CN101016841A - 一种开采天然气水合物的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开采天然气水合物的方法及装置,该方法包括以下步骤:构筑开采井、水平井及收集井;建设海上浮动平台和天然气水合物开采装置;海水浓缩加热装置建设;热盐水制备,天然气水合物分解;天然气收集。所述开采天然气水合物的装置包括海上浮动平台,开采井,集气井,水平井,水合物形成物回收系统,淡水储槽,热盐水输送管及热盐水输送泵以及海水浓缩加热装置等,本发明天然气水合物开采工艺简单,能耗低,成本低廉,操作简单,易于实现自动化,开采过程无外排、无环境污染,适用于海洋天然气水合物大规模工业化开采。

Description

一种开采天然气水合物的方法及装置
技术领域
本发明属于能源技术领域,涉及一种天然气水合物开采技术,尤其是一种开采海洋天然气水合物的方法及装置。
背景技术
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。根据开采过程中天然气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,采取措施破坏天然气水合物稳定存在的温度、压力等热力学条件,促进天然气水合物在赋存地分解为水和天然气,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天然气水合物的分解,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天然气水合物储层,使温度达到天然气水合物分解温度以上。美国专利US6994159B2及日本专利JP09158662分别提出通过开采井向天然气水合物储层注入热水、蒸汽等热流体促进天然气水合物分解,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。中国专利CN1609409A提出了一种利用微波加热开采天然气水合物的方法及装置,美国专利US6148911提出采用井下电加热开采天然气水合物,但这些方法均需采用电能加热,能源消耗成本高,同时开采装置复杂。中国专利CN1779191A公开了一种采用海底热泵加热海水,然后进行天然气水合物热分解开采的方法,这种方法虽然可避免热水从海平面注入海底过程中的沿程热损失,但这种方法需要在水下高压环境安装压缩机、冷凝器、蒸发器等设备,其设备安装、运行及密封技术难度大。
化学法主要是向天然气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,从而改变天然气水合物形成的相平衡条件,降低天然气水合物稳定温度,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。在开采过程中,必须保证天然气水合物储层的药剂浓度,由于天然气水合物分解释放大量结晶水,造成药剂浓度不断降低,同时,由于天然气水合物分解为吸热反应,天然气水合物层的温度会随着开采过程的进行而不断降低,从而导致开采效率降低,所需化学药剂的浓度也不断升高。
美国专利US2005/0121200A1公开了一种采用CO2置换法开采甲烷水合物,同时实现对温室效应气体CO2的安全稳定填埋。由于CO2水合物形成的温度高于甲烷,压力低于甲烷,因此,只要控制天然气水合物储层的温压条件处于CO2水合物形成的稳定区和CH4水合物的不稳定区就能实现CO2对CH4水合物的自动置换开采。CO2水合物生成热为57.98KJ/mol,甲烷水合物的分解热为54.49KJ/mol,甲烷水合物分解所需的热量完全可由CO2水合物生成所放出的热量来提供,同时,CO2水合物及时回填有利于保持井底地质条件稳定,防止塌陷和滑坡。但CO2置换法存在的问题是形成的CO2水合物固体倾向于包裹在甲烷水合物的外表面,从而导致对天然气水合物分解不彻底,置换反应速度极其缓慢,同时大量的CO2气体的分离以及运输费用也会使开采成本增加。
