CN101666286B - 一种海洋能源一体化开发系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海洋能源一体化开发系统，其特征在于：它包括波浪能发电模块、传统油气生产模块、海洋温差能发电模块、潮汐和洋流水下发电模块、海底天然气水合物开采模块；波浪能发电模块利用海洋波浪进行发电，海洋温差能发电模块利用海洋温差进行发电，潮汐和洋流水下发电模块利用潮汐和洋流发电；传统油气生产模块与波浪能发电模块、海洋温差能发电模块、潮汐和洋流水下发电模块共用生活基础设备和动力基础设备，与海底天然气水合物开采模块共用钻机设备和海底输油气管线；波浪能发电模块、海洋温差能发电模块、潮汐和洋流水下发电模块输出的电能通过依托于海底输油气管线的电缆向外输出；天然气水合物开采模块通过海洋表层温水注入法及二氧化碳置换法开采天然气水合物。
Description
技术领域
本发明涉及一种海洋能源开采装置，特别是涉及一种海洋能源一体化开发系统。
背景技术
目前全球海洋油气资源占在全球石油资源总量的34％，累计获探明储量约400亿吨，探明率为30％左右，尚处于勘探早期阶段，因此在可预见的未来，石油工业传统油气的增长点将会在海洋领域。同时，海洋也蕴含着丰富的新能源，如天然气水合物、潮汐能、涌动不息的洋流、风能、海洋温差能等。由于传统油气能源的日益枯竭，油气资源新发现储量增速减缓，经济快速发展对能源需求的激增以及人们对环境保护的日益重视等现实问题，都迫使以传统油气资源为主的石油工业逐渐改型，逐渐形成新型无污染的、可持续发展的绿色石油工业。
目前，波浪发电就是通过波浪能装置将波浪的能量转换为机械的、气压的或液压的能量，然后通过传动机构、气轮机、水轮机或油压马达驱动发电机发电。海水温差发电是以海洋表层海水作海洋温差能发电的高温热源，以海水深处的冷海水作低温热源，用热机组成的热力循环系统进行发电，其优点是几乎不产生二氧化碳。潮汐和洋流水下发电通过在海底安装水下涡轮机，把洋流和潮汐的能量转化为电能。
天然气水合开采技术大体上分为四类：降压法，注热法、注化学剂法及二氧化碳置换法等。降压法就是通过直达天然气水合物层的井对天然气水合物藏降低压力，从而破坏天然气水合物的相平衡关系，使得天然气水合物发生分解产生天然气和水，这样天然气通过井开采出来；但降压法开采仅仅依靠天然气水合物层本身的能量，没有外来能量的供给，因此在开采的初期还会有较高的产气速度。但一段时间之后由于天然气水合物分解吸热，导致地层能量降低，天然气水合物分解速度减慢，甚至地层水结冰和天然气水合物的二次生成，迫使生产中断；此外，天然气水合物分解也会使得天然气水合物地层亏空、地层发生沉陷、威胁海洋工程设施，从而存在较大的安全隐患。注入化学剂法则是通过向天然气水合物层中注入一些化学溶液，这些化学物质能够使得天然气水合物不稳定发生分解；注入化学剂法虽然有天然气水合物开采效率高、无安全隐患的优点，但注入化学剂法的成本太高，且会对海洋环境造成一定程度的污染。目前的注热法主要是向天然气水合物层内注入在开采平台上或地面上加热的高温热水、高温蒸汽；而在开采平台上或地面上加热热水、蒸汽需要大量的能量，这导致注热法成本高、设备复杂，使得天然气水合物开采经济性不好。二氧化碳置换法就是向天然气水合物地层中注入二氧化碳，通过形成二氧化碳水合物以置换天然气水合物中的天然气，该方法的优点是既保持了地层的稳定，又能大规模地埋存二氧化碳温室气体。综上所述，鉴于天然气水合物的巨大储量及诱人前景，亟需一种安全、高效、经济的天然气水合物开采技术。
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，本发明的目的是提供一种在开发传统油气资源的同时，依托于传统油气开采设施，开发波浪能、潮汐能、洋流、海洋温差能等清洁能源和天然气水合物资源，形成新型的、综合的、可持续发展的绿色海洋能源综合体的海洋能源一体化开发系统。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种海洋能源一体化开发系统，其特征在于：它包括波浪能发电模块、传统油气生产模块、海洋温差能发电模块、潮汐和洋流水下发电模块、海底天然气水合物开采模块；所述波浪能发电模块利用海洋波浪进行发电，所述海洋温差能发电模块利用海洋温差进行发电，所述潮汐和洋流水下发电模块利用潮汐和洋流发电；所述传统油气生产模块与所述波浪能发电模块、海洋温差能发电模块、潮汐和洋流水下发电模块共用生活基础设备和动力基础设备，与所述海底天然气水合物开采模块共用钻机设备和海底输油气管线；所述波浪能发电模块、海洋温差能发电模块、潮汐和洋流水下发电模块输出的电能通过依托于所述海底输油气管线的电缆向外输出；所述天然气水合物开采模块通过海洋表层温水注入法开采天然气水合物。
