CN102704894A

CN102704894A - 原位开采海底天然气水合物的装置及其方法

Info

Publication number: CN102704894A
Application number: CN2012101722167A
Authority: CN
Inventors: 张小卿; 喻耀文; 张维竞; 杨建民
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: CN102704894B

Abstract

原位开采海底天然气水合物的装置及其方法，属于天然气水合物开采技术领域。本发明装置包括太阳能-风能发电系统、旋转伸缩水枪、保温管道、输送管道、套管、海洋平台、海水泵、电加热器、CO₂液体储罐、分解促进剂储罐、高压泵、压力表、过滤装置、储水罐、气液分离器、气体回收装置。本发明先采用热激化法和化学试剂催化法引发天然气水合物的分解反应，然后采用高压CO₂射流技术，在发生置换反应的同时切割天然气水合物。本发明充分利用海洋区域丰富的太阳能和风能开采天然气水合物，清洁环保；将热激化法、化学试剂催化法和CO₂置换法互相配合使用，加大开采速率，降低了化学试剂的用量，有效保证了海底地质的稳定，同时在一定程度上处理了温室气体。

Description

原位开采海底天然气水合物的装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种海底天然气水合物的开采技术，特别是一种采用高压液态CO₂射流置换技术，并结合热激化法和化学试剂催化法，原位开采海底天然气水合物的装置及其方法，属于天然气水合物开采技术领域。

背景技术

天然气水合物（可燃冰）是天然气在一定的温度和压力下与水作用形成的一种化学计量笼形晶体化合物，气体分子填充水分子形成的晶格。它是一种新型的潜在能源,主要分布于海底沉积物和陆上永久冻土带中。根据相关文献研究结果,全球天然气水合物资源量约为21×10¹⁵m³,是煤炭、石油和天然气资源总量的2倍,足够人类使用千年以上。因此，对天然气水合物的开采方法研究具有重要的意义。

从20世纪60年代苏联发现麦索雅哈气田至今，各国的研究者相继开展了对天然气水合物的调查研究和评价工作，在天然气水合物的基础研究方面取得了较大的进展，如天然气水合物形成和分解的热力学和动力学的实验研究、产出条件、分布规律、形成机理、勘探技术及环境影响等。但是，还没有一种可以用来开采天然气水合物的具体而有效的方法。实际投入开采尚有争议的是苏联的麦索雅哈气田。2001年10月到2002年3月，在加拿大的Mallik气藏钻了一口生产试验井和两口观察井，成功地进行了为期79天的降压开采和加热开采试验。目前提出的天然气水合物的开采方法基本上还是概念性的，这方面的研究尚处于试验阶段，距离商业性开采，还需要做更多的研究。已有技术中，天然气水合物的开采方法主要有以下几种：

（1）热激化法

基本原理为利用可燃冰在不同温度下的状态平衡模型，在适当提高可燃冰矿藏的温度后，有利于使状态移至可燃冰非平衡状态从而促进可燃冰的分解，生成天然气并收集。加热方式的不断改进，促进了热激化开采法的发展，使其成为目前国际上研究最多、研究最久、所提出的方案最多最全的一类开采方向。中国专利CN101224404A提出通过用微波对固态天然气水合物进行分解，属于热激化发的一种。但这种方法至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题，而且只能进行局部加热，因此该方法尚有待进一步完善。

（2）化学试剂催化法

基本原理为利用某些化学试剂，诸如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等化学试剂可以改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定温度。当将上述化学试剂从井孔泵出后，就会引起可燃冰的分解。这种方法虽然可降低初期能量输入，但缺陷却很明显，它所需的化学试剂费用昂贵，对天然气水合物层的作用缓慢，而且还会带来一些环境问题，所以，目前对这种方法投入的研究相对较少。

（3）减压法

基本原理为主要通过降低压力而引起可燃冰稳定的相平衡曲线的移动，从而达到促使可燃冰分解的目的。减压开采法不需要连续激发,成本较低,适合大面积开采,尤其适用于存在下伏游离气层的天然气水合物藏的开采,是天然气水合物开采方法中最有前景的一种技术。但它对天然气水合物藏的性质有特殊的要求，只有当天然气水合物藏位于温压平衡边界附近，有一定热力梯度时，减压开采法才具有经济可行性。

