CN102213090B - 冻土区天然气水合物开采方法及装置 - Google Patents
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Abstract
冻土区天然气水合物开采方法及装置，该装置包括：抽水降压系统、井下原位燃烧加热系统、气体收集系统及控制系统，抽水降压系统包括：输水管，安装在垂直井井底的深井泵，通过输水管与深井泵连接的气液分离器；井下原位燃烧加热系统包括：安装在水平井中、通过电力开关与地面电源连接的电子点火装置，与外界供气系统相连、从地面经垂直井铺设至电子点火装置处的含氧气体输送管；气体收集系统包括：设置在垂直井井口的气体采集管；控制系统包括压力传感器、上述电力开关、设置在含氧气体输送管上的调节阀，控制系统根据压力传感器测量的垂直井压力控制调节阀的开度、电力开关的通断。本发明可实现降压与井下原位燃烧加热两者协同同步连续开采。
Description
技术领域
本发明属于能源技术领域，涉及天然气水合物开采技术，特别涉及一种冻土区天然气水合物开采方法及装置。
背景技术
天然气水合物(Natural Gas Hydrate，简称NGH)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。NGH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，NGH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海底沉积层或冻土中，在开采过程中发生相转化，与石油、天然气的开采相比，能源消耗大，技术难度高。NGH开采的关键和难点在于如何采取经济、高效、安全、环境友好的措施促进NGH分解，降低开采成本，同时保持井底稳定，防止引起滑坡、塌陷等地质灾害，防止甲烷喷发和泄漏对全球碳循环及气候造成影响。目前提出的NGH开采路线分为固态开采和地下分解开采两种：固态开采效率高，但技术难度大，适用于海底浅埋藏、高饱和度的NGH藏开采；地下分解开采研究最多，可归纳为热激发法、降压法和注入化学试剂法三类。常规热激发法是将蒸汽、热水、热盐水等载热体注入天然气水合物储层，使储层温度达到NGH分解温度以上分解开采NGH，热激发法开采速率快，但能量利用率低。降压法能源利用效率高，但开采速率慢，往往与其它方法结合使用。化学法的缺陷是药剂用量大，成本高，易造成环境污染问题，NGH储层温度不断降低，导致开采速率降低。为提高热激发法能量利用效率低的难点，国内外学者提出采用微波电磁加热、化学氧碘激光加热、太阳能加热、地热加热、利用水合物技术在海底原位制备热盐水加热等多种改进的热激发方法。上述各种NGH开采技术各有优缺点和应用领域，目前还没有一种国际公认的技术、经济、安全、环境均可行的大规模NGH开采方法。
冻土区NGH藏的压力和温度都较低，自由水量少，适于抽水降压开采，但单纯降压法提供的分解推动力小，且NGH分解吸热导致NGH藏温度降低，NGH由于“自保护效应”分解速率极其缓慢，一旦温度降低到0℃以下，还会造成“冰堵塞”和“二次水合物”形成，造成NGH藏渗透率显著下降；另外，如果开采位于多年冻土底板以上的NGH，降压法开采使NGH全部转化为冰，导致开采根本无法进行；因而，冻土区NGH商业化大规模开采，单独的降压法难以奏效，需要采用热激发与降压法联合的方法进行开采。常规的注热水+降压开采方法虽然可加快开采速率，但热水从地表经冻土层输送至NGH层，会产生热损失；热水注入会在NGH层产生水压，导致NGH分解温度升高，热损失也会相应增大；同时由于热水注入，开采过程产水量增大，整个热水制备、注入、采出过程泵功耗及设备投资大大增加，更重要的是这种方法降压、注热水只能轮流进行，不能同步连续进行。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种冻土区天然气水合物开采方法及一种冻土区天然气水合物开采装置，其开采方式经济、高效、安全，且操作方便、能耗低、开采成本低廉，易于实现自动化操作和远程控制。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种冻土区天然气水合物开采方法，包括步骤：
向水平井中注入含氧气体，点燃水平井中NGH或NGH分解气燃烧；
采用深井泵将垂直井及水平井中NGH分解产生的液态水抽出至地面；
收集分解水及分解气。
一种冻土区天然气水合物开采装置，包括：抽水降压系统、井下原位燃烧加热系统、气体收集系统及控制系统，所述抽水降压系统包括：输水管，安装在垂直井的井底的深井泵，通过所述输水管与所述深井泵连接的气液分离器；所述井下原位燃烧加热系统包括：安装在水平井中、通过电力开关与地面电源连接的电子点火装置，与外界供气系统相连、从地面经垂直井铺设至水平井中所述电子点火装置处的含氧气体输送管；所述气体收集系统包括：设置在垂直井的井口的气体采集管；所述控制系统包括压力传感器、所述电力开关、以及设置在所述含氧气体输送管上的调节阀，所述控制系统根据压力传感器测量的垂直井压力控制含氧气体输送管上的调节阀的开度、电力开关的通断。