所述波浪能发电模块在油气平台上设置控制波浪能转换的控制系统、对电能进行储存的蓄电系统，在所述油气平台可控范围内的海面上设置与转换波浪能相关的发电设备。
所述海洋温差能发电模块的设备均设置在所述油气平台上。
所述潮汐和洋流水下发电模块包括设置在所述油气平台上的水下涡轮机的控制系统，和把不同水下涡轮机发电进行并网的输电控制系统，和设置在所述油气平台可控范围内海底的涡轮。
所述海洋表层温水注入法，包括降压分解阶段和海洋表层温水注入阶段，所述降压分解阶段中，将相邻的两开发井的底部钻入天然气水合物层，所述两开发井均通过井下泵抽吸所述天然气水合物层中的流体，通过控制所述井下泵的排量控制井底生产压力，在所述两开发井的底部井筒周围形成高渗透区域；所述降压分解阶段达到预设的降压生产时间后，进行所述海洋表层温水注入阶段；所述海洋表层温水注入阶段中，启动所述注水泵将海洋表层温水注入第一口开发井中，在高压力驱动下所述海洋表层温水在所述天然气水合物层中由井筒开始向周围流动，对所述天然气水合物进行分解，分解后得到的天然气在压力的驱动下从压力较低的所述第二口井中产出。
所述降压生产时间根据地球物理测量方法确定。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的海洋能源一体化开发系统由于依托于油气生产平台上进行一体化开发利用，在海洋油气生产设施上，构建波浪能发电模块、海洋温差能发电模块、潮汐和洋流水下发电模块，因此能在开发海洋中传统油气资源的同时，开发天然气水合物资源和波浪能、潮汐能、洋流、海洋温差能等清洁能源。2、本发明利用现有的钻井技术和新的天然气水合物开采方法，既可实现传统油气资源的接替，又可利用海洋表层的温水开采方法及二氧化碳置换的方法开采天然气水合物，并能够较好地保证天然气水合物开采的安全性问题，能够实现天然气水合物低成本和较高效率开采，并能实现二氧化碳的深海埋存，降低温室效应。本发明的一体化开发系统既保持了石油工业的传统优势，又拓宽了海洋石油工业的发展领域，实现了绿色、可再生能源的充分利用，有效节省了能源开采的成本，并大大推动海洋石油工业未来的可持续发展。
附图说明
图1是本发明的海洋能源一体化开发系统示意图
图2是本发明的注海洋表层温水开采天然气水合物的降压分解阶段技术方案示意图
图3是本发明的注海洋表层温水开采天然气水合物的海洋表层温水注入阶段技术方案示意图
图4是使用二氧化碳置换法开采天然气水合物示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明的海洋能源一体化开发系统依托海洋油气生产设施作为主要平台，在海洋生产设施控制的范围内利用波浪能、风能及海洋温差能进行发电，在海底安装发电设施，充分利用海底潮汐及大洋洋流进行发电。如图1所示，本发明的海洋能源一体化开发系统包括波浪能发电模块1、传统油气生产模块2、海洋温差能发电模块3、潮汐和洋流水下发电模块4和海底天然气水合物开采模块5。波浪能发电模块1用于控制波浪能发电设备进行发电，在油气平台上主要设置控制波浪能转换的控制系统、对电能进行储存的蓄电系统等关键设备；其他与转换波浪能相关的主要发电设备如换能器、传动机构、发电机、蓄能器等从属设备均设置在油气平台可控范围内的海面上。
传统油气生产模块2的油气生产处理设施、生活模块、动力模块、钻机设备均设置在油气平台上，海底输油气管线铺设于海底。传统油气生产模块2与波浪能发电模块1、海洋温差能发电模块3和潮汐和洋流水下发电模块4共享生活基础设备、动力基础设备等模块；与海底天然气水合物开采模块5共享钻机设备和海底输油气管线；波浪能发电模块1、海洋温差能发电模块3、潮汐和洋流水下发电模块4输出的电能通过依托于海底输油气管线的电缆向外输出。