（4）固体开采法

固体开采法最初是直接采集海底固态天然气水合物,将天然气水合物拖至浅水区进行控制性分解。这种方法进而演化为混合开采法或称矿泥浆开采法。该法开采步骤较多，能耗较大且对能源要求过大，装置机械复杂度较高。

（5）CO₂置换开采法

基本原理是用CO₂置换开采，用压力将相平衡压力较低，更容易形成水合物的CO₂通入可燃冰储层，通过形成二氧化碳水合物的放出的热量来分解可燃冰。该法在一定程度上降低了能源的需求，并且同时能处理部分工业排放的CO₂，缓解温室气体效应。这种方法最早由日本专利JP2008031413A提出，但此种方法目前研究尚不成熟，离实际开采和商业运作还有一定距离。但是对该法的深入研究对天然气水合物的开采具有十分积极的作用。

发明内容

为了克服已有技术的不足和缺陷，本发明提供一种经济、高效、安全的采用高压液态CO₂射流置换技术，并结合热激化法和化学试剂催化法，原位开采海底天然气水合物的装置及其方法，实现海洋天然气水合物大规模、工业化开采。

为达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

本发明装置包括：

旋转伸缩水枪，保温管道，输送管道，套管，海洋平台，太阳能电池，风力发电机，海水泵，电加热器，CO₂液体储罐，分解促进剂储罐，高压泵，压力表，过滤装置，储水罐，气液分离器，气体回收装置，蓄电池，DC/AC逆变器，控制器。其中风力发电机、太阳能电池、控制器、蓄电池和DC/AC逆变器构成太阳能-风能发电系统，置于海洋平台上。风力发电机和太阳能电池与控制器电连接，DC/AC逆变器和蓄电池分别与控制器电连接。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逆变器用于将直流电转换成符合海水泵、电加热器、高压泵以及海洋平台上其他用电设备使用的交流电；

套管安装在海洋平台上的开采井内，旋转伸缩水枪与保温管道一端通过螺栓连接。保温管道与输送管道均安装于套管内，输送管道的底端与旋转伸缩水枪均伸入到开采井底的天然气水合物储层中。海水泵入口与大海相通，出口通过电加热器与高压泵入口相连；CO₂液体储罐和分解促进剂储罐分别连接到高压泵和电加热器之间的管道上；分解促进剂储存于分解促进剂储罐内，液态CO₂储存于CO₂液体储罐内。保温管道另一端与高压泵出口连接；

输送管道的出口端通过过滤装置与气液分离器入口连接；气液分离器气相出口和液相出口分别与气体回收装置和储水罐连接。压力表设于输送管道6的出口处用于检测井口压力；

本发明开采天然气水合物的具体方法包括：

1)将风力发电机和太阳能电池安装到海洋平台上，分别吸收风能和太阳能后，产生的直流电储存到蓄电池中，供海水泵、电加热器、高压泵以及海洋平台上其他用电设备使用；

2)在海洋平台上使用深水钻井技术在天然气水合物埋藏区域钻开采井，安装套管；

3)将与旋转伸缩水枪连接成一体的保温管道和输送管道一并通过套管送入开采井中；

4)天然气水合物的分解。

a.通过控制器，接通蓄电池给系统供电。开启高压泵、海水泵和电加热器。先打开分解促进剂储罐的阀门，将水合物分解促进剂注入天然气水合物储层，用海水泵抽取海面温度较高的海水，通过电加热器产生载热流体，注入天然气水合物储层，先采用化学试剂催化法和热激化法引发天然气水合物的分解反应，将天然气水合物分解为天然气和水。分解产生的水和气在井底流动，膨胀推动水一起通过输送管道向上移动。压力表用于检测井口回压。

b.当压力表显示示值时，表明有天然气生成，此时关闭分解促进剂储罐的阀门、海水泵和电加热器，打开CO₂液体储罐的阀门，切换为利用高压液态CO₂射流置换开采天然气水合物。将液态CO₂经高压泵送入保温管道，通过旋转伸缩水枪产生高压液态CO₂射流，作用于天然气水合物储层，在旋转伸缩水枪作用半径内切割天然气水合物储层，同时液态CO₂在天然气水合物储层内形成CO₂水合物，置换出天然气。所生成的CO₂水合物的密度大于海水，自动沉积于底层填充天然气水合物开采后留下的空隙，CO₂水合物形成时放出水合物生成热，进一步促进天然气水合物分解；

