CN100434654C - 一种海水淡化与海洋天然气水合物开采联产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海水淡化与海洋天然气水合物开采联产方法，该方法包括以下步骤：构筑开采井、水平井及收集井；建设海上浮动平台、海水淡化装置和天然气水合物开采装置；海水淡化；天然气水合物分解；天然气收集。本发明将海水淡化过程中产生的浓盐水综合利用，用于海底天然气水合物的分解开采，天然气水合物开采和海水淡化的综合成本大大降低，同时避免了浓盐水直接排放对海洋生态系统造成危害，本发明工艺简单、成本低廉，经济和环境效益显著，可应用于大规模海水淡化与海洋天然气水合物开采联产。
Description
技术领域
本发明属于资源与环境技术领域，涉及天然气水合物开采技术及海水淡化技术，尤其是一种海水淡化与海洋天然气水合物开采联产方法。
背景技术
能源危机及水资源短缺是当今世界上许多国家经济和社会发展过程中面临的两大最突出问题。进行新的替代能源和可再生能源的研究开发，以及水资源开源节流技术研究成为各国、特别是发达国家科研工作的重点和热点。
天然气水合物(Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate)是在低温、高压条件下水和天然气中低分子量的烃类化合物形成的一种非化学计量型、类冰状、笼型结晶化合物。天然气水合物具有主-客体材料特征，水分子(主体)通过氢键结合形成空间点阵结构，气体分子(客体)通过与水分子之间的范德华力填充于水分子点阵间的空穴中。自然界存在的天然气水合物以甲烷水合物为主，其中绝大部分赋存于海底，具有储量大、分布广、埋藏浅、能量密度高、燃烧后无污染和残留等优点。单位体积的甲烷水合物分解可产生150-180标准体积的甲烷气体。海底及陆地永冻土层下存在着广泛的天然气水合物形成条件，据估计，地球上以天然气水合物形式储藏的有机碳占全球总有机碳的53％，是煤、石油、天然气三种化石燃料总碳量的2倍。因此，天然气水合物被认为是21世纪的理想清洁替代能源。
天然气水合物以固体形式赋存于泥质海底的松散沉积层中，在开采过程中发生相转化，与石油、天然气的开采相比，具有很大的开采难度。天然气水合物，特别是海洋天然气水合物的开采尚处于实验探索阶段，迄今为止，人们尚未找到技术上可行，经济上合理的海洋天然气水合物的开采方法。根据开采过程中水合物分解的地点不同，天然气水合物的开采可分为地下开采和地上开采两大类。其中地下开采研究报道最多，主要是参考石油、天然气的开采工艺，首先在海底地层中构筑井筒，采取措施破坏水合物稳定存在的温度、压力等热力学条件，促进水合物在矿藏点分解为水和天然气，然后采用天然气开采工艺将分解后的天然气收集、输送至地面。天然气水合物地下开采的关键是如何采取经济有效的措施促进水合物的分解，同时保持井底稳定，不使甲烷泄漏、不引发温室效应。目前提出的方法主要包括热激发法、降压法和化学法三种。热激发法主要是将蒸汽、热水、热盐水等载热体注入水合物储层，使温度达到水合物分解温度以上，但热激发法的主要缺点在于载热流体从海面输送至海底，沿程热损失大，热能利用率低。化学法主要是向水合物储层注入盐水、甲醇、乙醇、乙二醇等化学物质，改变水的活度，从而改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定温度，促进天然气水合物的分解，化学法的缺点是药剂用量大，成本高，大量使用化学药剂也会造成环境污染问题。降压法是通过降低水合物储层的压力，引起天然气水合物移动至不稳定区而分解，主要适用于水合物储层底部赋存游离天然气藏的水合物开采，这种方法由于海底地质条件千差万别，往往难以达到水合物分解的温压条件，同时开采速度慢，效率低。