降压法是通过降低天然气水合物储层的压力,引起天然气水合物赋存条件移动至不稳定区而分解,主要适用于天然气水合物储层底部赋存游离天然气藏的水合物开采,或者作为其他开采方法的辅助开采手段,对分解后的天然气进行减压收集,降压法由于每底地质条件千差万别,往往难以达到天然气水合物分解的温压条件,同时开采速度慢,效率低。
公开号为CN1294648A的中国专利提出采用高压气流冲击天然气水合物储层,并通过气-流夹带输送固体天然气水合物至海面。公开号为CN1587642A的中国专利参照陆地矿山采矿分选模式提出采用水下自动挖掘机械开采固体天然气水合物、然后采用泥沙分离,天然气水合物分解等工艺开采天然气水合物,这些地上分解开采方法均存在开采范围小,水下自动开采设备技术要求高,实施技术难度大,对海底地质构造破坏严重,容易引起井底塌陷、滑坡等问题。
伴随天然气水合物资源开采技术研究,各种基于水合物的衍生应用技术也受到了人们的关注与研究。美国专利US4718242介绍了一种利用插合物反应原理构建化学热泵的方法。中国专利CN1261861A及美国专利US5873262和US6158239报道了一种利用甲烷水合物进行海水脱盐及废水净化的方法。
迄今为止,还没有一种经济而有效的方法可以用来实现天然气水合物的大规模工业化开采。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经济、高效、安全的天然气水合物开采方法及装置。
为达到上述目的,本发明一种开采天然气水合物的方法采取了以下技支术方案: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天然气水合物成矿区构筑贯穿海底沉积物层和天然气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天然气水合物储层;2.建设海上浮动平台和天然气水合物开采装置:采用现有海洋工程技术在海洋水合物藏所在区域建设海上浮动平台和天然气水合物开采装置,架设集气井至海上浮动平台之间的天然气收集管道;3.海水浓缩加热装置建设:采用现有海洋工程技术在海上浮动平台处海平面以下一定深度处安装海水浓缩加热装置,架设海水浓缩加热装置至天然气水合物开采井之间的浓盐水输送管道;4.热盐水制备:a.启动海水浓缩加热装置,将海水及水合物形成物通入海水浓缩加热反应器的水合物形成区,在海洋高压条件下,海水和水合物形成物自发形成固体水合物,同时将海水浓缩为浓盐水;b.在浮力作用下固体水合物沿水合物形成区上升,同时不断聚结长大,上升至水合物分解区后,由于压力降低,此固体水合物吸热分解释放出淡水和水合物形成物,固体水合物分解所需热量采用海面温度较高的海水通过换热器供给,释放出的淡水由于其浓度低于海水密度而不断向海水浓缩加热装置的顶部汇聚,释放出的水合物形成物汇聚于海水浓缩加热装置的顶部,经回收后重复利用;c.产生的浓盐水由于其密度大于海水密度而沉积于浓盐水区,固体水合物形成过程中释放出水合物形成热被浓盐水吸收,浓盐水温度升高制得热盐水;5.天然气水合物分解:将从海水浓缩加热反应装置底部采出的热盐水输送至天然气水合物开采井的底部或水平井中,热盐水与天然气水合物接触,在加热和浓盐水双重作用下,天然气水合物分解释放出天然气和水;6.天然气收集:天然气水合物分解出的天然气及产出水经集气井收集,滤砂装置过滤出泥沙后,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,分离出的水作为海水浓缩加热装置的进水循环利用或直接深海排放。
详细地,本发明步骤(4)热盐水的制备还可进一步具体细化为如下步骤:(1)将海水及水合物形成物注入海水浓缩加热反应装置的水合物形成区;(2)在海洋高压条件下,海水和水合物形成物自发在水合物形成区生成固体水合物晶粒,同时将海水浓缩为浓盐水;(3)由于固体水合物的密度小于海水的密度,固体水合物晶粒在浮力作用下沿水合物形成区上升,上升过程中固体水合物晶粒不断聚结长大;当固体水合物上升至水合物分解区后,由于压力降低,固体水合物开始分解,分解释放出的气体吸附于固体水合物晶粒的表面,导致固体水合物晶粒所受浮力增大,上升速率加快,同时水合物表层夹带的盐水由于淡水的洗涤作用而去除;(4)固体水合物分解吸收热量,水合物分