海洋温差能发电模块3用以控制海洋温差能转换为电能，主要包括设置在油气平台上的蒸发器、涡轮机、水泵、透平机、发电机、冷凝器、压缩机以及相关的控制设备进行发电。海洋温差能发电借助表面海水的热量，首先利用蒸发器使水沸腾，用氨蒸汽带动涡轮机；用水泵将海洋表层的温水抽到常温蒸发器中，在蒸发器中加热氨水等流动媒介，使之蒸发成高压气体媒介；再将高压气体媒介送到透平机，使透平机转动并带动发电机发电，同时高压气体媒介变为低压气体媒介；之后用水泵将深海低温海水抽到冷凝器中，使由透平机出来的低压气体媒介冷凝成液体媒介，将液体媒介送到压缩器加压后，再将其送到蒸发器中去，进行新的循环。
潮汐和洋流水下发电模块4用以控制水下潮汐和洋流发电，主要包括设置在油气平台上的水下涡轮机的控制系统，和把不同水下涡轮机发电进行并网的输电控制系统，以及设置在油气平台可控范围内海底的一定数量的涡轮。在潮汐作用下带动涡轮转动进行发电，在潮水流速达到1米/秒的时候，潮汐涡轮便可以正常工作；同时还可以在洋流途径的地方安装水下涡轮机，把洋流的能量转化为电能。由于海水的能量密度远大于空气的能量密度，因此水下潮汐发电的装置尺寸较风能发电要小得多，一个直径为15米的潮汐涡轮所产生的电能与一个直径为60米的风力涡轮等同。
如图2所示，海底天然气水合物开采模块5通过海洋表层温水注入法开采天然气水合物，基于油气平台原有的钻机设备在天然气水合物层中钻一组开发井，每组开发井包括两口相邻设置的开发井。其中第一口井51和第二口井52均为开发井，第一口井51和第二口井52的底部到达天然气水合物层53，天然气水合物层53位于上、下两个非渗透层54之间。本发明的天然气水合物开采方法分为降压分解阶段和海洋表层温水注入阶段。在降压分解阶段中，将相邻的第一口井51和第二口井52的底部钻入天然气水合物层53中，第一口井51和第二口井52均为降压生产井，通过井下泵抽吸天然气水合物层53中的流体，实现天然气水合物层53的降压。在降压过程中通过控制井下泵的排量控制井底生产压力，以保证天然气水合物层53的稳定性和天然气水合物初期有效分解。在第一口井51和第二口井52底部井筒的周围，天然气水合物由于降压作用分解为产生气体和水，从而形成了高渗透区域55，有助于第二阶段中海洋表层温水的注入。在降压分解阶段需要注意控制生产井底与天然气水合物层53之间的压差，对于第一口井51而言，既要保证在周围形成较大范围的高渗透区域55，为第二阶段的海洋表层温水注入提供基础，又要防止非渗透层54及天然气水合物层53的胶结强度降低而引起的地层大范围、不可控的变形，还要防止天然气水合物吸热引起的天然气水合物层53中水结冰，及水合物二次生成可能引起的地层堵塞；对于第二口井52而言，应尽量防止井筒周围结冰及水合物二次生成而造成的地层及井筒堵塞。本发明通过地球物理及其他测量方法，确定高渗透区域55大小，从而确定降压生产时间。
如图3所示，当降压生产时间达到预设的确定值后，即进入海洋表层温水注入阶段，其中第一口井51转为海水注入井，而第二口井52仍然作为降压生产井将降压分解后得到的天然气56收集起来。依据天然气水合物的饱和度、地层渗透率、地层力学特性、海水温度、注水泵特性和储层温度等参数，确定第一口井51中海洋表层温水的注入量。启动平台上的注水泵，直接把海洋表层温水按照确定的注入量泵入第一口井51中，在高压力驱动下，海洋表层温水在天然气水合物层53中由井筒开始向周围流动。在海洋表层温水的流动过程中，海洋表层温水所携带的热量通过热传导和热对流传递给天然气水合物层53，促使天然气水合物层53升温；同时海洋表层温水中的盐类也充当了水合物抑制剂的作用。在热量和盐类抑制剂的联合作用下，天然气水合物的相平衡遭到破坏发生分解，产生气体状态的天然气和水，并在压力驱动下从压力较低的第二口井52产出。本阶段需要控制第一口井51的海洋表层温水注入量，海洋表层温水注入量根据天然气水合物层53的温度、压力、天然气水合物的饱和度和热传导系数等热力学、力学参数等进行确定，既要保证第一口井51中有一定的海洋表层温水注入量，又要保证不压裂地层。第二口井52收集分解后的天然气，其中的生产压力也应根据的第一口井51中实际的海水注入情况进行调整，通过调节第二口井52中井下泵的排量或者油嘴的大小实现产量控制，调整的标准是保证水合物能够在温海水的作用下能够有效分解。
