CN104196510B - 天然气水合物热激法反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种天然气水合物热激法反应装置。包括外部导管，在外部导管内布置纳米铝粉输送管道和气体收集管道，在纳米铝粉输送管道的前端设置引燃炸药。本发明可使天然气水合物开采过程更加灵活，提高每个竖井的开采效率。经过加压和冷却除去水分，再经过氮气压缩机制冷到‑162℃成液体甲烷，可将一部分通过反应得到的甲烷和氢气混合物用作为泵和压缩机的燃料。采用铝冰反应产生的大量热为天然气水合物分解提供热量，可避免在管道输送过程中的热量损失，提高开采效率。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种采矿装置，具体地说是一种天然气水合物的开采装置。
背景技术
天然气水合物是由天然气与水分子在一定压力和较低温度下形成的一种固态结晶物质。自然界中存在的天然气水合物中天然气的主要成分为甲烷。该资源储量大、分布范围广、能量密度高、杂质少、无污染。自1810年在实验室首次发现天然气水合物和1888人工合成天然气水合物后，国内外学者一直对天然气水合物进行研究和探索。迄今为止，已发现的水合物晶体结构有I、II和H三种，结构I水合物的理想分子式为8M·46H2O，式中M表示客体分子。结构II水合物理想分子式是24M·136H2O，结构H水合物理想分子式为6M·34H2O。在在空隙中没有客体分子的假想状态下，结构I和结构II水合物的密度分别为796kg/m3和786kg/m3。笼形水合物晶体密度在880-900kg/m3之间，一般比水轻。目前，世界各地科学家对天然气水合物的类型和物化性质、自然赋存和成藏条件、资源评价、勘探开发手段以及天然气水合物与全球气候变化及海洋地质灾害的关系等进行了广泛而卓有成效的研究。虽然天然气水合物的储量很丰富，开采和使用的价值及前景都很好，但是目前并没有实现广泛有效的商业开采利用，多是研究型开采和特殊气藏条件下的开采。
究其原因，主要是一直以来没有一套能够被广泛采用并且取得有效开采价值的开采方法。经过科学家的研究，已经有一些开采方法，它们是降压法，热激法，注入化学试剂法和CO2置换法等，可是每一种方法都又有其缺点。对于降压法是通过降低天然气水合物赋存地层的压力打破其稳定存在的条件，迫使它分解。只有当天然气水合物赋存地层位于平衡边界附近时减压开采法才具有商业开采价值。对于化学开采法是用一些特殊化学试剂破坏水合物形成的平衡条件，迫使其分解，该方法成本高且有一定环境污染。对于CO2置换法是借助于CO2和气水合物二者稳定状态时存在的压力不同进行开采，要想将CO2乳化液应用于实际开采中，必须想办法制备出可以稳定存在并且成本较低的CO2乳化液。
关于热激法及其装置的公开报道较多，例如：申请号为200410077272.8的专利文件中公开了“一种开采天然气水合物的方法和装置”；专利申请号为200510100811.X的专利文件中公开了“一种天然气体水合物水下注热开采装置”等。热激法是对含天然气水合物的地层进行加热升温从而迫使其分解，热激法最大问题在于热量利用率低，虽然最近有人提出微波及电磁加热，但是还没有从根本上解决热量利用率低的问题。
因此，从已有的开采方法可知，限制天然气水合物商业性开发利用的瓶颈就在于如何寻找行之有效的能够在各种气藏条件下广泛使用的开采方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热效利用率高，能够在各种气藏条件下广泛使用的天然气水合物热激法反应装置。
本发明的目的是这样实现的：包括外部导管，在外部导管内布置纳米铝粉输送管道和气体收集管道，在纳米铝粉输送管道的前端设置引燃炸药。
本发明还可以包括：
1、在气体收集管道的前端设置过滤网。
2、在气体收集管道的前端的过滤网之前设置涡轮叶片。
3、在外部导管外套有外部套管。
本发明主要借助纳米铝粉与冰反应能够产生大量的热，并且将冰反应掉，使得天然气水合物快速分解，它主要解决了热激法开采方法热效率利用低的矛盾，且能够在各种气藏条件下广泛使用。
本发明的原理是利用输送纳米级金属铝材料过程没有热损失，同时纳米级金属铝材料与冰能够快速激烈反应并释放大量的热，这些热量会使得当地温度快速升高，打破气水合物的平衡条件，并且会反应掉大量的水分子，使得天然气释放出来。同时生成对天然气没有影响的可燃气体氢气。Al/H2O反应的绝热温可达2862K/实际上Al/H2O反应经历了以下几个阶段的过程
Al+H2O＝AlO+H2；2Al+4H2O＝2HAlO+3H2；
2Al+3H2O＝Al2O3+3H2-833.12kj/mol
其中AlO在试验中已经测得，首先看三个反应方程式的热力学特性，计算如下：
Al+H2O＝AlO+H2
由计算结果可以知道该反应吸热，且在标态下不可自发进行。
2Al+4H2O＝2HAlO+3H2
由计算结果可以知道该反应放热，且在标态下可自发进行。
2Al+3H2O＝Al2O3+3H2-833.12kj/mol
由计算结果可以知道该反应放热，且在标态下可自发进行。
