CN102797447A - 陆地可燃冰开采装置和开采方法 - Google Patents

Abstract

一种陆地可燃冰开采方法、以及其采用的开采装置，该方法应用了微波加热的原理，将地下可燃冰开采后分解出压缩天然气CNG，其作为能源加以应用。该开采方法节能环保、经济效益显著；该开采装置结构相对简单、使用方便、生产成本较低，便于推广使用。

Description

陆地可燃冰开采装置和开采方法

技术领域

本发明涉及一种可燃冰的开采方法，特别是涉及一种利用热解法开采陆地可燃冰的方法，以及其采用的开采装置。

背景技术

天然气水合物(Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate)是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源，它分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，是水和天然气在高压和低温条件下混合时产生的一种固态物质，外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃水”、“气冰”、“固体瓦斯”之称，被誉为21世纪具有商业开发前景的战略资源。天然气水合物是一种新型高效能源，其成分与人们平时所使用的天然气成分相近，但更为纯净，开采时只需将固体的“天然气水合物”升温减压就可释放出大量的甲烷气体。在标准状况下，一单位体积的天然气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体，因而其是一种重要的潜在未来资源。

据潜在会体联合公(PGC 1981)估计，陆地永久冻土区可燃冰资源量为1.4×10¹³～3.4×10¹⁶m³，陆地上的可燃冰资源主要分布在高纬度极地永久冻土带之下，或者大陆边缘的斜坡和隆起处。中国是世界上第三冻土面积大国，冻土区面积达215万平方公里，具备有利于可燃冰赋存条件和资源前景。据测算，中国南海天然气水合物的资源量为700亿吨油当量，约相当中国目前陆上石油、天然气资源量总数的二分之一。我国可燃冰资源量将超过2000亿吨油当量。其中，南海海域约650亿吨，位于青藏和黑龙江小兴安岭的冻土带则有1400多亿吨。其中，黑龙江可燃冰储量全国第二，小兴安岭地带将出现“冰田城市群”。

在我国，作为未来重要的新型能源矿藏——“可燃冰”将首次纳入到能源规划之中。2011年3月15日，可燃冰已经纳入“十二五”能源发展规划，加快加强勘探和科学研究，以便为未来开发利用奠定基础。

无论是国土资源部，还是国家能源局，对可燃冰的态度都日渐明确。作为一种新型能源，可燃冰纳入“十二五”能源发展规划更多的是侧重于勘探和科学研究。国土资源部总工程师张洪涛曾向记者介绍，天然气水合物又称“可燃冰”，是由水和天然气在高压、低温条件下混合而成的一种固态物质，外貌极像冰雪或固体酒精，遇火即可燃烧，具有使用方便、燃烧值高、清洁无污染等特点，是公认的尚未开发的最大新型能源。在2011年全国“两会”期间，国家能源局副局长钱智民向媒体透露，天然气水合物将在能源发展规划中得到体现。而中国矿产资源权威人士也明确表示，在“十二五”能源规划中，可燃冰作为一种新型资源将被纳入其中。“可燃冰勘探开发是一个系统工程，涉及海洋地质、地球物理、地球化学、流体动力学、钻探工程等多个学科。”广州海洋地质调查局专家说，大力开展可燃冰勘探开发研究，可带动相关产业发展，形成新的经济增长点。海底天然气水合物资源丰富，其上游的勘探开采技术可借鉴常规油气，下游的天然气运输、使用等技术都很成熟。因此，加强天然气水合物调查评价是贯彻实施党中央、国务院确定的可持续发展战略的重要措施，也是开发中国二十一世纪新能源、改善能源结构、增强综合国力及国际竞争力、保证经济安全的重要途径。

可燃冰主要蕴藏在海底、陆地永久冻土带之下，是天然气小分子在一定条件下与水相互用形成的白色固态结晶物质。由于可燃冰的自身特性，其与常规传统型能源的开发不同。比如，煤炭在矿井下是固体，开采后仍是固体；石油在地下流体，开采后仍是流体。而可燃冰在海底、陆地深永久冻土层下理藏时是固体，在开采过程中分子构造发生变化，从固体变为气体。就是说，可燃冰在开采过程中发生了相变。

综合各国对可燃冰开发技术大体可分为两大类：一类是地下分解开采；另一类是地上分解开采。

地下分解开采是参考石油开采的工艺过程，首先在地层中钻形成井筒，然后考虑如何人为地打破可燃冰稳定存在的温度压力条件，将蕴藏在海底、陆地永久冻土带之下的沉积物中的可燃冰进行分解，最后再将可燃冰或LNG采至地面。

