacinth System，，,所述論文可從以下網址獲取Http://www. iodp.org/iodpJoumals/7_Wireline_Coring_and_Anal ysis_SD7.pdf。從這些現有技術參考文獻得知的芯取樣方法和系統包括用於估計甲烷水合物資源的芯取樣機，其中，芯樣在原地壓力和溫度下存儲，以防止當芯樣升高到水面時，水合物晶體由於壓力降低和/或溫度升高而分解。這些已知的加壓芯取樣機的缺點是，其較昂貴而且不可靠，其在低於原地壓力下和/或在高於原地溫度下取回試樣頻繁失敗，這可能造成記錄的水合物含量偏離有效芯樣的系統偏差。因此，從這些現有技術參考文獻所知的芯樣數據的直接測量不可靠，因為水合物可能分解以致不知道多少水合物可能在獲取芯樣之後損失。以經濟的方式開發通常位於深水和/或寒冷區域中的水合物資源的一個重要挑戰在於，發現低成本的方法來尋找和估計淺甲烷水合沉積物。最大的挑戰之一是測量在離岸鑽井過程中取回的芯樣的實際水合物含量，因為現有技術既不可靠又昂貴。其他可用的水合物取樣和水合物檢測技術存在的問題有間接地球物理學方法(EM，Seismic (地震法))由於水合物的性質而不可靠。基於水淡化估計水合物含量的方法由於基線孔隙水鹽度方面的不確定而不可靠。需要提供一種用於測量含水合物芯樣的甲烷含量的改進技術，期望所述技術比現有方法和系統更便宜，並且更可靠。

發明內容
根據本發明，提供了一種用於確定水底樣品的甲烷含量的方法，所述方法包括從水底中的沉積物獲取芯樣；將所述芯樣存儲在存儲室中；、
將所述存儲室和芯樣升高到處於環境壓力下的預定水深，在所述處於環境壓力下的預定水深，所述芯樣中的所有甲烷水合物晶體分解成水和甲烷；測量由升高的芯樣釋放的甲烷量；和根據由升高的芯樣釋放的甲烷量確定所述水底沉積物的甲烷含量。如果水底樣品位於深水區域中，其中甲烷水合物晶體在所述深水區域處保持穩定，則存儲室和芯樣可從水底升高到所處的環境壓力低於芯樣中的所有甲烷水合物晶體的甲烷水合物分解壓力的水深，由此使升高的樣品中的所有甲烷水合物分解成甲烷和水。由所述芯樣釋放的甲烷量可通過由管道連接到存儲室的甲烷感測裝置測量，其位於在水面處漂浮的船舶上。 如果水底樣品確定了水底沉積物中的可採收的甲烷水合物量，則可隨後從水底沉積物挖掘甲烷水合物，其中，將挖掘的甲烷水合物減壓和/或加熱，以使甲烷水合物分解並釋放甲烷，所述甲烷可隨後輸出到市場或轉變為可銷售產品，例如工業或家用的管道天然氣、液化天然氣(LNG)和/或合成氣轉油(GTL)產品。根據本發明，還提供了一種用於確定水底樣品的甲烷含量的系統，所述系統包括芯取樣裝置，用於從水底中的沉積物獲取芯樣；存儲室，用於存儲所述芯樣；用於將所述存儲室和芯樣升高到處於環境壓力的預定水深的裝置，在所述處於環境壓力下的預定水深，所述芯樣中的所有甲烷水合物晶體分解成水和甲烷；甲烷感測裝置，用於測量由升高的芯樣釋放的甲烷量；和用於根據由升高的芯樣釋放的甲烷量確定所述水底沉積物的甲烷含量的裝置。所述芯取樣裝置可包括框架，其安裝在腿、輪和/或履帶機構上，所述腿、輪和/或履帶機構構造用於在水體底部上沿任何方向移動所述框架；和豎直取芯鑽裝置，其構造用於將每一個芯樣移動到芯樣存儲室中，所述芯樣存儲室構造用於在基本上等於圍繞所述裝置的流體例如海水的環境壓力的壓力下存儲芯樣，並且形成芯樣存儲室束的一部分，所述芯樣存儲室束作為可旋轉和可拆除的轉盤組件安裝在所述框架上，並且，所述芯樣存儲室束連接到柔性管道束，所述柔性管道束的柔性管道固定到從浮式船舶懸掛的提升繩。根據本發明的所述方法和系統的這些和其他特徵、實施例和優點描述在所附的權利要求、摘要和對附圖中圖示的非限制實施例的以下具體實施方式
