CN104481467B - 一种开采海底可燃冰的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
可燃冰，又名天然气水合物(Natural Gas Hydarte,简称NGH)是在高压、低温的条件下形成的，大量存在海底与冻土层下，是人类发现的第三大能源。本发明提供了一种海底点燃可燃冰开采海底可燃冰的方法与装置。本发明原理是通过向海底可燃冰的天然气层注入助燃气体，同时严格控制助燃气体的流速与流量，并通过电磁点火装置点燃，依靠燃烧小部分的天然气，为天然气水合物的分解提供热量，同时加快可燃冰的分解，提高采气效率。同时由于燃烧，使得天然气的温度略高于可燃冰的相平衡温度，这可以使可燃冰气藏保持较高的压力，以及在整个海底集气领域不会产生水合物。
Description
技术领域
本发明涉及一种可燃冰的开采方法，尤其是采用点燃海底可燃冰开采海底可燃冰的方法，属能源开发技术领域。
背景技术
可燃冰是人类在海底与冻土层之下发现的一种新型洁净资源。由小分子烃与液态水在较低温度和较高压力条件下形成的结晶水合物，分子式M·nH2O,M为气体分子，主要是CH4，含有少量的C2H6、C3H8等烃类。1m3可燃冰能分解释放出164m3(标准)天然气，全球估计可燃冰总体积量大约1.8×1016～2.1×1016m3，相当于全球已探明常规化石燃料总量2倍。
根据资料显示，我国的冻土区面积世界排名第三，主要分布在青藏高原等地区，存在很多可燃冰矿藏。而在我国的400m2的海域中，诸多海区具有形成可燃冰条件，目前，在我国南海地区发现大量的可燃冰矿藏，其开采价值十分可观，能够缓解我国目前能源紧缺的现状，是继煤和石油之后人类发现的第三大能源，可燃冰的开采能够为中国乃至世界带来无限的财富。
可燃冰的开采作为一个全新的研究领域，它具有非常巨大的资源潜力。但是作为易分解的不稳定物质，若开采不当，可能对地质结构造成破坏，引起重大的自然灾害。可燃冰作为巨大有机碳烃库，其开采道路任重而道远。
随着人们对可燃冰的不断深入研究，结果发现可燃冰是由天然气藏经地壳运动至海底或地下水域附近，在一定的温度压力下，经过亿万年的反应，由天然气与液态水形成的天然气水合物。所以通常在可燃冰的下层都存在着一定体积的天然气藏。目前人们对可燃冰的开采方式设想大体上分为注热力开采法、注化学剂开采法、分解降压开采法。由于注化学剂开采法所需要的化学剂的用量较高，而且对地下水质存在污染威胁，而分解降压开采法开采效率较低，可燃冰的常规分解存在“自我保护反应”，注热力开采法在热媒从海平面输送到海底的过程中，存在大量的能量损失，所以人们急需新的开采方式。海底点燃天然气产生的CO2会跟液态水形成CO2水合物，不会污染环境，同时CH4的热值较高，只需燃烧小部分的气体，能量利用率高，燃烧可以使整个矿藏的温度压力系统变化较小，能够维持较高的集气压力，开采速率大大曾加。因此点燃可燃冰的方法可能是未来大规模开采可燃冰的最有效方法之一。
发明内容
针对人们对开采可燃冰传统思维方法的不足，以至于可燃冰开采仍处于假设阶段，本发明提出了一种大胆的思维创新方法，提供了利用向海底注入助燃气体，通过严格控制助燃气体量，使天然气在可燃冰层底燃烧，为可燃冰的分解提供热量。从而将可燃冰开采的思维难题转向技术难题，使得可燃冰开采可以进入实质性进展。
