CN101435328B - 一种海底天然气水合物开采方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海底天然气水合物开采方法及装置，该方法利用可再生能源开采海底天然气水合物，将海洋区域丰富的太阳能收集起来转换为电能，再通过电能转换为热能加热距海底地层一定深处的含天然气水合物地层，使其中的水合物分解，收集分解产生的天然气。所用装置包括设于海洋生产平台上的太阳能发电系统和包含有电加热器的分配器，太阳能发电系统通过绝缘电缆与电加热器连接，为电加热器提供电能。这种方法效率高、能耗低、可行性强、安全环保，且所用装置简单、成本相对低廉。

Description

一种海底天然气水合物开采方法及装置

所属技术领域

本发明涉及一种海底天然气水合物开采方法及装置，属于天然气开采领域。

背景技术

自从首次在自然界发现有天然气水合物大规模赋存以来，许多国家都将目光投向了这个能量密度高、储量巨大、清洁环保的未来潜在新能源。进入21世纪后，随着能源短缺加剧，油气价格高涨，全球加快了开发利用天然气水合物的步伐。不少发达国家如美国、日本、德国、加拿大等国家都投入巨资进行与水合物开采相关的理论与技术研究。美国制定了甲烷水合物研究和发展中长期规划，预计在2015年进行商业试开采，日本也计划在2016年正式进行商业生产。海域中发现的水合物数量占绝大多数，因此开采海底天然气水合物应是未来研究的重心。但海底水合物赋存在距海底0-1000m深的沉积地层中，海水深度超过500m，埋藏模式很复杂，不像油气那样大规模聚集。因此，开采方式也有别于传统油气、煤炭等能源开采，它不是将地下物质原封不动地送至地表，而是用某种方法控制固态水合物在原位分解，达到只采收天然气的目的。此外还要考虑海底地质灾害和环境气候等因素，这就使得开采海底水合物比起传统油气来说要复杂和困难的多，因此必须建立全新概念的开采模式。

开采海底天然气水合物就是要想办法破坏它的相平衡条件从而收集其分解产生的天然气。根据这一思路，业界提出了常规热激法、减压法、化学抑制剂法、CO₂置换法和混合开采法等多种开采方式。此外还有很多比较有特色的开采方式，比如火烧法、电磁加热法、井底燃烧法以及埋核废料等，这些方法都属于热激发方式。常规热激发法主要是将蒸汽、热水、热盐水或其它热流体从地面泵入天然气水合物地层，也可采用开采重油时使用的火驱法或利用钻柱加热器，使温度上升从而达到天然气水合物分解的目的。减压法是通过降低储层压力达到天然气水合物分解的目的。一般是通过天然气水合物层之下的游离气聚集层中“降低”天然气压力或形成一个天然气“囊”(由热激发或化学试剂作用人为形成)，与天然气接触的天然气水合物变得不稳定并且分解为天然气和水。减压法最大的特点是不需要昂贵的连续激发，因而可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一。化学抑制剂法是将某些化学试剂如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等从井孔泵入地层，利用这些试剂可以改变天然气水合物形成相平衡条件的特性，达到引起天然气水合物分解的目的。

上述三种水合物开采方法只是在冻土地区试用过，至今都没有应用到海底水合物试开采中。除了环境和海底地质灾害等外部因素制约外，它们本身存在的缺陷也是很重要的原因。对于热激发法来说热损失大、效率低、能耗高是其最大不足。因为绝大多数水合物分布在超过300m水深的海底沉积物中，有的达几千米，其在海底埋藏也还有一定厚度。这导致热液会在很长管线中循环，热损失较大也就不可避免了。减压法和化学试剂法虽有降低能耗之优点，但作用很缓慢，无法满足商业生产要求。当储层下方没有游离气藏存在时，最初还不能用减压法开采。化学试剂法代价昂贵，污染环境，且海底水合物所处地层压力较高，不宜采用此方法。因此最好是将上述三种方法组合起来应用，比如将降压法和热激法结合，但能耗、成本以及污染仍然是它们在商业大规模开采应用中所不得不面临的难题。虽然井底燃烧的方法热效率高，但是需要纯氧，存在安全和成本问题。也有学者提出海面分解法，将含水合物地层沉积物一同开采到地面然后再分解，但这种方面只适合于海底表面水合物开采，而且该方法需要大体积的容器才能保证较高的日产气量。

发明内容

为克服上述现有技术不足，本发明提供了一种海底天然气水合物开采方法及装置，该方法利用可再生能源开采海底天然气水合物，将海洋区域丰富的太阳能收集起来转换为电能，再通过电能转换为热能加热距海底地层一定深处的含天然气水合物地层，使其中的水合物分解，收集分解产生的天然气。这种方法效率高、能耗低、可行性强、安全环保，且所用装置简单、成本相对低廉。

本发明所采用的技术方案是利用太阳能发电加热地层使海底天然气水合物分解从而收集产生的天然气，其具体步骤是：先在水合物埋藏区域钻开采井，安装生产套管并射孔在井壁围岩的水合物地层内形成若干洞穴；在海洋生产平台上设置太阳能发电系统将太阳能转换成电能；将若干电加热器对应安放于井壁围岩的水合物地层内的若干洞穴中，用转换的电能驱动电加热器发热，产生的热量使地层中的水合物分解产生水和气混合流体；在井底压差的作用下，分解产生的水和气混合流体通过井筒流到地面，最后将水和气混合流体在气液分离器里分离得到天然气和水。

本发明还提供了该海底天然气水合物开采方法所用的装置，装置包括设于海洋生产平台上的太阳能发电系统和包含有电加热器的分配器，太阳能发电系统通过绝缘耐压电缆与电加热器连接，为电加热器提供电能.

