CN103498652A - 一种注高温蒸汽开采冻土区天然气水合物的方法与装置 - Google Patents

Abstract

天然气水合物（Natural Gas Hydarte,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。随着经济的发展，我们对能源的需求量日益加大，煤和石油开采的难度和成本也日益加大。而天然气水合物以其含量巨大，并作为一种有效的替代能源的价值也日益突出。本发明提供了一种注高温蒸汽开采冻土区天然气水合物的方法与装置。本装置原理是通过向天然气水合物层注入高温蒸汽，使得天然气水合物温度上升而达到水合物分解的目的，同时由于蒸汽作为气态分子簇流动，可以大大加速携带分解出的烃分子，使得平衡向分解方向有效进行。

Description

一种注高温蒸汽开采冻土区天然气水合物的方法与装置

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物的开采方法，尤其是采用注入高温蒸汽开采天然气水合物的方法，属能源开发技术领域。

背景技术

天然气水合物是近二十年来海洋和冻土区域发现的一种新型洁净资源。由碳氢分子和水分子在低温（0～10℃），中高压（＞10MPa）条件下形成具有笼状结构的结晶水合物，分子式M·nH₂O,M为气体分子，常见的有CH₄、C₂H₆、C₃H₈等烃类和CO₂、N₂、H₂等非烃类分子，分子以甲烷为主。1m³天然气水合物能分解释放160～180m³（标准）天然气，全球估计天然气水合物总体积量大约1.8×10¹⁶～2.1×10¹⁶m³，相当于全球已探明常规化石燃料总量2倍。

天然气水合物中得到的甲烷气体碳氢比小，释放相同热量甲烷产生CO₂少，从环保角度看，天然气水合物开发利用无疑有重大意义。

勘探表明，我国冻土面积世界排名第三，特别是青藏高原是多年生冻土地带，可能埋藏丰富的天然气水合物矿藏，同时，我国诸多海区具有天然气水合物形成条件，根据广州海洋地质调查局证实，我国南海蕴藏着丰富的天然气水合物。综上所述，天然气水合物开发利用具有很大现实意义。

天然气水合物钻探开发是一个全新的研究领域，它作为新型能源燃料具有巨大的资源潜力。作为临界状态物质，若其开采不当或注催化剂等化学试剂则可能对地下水质构成污染威胁。作为巨大有机碳库，其开采与利用将为未来能源利用及气候产生重大深远意义。

随着对天然气水合物的不断深入研究，目前开采方式大体上分为热力开采法、化学剂开采法、降压开采法。由于化学剂开采法对地下淡水及土质构成潜在的污染威胁，以及化学试剂成本较大，而降压开采法对天然气水合物层开发利用率低，且开采速率慢，且降压法是天然气水合物矿藏下部赋予有天然气田的情况下才可以有效使用，该法应用受天然气水合物贮存条件的限制。因此，热力开采法是可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一。

发明内容

针对后两种开采方法的不足，本发明提供利用向地下注入高温蒸汽，使天然气水合物分解来开采天然气的方法。本开采方法是天然气水合物有效、快速、经济的开采方法，为大规模开采天然气水合物提供行之有效途径。

为实现上述目的，本发明方案是由三大部分组成：天然气水合物开采装置，蒸汽循环系统，以及天然气收集系统。下面介绍这三部分：

天然气水合物开采装置：主要由两部分构成：注蒸汽管与套管。注蒸汽管与蒸汽管路相连，当锅炉将水泵抽来的水加热生成高温蒸汽后，过管路注入注蒸汽管中，蒸汽在注蒸汽管底部流出与天然气水合物接触，释放潜热，由于天然气水合物分解是吸热反应，且温度升高，天然气水合物便会分解，释放出天然气。而套管作用便是将生成的天然气收集起来，通过多相泵抽入地面气水分离器中，此时，抽上的天然气中伴有蒸汽以及液态水。

蒸汽循环系统：水由供水装置经水泵送往锅炉，经锅炉加热生成高温蒸汽，经天然气水合物开采装置后，由多相泵气水分离器处理后，水进入水箱，然后由泵送到水处理装置，最后再进入供水装置，以完成水的循环利用。