根据上述本发明的方案，其是通过向水平井中注入含氧气体，点燃井中NGH或NGH分解气燃烧加热NGH层，供给NGH分解开采所需的热量，使水合物藏温度保持在NGH分解温度以上，保持NGH分解过程持续稳定进行，并将垂直井及水平井中NGH分解产生的液态水抽出至地面，使NGH藏中水位降低至水平井平面以下，同时使NGH藏压力降低，达到减压促进NGH分解的目的，这种开采方式，能源效率高、开采速率快，可实现降压与井下原位燃烧加热两者协同同步连续开采，开采方式经济、高效、安全，且操作方便、能耗低、开采成本低廉，易于实现自动化操作和远程控制。
附图说明
图1是本发明的冻土区天然气水合物开采装置实施例的结构示意图；
附图标记说明：1、水合物底部，2、NGH层，3、水平井，4、电子点火装置，5、冻土层，6、采出水，7、采出气，8、气液分离器，9、气体采出管，10、电力开关，11、电缆，12、调节阀，13、含氧气体输送管，14、信号线，15、压力传感器，16、分解气体，17、垂直井，18、输水管，19、分解水，20、深井泵。
具体实施方式
以下以其中的较佳实施例对本发明方案进行详细阐述。
本发明方案的冻土区天然气水合物开采方法，包括步骤：
向水平井中注入含氧气体，点燃水平井中NGH或NGH分解气燃烧；
采用深井泵将垂直井及水平井中NGH分解产生的液态水抽出至地面；
收集分解水及分解气。
在一个具体的实施方式中，上述本发明的冻土区天然气水合物开采方法的实现方式可以是：
(1)钻垂直井和水平井，可以是采用现有的钻井技术在冻土区水合物藏钻垂直井和水平井，；
(2)安装抽水降压和井下原位燃烧加热装置：在垂直井安装抽水管和深井泵，在水平井安装含氧气体输送管、电缆和电子点火装置，可以是采用现有工程技术进行安装；
(3)抽水降压分解NGH：采用深井泵将垂直井及水平井中NGH分解产生的液态水抽出至地面，使NGH藏中水位降低至水平井平面以下，同时使NGH藏压力降低，达到减压促进NGH分解的目的；
(4)井下原位燃烧加热分解NGH：向井中注入一定量的含氧气体，这种含氧气体可以是氧气或空气或者工业含氧废气，并启动电子点火装置，点燃井中NGH或NGH分解气燃烧加热NGH层，供给NGH分解开采所需的热量，使水合物藏温度保持在NGH分解温度以上，保持NGH分解过程持续稳定进行；
(5)分解水及分解气收集：NGH分解水采用深井泵抽至地面后，经气液分离器分离后回注或综合利用，NGH分解气从垂直井顶部收集。
上述本发明方法中，步骤(3)、(4)和(5)在正常开采条件下同时进行。
其中，上述开钻的水平井与垂直井，可以是垂直井与水平井相通，且垂直井底部低于水平井，以便于NGH分解水通过水平井流入垂直井底部顺利抽走。另外，上述垂直井和水平井，可采用单垂直井单水平井的布置方式，也可以是采用单垂直井多水平井的布置方式，也可采用多垂直井多水平井的布置方式。
此外，上述本发明方案，还可以对井下原位燃烧加热速率进行控制和调节，具体的控制调节方式可以是：监测井下压力，根据监测的井下压力调节所述含氧气体的注入速率和注入量来控制燃烧加热速率和强度。具体可以是：当开采井中的压力超过预定上限阈值时，断开电子点火装置的电力开关，并调小调节阀的开度，减小氧气输入流量，降低加热速率；当开采井中的压力低于预定下限阈值时，开启电子点火装置的电力开关，并增大调节阀的开度，提高氧气输入流量，加快加热速率。
本发明方案中，井下原位燃烧加热，生成的CO2在高于NGH分解温度、低于CO2水合物生成温度条件下，在水合物藏中生成CO2水合物，并释放出水合物生成热置换开采NGH，提高NGH开采过程的能源效率，同时就地封存CO2，一方面可减少温室气体CO2的排放，降低开采成本，另一方面也有利于保持井底地质稳定。
上述本发明方法，可实现降压与加热协同同步连续开采冻土区NGH。既可避免常规的注热水+降压开采方法中热水从地表经冻土层输送至NGH层的热损失，也可避免常规热水注入在NGH层产生水压，导致NGH分解温度升高，热损失增大，开采过程产水量增大，整个热水制备、注入、采出过程泵功耗及设备投资增加，降压、注热水只能轮流进行，不能同步连续进行等缺陷。
本发明提供的冻土区天然气水合物开采装置包括有：抽水降压系统、井下原位燃烧加热系统、气体收集系统及控制系统，其中，抽水降压系统包括：输水管，安装在垂直井的井底的深井泵，通过上述输水管与深井泵连接的气液分离器；井下原位燃烧加热系统包括：安装在水平井中、通过电力开关与地面电源连接的电子点火装置，与外界供气系统相连、从地面经垂直井铺设至水平井中电子点火装置处的含氧气体输送管；气体收集系统包括：设置在垂直井的井口的气体采集管；控制系统包括压力传感器、上述电力开关、以及设置在含氧气体输送管上的调节阀，控制系统根据压力传感器测量的垂直井压力控制含氧气体输送管上的调节阀的开度、电力开关的通断。