由上述技术方案可知本发明是将海洋区域丰富的可再生能源-太阳能收集起来转换为电能，再通过电加热器将电能转换为热能，加热距海底地层一定深处的含天然气水合物地层，热通过传导方式使地层升温导致水合物分解，将分解产生的水和气通过井口排除出，分离气体，气体通过预处理后通过管道输往目的地。

因此，本发明与现有的开采方法相比具有如下有益效果：

(1)太阳能通过电能转换为热能，可实现“定点”加热，热效率高，损失小；

(2)太阳能是可再生能源，清洁环保；

(3)分解生成的淡水可被海上生产生活重新利用；

(4)可持续生产，综合成本低。

附图说明

图1是利用太阳能开采海底天然气水合物原理图。

图2是洞穴中电加热器布放示意图。

图中1.太阳能电池阵列，2.控制器，3.蓄电池，4.DC/AC逆变器，5.压力表，6.绝缘电缆 7.油管，8.套管，9.电加热器，10.海底，11.水合物储层，12.海上平台，13.井口装置，14.截止阀，15.气液分离器，16.储水罐，17.净化装置，18.海底管道，19.重块，20.油管活塞，21.弹簧，22.分配器活塞，23.弹卡，24.弹卡座，25.分配器，26.洞穴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，先在水合物埋藏区域，通过海上平台12钻一生产井，下入生产套管8，通过定向射孔枪射穿套管，在水合物储层11里形成深度约20～40cm，平均直径在3cm～7cm之间的若干个洞穴，数量在4～8个之间，洞穴之间的距离保持定值。随后安装井口装置13。在海洋生产平台上设置太阳能发电系统，太阳能发电系统由太阳能电池阵列1、控制器2、蓄电池3和DC/AC逆变器4构成，将一定数量的单晶硅太阳能电池阵列1安装到海上平台12上，吸收太阳光后，产生的直流电储存到蓄电池3中，控制器2、DC/AC逆变器4分别与蓄电池3相连，控制器2用于蓄电池3的过充电保护、过放电保护和温度补偿，DC/AC逆变器4用于将太阳能电池产生的直流电转换成传输距离远且符合电加热器使用的交流电。将足够长度的绝缘电缆6与电加热器9连接，电加热器9为防爆电加热器9。用分配器将电加热器对应安放于在生产井内射孔形成的井壁围岩水合物地层内的洞穴26中。由于水合物赋存海域水深都超过500m，而直流电传输距离比较短，并且电加热器9的工作电流是交流电，因此不直接将蓄电池3中储存的直流电通过电缆6传输到井底的电加热9，而是将直流电通过DC/AC逆变器4变成交流电再传输。将电加热器9通过油管7下放到水合物储层11位置处后，将绝缘电缆与控制器2连接，打开控制器，接通蓄电池，电加热器中的电阻发热，产生的热量通过传导方式使地层升温，水合物分解。由于井底压力低，分解产生的水和气向井底流动。气体减压后膨胀推动水一起向上运移。井口装置13上的压力表5用于检测井口回压，当压力表5显示一定数值后，打开截止阀14，气水混合液进入气液分离器15，经分离器分离后，气体通过净化干燥装置17输往海底管道18。管道18可以是已建成的常规气油气田管道，也可以是新建设的专用天然气水合物输气管道。分离的液态淡水进入储水罐16储存起来，可作为周围海域油气生产用水，而多余的水则直接排入大海或者回注地层。还可在井底配一水泵，间歇抽出流到井底的水，这样可以降低井底压力，增大地层与井底压差，使加热和减压同时作用于水合物储层，加速水合物分解，降低气体流动阻力，提高产气量。