主要包括；

①加热法；是将蒸汽、热水、热盐水或其它热流体从地面泵入可燃冰储层，促使温度上升达到可燃冰的分解。

②降压法；是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地。

③化学剂法；将盐水、甲醇、乙醇等化学剂从井孔泵入地层后，可以改变可燃冰形成的相平衡条件，降低可燃冰稳定温度，引起可燃冰的分解。

对于地下分解开采，由于大陆斜坡的不稳定，铺设的管道非常长、管道中易于形成水合物堵塞等原因，会产生一定的技术和经济问题。与此同时，以上各种开采技术都有其本身的局限性。如：加热法存在热损失大和效率低的问题；降压法存在开采速度慢的问题；化学剂法存在费用昂贵的问题，等等诸如此类。以上这些因素，都有可能使得人们难以利用这种手段来开采可燃冰资源。

对于另一类可燃冰开发技术，地上分解开采是指在不使可燃冰分解的情况下，把可燃冰运送到陆地上来进行分解开采。一个新的可燃冰开发方法是在深海可燃冰颗粒化或将可燃冰装入一种可膨胀的软式气袋(其内部保持可燃冰稳定所需要的温压条件)中。再用潜水艇把可燃冰拖运到大陆架附近的浅水区域。在那里可燃冰能够缓慢地分解、产生LNG和水。

或许今后能研发出一种添加剂，使可燃冰在较低的压力和较高的温度下能够稳定。如果能做到这些，可燃冰在传统的船舶上运输起来可能比液化的天然气还要安全。地上分解开采虽然克服了地下分解开采的一些缺点，但目前还仅仅是一种规划，还有许多难题需要克服，距离实际矿场应用还有相当的距离。

综上所述，到目前为止，还没有一种可以用来开采可燃冰的具体而有效的方法。现阶段受到关注的方法有：注入热水、降低储层压力、注入抑制剂、注入不会形成可燃冰的气体。实际投入生产但尚有争议的只有俄罗斯西伯利亚的麦索雅哈气田，其利用降压和注入抑制剂的方法已经生产了20年。从以上各方法使用来看，单单采用某一种方法来开采可燃冰是不经济的，只有结合不同方法的优点才能达到对可燃冰的经济开采。

鉴于上述原因，陆地可燃冰开采，是对陆地、地下分解可燃冰所使用的深格网微波加热开采布置方法，其利用的是一种微波加热开采可燃冰的装置，加热可燃冰储层的热量是由微波提供的。海洋可燃冰开采是在充分考虑了海水深处下分解开采和地上分解开采的优点和不足的基础上，提出的一种经济、高效地大规模开采海洋可燃冰的方法及其开采装置，为可燃冰开采开辟了一条新的途径。

微波与无线电波、红外线、可见光一样都是电磁波，微波是指频率为300MHZ-300KMHZ的电磁波，即波长在1米到1毫米之间的电磁波。当微波在传输过程中遇到不同材料时，会产生反射、吸收和穿透现象，微波对不同材料有不同的穿透率，对金属几乎全反射，而对玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、聚丙烯塑料之类则几手全透过，对于其他物质，渗透深度随波长的增大而变化，它与频率有关，频率越高，波长越短，其穿透力也越弱。

微波具有独特的加热性能，其加热其他的加热方式不同，热量从介质内部产生，温度场比较均匀，具有众多优点，因此现在已经广泛应用于食品、医药等行业。已经证明，微波是一种很好的加热手段。微波可以加快可燃冰分解，而且加热的效果比常规加热好，操作也比较简单，微波可以用来对可燃冰进行开采。利用微波加热可燃冰储层可以避免其注热方式在井口到井底部分的热损失，起到节能、环保的作用。

发明内容

与本发明相关的几个概念(本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布，其中英文名称/简称在以下出现时参照该定义)：

1、中文名称：天然气水合物

英文名称：natural gas hydrate；gas hydrate

其他名称：可燃冰

定义1：

天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质。

所属学科：

海洋科技(一级学科)；(二级学科)；海洋地质学、海洋地球物理学、海洋地理学和河口海岸学(三级学科)。

定义2：

分布于深海沉积物中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。

所属学科：

资源科技(一级学科)；海洋资源学(二级学科)