部分中進行描述，說明書中使用的附圖標記用於指代附圖中圖示的相應附圖標記。


圖I顯示了水下芯取樣裝置，其攜帶有芯取樣室束；圖2顯示了在從水下芯取樣裝置取下之後，芯取樣室束怎樣填充有芯樣；圖3顯示了芯取樣室束怎樣升高到高於天然氣水合物穩定帶底界(BGHZ)的水深；圖4顯示了容納甲烷和水合物耗盡的芯樣的芯取樣室束隨後可怎樣升高到輪船或其他浮式船舶，以在海上或陸地上的實驗室中進行進一步分析；
圖5顯示了安裝在輪船或其他浮式船舶上的水氣分離罐，收集的甲烷從其排出到氣體計量和分析裝置；圖6顯示了可密封芯取樣室的替代結構；圖7顯示了轉盤組件的上下夾爪怎樣樞轉來密封圖6的芯取樣室；圖8顯示了圖6的由上下夾爪密封的芯取樣室；圖9顯示了將芯取樣室升高到高於BGHZ (天然氣水合物穩定帶底界)的水深之後，甲烷氣體(CH4)怎樣在減小壓力的芯樣中通過水合物分解而釋放。
具體實施例方式根據本發明的方法和系統提供了一種用於估計包含甲烷水合物的並且從在天然氣水合物穩定帶底界(BGHZ)內取回的芯樣的總甲烷含量的新穎技術。在歷史，這一直很難， 因為所應用的通常的技術為將芯樣取回到水面船舶來進行分析。在向上到達水面過程中，芯樣離開天然氣水合物穩定帶(在比約400m更淺的水深中，取決於溫度而定)，並且芯樣中的甲烷水合物開始分解。當芯樣已經到達船舶時(通常受芯取樣裝置由絞盤吊拉到船舶的速度限制)，會已經發生了未知量的分解，並且釋出的氣體會已逸出，以致不可知分解之前水合物的初始量。已有用於估計釋出氣體量的技術，例如測量殘餘水鹽度，並且計算已相對於背景初始水平發生的淡化，但是由於初始鹽度可能僅為估計，因此很難信賴以該方式獲得的水合物含量。為了克服該缺點，美國專利6，659，204中公開的「壓力取芯」技術已經用於在取樣點處在氣密容器中密封芯樣，以在芯樣取回到水面船舶時，容器內的壓力沒有由於減小的環境水壓而下降。一旦當取回到船舶後，就可使用X射線或CAT掃描儀分析壓力芯樣，以使水合物沉積物可視化，並且存在的天然氣量可通過以受控方式降低內部壓力來測量，其可捕捉和測量釋放的氣體的體積。從美國專利6，659，204獲知的壓力取芯技術存在的問題如下高成本這些是昂貴的芯樣容器。很難處置其需要鑽井設備中非常專業化的處置設施，以獲得良好的樣品。低可靠性其經常不能取回所需壓力下的芯樣。這通常是由於在允許芯樣進入芯樣容器的球閥中不能獲得氣密密封。由於不能獲得氣密密封可能與正在取芯的材料的性質有關，因此低可靠性特別成問題。砂樣更可能具有差的密封，並且砂樣通常最富含水合物。因此，壓力取芯系統可能具有內在偏差，因為優選取回具有低水合物含量的樣品。根據本發明的方法和系統目的不是在水合物完好的情況下取回樣品到水面船舶。相反，目的是在芯樣仍處於水柱內的某個深度下時使芯樣中的水合物完全分解。