CN103726817A - 一种利用微波技术开采天然气水合物的方法与装置 - Google Patents

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商丽艳
张谋
刘俊杰
潘振
马贵阳
韦丽娃
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Abstract

微波开采天然气水合物技术,可以看作是热激发法开采天然气水合物的一种。但它又与传统的热激发法不同。微波开采天然气水合物技术主要依据的原理有三个:加热作用,造缝作用和非热效应作用。由于天然气水合物是极性物质,它对微波有一定的吸收作用(天然气水合物介电常数大约为58,略比冰小),这对采用微波技术加热水合物可行性提供很好的理论依据。由于微波加热是体型加热,这更加缩短水合物分解时间。本发明是一种利用微波技术开采天然气水合物的方法与装置。由于微波加热方法作用速度快、设备简单、灵活性高、投资小且对储层不会产生任何污染,适合开采任何类型水合物资源,这对天然气水合物开采事业有很重要的现实意义。

Description

一种利用微波技术开采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,是通过微波加热技术来开采天然气水合物,由于水合物不同开采阶段主要分解机理不同,其对微波吸收功率也有所不同,因此采用可变功率微波来开采,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。其储量巨大,是一种很有潜力能源物质,其开发利用有重大意义。
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。但是传统开采方法均有不足之处,既浪费能源,又开发困难。针对传统开采方法,采用微波加热开采天然气水合物有着很大的优势。
天然气水合物是一种极性物质,对微波有一定的吸收作用(天然气水合物的介电常数约为58,略小于冰)。其分解过程中各组分介电常数差异造成水合物内部温度显著差异。
微波加热分解水合物是多种机理共同作用的结果,具体有:加热作用;造缝作用;非热效应三大作用。加热作用:由于水合物是极性物质,对微波吸收后能量以热能的方式散耗在水合物中,从而水合物温度上升;造缝作用:微波源对水合物层辐射,由于不同物质组分对微波吸收不同,且在微波作用下温度变化不同以及热膨胀系数不同,这造成很大的热应力,会使得水合物内部产生很多微裂缝,这大大提高了开采层渗透率,有利于水合物分解;非热效应作用:当微波频率接近水合物分子固有频率时,引起水合物分子强烈共振,引起了天然气水合物中天然气分子与水分子结合的键断裂,进一步促进水合物分解。
大量实验和数据(李栋梁等,微波对天然气水合物形成/分解过程的影响,科学通报,2008年第53卷第24期)表明微波对天然气水合物微波功率越大,水合物分解速度越快,但和平均吸收功率并不成线性关系。当温度过高,水合物分解出自由水甚至会汽化,不利于水合物分解且水汽化会使天然气湿度增大,大大减少采出气体中天然气的含量。微波加热初期,水合物温度上升较慢,原因是水合物内部自由水还很少,水合物对微波吸收能力较弱,此时表明水合物不具有吸收微波优势,当随着水合物温度逐渐升高,内部自由水的含量不断增多,水合物内部温度显著升高,原因是自由水有利于微波吸收,且自由水优先高效吸收微波,使自由水温度上升,于是加热水合物,促进了水合物的分解。实验表明是微波先加热了自由水,水再加热水合物分解,因此分解出的水吸收微波温度升高后与微波有协同作用,共同促进水合物的分解。由于是体加热,其分解效率非常高。
发明内容
针对微波对水合物加热机理的复杂性,以及在不同水合物分解阶段,其主要的分解机理的不同,照成微波加热开采水合物时,应依据不同开采阶段,为水合物提供不同功率微波。本专利提供一种利用微波技术开采天然气水合物的方法与装置。
装置分两部分组成:①天然气水合物开采装置,主要由:电脑中央控制系统(1);密封圈(2);控制线束(3);微波发射及控制装置(4)组成;②天然气收集装置,主要由:浮盘控制线路(5);天然气集气井(6);移动浮盘(7);浮盘最低位限制销(8);天然气净化(干燥、除H2S、除固体杂质)装置(9);天然气储存装置(10)组成。
图2微波发射及控制装置即为图1装置(4)详细结构,其主要由:1#发射车控制线路(13);2#发射车控制线路(14);3#发射车控制线路(15);4#发射车控制线路(16);温度压力探测仪、摄像头数据传输线(17);浮盘位置高度控制线(18);微波发射车(19);微波发射装置支架(20);1#微波发射车(21);2#微波发射车(22);3#微波发射车(23);4#微波发射车(24);温度压力探测仪(25);摄像头(26)组成。
附图说明
图1为一种采用微波技术开采天然气水合物装置图
图2为微波发射及控制装置图
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采用可变功率微波技术开采天然气水合物的方法与装置,具体实施方式为:温度压力探测仪(25)通过温度压力探测仪、摄像头数据传输线(17)将温度压力数据传输给电脑中央控制系统(1),地面操作人员通过显示器显示的水合物温度、压力以及摄像头拍摄开采井中水合物分解图样判断水合物分解的状态来给出微波发射车输出功率值,通过人工分析给出指令,分别由1#、2#、3#、4#发射车控制线路依次控制1~4#发射车在发射车轨道机芯上位置以及发射微波功率,浮盘位置高度控制线(18)控制浮盘位置高度。当浮盘达到最高处表明天然气集气井(6)中已充满天然气,此时电脑中央控制系统(1)输入指令通过浮盘位置高度控制线(18)控制浮盘下降直至浮盘触及浮盘最低位限制销(8)排出集气井中天然气。
开采前先确定微波工作频率,具体操作方法为:在四辆发射车输出功率相同时,分别对四辆均匀排列在发射车轨道机芯上的发射车设定不同的输出频率,当发现四辆车中某一辆小车下的水合物温度明显高于其他三辆,应当重新设定输出频率,重新值均匀围绕在刚才那辆小车温度过高所设频率周围,直到发现温度下降为止,此时应当将这一段频率视为水合物分子固有频率,作为微波工作频率。然后再调节发射车输出功率。
操作者在电脑屏幕上看得发射车轨道机芯上安有摄像头传输来的图像样本时,分析水合物层加热时所处的阶段,在加热初期,由于水合物对微波吸收不占优势,因此可以适当增大发射车的输出微波功率,当自由水积累到一定阶段时,由于自由水对微波有很好的吸收能力,此时应当调整发射车位置,发射车在发射车轨道机芯上移动可以大大避免局部过热,同时当整个加热水合物整体温度达到水合物分解设定温度时,不宜再保持原来功率,应当适当减小输出微波功率,这样避免了自由水汽化带来的负面作用。
方法中采用的装置包括:电脑中央控制系统(1);密封圈(2);控制线束(3);微波发射及控制装置(4);浮盘控制线路(5);天然气集气井(6);移动浮盘(7);浮盘最低位限制销(8);天然气净化(干燥、除H2S、除固体杂质)装置(9);天然气储存装置(10);天然气水合物层(11);微波发射车行进轨道(12);1#发射车控制线路(13);2#发射车控制线路(14);3#发射车控制线路(15);4#发射车控制线路(16);温度压力探测仪、摄像头数据传输线(17);浮盘位置高度控制线(18);微波发射车(19);微波发射装置支架(20);1#微波发射车(21);2#微波发射车(22);3#微波发射车(23);4#微波发射车(24);温度压力探测仪(25);摄像头(26)。