用分配器将电加热器9布放如图2所示。分配器包括油管、位于油管内的油管活塞，安装有电加热器的若干弹卡和驱动弹卡运动的分配器活塞，以及与弹卡对应的弹卡限位座，两相对的分配器活塞间设有弹簧，先在平台上将装有电加热器9的分配器机体通过螺纹方式与油管7连接，然后将油管7下放到井内。分配器11中的弹簧3处于自由伸缩位置，油管活塞2处于初始位置。电加热器9的数量可以是2个，也可以是3个或4个，采用绝缘防爆设计，，电加热器9包括加热元件和耐压不锈钢保护套，位于内部的加热元件为电阻片，耐压不锈钢保护套封装于外部，保护套的端部为圆锥型，直径在2～4cm之间，便于插入洞穴中。然后将一定质量的重块19通过缆绳下放到油管活塞20上，在重力的作用下，油管活塞20向下运动排液，驱动分配器活塞22向外运动，带动与之相连的弹卡23和电加热器9一起向外伸出，电加热器9穿过套管8进入射孔形成的洞穴26。当弹卡23运动到弹卡座24后，弹卡23张开，此时油管活塞22停止运动，弹簧张力与液体作用在分配器活塞22上的压力平衡，弹卡23固定在弹卡座24上，电加热器9的位置也随之固定。因此，重块19的质量应保证能刚好使弹卡5运动到卡座24处。当电加热器9失效需要更换时，只需提起重块19，作用在分配器活塞22上的液体压力急剧降低，在弹簧21拉力作用下，弹卡22收缩，电加热9被拉回分配器25内，提起油管即可回收电加热器9。

电加热器的功率可按下式计算确定：

$P=S\·\frac{Q_{\mathrm{Total}}}{3.6\×{10}^6\·\mathrm{nt\η}}$

而

$Q_{\mathrm{Total}}=Q_H+Q_{\mathrm{\ΔT}}=\frac{q_g{\mathrm{\ρ}}_g{H}_h}{M_g{r}_g}\·+\frac{q_g{\mathrm{\ρ}}_g}{M_g{r}_g}\·[C_h{M}_h+C_w\·(6M_w+\frac{M_h{\mathrm{\ρ}}_w{S}_w}{{\mathrm{\ρ}}_h{S}_h})$

$+C_g{M}_g+C_f\·\frac{M_h{\mathrm{\ρ}}_f(1-\mathrm{\φ})}{{\mathrm{\ρ}}_h{S}_h\mathrm{\φ}}]\·\mathrm{\ΔT}$

其中：

P是电加热器功率，kW；S是安全裕度，一般可取1.1-1.3；n是电加热器个数；t是电加热器工作时间，小时；η是电加热器热转换效率；Q_Total是标准条件下日产天然气q_g立方米条件下的输入地层热量，J；Q_H是水合物分解热，J；Q_ΔT是使水合物地层整体升高ΔT度所需的热量，J；r_g是采出程度；ρ_g为甲烷密度，kg/m3；ρ_w为水的密度，kg/m3；ρ_h为水合物密度，kg/m3；ρ_f为基岩密度，kg/m³；H_h为水合物分解热，J/mol；M_g，M_wM_h分别为甲烷、水、水合物分子量，M_h＝M_g+6M_w；C_h为甲烷水合物的比热，J/kg.℃；C_w为水的比热，J/kg.℃；C_g为甲烷的比热，J/kg.℃；C_f为基岩的比热，J/kg.℃；S_w为地层水饱和度；S_h为水合物饱和度；φ为地层孔隙度。

当电加热器9的功率确定后，就可以根据当地海洋气候条件特别是年平均日辐射量和连续阴雨天数计算蓄电池组的容量、太阳能电池方阵的串并联数和太阳能电池的总功率。

Claims (6)

1.一种海底天然气水合物开采方法，其特征是利用太阳能发电加热地层使海底天然气水合物分解从而收集产生的天然气，其具体步骤是：先在水合物埋藏区域钻开采井，安装生产套管并射孔在井壁围岩的水合物地层内形成若干洞穴；在海洋生产平台上设置太阳能发电系统将太阳能转换成电能；将若干电加热器对应安放于井壁围岩的水合物地层内的若干洞穴中，用转换的电能驱动电加热器发热，产生的热量使地层中的水合物分解产生水和气混合流体；在井底压差的作用下，分解产生的水和气混合流体通过井筒流到地面，最后将水和气混合流体在气液分离器里分离得到天然气和水。

2.根据权利要求1所述的海底天然气水合物开采方法，其特征是：生产套管为单层，井壁围岩的水合物地层内的若干个洞穴的深度为20～40cm，平均直径在3cm～7cm之间。

3.根据权利要求1所述的海底天然气水合物开采方法，其特征是：将若干电加热器对应安放于井壁围岩的水合物地层内的若干洞穴中是用分配器将电加热器安放于洞穴中。

4.一种权利要求1所述的海底天然气水合物开采方法所用的装置，其特征在于：装置包括设于海洋生产平台上的太阳能发电系统和包含有电加热器的分配器，太阳能发电系统通过绝缘电缆与电加热器连接，为电加热器提供电能。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：太阳能发电系统由太阳能电池阵列、控制器、蓄电池和DC/AC逆变器构成，蓄电池与电池阵列连接，用于储蓄电能，控制器、DC/AC逆变器分别与蓄电池相连，控制器用于蓄电池的过充电保护、过放电保护和温度补偿，DC/AC逆变器用于将太阳能电池产生的直流电转换成传输距离远且符合电加热器使用的交流电。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：分配器包括油管、位于油管内的油管活塞，安装有电加热器的若干弹卡和驱动弹卡运动的分配器活塞，以及与弹卡对应的弹卡限位座，两相对的分配器活塞间设有弹簧。

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