5)分解后天然气导出。经上述热激化法、化学试剂催化法和CO₂置换法后形成反应后混合物，包括：天然气、CO₂、未分解的天然气水合物晶体、分解促进剂和水。反应后混合物回流进入输送管道上升至过滤装置，过滤后通过气液分离器进行气液分离，气体进入气体回收装置，液体进入储水罐；

整个开采过程中压力表随时监测井口压力，反应稳定时压力表示值稳定，当压力表示值明显下降时，即通过再次开启分解促进剂储罐阀门、海水泵和电加热器重新启动利用化学试剂催化法和热激化法分解天然气水合物。

本发明的有益效果：

1.将海洋区域丰富的可再生清洁能源——风能和太阳能收集转换为电能，用于满足开采系统的电力需求，清洁环保；

2.本发明采用高压射流技术，在发生置换反应的同时切割天然气水合物，解决了现有CO₂置换法中产生的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的问题，大大提高了反应速率；

3.采用化学试剂催化法、热激化法和CO₂置换法相结合，加快了开采速率，降低了化学试剂的用量，原位开采出天然气水合物，保证了海底地质的稳定，同时能一定程度处理温室气体。

附图说明

图1为：原位开采海底天然气水合物装置结构示意图

图中1.天然气水合物储层；2.旋转伸缩水枪；3.高压液态CO₂射流；4.反应后混合物；5.保温管道；6.输送管道；7.套管；8.海洋平台；9.太阳能电池；10.风力发电机；11.海水泵；12.电加热器；13.CO₂液体储罐；14.分解促进剂储罐；15.高压泵；16.压力表；17.过滤装置；18.储水罐；19.气液分离器；20.气体回收装置；21.蓄电池；22.DC/AC逆变器；23.控制器.

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

如图1所示，本发明装置包括：

旋转伸缩水枪2，保温管道5，输送管道6，套管7，海洋平台8，太阳能电池9，风力发电机10，海水泵11，电加热器12，CO₂液体储罐13，分解促进剂储罐14，高压泵15，压力表16，过滤装置17，储水罐18，气液分离器19，气体回收装置20，蓄电池21，DC/AC逆变器22，控制器23。其中风力发电机10、太阳能电池9、控制器23、蓄电池21和DC/AC逆变器22构成太阳能-风能发电系统，置于海洋平台8上。风力发电机10和太阳能电池9与控制器23电连接，DC/AC逆变器22和蓄电池21分别与控制器23电连接。风力发电机10采用水平轴风力机，太阳能电池9采用单晶硅太阳能电池；控制器23用于蓄电池21的过充电保护、过放电保护和温度补偿，DC/AC逆变器22用于将直流电转换成符合海水泵11、电加热器12、高压泵15以及海洋平台8上其他用电设备使用的交流电。套管7安装在海洋平台8上的开采井内，旋转伸缩水枪2与保温管道5一端通过螺栓连接。保温管道5与输送管道6均安装于套管7内，输送管道6的底端与旋转伸缩水枪2均伸入到开采井底的天然气水合物储层1中。海水泵11入口与大海相通，出口通过电加热器12与高压泵15入口相连；CO₂液体储罐13和分解促进剂储罐14分别连接到高压泵15和电加热器12之间的管道上；分解促进剂储存于分解促进剂储罐14内，液态CO₂储存于CO₂液体储罐13内。保温管道5另一端与高压泵15出口连接。输送管道6的出口端通过过滤装置17与气液分离器18入口连接；气液分离器18气相出口和液相出口分别与气体回收装置19和储水罐17连接。压力表16设于输送管道6的出口处用于检测井口压力。

分解促进剂是低碳醇或多元醇或盐水或其混合溶液，同时含有0.1%-2%的表面活性剂；低碳醇为甲醇或乙醇或异丙醇或其混合溶液；多元醇为乙二醇或二甘醇或三甘醇或丙三醇或其混合物；上述各种醇溶液的浓度均为20%-60%；盐水的阳离子为K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、NH₄ ⁺，阴离子为Cl^-、F^-、Br^-、PO₄ ^3-、草酸根、乙酸根；所述盐水浓度为10%-60%；表面活性剂为直链、支链、芳香链或含氟长链的有机高分子聚合物或其混合物。