但是，當水合物分解時，收集和/或測量全部釋出的氣體，從而可知從芯樣釋出的甲烷的總體積，並且因此可知所述芯的原始甲烷含量。根據該信息以及關於水中某深度處甲烷的溶解度的知識，可以可靠地計算芯樣的水合物含量。圖I顯示了根據本發明的芯取樣裝置1，所述裝置I包括安裝在可動腿IB上的框架1A，可動腿IB使裝置I能夠在水底3上沿任何方向移動。框架IA攜帶一束芯取樣室4，芯取樣室4包括多個管，所述多個管每一個足夠大來容易地容納從水底3獲得的一個芯樣5。所述管可以是PVC管，所述PVC管通常直徑為約10cm，長度在I到2m之間。圖I顯示出，多個芯取樣室4作為一束固定到轉盤組件8，轉盤組件8可旋轉地安裝在框架IA上。圖I還顯示出，框架IA攜帶傳統的海底鑽井裝置9，例如從國際專利申請WO2009/089528獲知的Benthic Geotech PROD鑽井裝置，其從水底3收集多個含水合物芯樣5，並且將收集的芯樣插入芯取樣室4中，所述芯取樣室4由可旋轉的轉盤組件8支撐。當芯取樣裝置I保留在水底3上時，將所述束裝有芯樣5的氣體收集室4從轉盤組件8取下。該類操縱任務使用例如工作級ROV (遠程操縱機器人)應不是很困難。可將底部開放的芯取樣室4與轉盤組件8集成，以使得完全避免該轉移步驟。如圖2-4中更詳細所示，芯取樣室4為管，其在底部開放，並且在頂部封閉，並且每一個管的封閉的頂部4A包括孔9，所述孔9通到柔性氣密管道6，柔性氣密管道6在其上端 連接到浮式船舶(未示出)處的甲烷感測組件。圖2和3顯示出，在從芯取樣裝置I取出之後，將所述束芯取樣室4例如通過連接到浮式船舶(未示出)上的絞盤的提升繩升高到低於天然氣水合物穩定帶底界(BGHZ)的水深，例如在IOOm到400m之間的水深，其中每一個芯取樣室4包括單個芯樣5。在這些變化的環境條件下，芯樣5中的水合物將開始分解，釋出甲烷(CH4)氣體11和淡水。釋放的甲烷(CH4)氣體11將在浮力作用下在芯取樣室4中升高，並且通過孔5逸出到柔性管道6中。在逸出室4後，甲烷(CH4)將通過浮力在管道6中升高，並且如由圖3中箭頭所示，漂浮到用於測量和分析的甲烷感測裝置(未示出)。圖4顯示出，在全部水合物已經從芯樣9分解之後(這可從停止甲烷在具有開放底部的室4頂部中的收集而得到證實)，可將所述束收集室4取回到水面船舶，在水面船舶中，芯樣可從收集室4取出，並且收集室4中殘餘的沉積物和水可取回用於後面的分析。如果根據本發明的方法和系統確定了水底中存在的可開採水合物沉積物，則可將生產系統安裝在取得芯樣的位置處，所述生產系統可從水底挖掘出甲烷水合物、沉積物和海水漿體，並且將挖掘的漿體向上泵送通過立管到達水面處的生產平臺，在生產平臺中，甲烷可與漿體分離，並且運送到市場。圖5顯示了可任選的水面船舶頂部設備，包括水氣分離罐20，其連接到圖3中所示的管道6的上端，並且還連接到排水管道21和排氣管道22。排水管道21包括水泵23，其將收集的水泵送到水處理罐中，或在可任選的清潔之後，泵送到水體24中。分開的水分離罐20可連接到每一個柔性氣/水管道6，並且因此連接到每一個底部開放的鋼樣品存儲室4。在該情況下，每一個管道6進入分開的氣液分離罐20中，氣液分離罐20開始時裝有水。該罐20可具有帶刻度的玻璃側窗或易於確定罐20中的水面高度的一些其他裝置。