据专家介绍，可燃冰形成有三个基本条件，缺一不可：

首先温度不能太高；

第二压力要足够大，但不需太大；0℃时，30个大气压以上就可生成；

第三，地底要有气源。可燃冰受其特殊的性质和形成时所需条件的限制，只分布于特定的地理位置和地质构造单元内。

一般来说，除在高纬度地区出现的与永久冻土带相关的天然气水合物之外，在海底发现的天然气水合物通常存在水深300～500m以下。由温度决定，0℃时，30个大气压以上就可生成可燃冰；由温度决定，8-15℃时，正常大气压以上就可生成CNG(参见定义2)。

2、中文名称：压缩天然气

英文名称：Compressed Natural Gas

英文简称：CNG

所属分类：能源、燃料、交通运输……

压缩天然气(Compressed Natural Gas，简称CNG)是天然气加压(超过3,600磅/平方英寸)并以气态储存在容器中。它与管道天然气的组分相同。

CNG可作为车辆燃料利用，这种以CNG为燃料的车辆叫做NGV(NaturalGas Vehicle)。

3、中文名称；液化天然气；

英文名称：Liquefied Natural Gas

英文简称：LNG

LNG主要成分是甲烷。LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，LNG的重量仅为同体积水的45％左右，热值为52MMBtu/t(1MMBtu＝2.52×10＾8cal)。先将气田生产的天然气净化处理，再经超低温(-162℃)常压液化就形成液化天然气。LNG气液之间的临界温度是-82.5℃，液固之间的临界温度是-186℃”。LNG可以用来制作CNG。LNG制造中最常用的标准是美国石油学会(API)的620。

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种陆地可燃冰开采方法及其开采装置，该方法是用于对陆地可燃冰的开采、通过在地下的可燃冰层进行可燃冰分解，所使用的是深格网技术，即在可燃冰开采层设置水平、竖向、形成纵横交叉、管状、等距方格型，采用的是微波加热的一种开采布置方法，加热可燃冰储层的热量是由微波提供的。

本发明提供了一种陆地可燃冰开采方法及其开采装置，其具体方案如下：

本发明提供的是利用微波加热开采可燃冰的方法，其中加热可燃冰储层的热量是由微波提供的，具体步骤如下；

a、微波发生装置产生微波；

b、通过地面传输管线和微波转换装置将微波送到井口装置；

c、井口装置通过微波传输装置发送微波，微波直接到达可燃冰储层，对可燃冰储层进行加热；

d、可燃冰储层分解成CNG和水；

e、CNG通过采气管线输出。

利用微波加热开采可燃冰的装置包含微波发生装置、微波转换装置及微波传输装置，微波传输装置使得微波能够到达可燃冰储层。微波由微波发生器产生，通过地面传输管线和微波转换装置送到井口装置，再由井口装置通过井下微波传输光轨往地下发送微波，微波直接到达可燃冰储层并加热可燃冰储层，或微波通过天线装置接收并产生热量加热可燃冰储层，可燃冰储层温度升高后分解成CNG和水，可燃冰通过水平深格网微波加热开采段和采气管线，在进口装置通过除湿后进入储气设备。

在可燃冰储层还可设有微波接收装置，以接收微波传输装置发送来的微波。光轨进入井中的传输线可以由单节组成微波波导管通过法兰连接而成，方便安装和拆卸，法兰盘型号选用公知型号，选择组部件保证统一标准同一型号。保证微波不产生泄漏，法兰盘对接处采用软金属如铜、铝金属垫圈。

由于传输线一般由铝或铜制成，存在强度问题，传输线可以增加强度很高的套管。

本发明要求保护的陆地可燃冰开采方法的经济效益十分显著，具体在于：将开采可燃冰获得的能量直接加热可燃冰则，开采可燃冰获得的能量中有77％用来加热可燃冰储层和可燃冰，收益为23％。使用微波发生器后，可以提高能量收益。提高发电效率和能量利用率，采用CNG气电联产，能量利用率提高到80％-85％，则能量收益可提高到65％-70％。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明：

图1、陆地可燃冰开采装置的结构示意图和工作原理图：

其中：1、钻头；2、钻机；3、混合物通道；4、泥沙分离装置；5、管道；6、分解罐；7、备用输入管道；8、微波输出管道；9、天然气输入管道；10、天然气输出管道；11、泵；12、微波加热设备。