解区温度下降,采用海面高温海水通过换热器加热供给水合物分解热,或采用预冷器对海水浓缩加热装置的进水进行冷却;(5)固体水合物上升至海平面一定深度处,固体水合物完全分解,分解释放出的淡水由于其密度低于海水密度而不断向海水浓缩加热装置的顶部汇聚,固体水合物分解释放出的水合物形成物在水合物分解区顶部与淡水发生相分离,水合物形成物经回收后注入水合物形成区重新用于生成固体水合物;(6)水合物形成区产生的浓盐水由于其密度大于海水密度而沉积于浓盐水区,固体水合物形成过程中释放出来的水合物形成热被浓盐水吸收,浓盐水温度升高,沿海水浓缩加热装置自上而下,水中的含盐量不断增加;(7)向海水浓缩加热装置的水合物形成区稳定地通入海水和水合物形成物,同时分别从海水浓缩加热装置的底部和顶部稳定地采出热盐水和淡水,可维持海水浓缩加热装置的稳定运行,采出的淡水可用于工业、农业及生活用水,采出的热盐水应用海底天然气水合物的分解开采。
本发明所述固体水合物为水合物形成物与海水中水分子在一定的温压条件下形成的笼状固体插合物,其中水分子通过氢键组成笼形固体外壳,水合物形成物填充于此笼形空腔内,通过范德华力与水分子外壳相互作用,起到稳定固体水合物的作用;本发明所述水合物形成物为低分子量的碳氢烃或低沸点卤代烃或惰性气体或其他水合物形成气体,所述的水合物形成物也可以是液态烃类物质,液态烃应与水不相溶,其密度小于淡水密度,便于对水合物形成物的回收利用;所述水合物形成物为甲烷或乙烷或丙烷或丁烷或异丙烷或甲基环丙烷或甲基环己烷或R11或R22或氧气或氮气或氩气或氪气或氙气或硫化氢或二氧化碳或其混合物;所述水合物形成物的固体水合物形成温度应高于同样压力、同样盐度条件下甲烷水合物的形成温度;所述水合物形成物与海水形成的固体水合物密度可以小于海水密度也可以大于海水密度,当固体水合物密度小于海水密度时,形成的固体水合物通过自身的浮力上升至海水浓缩加热装置的水合物分解区,当固体水合物密度大于海水密度时,形成的固体水合物经沉降浓缩后采用泵输送至水合物分解区。
步骤(4)b中的所述水合物形成物回收利用,当水合物形成物为气体时,水合物形成气汇聚于海水浓缩加热装置的顶部,气液混合物输送至海上浮动平台后,经气液分离器分离后回收利用;当水合物形成物为液态物质时,水合物形成物与淡水两相混合物输送至海上浮动平台后,经重力沉降分离或离心分离后回收利用。
本发明制备用于天然气水合物开采的热盐水所需能量主要为水合物形成气的压缩功和进料海水注入过程中的沿程阻力损耗,当固体水合物密度大于海水密度时,还需要提供将固体水合物从水合物形成区输送至水合物分解区的能耗,本发明如采用液态水合物形成物,则水合物形成物从海上浮动平台注入水合物形成区的能量消耗将大大减少,但固体水合物分解后需增加水合物形成物和淡水两相分离系统。
本发明所述的海水浓缩加热装置的进料海水为海洋表层含盐量较高的海水,或者将天然气水合物开采过程中的气液分离器排出水回用作为海水浓缩加热装置的进水,当采用海洋表层海水作为海水浓缩加热装置的进料海水时,由于海水温度较高,可通过安装在海水浓缩加热装置的水合物分解区的换热器对海水进行预冷却,同时供给水合物分解所需的热量,如经换热器冷却后的海水仍不能达到水合物形成物形成固体水合物所需的温度,可采用人工制冷方式强制冷却;所述的进料海水也可采用海洋底部温度较低的海水,从而节省进料海水输送能量消耗。
所述的进料海水和水合物形成物可分别直接注入水合物形成区,也可将进料海水和水合物形成物先在气液混合器中混合,生成固体水合物微晶,然后进入海水浓缩加热装置继续进行固体水合物结晶与生长反应。
本发明所述的热盐水的含盐量为7-20%,优选10-15%,热盐水的温度为8-30℃,优选120-18℃。
本发明所述的水合物分解区位于海平面,分解压力为常压,水合物分解区也可位于海底一定水深处,固体水合物在一定压力下分解;水合物形成物为不溶于水的液态物质时,水合物分解区位于海面时,固体水合物分解速率快,且常压下有利于进行淡水和水合物形成物两相分离;水合物形成物为气态物质时,水合物分解区位于海底一定水深处,固体水合物分解释放出的气体带有一定的压力,然后通过导气管和导水管分别将水合物形成气和淡化水输送至海上浮动平台,水合物形成气循环利用,在这种情况下回收的水合物形成气具有一定的压力,可节省水合物形成气重新注入海底时气体的压缩功,可大大节约热盐水制备过程的能耗。