其中，上述气体收集系统还包括有与上述气体采集管连接的气体储罐，以直接对采集到的气体进行储存。上述含氧气体输送管可以是氧气或者空气或者工业含氧废气输送管。
水平井与垂直井的开钻方式，可以是垂直井与水平井相通，且垂直井底部低于水平井，以便于NGH分解水通过水平井流入垂直井底部顺利抽走。另外，上述垂直井和水平井，可采用单垂直井单水平井的布置方式，也可以是采用单垂直井多水平井的布置方式，也可采用多垂直井多水平井的布置方式。
参见图1所示，本发明的冻土区天然气水合物开采装置实施例的结构示意图。
如图1所示，冻土区NGH层2位于冻土层5和水合物底部1之间。方案实施时，首先采用现有钻井技术钻贯穿冻土层5和NGH层2的垂直井17，然后在NGH层2钻与垂直井17连通的水平井3，水平井3可位于NGH层的中部。随后，在垂直井17安装深井泵20及输水管18，在水平井安装电缆11、电子点火装置4、含氧气体输送管13。
开采时，先采用深井泵20抽出垂直井中的水，使NGH层压力降低，NGH分解；然后通过含氧气体输送管13向水平井3中注入一定量的含氧气体(例如氧气、空气、工业含氧废气)，同时合上电力开关10，启动电子点火装置4，点燃NGH层的NGH或NGH分解气燃烧加热分解NGH。
NGH分解水19经水平井3和垂直井17流至垂直井底部，由深井泵20不断抽出至地面经气液分离器8进行分离，分离后，采出水6回注地下或综合利用，NGH分解气体16经水平井3和垂直井17流至垂直井顶部，经气体采出管9采出，采出气7收集利用。
开采过程的加热强度及开采速率可通过压力传感器15监测开采井中的压力来控制：
当开采井中的压力超过预定上限阈值时，通过信号线14的控制信号控制电力开关10和调节阀12，断开电子点火装置4的电力开关10，并调小调节阀12的开度，减小氧气输入流量，降低加热速率和开采速率，调节阀12的开度的调小幅度可依据实际需要进行设定，例如每次调小预定幅度的开度，或者依据压力超过预定上限阈值的幅度来确定调小幅度，或者采用其他的确定方式；
当开采井中的压力低于预定下限阈值时，开启电子点火装置4的电力开关10，并增大调节阀12的开度，提高氧气输入流量，加快加热速率，调节阀12的开度的增大幅度可依据实际需要进行设定，例如每次增大预定幅度的开度，或者依据压力低于预定下限阈值的幅度来确定增大幅度，或者采用其他的确定方式。
原位燃烧生成的CO2在高于NGH分解温度、低于CO2水合物生成温度条件下，在水合物藏中生成CO2水合物，并释放水合物生成热置换开采NGH，同时CO2水合物形成也起到温室气体封存和稳定地质的作用。
以上所述的本发明实施方式，仅仅是对本发明较佳实施例的详细说明，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种冻土区天然气水合物开采方法，其特征在于，包括步骤：
采用深井泵将垂直井及水平井中天然气水合物分解产生的液态水抽出至地面；
通过输气管向水平井中注入含氧气体，点燃水平井中天然气水合物或天然气水合物分解气燃烧，加热分解地层中的天然气水合物；
收集分解水及分解气；
监测井下压力，根据监测的井下压力调节所述含氧气体的注入速率和注入量来控制燃烧加热速率和强度；
根据监测的井下压力调节所述含氧气体的注入速率和注入量的方式包括：
当井下压力大于预定上限阈值时，减少含氧气体输入量，降低加热速率；当井下压力小于预定下限阈值时，提高含氧气体输入量，加快加热速率。
2.根据权利要求1所述的冻土区天然气水合物开采方法，其特征在于：所述垂直井和水平井相连，垂直井底部低于水平井。
3.根据权利要求1所述的冻土区天然气水合物开采方法，其特征在于，所述含氧气体为氧气或者空气或者工业含氧废气。
4.一种冻土区天然气水合物开采装置，其特征在于，包括：抽水降压系统、井下原位燃烧加热系统、气体收集系统及控制系统，所述抽水降压系统包括：输水管，安装在垂直井的井底的深井泵，通过所述输水管与所述深井泵连接的气液分离器；所述井下原位燃烧加热系统包括：安装在水平井中、通过电力开关与地面电源连接的电子点火装置，与外界供气系统相连、从地面经垂直井铺设至水平井中所述电子点火装置处的含氧气体输送管；所述气体收集系统包括：设置在垂直井的井口的气体采集管；所述控制系统包括压力传感器、所述电力开关、以及设置在所述含氧气体输送管上的调节阀，所述控制系统根据压力传感器测量的垂直井压力控制含氧气体输送管上的调节阀的开度、电力开关的通断。
5.根据权利要求4所述的冻土区天然气水合物开采装置，其特征在于：所述气体收集系统还包括与所述气体采集管连接的气体储罐。
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