水是人类赖以生存而不可缺少的重要物质。地球上的水97.2％是不能饮用的海水，淡水仅占2.8％，而且其中70％又以南、北极的冰河和万年冰雪所固定。因此，实际供人类生命活动所利用的只有不到总水量的0.8％。与日益短缺的淡水资源相比，海水可谓取之不尽，用之不竭的水资源，向海洋要水已成为国际共识，海水淡化越来越受到重视，海水淡化也将成为人类解决淡水危机的根本途径。国际脱盐协会(International Desalination Association，IDA)的统计资料表明，到2003年底，全世界脱盐装置淡水总产量已达3775万吨/天，而且还将以10％～30％的年增长速度攀升，海水淡化技术在解决世界范围淡水短缺问题上发挥着越来越重要的作用。目前世界上在建的最大的沙特阿拉伯热膜耦合海水淡化厂日产淡水88万吨/天。中国人均水资源占有量仅为世界第109位，被列为世界13个缺水国之一，因此，海水淡化事业的推广已成为当今经济热点话题，《中国海洋21实际议程》也将发展海水淡化技术和建立海水淡化示范工程列为优先发展项目。
海水脱盐淡化方法有二十多种，基本上分为两大类：(1)从海水中制取淡水，有蒸馏法、反渗透法、水合物法、溶剂萃取法和冰冻法等；(2)除去海水中的盐分，有电渗析法、离子交换法、电去离子和压渗法等。目前仅蒸馏法、电渗析法、反渗透法达到了工业规模的生产应用。虽然随着科学技术的发展和研究工作的不断深入，各种海水淡化方法成本均下降很快，但成本问题仍然是当前海水淡化推广应用最重要的制约因素。绝大数的研究工作主要集中于海水淡化工艺本身的研究与改进，如：采用多级、多效蒸发与闪蒸强化传热与热能利用效率，采用“电水联产”方式加强对低品位余热综合利用，研究开发新型膜材料及膜分离工艺，降低膜污染及膜材料损耗在膜法海水淡化成本中所占的份额。对于海水淡化处理后留下的大量浓缩盐水的处置与综合利用研究得较少，绝大多数现行海水淡化厂均采用深海注入方式处置，虽然有少数厂家考虑采用此浓盐水晒盐，但效果不甚理想。如此大规模的浓盐水未加以综合利用而直接回注大海，一方面会对浓盐水注入点的海洋生态系统造成破坏，另一方面也造成资源浪费，导致海水淡化成本升高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经济、高效海水淡化与海洋天然气水合物开采联产方法，将海水淡化后的浓盐水综合利用，应用于海洋天然气水合物的分解开采，不仅降低了海水淡化的综合成本，而且大大降低海底天然气水合物资源的开采成本。本发明可应用于大规模海水淡化与海洋天然气水合物开采联产。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
1、构筑开采井、水平井及收集井：采用深水钻井技术领域的现有技术在水合物成矿区构筑贯穿海底沉积物层和水合物储层的开采井及集气井，并构筑开采井与集气井之间的水平井连接通道；开采井及集气井贯穿至水合物储层底部。
2、建设海上浮动平台、海水淡化装置和天然气水合物开采装置：采用现有海洋工程技术及海水脱盐技术在海洋大陆架水合物藏所在区域建设海上浮动平台、海水淡化装置和天然气水合物开采装置，架设海水淡化装置至水合物开采井之间的浓盐水输送管道，建设海上浮动平台至集气井之间的天然气收集管道，同时架设海上浮动平台与陆上淡水工厂和天然气储气站之间的淡水和天然气输送管道。
3、海水淡化：启动海水淡化装置，生产出的淡水一部分供海上平台应用，其余部分通过淡水管道输送至陆上淡水厂，供给工业、农业以及生活用水，产生的浓盐水经浓盐水管道输送至海底水合物开采井用于天然气水合物的分解开采。
4、天然气水合物分解：浓盐水在开采井底部或水平井中与天然气水合物接触，使天然气水合物分解为气态天然气和液态水。
5、天然气收集：水合物分解出的天然气及产出水经集气井及滤砂装置收集后，天然气、水混合物经泵输送至海上浮动平台气液分离器进行气水分离，分离出的天然气进入储气装置，一部分天然气供给海上浮动平台能源消耗，另一部分经天然气输气管道输送至陆上储气站。
所述的海水淡化装置所用脱盐淡化技术为蒸馏法或反渗透法或电渗析法或膜蒸馏法或冷冻法或水合物法；
所述的海水淡化装置可以安装在海上浮动平台上、也可安装在陆地上或海水中；
所述的浓盐水的含盐量为8％-25％，优选10％-15％；
所述的海水淡化装置的进水除了采用海水作为进水还可以采用天然气采出过程气液分离器排水作为进水；
本发明的特点在于将海水淡化过程中产生的浓盐水综合利用，直接应用于开采海底天然气水合物资源，避免了海水淡化高浓度盐水直接排放对海洋生态系统的危害，天然气水合物开采工艺简单，成本显著降低。