水泵23連接到罐20的底部，水泵23逐漸從存儲罐抽出海水，使水通過柔性氣/水管道6從樣品存儲室4吸入。經過水泵23的水可被清潔，然後排放到大海中，或存放用於後面的分析(例如鹽度分析，用於證實由於水合物分解而淡化)。當水合物分解，並且氣體進入底部開放的樣品存儲室4的頂部中時，氣水混合物向上通過柔性水/氣管道6進入水氣分離罐20。當進入罐20中時，混合物的氣態部分升高到罐20的頂部，水部分與已經存在於存儲罐20中的水混合。因而，所有從芯取樣室4釋出的甲烷氣體(CH4)收集在存儲罐20中。氣體體積可容易地測量，並且其可從存儲罐20頂部抽出，用於分開存儲和/或分析(例如組分分析)。根據本發明的方法可用於多個替代實施例中，例如A)在分解過程中，省除用於將氣體收回到水面船舶的柔性管道6，而是簡單地使底部開放的樣品收集室4足夠大來存儲全部釋出的氣體。底部開放的樣品收集室4中的氣體量可以在採收之前通過觀察底部開放的管中的水面高度可靠地估計，例如使用聲學裝置如底部開放的管中的回聲探測儀 來估計含氣部分的高度。B)使氣體經由計量裝置從底部開放的樣品收集室4的頂部逸出，所述計量裝置計量通過樣品收集室4的頂部中的孔釋放的氣體體積和成分。計量裝置可通過實時數據傳輸電纜連接到船舶，或其可配備有無線測量數據傳輸系統或附接用於以後檢索數據的記錄裝置。在後一種情況下，記錄裝置將需要記錄計量的體積相對於壓力，因為給定量的氣體的體積是取決於壓力的。用於計量數量的時間信號也可用於該目的，因為在通常的測量情況下，測量設備的水下深度是記錄時間的，因此可從時間轉換到深度，並進而轉換到壓力。C)在水下操縱裝有芯樣的管證明困難的情況下，在從鑽柱取下時，可使用氣密密封系統來使芯樣管氣密密封。在將鑽機升高到BGHZ上方時，天然氣水合物將開始分解，並且驅出的氣體可通過氣體管路收集(傳送到船舶或存儲在鑽機上)或如上面所述進行計量。雖然密封件的氣密性不需要達到保存天然氣水合物所需的高壓級別，如在從美國專利6，659，204獲知的壓力取芯技術所要達到的，但是可在基本上密封的樣品存儲室中存儲芯樣和降低芯樣的壓力。圖6-9顯示了芯樣可怎樣在基本上密封的樣品存儲室中存儲和減小壓力。圖6中，箭頭60顯示了芯樣5怎樣升離芯取樣裝置I的鑽杆61 (如圖I中所示)，然後插入芯樣鋼保持管62中，所述芯樣鋼保持管在其下端配備有芯樣獲取器63。圖7中，箭頭64顯示了芯樣保持管62怎樣移動到轉盤組件8 (如圖I中所示)的壓力密封設備的可樞轉夾爪65，66中。圖8顯示了夾爪65，66怎樣圍繞樞軸70，71樞轉，以使彈性密封件72，73抵靠芯樣保持管62的上端和下端加壓。上夾爪65包括開口 75，其連接到柔性氣體釋放管道76。圖9顯示了芯樣5怎樣通過將密封的芯樣管62升高到小於BHGZ的水深來減小壓力，其中，減小壓力通過氣體釋放管道的柔性壁76實現，所述柔性壁用作管道76的外部和內部之間的均壓膜，以使芯樣5的孔中的流體壓力基本上等於周圍海水77的環境壓力，所述壓力處於小於BHGZ的水深，以使芯樣7中的所有甲烷水合物分解成水和甲烷(CH4),並且所有甲烷將通過並且沿著芯樣5升高，流入管道76中，如箭頭78所標示。由芯樣5釋放的甲烷78的通量可由與上夾爪65中的開口 75相鄰安裝的甲烷通量計79計量。