图2、用于水平井开采可燃冰的装置的结构示意图：

图3、装置在垂直井桶中的设备管线部分截面示意图：

图4、陆地开采可燃冰方法示意图：

图5、用于垂直井开采可燃冰的装置的结构示意图：

其中，图1～图2-5为系列技术方案；

图1中所述的是陆地可燃冰开采钻井技术及部分地面至可燃冰层的连接管线。

图2-5中所述的是陆地可燃冰开采技术及可燃冰加热地下分解部分。

附图2-5的附图标记说明：

1、微波发生装置；2、微波转换器；3、地面传输线；4、储气设备；5、采气管线；6、地表面；7、外部导管；8、套管；9、井下微波传输线；10、上覆岩层；11、水平井弯曲段；12、层间带；13、可燃冰储层、水平、横竖深格网加热构造；14、水平井段；15、天线装置；16、下覆岩层；17、井口装置；18、井桶。

可以理解的是，当图2-5的附图标记符号被写入权利要求书中时，其阿拉伯编号为了和图1的编号区分开来，统一在图2-5的附图标记后加上“a”，这种变化仅仅是符号的适应性调整，其不会导致权利要求书和说明书的不一致，也不会导致申请文件的不清楚。

具体实施方式

以下结合实施例进一步说明本发明。

实施例1

本发明要求保护的可燃冰陆地开采装置，其如图1所示，包括以下部分：

其中：1、钻头；2、钻机；3、混合物通道；4、泥沙分离装置；5、管道；6、分解罐；7、备用输入管道；8、微波输出管道；9、天然气输入管道；10、天然气输出管道；11、泵；12、微波加热设备；

如图1所示；在陆地可燃冰层伸入钻头1进行开采，将可燃冰、泥沙以及分解气体的混合物排到位于地面的泥沙分离装置4，分离后的水合物、分解气体和水的混合物过管道5被输送到位于地面的分解罐6，泵11将用微波加热设备12加热，微波加热经微波输出管道8输入分解罐6，分解出的天然气经管道10导出，另有部分天然气经管道9导出，加热设备12作为微波加热中心。

实施例2

图2-5是利用微波加热开采可燃冰的装置用于水平井开采的结构示意图。

其中：1、微波发生装置；2、微波转换器；3、地面传输线；4、储气设备；5、采气管线；6、地表面；7、外部导管；8、套管；9、井下微波传输线；10、上覆岩层；11、水平井弯曲段；12、层间带；13、可燃冰储层；14、水平井段；15、天线装置；16、下覆岩层；17、井口装置；18、井桶。

该开采装置的具体结构为：微波发生装置1与微波转换器2之间连接有地面传输线3，微波转换器2与井口装置17相连，井口装置17设有井下微波传输线9，井下微波传输线9向地下发送微波。在可燃冰储层13内设有接收微波的天线装置15，天线装置15接收微波并产生热量加热可燃冰储层13。在井口装置17附近有采气管线5，将可燃冰储层13分解的CNG和水在井口装置17通过除温后进入储气设备4。

装置也可不用天线装置15，这样采用井下微波传输线9向地下发送微波的方式直接加热可燃冰储层13。当采气井很深时，由于传输线一般由铝或铜制成，存在强度问题，传输线可以增加强度很高的套管8。

进入井中的传输线可以由一节一节微波导管通过法兰连接而成，可以方便安装和拆卸，这种连接方式是公知技术。

具体的是通过以下的步骤来实现利用微波加热开采水平井中可燃冰的目的；微波由微波发生器1产生，通过地面传输管线3和微波转换装置2送到井口装置，再由井口装置通过井下微波传输线9往地下发送微波，微波由天线装置15接收并产生热量加热可燃冰储层13，可燃冰储层13温度升高后分解成CNG和水，CNG通过水平井段14和采气管线5，在进口装置17通过涂湿后进入储气设备4。

也可以采用井下微波传输线9直接往井下传输微波直接加热可燃冰储层13的方法，该方法的具体步骤如下：微波由微波发生器1产生，通过地面传输管线3和微波转换装置2送到井口装置。再由井口装置通过井下微波传输线9往地下发送微波，可燃冰储层13温度升高后分解成CNG和水，CNG通过水平井段14和采气管线5，在进口装置17通过除湿后进入储气设备4。

其中，图4是利用微波加热开采可燃冰的装置用于水平井开采的结构示意图。装置中部件的具体连接方式和图1中相同。采用图4中的装置实现垂直井中可燃冰的开采的方法和采用图1中的装置实现水平井中可燃冰的开采的方法也一样，这里不再重复。