Claims (6)

1.一种利用微波技术开采天然气水合物的方法与装置,方法中采用的装置有:电脑中央控制系统(1);密封圈(2);控制线束(3);微波发射及控制装置(4);浮盘控制线路(5);天然气集气井(6);移动浮盘(7);浮盘最低位限制销(8);天然气净化(干燥、除H2S、除固体杂质)装置(9);天然气储存装置(10);天然气水合物层(11);微波发射车行进轨道(12);1#发射车控制线路(13);2#发射车控制线路(14);3#发射车控制线路(15);4#发射车控制线路(16);温度压力探测仪、摄像头数据传输线(17);浮盘位置高度控制线(18);微波发射车(19);微波发射装置支架(20);1#微波发射车(21);2#微波发射车(22);3#微波发射车(23);4#微波发射车(24);温度压力探测仪(25);摄像头(26),具体工艺流程为:温度压力探测仪(25)通过温度压力探测仪、摄像头数据传输线(17)将温度压力数据传输给电脑中央控制系统(1),地面操作人员通过显示器显示的水合物温度、压力以及摄像头拍摄开采井中水合物分解图样判断水合物分解的状态来给出微波发射车输出功率值,通过人工分析给出指令,分别由1#、2#、3#、4#发射车控制线路依次控制1~4#发射车在发射车轨道机芯上位置以及发射微波功率,浮盘位置高度控制线(18)控制浮盘位置高度,当浮盘达到最高处表明天然气集气井(6)中已充满天然气,此时电脑中央控制系统(1)输入指令通过浮盘位置高度控制线(18)控制浮盘下降直至浮盘触及浮盘最低位限制销(8)排出集气井中天然气。
2.如权利要求1中所述:电脑中央控制系统(1)可以通过控制线束(3)控制微波发射车发出微波功率,以及发射车在发射车轨道机芯上位置。
3.如权利要求1中所述:微波发射装置上安有摄像头,可以清晰采集到发射车在轨道上位置,以及水合物层状态图像信息,以便于地面操作者可以准确判断井下水合物开采处于哪个阶段来给出合适的微波功率,以及为了均匀加热水合物,合理调整发射车的位置。
4.如权利要求1中所述:为防止与微波发射车信号干扰,所有电脑控制线路均采用电路控制,应避免遥感无线电技术。
5.如权利要求1中所述:浮盘升降位置均由温度压力探测仪通过温度压力探测仪、摄像头数据传输线(17)传输给电脑中央控制系统(1)数据控制,其作用为正反馈调节,即当集气井中压力上升时,浮盘上移使得压力恢复到初始设定值。
6.如权利要求1中所述:采用可变功率微波来加热水合物,使得水合物升温分解,但具体发射车输出功率应以水合物加热的具体温度,以及开采阶段来具体控制,既要避免局部过热,又要满足水合物不同开采阶段微波功率及频率要求。
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