本发明水合物分解区产生的冷能除可应用于海水浓缩加热装置进水的冷却外,还可应用于海上平台及陆上空调冷却系统。
本发明利用海底水压势能,在海底形成水合物,浓缩海水制备浓盐水,同时将放出的水合物生成热用于加热浓盐水,制备热盐水用于天然气水合物分解开采,根据固体水合物与海水的密度差,利用固体水合物自身所受的浮力使固体水合物从海底上升至海面水合物分解区,利用表层高温海水加热供给水合物分解所需热能,同时也充分利用固体水合物分解产生的冷能来冷却海水浓缩加热装置的进水或向海上浮动平台及陆上空调冷却系统提供冷能。
本发明还提供了一种用于开采天然气水合物的装置,采取了以下技术方案:一种用于开采天然气水合物的装置,包括海上浮动平台,开采井,集气井,水平井,水合物形成物回收系统,淡水储槽,热盐水输送管及热盐水输送泵,所述水合物形成物回收系统包括水合物形成物回收泵,水合物形成物分离器,水合物形成气压缩机,水合物形成物储罐;还包括海水浓缩加热装置,所述海水浓缩加热装置为一台或两台以上垂直安装在海洋中的圆柱形反应器组成,该反应器自下而上分别为热盐水区,水合物形成区,水合物凝聚增长区、水合物分离洗涤区、水合物分解区,淡水区,水合物形成物聚集区组成,所述水合物形成区上设有水合物形成物进口和海水进口;水合物形成区及热盐水区外壁上安装热盐水加热夹套,加热夹套外层安装有保温材料;热盐水区底部设有锯齿开口管,与热盐水加热夹套连通,热盐水加热夹套底部设有排渣口,顶部设有热盐水出口;水合物分解区中设有海水预冷器和海水加热器,水合物分解区上部安装有水合物过滤网;淡水区上设有淡水采出口;水合物形成物聚集区顶部设有水合物形成物回收口。
为提高热盐水的含盐量,海水浓缩加热装置可以由两台或两台以上圆柱形反应器串联或并联组成多级海水浓缩加热装置,前一级反应器制备的热盐水作为下一级反应器的进水;为提高海水浓缩加热装置的热盐水产量,减小单台反应器的尺寸;其反应器的水合物形成区上可沿轴向不同海洋深度处安装多个水合物形成物进口和海水进口,采用远程自动阀门控制,当采用不同的水合物形成物时,通过开启不同阀门即可调整海水浓缩加热装置的水合物形成区及分解区的位置。
本发明所述的天然气水合物开采井和收集井可分别由一口或多口井组成,开采井与集气井通过水平井相连,形成由开采井和收集井组成的井网。
本发明海水浓缩加热装置在海底生产的浓盐水经泵注入生产井及水平井,有效避免了常规注热开采载热体水下长距离输送过程的沿程热损失,开采效率高。所述圆柱形反应器安装深度与水合物形成物的种类及所在区域的海水温度及盐度有关。对于一定的水合物形成物和所在海区的海水温度,海水浓缩加热装置的水合物形成区位于固体水合物自发形成的水压深度以下,海水浓缩加热装置的水合物分解区应位于使固体水合物分解的水压深度以上。
所述的海水浓缩加热装置,固体水合物形成热通过不断采出热盐水去除,由于一部分盐水受热升温后会同固体水合物一起沿水合物形成区上升,为防止水合物生成热通过海水浓缩加热装置的器壁传递给周围温度较低的海水,本发明水合物形成区外壁安装夹套,浓盐水从浓盐水区底部抽出后先经夹套换热,进一步吸收水合物形成区的热能,加速水合形成速率:水合物形成区及浓盐水区的外表面均采用绝热材料保温。
所述水合形成区及水合物分解区的温度与所采用的水合物形成物的种类及海水浓缩加热装置的安装深度有关。
本发明利用水合物法开采天然气水合物,实现了天然气水合物开采和海水淡化联产,固体水合物分解产生的冷能可供给空调冷却系统的冷能,能量利用效率高。
本发明利用海底压力势能,采用水合物技术在海底对海水进行浓缩和加热,制得热盐水应用于天然气水合物分解开采,利用海面低压和高温海水分解固体水合物,回收水合物形成物及淡水;本发明实现了天然气水合物开采和海水淡化联产,水合物分解产生的冷能可供给空调冷却系统的冷能,能量利用效率高;本发明天然气水合物开采工艺简单,能耗低,成本低廉,所需设备除气体输送管线外均为常压设备,水下动设备少,操作简单,易于实现自动化和远程遥控,开采过程无外排、无环境污染,适用于海洋天然气水合物大规模工业化开采。