本发明开采天然气水合物的具体方法包括：

1)将风力发电机10和太阳能电池9安装到海洋平台8上，分别吸收风能和太阳能后，产生的直流电储存到蓄电池21中，供海水泵11、电加热器12、高压泵15以及海洋平台8上其他用电设备使用；

2)在海洋平台8上使用深水钻井技术在天然气水合物埋藏区域钻开采井，安装套管7；

3)将与旋转伸缩水枪2连接成一体的保温管道5和输送管道6一并通过套管7送入开采井中；

4)天然气水合物的分解。

a.通过控制器23，接通蓄电池21给系统供电。开启高压泵15、海水泵11和电加热器12。先打开分解促进剂储罐14的阀门，将水合物分解促进剂注入天然气水合物储层1，用海水泵11抽取海面温度较高的海水，通过电加热器12产生温度为50-80℃载热流体，注入天然气水合物储层1，先采用化学试剂法和热激化法引发天然气水合物的分解反应，将天然气水合物分解为天然气和水。分解产生的水和气在井底流动，膨胀推动水一起通过输送管道6向上移动。压力表16用于检测井口回压。

b.当压力表16显示示值时，表明有天然气生成，此时关闭分解促进剂储罐14的阀门、海水泵11和电加热器12，打开CO₂液体储罐13的阀门，将液态CO₂经高压泵15送入保温管道5，通过旋转伸缩水枪2产生压力为20-50MPa，流速为400m/s的高压液态CO₂射流3，作用于天然气水合物储层1，在旋转伸缩水枪2作用半径内切割天然气水合物储层1，同时液态CO₂在天然气水合物储层1内形成CO₂水合物，置换出天然气。所生成的CO₂水合物的密度大于海水，自动沉积于底层填充天然气水合物开采后留下的空隙，CO₂水合物形成时放出水合物生成热，进一步促进天然气水合物分解；

5)分解后天然气导出。经上述热激化法、化学试剂催化法和CO₂置换法后形成反应后混合物4，反应后混合物4包括：天然气、CO₂、未分解的天然气水合物晶体、分解促进剂和水。反应后混合物4回流进入输送管道6上升至过滤装置17，过滤后通过气液分离器19进行气液分离，气体进入气体回收装置20，液体进入储水罐18；

整个开采过程中压力表16随时监测井口压力，反应稳定时压力表示值稳定，当压力表示值明显下降时，即通过再次开启分解促进剂储罐14阀门、海水泵11和电加热器12重新启动利用化学试剂催化法和热激化法分解天然气水合物。热激化法、化学试剂催化法和CO₂置换法互相配合使用，加大开采速率，大大降低了化学试剂的用量，有效保证了海底地质的稳定，同时在一定程度上处理了温室气体。

Claims

1.一种原位开采海底天然气水合物的装置及其方法，其特征在于，该开采装置包括：旋转伸缩水枪（2）、保温管道（5）、输送管道（6）、套管（7）、海洋平台（8）、太阳能电池（9）、风力发电机（10）、海水泵（11）、电加热器（12）、CO₂液体储罐（13）、分解促进剂储罐（14）、高压泵（15）、压力表（16）、过滤装置（17）、储水罐（18）、气液分离器（19）、气体回收装置（20）、蓄电池（21）、DC/AC逆变器（22）、控制器（23）；其中风力发电机（10）、太阳能电池（9）、控制器（23）、蓄电池（21）和DC/AC逆变器（22）构成太阳能-风能发电系统，太阳能-风能发电系统置于海洋平台（8）上，风力发电机（10）和太阳能电池（9）与控制器（23）电连接，DC/AC逆变器（22）和蓄电池（21）分别与控制器（23）电连接；套管（7）安装在海洋平台（8）上的开采井内，旋转伸缩水枪（2）与保温管道（5）一端通过螺栓连接，保温管道（5）与输送管道（6）均安装于套管（7）内，输送管道（6）的底端与旋转伸缩水枪（2）均伸入到开采井底的天然气水合物储层（1）中；海水泵（11）入口与大海相通，出口通过电加热器（12）与高压泵（15）入口相连，CO₂液体储罐（13）和分解促进剂储罐（14）分别连接到高压泵（15）和电加热器（12）之间的管道上，分解促进剂储存于分解促进剂储罐（14）内，液态CO₂储存于CO₂液体储罐（13）内，保温管道（5）另一端与高压泵（15）出口连接；输送管道（6）的出口端通过过滤装置（17）与气液分离器（18）入口连接，气液分离器（18）气相出口和液相出口分别与气体回收装置（19）和储水罐（17）连接，压力表（16）设于输送管道（6）的出口处用于检测井口压力。