釋放的甲烷通量78可釋放到海水77中或存儲在圖5中所示的氣體存儲罐中，以用於進一步分析。應可理解，圖5-9中所示的密封芯樣保持管組件優於圖1-4中所示的具有開放底部的芯樣管4的一個優點是，由於沒有芯樣5中的水底沉積物的碎裂部分從由圖5-9中所示的密封芯樣保持管62形成的芯樣保持室的開放底部落下，因此芯樣5保持得更完好無損以用於在芯樣研究實驗室中進一步分析。總之，根據本發明的方法和系統提供了一種裝置，其中，芯樣的甲烷含量通過在芯樣在水柱中從取樣深度升高到高於天然氣水合物穩定帶底界(BGHZ)的高度時測量由含天然氣水合物的芯樣釋出的氣體體積來估計。
用於根據本發明的系統中的芯樣存儲室優選包括底部開放的管，用於容納芯樣和從芯樣釋出的氣體。如此釋出的氣體可從底部開放的管升高到水面船舶，在水面船舶測量釋出的氣體的體積。替代地，可使釋出的氣體經由氣體計量系統從底部開放的管的頂部逸出，由此測量釋出的氣體的體積。替代地，釋出的氣體可被收集在底部開放的管的頂部中，並且可測量氣體柱的高度，由此測量釋出的氣體的體積。氣體收集裝置可以是海底鑽井和取芯裝置的一體部件，由此不需要將芯樣從芯盒轉移到氣體收集裝置，其中，氣密密封件形成在海底鑽機的存儲轉盤內的芯樣管周圍，由此不需要將芯轉移到轉盤內的底部開放的管中。應可理解，根據本發明的方法可應用在任何水體的任何深水區域中，例如大洋、海、峽灣、湖或河,並且提到的深海和/或海底應理解為適應於任何水體和/或任何水體的底部。總之，根據本發明，水下的包含甲烷水合物的水底沉積物(3)的甲烷含量可通過以下步驟確定從水底沉積物(3 )獲取芯樣(5 );將所述芯樣(5)存儲在存儲室(4)中；
將所述存儲室(4)升高到預定水深(已知為BGHZ，即天然氣水合物穩定帶底界)，在所述水深處，所述芯樣(5)中的甲烷水合物晶體分解成水和甲烷；和測量由升高的芯樣(5)釋放的甲烷量。
權利要求
1.一種用於確定水底樣品的甲烷含量的方法，所述方法包括 從水底中的沉積物獲取芯樣； 將所述芯樣存儲在存儲室中； 將所述存儲室和芯樣升高到處於環境壓力下的預定水深，在所述處於環境壓力下的預定水深，所述芯樣中的所有甲烷水合物晶體分解成水和甲烷； 測量由所述升高的芯樣釋放的甲烷量；和 根據由所述升高的芯樣釋放的甲烷量確定水底沉積物的甲烷含量。
2.根據權利要求I所述的方法，其中，所述水底沉積物位於甲烷水合物晶體保持穩定的深水區域中，並且所述存儲室從水底升高到所處的環境壓力小於所述芯樣中的所有甲烷水合物晶體的甲烷水合物分解壓力的水深處，由此使升高的所述芯樣中的所有甲烷水合物分解成甲烷和水。
3.根據權利要求I所述的方法，其中，由所述芯樣釋放的甲烷量通過甲烷感測裝置測量，所述甲烷感測裝置通過管道連接到所述存儲室，其位於在水面漂浮的船舶上。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述存儲室為具有開放底部和密封頂部的管，所述管道穿過所述密封頂部，以使釋放的甲烷通過所述管道滲透到所述甲烷感測裝置中。