附图说明
附图1为本发明水合物法开采海洋天然气水合物工艺流程示意图;附图2为本发明海水浓缩加热装置结构示意图;附图标记说明:1、海水浓缩加热装置,2、海底岩石层,3、天然气水合物储层,4、滤砂装置,5、集气井,6、海底沉积物层,7、海水层,8、气水两相混输管,9、气液分离器排水管,10、海水浓缩加热装置取水管,11、气水两相混输泵,12、天然气采出水循环利用管,13、气液分离器,14、天然气压缩机,15、海水浓缩加热装置给水泵,16、天然气储气罐,17、天然气储气罐出口管,18、水合物形成物回收泵,19、海水加热器进水泵,20、水合物形成物分离器,21、水合物形成气压缩机,22、水合物形成物储罐,23、离心泵,24、淡水储槽,25、淡水采出管,26、海上浮动平台,27、水合物形成物回收管,28、预冷器进水管,29、水合物形成物输送管,30、预冷器出水管,31、气液混合器,32、气液混合器气相进口管,33、海水浓缩加热装置进水管,34、海水浓缩加热装置水合物形成物进口管,35、热盐水分配管,36、水平井,37、开采井,38、热盐水输送管,39、热盐水输送泵;101、热盐水区,102、水合物形成物进口,103、水合物形成区,104、海水进口,105、水合物凝聚增长区,106、水合物分离洗涤区,107、海水预冷器进口,108、海水预冷器,109、海水预冷器出口,1010、水合物过滤网,1011、淡水区,1012、水合物形成物聚集区,1013水合物形成物回收口,1014、淡水采出口,1015、海水加热器出水口,1016、海水加热器,1017、海水加热器进水口,1018、水合物分解区,1019、热盐水出口,1020、热盐水加热夹套,1021、锯齿开口管,1022、排渣口。
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、2所示,首先在海底岩石层2上构筑贯穿海底沉积物层6及天然气水合物储层3的水合物开采井37、集气井5以及连接开采井37与集气井5之间的水平井36,水平井36处于天然气水合物储层3,在集气井安装滤砂装置4,同时在海水层7一定深度处安装海水浓缩加热装置1、热盐水输送泵39、气液混合器31,在海上浮动平台26上安装气液分离器13、天然气压缩机14、天然气储气罐16、海水浓缩加热装置给水泵15、水合物形成物回收泵18、水合物形成物分离器20、海水加热器进水泵19、水合物形成气压缩机21、水合物形成物储罐22、离心泵23、淡水储槽24,同时铺设各设备之间气体、液体输送管道。
所述海水浓缩加热装置,其水合物形成区103上设有水合物形成物进口102和海水进口104,其分别与海水浓缩加热装置水合物形成物进口管34和海水浓缩加热装置进水管33相连;水合物形成区103及热盐水区101外壁上安装热盐水加热夹套1020,加热夹套1020外层安装有保温材料;热盐水区101底部设有锯齿开口管1021,与热盐水加热夹套1020连通,热盐水加热夹套1020底部设有排渣口1022,顶部设有热盐水出口1019,该热盐水出口1019可与热盐水输送管38及热盐水输送泵39相连;水合物分解区1018安装海水预冷器108和海水加热器1016,水合物分解区1018上部安装有水合物过滤网1010,防止固体水合物进入淡水区1011;淡水区1011上设有淡水采出口1014,该淡水采出口1014可与淡水采出管25相连;水合物形成物聚集区1012顶部设有水合物形成物回收口1013,该水合物形成物回收口1013与水合物形成物回收管27及水合物形成物回收泵18相连。
装置运行过程中,海水和气液分离器13的排水分别经海水浓缩加热装置取水管10和天然气采出水循环利用管12通过海水浓缩加热装置给水泵15沿预冷器进水管28和海水预冷器进口107输送至海水预冷器108,在海水预冷器中利用水合物分解区1018固体水合物分解产生的冷能将海水冷却至水合物形成温度以下,经冷却后的海水经海水预冷器出口109和预冷器出水管30输送至气液混合器31,在气液混合器中海水与来自气液混合器气相进口管32的水合物形成气混合,产生固体水合物微晶,气液混合物经海水浓缩加热装置进水管33进入水合物形成区103;来自水合物形成物储罐22的水合物形成气经水合物形成物输送管29、气液混合器气相进口管32、海水浓缩加热装置水合物形成物进口管34输送至气液混合器31和水合物形成区103。