2.一种原位开采海底天然气水合物的装置及其方法，其特征在于，该开采方法包括：

1）将风力发电机（10）和太阳能电池（9）安装到海洋平台（8）上，分别吸收风能和太阳能后，产生的直流电储存到蓄电池（21）中；

2）在海洋平台（8）上使用深水钻井技术在天然气水合物埋藏区域钻开采井，安装套管（7）；

3）将与旋转伸缩水枪（2）连接成一体的保温管道（5）和输送管道（6）一并通过套管（7）送入开采井中；

4）天然气水合物的分解；

a.通过控制器（23），接通蓄电池（21）给系统供电，开启高压泵（15）、海水泵（11）和电加热器（12），先打开分解促进剂储罐（14）的阀门，将水合物分解促进剂注入天然气水合物储层（1），用海水泵（11）抽取海面温度较高的海水，通过电加热器(12)产生载热流体，注入天然气水合物储层(1)，先采用化学试剂法和热激化法引发天然气水合物的分解反应，将天然气水合物分解为天然气和水，分解产生的水和气在井底流动，膨胀推动水一起通过输送管道(6)向上移动；

b.当压力表(16)显示示值时，表明有天然气生成，此时关闭分解促进剂储罐(14)的阀门、海水泵(11)和电加热器(12)，打开CO₂液体储罐(13)的阀门，将液态CO₂经高压泵（15）送入保温管道（5），通过旋转伸缩水枪（2）产生高压液态CO₂射流（3）作用于天然气水合物储层（1），在旋转伸缩水枪（2）作用半径内切割天然气水合物储层（1），同时液态CO₂在天然气水合物储层（1）内形成CO₂水合物，置换出天然气，所生成的CO₂水合物的密度大于海水，自动沉积于底层填充天然气水合物开采后留下的空隙，CO₂水合物形成时放出水合物生成热，进一步促进天然气水合物分解；

5）分解后天然气导出；经上述热激化法、化学试剂催化法和CO₂置换法后形成反应后混合物（4），反应后混合物（4）包括：天然气、CO₂、未分解的天然气水合物晶体、分解促进剂和水，反应后混合物（4）回流进入输送管道（6）上升至过滤装置（17），过滤后通过气液分离器（19）进行气液分离，气体进入气体回收装置（20），液体进入储水罐（18）；

整个开采过程中压力表（16）随时监测井口压力，反应稳定时压力表示值稳定，当压力表示值明显下降时，即通过再次开启分解促进剂储罐（14）阀门、海水泵（11）和电加热器（12）重新启动利用化学试剂催化法和热激化法分解天然气水合物。

3.根据权利要求1所述的一种原位开采海底天然气水合物的装置及其方法，其特征是所述的风力发电机（10）是采用水平轴风力机，太阳能电池（9）是采用单晶硅太阳能电池。

4.根据权利要求1所述的一种原位开采海底天然气水合物的装置及其方法，其特征是所述的分解促进剂是采用低碳醇或多元醇或盐水或其混合溶液，同时含有表面活性剂；低碳醇为甲醇或乙醇或异丙醇或其混合溶液；多元醇为乙二醇或二甘醇或三甘醇或丙三醇或其混合物；盐水的阳离子为K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、NH₄ ⁺，阴离子为Cl^-、F^-、Br^-、PO₄ ^3-、草酸根、乙酸根。

5.根据权利要求1或4所述的一种原位开采海底天然气水合物的装置及其方法，其特征是所述的各种醇溶液的浓度均为20%-60%；所述盐水浓度为10%-60%；所述表面活性剂为直链、支链、芳香链或含氟长链的有机高分子聚合物或其混合物，表面活性剂的浓度为0.1%-2%。

6.根据权利要求2所述的一种原位开采海底天然气水合物的装置及其方法，其特征是所述的载热流体的温度为50-80℃；高压液态CO₂射流（3）的压力为20-50MPa，流速为400m/s。