天然气收集系统：气水分离器分离后天然气储存在储气罐中，以达到利用目的。其间储气罐与气水分离器有一止回阀，防止天然气逆向流动。

传统热力开采法，沿程热损失大，热能利用率低，为了克服这一缺点本开采方法要求锅炉出来管线外加保温层，以及注蒸汽管要求是双层，中间抽成真空，因此对注蒸汽内侧管材料刚性有要求，且需在内侧管外设加强圈，以保证注蒸气管不会因两侧压力差过大而疲劳断裂。

由于开采天气水合物中，流体是高温蒸汽，因此锅炉出来的蒸汽的温度和压强有严格的控制。

附图说明

图1为天然气水合物蒸汽法开采系统原理图；

图2为地表蒸汽管路剖面结构图；

图3为注蒸汽开采天然气水合物装置图。

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明专利作进一步详细的说明：

本发明专利具体涉及一种基于注蒸汽开采天然气水合物的方法和装置，具体实施方式为：①供水装置通过水泵将水流入锅炉，然后产生高温蒸汽；②高温蒸汽注入开采井中，遇到温度低的天然气水合物大部分液化释放潜热，从而使得天然气水合物层温度升高分解，生成天然气与剩余蒸汽还有液化后的水一并在天然气套管层中被多相泵抽入气水分离器中；③通过气水分离器处理后，天然气被储气罐收集，而水进入水箱；④水箱中的水经过水处理装置再次进入供水装置中，从而使得水循环利用。

方法中采用的装置包括：供水装置(1)，水泵(2)，锅炉(3)，蒸汽控制阀(4)，管路流量控制阀(5)，非开采层套管(6)，天然气流动管(7)，注蒸汽管(8)，潜水泵(9)，管套回压阀(10)，多相泵(11)，汽水分离器(12)，止回阀(13)，储气罐(14)，水箱(15)，水处理装置(16)，天然气水合物层(17)，保温层(18)，蒸汽流动管路层(19)，加强圈(20)，真空夹层(21)，止回装置(22)；

本发明开采系统制造经济清洁，对地下淡水不会造成污染威胁，同时对开采地质也无特殊要求，适合冻土地带及深海地域天然气水合物开采。本发明以天然气水合物热力开采法为理论依据，在对热力开采方法全面改进基础上，实现注高温蒸汽来开采天然气水合物的方法。广泛应用于我国青藏高原等冻土地带和我国诸多海区天然气水合物的开采。为解决我国能源问题，提供一种行之有效且成本相对低、运行可靠的开采天然气水合物的方法。

Claims (5)

1.一种注高温蒸汽开采冻土区天然气水合物的方法，方法中采用的装置包括：供水装置(1)，水泵(2)，锅炉(3)，蒸汽控制阀(4)，管路流量控制阀(5)，非开采层套管(6)，天然气流动管(7)，注蒸汽管(8)，潜水泵(9)，管套回压阀(10)，多相泵(11)，汽水分离器(12)，止回阀(13)，储气罐(14)，水箱(15)，水处理装置(16)，天然气水合物层(17)，保温层(18)，蒸汽流动管路层(19)，加强圈(20)，真空夹层(21)，止回装置(22)；开采步骤其特征在于：①供水装置通过水泵将水流入锅炉，然后产生高温蒸汽；②高温蒸汽注入开采井中，遇到温度低的天然气水合物大部分液化释放潜热，从而使得天然气水合物层温度升高分解，生成天然气与剩余蒸汽还有液化后的水一并在天然气套管层中被多相泵抽入气水分离器中；③通过气水分离器处理后，天然气被储气罐收集，而水进入水箱；④水箱中的水经过水处理装置再次进入供水装置中，从而使得水循环利用。

2.如权利要求1中所述的一种注高温蒸汽开采冻土区天然气水合物的方法与装置，其特征在于，蒸汽从锅炉出来需要经过蒸汽控制阀，通过检测其流量和压强达到管路要求值；在锅炉与开采井之间有一管路流量控制阀，用以发生事故时可以有效及时控制全线。

3.如权利要求1中所述的一种注高温蒸汽开采冻土区天然气水合物的方法与装置，其特征在于，抽出水经处理后可以循环利用。

4.如权利要求1中所述的一种注高温蒸汽开采冻土区天然气水合物的方法与装置，其特征在于，蒸汽管路与天然气流动层间通过真空夹层隔开，以减小蒸汽下注过程中热量损失。

5.如权利要求1中所述的一种注高温蒸汽开采冻土区天然气水合物的方法与装置，其特征在于，为确保真空夹层两边刚性条件，需要在应力最大处设加强圈。

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