在水合物形成区,水合物形成气与海水接触生成大量固体水合物,同时释放出水合物生成热,固体水合物在自身所受浮力作用下沿海水浓缩加热装置的水合物凝聚增长区105上升,固体水合物晶粒不断聚结长大,当固体水合物上升至水合物分离洗涤区106时,此时固体水合物处于不稳定区,固体水合物开始缓慢分解,固体水合物分解产生的气泡使固体水合物上升速率加快,固体水合物夹带的部分盐水在此被洗涤去除,当固体水合物上升至水合物分解区1018时,由于压力降低,同时海水预冷器108及海水加热器1016采用海面温度较高的海水不断向水合物分解区供给热量,海面温度较高的海水由海水加热器进水口1017进入海水加热器,由海水加热器出水口1015直接排出至海洋,周体水合物在水合物分解区完全分解为淡水和水合物形成气。
固体水合物分解释放出的水合物形成气汇聚于水合物形成物聚集区1012,水合物形成气经水合物形成物回收泵18和水合物形成物回收管27输送至水合物形成物分离器20分离,分离出的淡水经离心泵23输送至淡水储槽24,分离出的水合物形成气经水合物形成气压缩机21压缩后输送至水合物形成物储罐22重复利用;水合物分解释放出的淡水由于其密度小于海水,积聚于淡水区1011、水合物分解区1018以及水合物分离洗涤区106,淡水经淡水采出管25输送至淡水储槽24,淡水可作为工业、农业及生活用水,通过控制淡水采出速度,可控制淡水由水合物分解区向水合物分离洗涤区回流的流量,以及淡水在海水浓缩加热装置顶部的分布,为防止未分解的固体水合物进入淡水区1011,在淡水区1011和水合物分解区1018之间安装水合物过滤网1010。
在水合物形成区由于大量固体水合物的生成,海水被浓缩形成浓盐水,同时水合物形成热被浓盐水吸收,温度升高,热盐水由于其密度大于海水而向海水浓缩加热装置底部的热盐水区101积聚,热盐水通过热盐水区底端的锯齿开口管1021进入热盐水加热夹套1020进一步吸收水合物形成区产生的水合物形成热,使热盐水的温度上升至12-18℃后经热盐水输送泵39稳定采出,输送至海底天然气水合物储层用于天然气水合物的分解开采,通过控制热盐水的采出速度可控制热盐水在海水浓缩加热装置中的分布以及水合物形成区温度及盐度。
来自热盐水输送管38的热盐水经水合物开采井输送至水平井36,在水平井中,热盐水经热盐水分配管35分配后与天然气水合物固体接触,通过加热分解和盐水作用使天然气水合物分解为天然气和水,生产出的气水混合物汇聚于集气井5,气水混合物经滤砂装置4过滤出其中夹带的泥沙后经气水两相混输管8和气水两相混输泵11输送至海上平台26,气水混合物在平台上采用气液分离器13分离,分离出的天然气采用天然气压缩机14压缩至一定压力后进入天然气储气罐16储存,天然气一部分供给海上浮动平台能源消耗,另一部分经天然气储气罐出口管17输送至陆上储气站,气液分离器13分离出的水可经天然气采出水循环利用管12供给海水浓缩加热装置的进水,或直接经气液分离器排水管9深海排放。
以上所述仅为本发明的一种实施实例,本发明的保护范围并不局限于此,本领域中的技术人员任何基于本发明技术方案上非实质性变更均包括在本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种开采天然气水合物的方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)构筑开采井、水平井及收集井;(2)建设海上浮动平台和天然气水合物开采装置;(3)海水浓缩加热装置建设:海水浓缩加热装置建设在海面以下,海水浓缩加热装置的水合物形成区位于固体水合物自发形成的水压深度以下,水合物分解区位于固体水合物分解的水压深度以上;(4)热盐水制备,包括:a.启动海水浓缩加热装置,将海水及水合物形成物通入海水浓缩加热装置的水合物形成区,在海洋高压条件下,海水和水合物形成物自发形成固体水合物,同时将海水浓缩为浓盐水;b.