5.根據權利要求I所述的方法，其中，所述芯樣通過水底取芯鑽機獲取。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述水底取芯鑽機能夠在水底上移動自身。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述水底取芯鑽機包括框架、豎直取芯鑽裝置，所述框架安裝在腿、輪和/或履帶機構上，所述豎直取芯鑽裝置構造用於將每一個芯樣移動到芯樣存儲室中，所述芯樣存儲室形成芯樣存儲室束的一部分，所述芯樣存儲室束作為可旋轉和可拆除的轉盤組件安裝在所述框架上。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述芯樣存儲室束連接到柔性管道束，柔性管道束的柔性管道固定到從浮式船舶懸掛的提升繩。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，所述水深大於400米，並且所述芯樣存儲室束由所述提升繩升高到高於水合物穩定帶的水深，在所述高於水合物穩定帶的水深處，環境水壓力小於所述芯樣中的所有甲烷水合物晶體的甲烷水合物分解壓力，所述區域位於小於.400米水深處。
10.根據權利要求1-9中任一項所述的方法，其中，如果所述水底樣品確定了水底沉積物中的可採收的甲烷水合物量，則隨後從所述水底沉積物挖掘甲烷水合物，其中，將挖掘的甲烷水合物減壓和/或加熱，以使甲烷水合物分解並釋放甲烷。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，將生產的甲烷轉變為可銷售產品，例如管道天然氣、液化天然氣(LNG)和/或氣轉油(GTL)產品。
12.一種用於確定水底樣品的甲烷含量的系統，所述系統包括 芯取樣裝置，用於從水底中的沉積物獲取芯樣； 存儲室，用於存儲所述芯樣； 用於將所述存儲室和芯樣升高到處於環境壓力的預定水深的裝置，在所述處於環境壓力下的預定水深，所述芯樣中的所有甲烷水合物晶體分解成水和甲烷； 甲烷感測裝置，用於測量由升高的芯樣釋放的甲烷量；和 用於根據由升高的芯樣釋放的甲烷量確定所述水底沉積物的甲烷含量的裝置。
13.根據權利要求12所述的系統，其中，所述芯取樣裝置包括 框架，安裝在腿、輪和/或履帶機構上，所述腿、輪和/或履帶機構構造用於在水體底部上沿任何方向移動所述框架；和 豎直取芯鑽裝置，構造用於將每一個芯樣移動到芯樣存儲室中，所述芯樣存儲室構造用於在基本上等於圍繞所述豎直取芯鑽裝置的流體的環境壓力的壓力下存儲芯樣，並且形成芯樣存儲束室的一部分，所述芯樣存儲室束作為可旋轉和可拆除的轉盤組件安裝在所述框架上。
14.根據權利要求13所述的系統，其中，所述芯樣存儲室束連接到柔性管道束，所述柔性管道束的柔性管道固定到從浮式船舶懸掛的提升繩。
全文摘要
包含甲烷水合物晶體的水底樣品的甲烷含量通過以下步驟確定從深水區域中的水底沉積物(3)獲取芯樣(5)；將所述芯樣(5)存儲在存儲室(4)中；將所述存儲室(4)升高到預定水深(BGHZ，即天然氣水合物穩定帶底界)，在所述預定水深下，所述芯樣(5)中的所有甲烷水合物晶體分解成水和甲烷；以及測量由升高的芯樣(5)釋放的甲烷量。
文檔編號E21B43/01GK102725477SQ201080056939
公開日2012年10月10日 申請日期2010年11月15日 優先權日2009年12月17日
發明者K·A·索倫森, T·A·帕斯菲爾德, U·C·克隆珀 申請人:國際殼牌研究有限公司