因此将纳米铝粉通过钻井管道输送到天然气水合物藏层，给定初始反应热之后，纳米铝粉就能够和天然气水合物藏层的冰发生剧烈反应，生成大量的热，这些热会迅速改变该区域温度，打破该区域的天然气水合物平衡条件，使其分解。同时反应还能生成清洁可燃的氢气，不会污染天然气的成分。具体的铝冰反应过程大致分成两个阶段：预热阶段，反应阶段。在预热阶段，主要进行的是物理变化。利用炸药对纳米铝粉点火以后，与点火器接触的冰开始融化。液相区主要是纳米铝颗粒和液态水的混合物，随温度的升高，液态水变成水蒸气，纳米铝颗粒也就会进行无规则的热运动。由于强扰动气流的摩擦作用以及颗粒的无规则热运动，颗粒间发生的摩擦和碰撞。颗粒的动能转变成热能并继续对推进剂预热。铝的熔点约为970K，沸点约为2740K；而Al2O3的熔点大约为2323K，沸点约为3250K；80nm铝颗粒的着火温度约为1165K。由于颗粒间的碰撞也可能会造成铝颗粒表面氧化层的破裂，对于那些碰撞后氧化层破裂的铝颗粒来讲，在颗粒表面热对流以及热传导的作用下，其内部的铝会变成液态，并沿着裂缝扩散出来。由于颗粒内部铝的体积膨胀会加剧颗粒表面氧化层的破坏，从而使铝以液体的形态与水蒸气发生反应，释放出大量的热从而在天然气水合物内部形成一个高温场，使得铝水反应有条件持续发生。但是，这种状态的铝颗粒毕竟属于少数。对于大多数的铝颗粒来讲，在温度未升至2300K即氧化铝的熔点之前，都会认为是铝颗粒与水蒸气并存的状态。一旦温度达到2300K以后，纳米铝颗粒由于不停地从外界环境中吸热，颗粒表面氧化层就开始融化，此时，纳米铝颗粒与水蒸气以及一些铝的氧化物将混合形成一个个气囊。由于预热段需吸收热量，因此，反应放出的热量并不会造成反应过程温度的较大变化。可以认为，反应区域的温度会保持在2400K左右，反应将会持续发生。
本发明提供了一种海底天然气水合物的快速热激法及系统反应装置，通过钻井平台钻一个竖井到天然气水合物层，将一根内含外部导管，采气管，铝粉输送管的套管插入竖井内部，在将套管通过海底土石层插入天然气水合物层时，将套管顶端弯折90度，套管固定不再移动，通过铝粉输送管将纳米铝粉输送到天然气水合物固体附近，用点火炬将烈性炸药引燃，与天然气水合物中的冰反应，随着天然气水合物开采的不断进行，套管内的外部导管不断前伸移动，使铝粉与冰可持续接触反应，得到气态甲烷和反应产生的无害氢气，通过这种方法可使天然气水合物开采过程更加灵活，提高每个竖井的开采效率。经过加压和冷却除去水分，再经过氮气压缩机制冷到-162℃成液体甲烷，可将一部分通过反应得到的甲烷和氢气混合物用作为泵和压缩机的燃料。采用铝冰反应产生的大量热为天然气水合物分解提供热量，可避免在管道输送过程中的热量损失，提高开采效率。
本发明提出了一种在水下保证铝粉持续燃烧的装置。该装置有如下几条优点：
1、铝粉与冰反应可以生成大量热量。
2、铝冰反应发生在可燃冰储层，可避免原料输送过程中的能量损失。
3、铝冰反应可在可燃冰储层形成高温场，进而激发反应持续进行，使开采过程具有连贯性。
4、纳米铝粉的输送装置较为简单可靠，设备的使用和维护成本低廉。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的端部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。
结合图1和图2，本发明的第一种实施方式包括外部导管10，在外部导管内布置纳米铝粉输送管道7和气体收集管道6，在纳米铝粉输送管道的前端设置引燃炸药8。
本发明的第二种实施方式是在的第一种实施方式的基础上，在气体收集管道的前端设置过滤网2。
本发明的第三种实施方式是在的第二种实施方式的基础上，在气体收集管道的前端的过滤网2之前设置涡轮叶片3。
本发明的第四种实施方式是在的三种实施方式的任何一种的基础上，在外部导管外套装外部套管9。
本发明的使用过程如下：
1、将外部套管9深入海底岩层下方可燃冰层的空腔1中，确保外部套管9与钻孔紧密结合，避免气体泄漏，首先从纳米铝粉输送管道7向外输送纳米铝粉，使其与可燃冰发生接触，同时点燃引燃炸药8，形成铝冰反应需要的初始温度场，激发铝冰反应，释放大量热量，使得铝冰反应得以持续发生。
2、当铝冰反应进行时，受到高温作用，可燃冰会汽化，从而形成铝与水蒸气反应区域4，使得纳米铝粉的反应更为充分，并且有更高的反应速率。
3、为避免有杂物将管道堵塞，在气体收集管道6端部设置过滤网2，在过滤网2外部设置涡轮叶片3，涡轮叶片构成自动排污装置，在运行过程中，涡轮叶片产生转动，将过滤网上杂物刮离。
Claims (4)
1.一种天然气水合物热激法反应装置，包括外部导管，其特征是：在外部导管内布置纳米铝粉输送管道和气体收集管道，在纳米铝粉输送管道的前端设置引燃炸药。
2.根据权利要求1所述的天然气水合物热激法反应装置，其特征是：在气体收集管道的前端设置过滤网。
3.根据权利要求2所述的天然气水合物热激法反应装置，其特征是：在气体收集管道的前端的过滤网之前设置涡轮叶片。
4.根据权利要求1、2或3所述的天然气水合物热激法反应装置，其特征是：在外部导管外套有外部套管。
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