装置所有地面系统组件都采用法兰连接，选择组件时保证所有组件都使用同一型号。为了保证不让微波产生泄露，连接处可采用金属垫圈，一般以软的金属为主，如铜铝。

水平井是指垂直钻到一定深度后，借助特殊造斜工具，按设计方位使井深轨迹以大于86度井斜角，穿过目的层并延伸300米以上的特殊工艺井。它通过在储层中水平延伸钻进的方式，扩展可燃冰层与微波加热区的扩展面积：由1口竖井向地下钻入至可燃冰层，然后向不同方向水平扩展延伸形成地下水平深格网型加热区。面积可扩大原竖井面积的100倍至更多倍，既能克服诸如城镇、村庄、等地面障碍，实现钻探目标，又能一次穿透十几个油气层，取得相当于5到10口常规直井的效益。其中多目标水平井，阶梯式水平井、一井双探水平井和海油陆采水平井是几种典型的水平井。微波技术也可以通过将天线或小型大功率微波源放入水平井段，天线通过接受地面井口传来的微波并在周围辐射加热储层。

发明采用的微波频率可以为工业中常用的915MHZ和2.45GHZ，也可以根椐微波应用工业标准改动，可以使用300MHZ到3GHZ的微波频率。功率可根据产气量进行调节。

由于产气量必须达到一定量才能发挥经济效益，在没有大功率微波发生器的情况下，可以和减压开采结合，通过降低井压，达到节约能源的效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (12)

1.一种陆地可燃冰开采装置，其特征在于：包括钻头1、钻机2、混合物通道3、泥沙分离装置4、分解罐6、微波加热设备12、备用输入管道7、微波输出管道8、天然气输入管道9、天然气输出管道10、备用输出管道11、泵12、和管道5；其连接方式为：带有钻头1的钻机2通过混合物通道3连接泥沙分离装置4，泥沙分离装置4连接分解罐6，分解罐6通过输出管道5连接微波加热设备12，微波加热设备12分别连接天然气输出管道9、10和微波输出管道8，分解罐6连接微波加热设备12连接微波输出管道8，管道7、12微波加热设备。

2.根据权利要求1所述的开采装置，其特征在于：该装置进一步包括如下结构：微波发生装置1a、微波转换器2a、地面传输线3a、储气设备4a、采气管线5a、外部导管7a、套管8a、井下微波传输线9a、天线装置15a；井口装置17a；其连接方式为：微波发生装置1a与微波转换器2a之间连接有地面传输线3a，微波转换器2a与井口装置17a相连，井口装置17a设有井下微波传输线9a，在可燃冰储层内设有接收微波的天线装置15a，在井口装置17a设有采气管线5a，将可燃冰分解的CNG和水在井口装置17a通过除温后进入储气设备4a。

3.根据权利要求1或2所述的开采装置，其特征在于：各组件采用法兰连接。

4.根据权利要求3所述的开采装置，其特征在于：法兰连接处有金属垫圈。

5.根据权利要求4所述的开采装置，其特征在于：金属垫圈由铝或铜制成。

6.根据权利要求1或2所述的开采装置，其特征在于：各组件采用法兰连接。

7.根据权利要求2所述的开采装置，其特征在于：传输线由铝或铜制成。

8.根据权利要求2所述的开采装置，其特征在于：传输线通过法兰连接而成。

9.一种陆地可燃冰的开采方法，其特征在于：利用微波加热，具体开采步骤是：在陆地可燃冰层伸入钻头1进行开采，将可燃冰、泥沙以及分解气体的混合物排到位于地面的泥沙分离装置4，分离后的水合物、分解气体和水的混合物过管道5被输送到位于地面的分解罐6，泵11将用微波加热设备12加热，微波加热经管道8输入分解罐6，分解出的天然气经管道10导出，另有部分天然气经管道9导出，加热设备12作为微波加热中心。

10.根据权利要求9所述的开采方法，其特征在于：该方法进一步包括开采地面下水平井中可燃冰的步骤，具体步骤是：微波由微波发生器1a产生，通过地面传输管线3a和微波转换装置2a送到井口装置，再由井口装置通过井下微波传输线9a往地下发送微波，微波由天线装置15a接收并产生热量加热可燃冰储层13a，可燃冰储层13a温度升高后分解成CNG和水，CNG通过水平井段14a和采气管线5a，在井口装置17a通过涂湿后进入储气设备4a。

11.根据权利要求9或10所述的开采方法，其特征在于：采用的微波频率根据产气量进行调节。

12.根据权利要求11所述的开采方法，其特征在于：采用的微波频率是300MHZ到3GHZ的微波频率。

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