海底天然气水合物开采模块5也可使用二氧化碳置换法开采天然气水合物。基于油气平台原有的钻机设备在天然气水合物层中钻一组开发井，每组开发井包括两口相邻设置的开发井。其中第一口井51和第二口井52的底部到达天然气水合物层53，天然气水合物层53位于上、下两个非渗透层54之间。第一口井1作为生产井进行降压生产，第二口井2作为二氧化碳注入井将二氧化碳注入到天然气水合物层53中。由于每摩尔二氧化碳形成二氧化碳水合物57时所释放的热量要比每摩尔天然气水合物分解成天然气时所吸收的热量高20％左右，因此二氧化碳的固化可以促使天然气水合物的分解，产生的天然气通过第一口井51收集起来。同时新形成的二氧化碳水合物能够保持沉积物的力学稳定性，保证天然气的生产安全。
本发明的实施例中，第一口井51和第二口井52为直井，但本发明的方法不仅适用于直井，也适应于第一口井51和第二口井52均为水平井、大斜度井等复杂结构井的情况；或者第一口井51和第二口井52分别为直井和水平井、大斜度井等复杂结构井的情况。
本发明的海洋能源一体化开发系统，充分利用了海洋油气生产设施为依托，在开发传统油气资源的同时，利用现代先进的钻井技术及开采方法，实现天然气水合物的大规模开发利用和传统油气资源的接替，同时还可以实现二氧化碳的深海埋存，降低温室效应。在海洋油气生产设施上，构建波浪能发电模块、海洋温差能发电模块、潮汐和洋流水下发电模块，充分利用海洋能可再生、无污染、蕴藏量巨大的优势，构建未来的绿色环保、可持续发展的新能源开发体系。
Claims (6)
1.一种海洋能源一体化开发系统，其特征在于：它包括波浪能发电模块、传统油气生产模块、海洋温差能发电模块、潮汐和洋流水下发电模块、海底天然气水合物开采模块；所述波浪能发电模块利用海洋波浪进行发电，所述海洋温差能发电模块利用海洋温差进行发电，所述潮汐和洋流水下发电模块利用潮汐和洋流发电；所述传统油气生产模块与所述波浪能发电模块、海洋温差能发电模块、潮汐和洋流水下发电模块共用生活基础设备和动力基础设备，与所述海底天然气水合物开采模块共用钻机设备和海底输油气管线；所述波浪能发电模块、海洋温差能发电模块、潮汐和洋流水下发电模块输出的电能通过依托于所述海底输油气管线的电缆向外输出；所述天然气水合物开采模块通过海洋表层温水注入法开采天然气水合物；所述海洋表层温水注入法，包括降压分解阶段和海洋表层温水注入阶段，所述降压分解阶段中，将相邻的两开发井的底部钻入天然气水合物层，所述两开发井均通过井下泵抽吸所述天然气水合物层中的流体，通过控制所述井下泵的排量控制井底生产压力，在所述两开发井的底部井筒周围形成高渗透区域；所述降压分解阶段达到预设的降压生产时间后，进行所述海洋表层温水注入阶段；所述海洋表层温水注入阶段中，启动注水泵将海洋表层温水注入第一口开发井中，在高压力驱动下所述海洋表层温水在所述天然气水合物层中由井筒开始向周围流动，对所述天然气水合物进行分解，分解后得到的天然气在压力的驱动下从压力较低的第二口井中产出。
2.如权利要求1所述的一种海洋能源一体化开发系统，其特征在于：所述波浪能发电模块在油气平台上设置控制波浪能转换的控制系统、对电能进行储存的蓄电系统，在所述油气平台可控范围内的海面上设置与转换波浪能相关的发电设备。
3.如权利要求2所述的一种海洋能源一体化开发系统，其特征在于：所述海洋温差能发电模块的设备均设置在所述油气平台上。
4.如权利要求2或3所述的一种海洋能源一体化开发系统，其特征在于：所述潮汐和洋流水下发电模块包括设置在所述油气平台上的水下涡轮机的控制系统，和把不同水下涡轮机发电进行并网的输电控制系统，和设置在所述油气平台可控范围内海底的涡轮。
5.如权利要求1或2或3所述的一种海洋能源一体化开发系统，其特征在于：所述降压生产时间根据地球物理测量方法确定。
6.如权利要求4所述的一种海洋能源一体化开发系统，其特征在于：所述降压生产时间根据地球物理测量方法确定。
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