在浮力作用下固体水合物沿水合物形成区上升,并不断聚结长大,上升至水合物分解区后,由于压力降低,固体水合物吸热分解释放出淡水和水合物形成物,固体水合物分解所需热量采用海面温度较高的海水通过换热器供给,释放出的淡水由于其密度低于海水密度而向海水浓缩加热装置的顶部汇聚,释放出的水合物形成物汇聚于海水浓缩加热装置顶部,经回收后重复利用;c.产生的浓盐水由于其密度大于海水密度而沉积于浓盐水区,固体水合物形成过程中释放出水合物形成热被浓盐水吸收,浓盐水温度升高制得热盐水;(5)天然气水合物分解:将步骤(4)制得的热盐水输送至天然气水合物开采井底部或水平井中,热盐水与天然气水合物接触,在加热和浓盐水双重分解作用下,天然气水合物分解释放出天然气和水;(6)天然气收集。
2.如权利要求1所述的开采天然气水合物的方法,其特征在于:所述水合物形成物的固体水合物形成温度高于同样压力、同样盐度条件下甲烷水合物的形成温度。
3.如权利要求1所述的开采天然气水合物的方法,其特征在于:当所述固体水合物密度小于海水密度,固体水合物通过自身的浮力上升至水合物分解区;当所述固体水合物大于海水密度,固体水合物经沉降浓缩后采用泵输送至水合物分解区。
4.如权利要求1-3任一所述的开采天然气水合物的方法,其特征在于:所述热盐水的含盐量为7-20%,热盐水的温度为8-30℃。
5.如权利要求1-3任一所述的开采天然气水合物的方法,其特征在于:所述海水浓缩加热装置的进料海水为海洋表层含盐量较高的海水或海洋底部温度较低的海水或天然气水合物采出水,进料海水经水合物分解区预冷却后注入海水浓缩加热装置。
6.如权利要求1-3任一所述的开采天然气水合物的方法,其特征在于:步骤(4)b中的所述水合物形成物回收利用为:当水合物形成物为气体时,水合物形成气汇聚于海水浓缩加热装置的顶部,气液混合物输送至海上浮动平台后,经气液分离器分离后回收利用;或当水合物形成物为液态物质时,水合物形成物与淡水两相混合物输送至海上浮动平台后,经重力沉降分离或离心分离后回收利用。
7.一种用于开采天然气水合物的装置,包括海上浮动平台(26),开采井(37),集气井(5),水平井(36),水合物形成物回收系统,淡水储槽(24),热盐水输送管(38)及热盐水输送泵(39),其特征是,所述水合物形成物回收系统包括水合物形成物回收泵(18),水合物形成物分离器(20),水合物形成气压缩机(21),水合物形成物储罐(22);还包括海水浓缩加热装置,所述海水浓缩加热装置为一台或两台以上垂直安装在海洋中的圆柱形反应器组成,该反应器自下而上分别为热盐水区(101),水合物形成区(103),水合物凝聚增长区(105)、水合物分离洗涤区(106)、水合物分解区(1018),淡水区(1011),水合物形成物聚集区(1012)组成,所述水合物形成区(103)上设有水合物形成物进口(102)和海水进口(104);水合物形成区(103)及热盐水区(101)外壁上安装热盐水加热夹套(1020),加热夹套(1020)外层安装有保温材料;热盐水区(101)底部设有锯齿开口管(1021),与热盐水加热夹套(1020)连通,热盐水加热夹套(1020)底部设有排渣口(1022),顶部设有热盐水出口(1019);水合物分解区(1018)中设有海水预冷器(108)和海水加热器(1016),水合物分解区(1018)上部安装有水合物过滤网(1010);淡水区(1011)上设有淡水采出口(1014);水合物形成物聚集区(1012)顶部设有水合物形成物回收口(1013)。
8.根据权利要求7所述的用于开采天然气水合物的装置,其特征是,所述海水浓缩加热装置为两台或两台以上的所述圆柱形反应器串联或并联组成,所述圆柱形反应器可沿轴向不同海洋深度处安装多个由远程自动阀门控制的水合物形成物进口(102)和海水进口(104)。
9.根据权利要求7或8所述的用于开采天然气水合物的装置,其特征是,所述水合物开采井和收集井分别为一口或多口,开采井(37)与集气井(5)通过水平井(36)相连,形成由开采井(37)和收集井(36)组成的井网。
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