附图说明
附图1为海水淡化与海洋天然气水合物开采联产工艺流程示意图；
附图标记说明：1、海底岩石层，2、天然气水合物储层，3、水平井，4、滤砂装置，5、集气井，6、海底沉积物层，7、海水层，8、海水淡化装置取水管，9、气水两相混输管，10、海上浮动平台，11、气液分离器排水管，12、气液分离器，13、储气罐，14、海水淡化器给水泵，15、海水淡化装置，16、浓盐水泵，17、浓盐水管，18、陆上储气站，19、陆上淡水厂，20、大陆架，21、开采井。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式：如附图1所示，首先在海底的海底岩石层1上构筑贯穿天然气水合物储层2和海底沉积物层6和海水层7的水合物开采井21、集气井5以及连接开采并21与集气井5之间的水平井3，在集气井安装滤砂装置4，同在海上浮动平台10上安装海水淡化装置15，气液分离器12，储气罐13，海水淡化器给水泵14，浓盐水泵16，同时铺设各设备之间气体、液体输送管道。装置运行过程中，海水通过海水淡化器给水泵14经海水淡化装置取水管8输送至海水淡化装置15，海水经水合物法淡化处理后，分离出的淡水一部分供给海上浮动平台应用，其余部分经淡水管道输送至处于大陆架20上的陆上淡水厂19，可供给工业、农业及生活用水，也可作为反渗透等其他深度处理工艺的给水。海水淡化留下的浓盐水的含盐量达到10-15％，浓盐水通过浓盐水泵16经浓盐水管17输送至天然气水合物储层2中的开采井21的底部或水平井3中，在此浓盐水与天然气水合物固体接触，使天然气水合物分解为天然气和液态水，分解出的天然气、以及部分盐水汇聚至集气井5，气液两相混合物经滤砂装置4滤去夹带的泥沙后经气水两相混输管9抽送至海上浮动平台的气液分离器12，气水混合物经气液分离后，天然气进入储气罐13储存，开采出的天然气一部分供给海上移动平台能源消耗，其余部分经天然气输送管道输送至陆上储气站18；气液分离器分离出的液态水通过海水淡化器给水泵14输送至海水淡化装置15作为其进水，气液分离器分离出的液态水也可通过气液分离器排水管11直接深海排放。
Claims (6)
1、一种海水淡化与天然气水合物开采联产方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：
(1)在海底天然气水合物成矿区构筑贯穿海底沉积物层和水合物储层的开采井、集气井以及连接开采井和集气井的水平井；
(2)建设海上浮动平台、海水淡化装置和天然气水合物开采装置；
(3)启动海水淡化装置，用脱盐淡化技术进行海水淡化，生产出的淡水一部分供海上平台应用，其余部分输送至陆上淡水厂供工业、农业及生活用水，生产出的浓盐水经泵输送至开采井的底部或水平井中，供天然气水合物分解开采；
(4)浓盐水在开采井底部或水平井中与天然气水合物接触，使天然气水合物分解为气态天然气和液态水；
(5)分解出的天然气、水以及部分盐水汇聚于集气井底部，气水混合物经滤砂装置处理后经集气管道输送至气水分离器处理，分离出的天然气储存于储气罐，一部分供海上浮动平台能源消耗，其余部分输送至陆上储气站。
2、如权利要求1所述的一种海水淡化与海洋天然气水合物联产方法，其特征在于：所述海水淡化装置安装在海上浮动平台上或安装在陆地上或海水中。
3、如权利要求1所述的一种海水淡化与海洋天然气水合物联产方法，其特征在于：步骤(3)所述海水淡化装置采用海水作为进水或采用步骤(5)中的气液分离器排水作为进水或同时采用海水和气液分离器排水作为进水。
4、如权利要求1所述的一种海水淡化与海洋天然气水合物联产方法，其特征在于：步骤(3)中所述海水淡化装置所用脱盐淡化技术为蒸馏法或反渗透法或电渗析法或膜蒸馏法或冷冻法或水合物法。
5、如权利要求1-4任一所述的一种海水淡化与海洋天然气水合物联产方法，其特征在于：所述浓盐水的含盐量为8％-25％。
6、如权利要求5所述的一种海水淡化与海洋天然气水合物联产方法，其特征在于：所述浓盐水的含盐量为10％-15％。
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