一种开采海底可燃冰的方法与装置，包括海上平台部分、海水层管道输气部分、岩层以下可燃冰矿藏部分，海上平台部分由船运区(1)、LNG生产区(2)、三甘醇脱水塔(3)、第一离心式压缩机(4)、分离器(5)、风力发电机及蓄电装置(6)、动力学抑制剂生产区(7)、第一手动闸阀(8)、第一过滤器(9)、第一流量计(10)、离心泵(11)、第二流量计(12)、第二手动闸阀(13)、第一电动闸阀(14)、第二电动闸阀(15)、第三手动闸阀(16)、第三流量计(17)、第二离心式压缩机(18)、第四流量计(19)、第二过滤器(20)、第四手动闸阀(21)、助燃物生产区(22)、太阳能发电板及蓄电装置(23)组成，海水层管道输气部分由助燃气体输送管道(24)、天然气集气干线(25)、第一天然气集气支管(26)、第二天然气集气支管(27)组成，岩层以下可燃冰矿藏部分由岩层以下第一采气管线(28)、第二采气管线(29)、第三采气管线(30)、与点燃装置(31)组成，点燃装置又包括助燃物进气口(32)，管内流量计(33)，管内压力计(34)，电动调节阀(35)，逆止阀(36)，电动闸阀(37)，管外温度计(38)，电磁点火装置(39)，助燃物出气口(40)，开采步骤其特征在于：由海上平台的助燃物管道系统向助燃物进气口(32)输送助燃气体，助燃气体经过流量计(33)与压力计(34)的计量，然后再依次通过电动调节阀(35)、逆止阀(36)、电动闸阀(37)，最后在助燃物出气口(40)与天然气混合，同时通过电磁点火装置(39)点燃海底的天然气，为可燃冰分解提供热量。
所述的一种开采海底可燃冰的方法与装置，通过层层控制助燃气体的注入量，在气藏区进行小范围的燃烧天然气，燃烧所产生的气流冲击相对于整个气藏空间较小，不会对气藏空间产生威胁，同时气藏中的烃组分纯度非常高，不含助燃气体，燃烧只在助燃物出气口(40)附近进行，不会蔓延到其它区域，所以其它区域缺少了助燃物与燃点两大燃烧条件，其可实施性是非常高的。
所述的一种开采海底可燃冰的方法与装置，当管外温度计(38)检测到外面天然气温度过高时，需要通过关闭电动闸阀(37)来及时熄灭天然气的燃烧，同时燃烧需要在助燃物出气口(40)附近进行，不能从助燃物出气口(40)蔓延到助燃气体管道甚至海平面，所以需要逆止阀(36)来阻断天然气的回流，在整个矿井下面存在很多燃烧的位置，当各个位置的管外温度计(38)测量值不一致时，可以通过电动调节阀(35)来控制助燃气体的流量，来达到调节的目的。
所述的一种开采海底可燃冰的方法与装置，可燃冰的分解需要吸收热量，自然条件下的可燃冰分解会存在“自我保护反应”，如果从海平面向海底注入热水等高温流体，当经过冰冷的海水层，会存在大量的热损失，及不划算，可燃冰的分解虽然需要少部分热量，但是天然气的燃烧会放出大量的热，在为可燃冰分解提供热量的同时，还能保持整个矿藏原有的温度压力系统，大约在10度、10mpa左右，天然气与可燃冰存在于相互转化的过程中，当加热的天然气略高于原有的天然气温度时，它一边为可燃冰分解提供热量，一边通过开采管线被输送到集气管线中，因为可燃冰矿藏的温度系统没有变，所以可燃冰矿藏的压力系统变化也会相对较小，这为天然气集输系统提供了较高的压力系统，保证了开采速率。
所述的一种开采海底可燃冰的方法与装置，对于可燃冰分解出的气体，采用海底集输方式，通过控制天然气的加热温度，使得天然气的温度高于天然气水合物的相平衡温度，并保持天然气温度在进入到集气干线之前一直高于天然气水合物的相平衡温度，即保证了天然气在进入到集气干线之前不会产生水合物。
所述的一种开采海底可燃冰的方法与装置，对于天然气输送到集气干线时会预防水合物的生成方法，采用电磁加热与注动力学抑制剂的双重办法，由于集气干线管道距离较短，电磁加热所需要的电能由海洋平台设置的风力发电装置与太阳能发电装置提供，动力学抑制剂是低剂量抑制剂，优点是用量少，缺陷是当过冷度过大时，动力学抑制剂会失效，所以采用电磁加热的方法来减小过冷度。
为体现本发明的优势，本发明方案中提供了可燃冰开采的整个系统的大致流程作为参考，整个系统从空间上划分为海上平台部分、海水层管道输气部分、岩层以下可燃冰矿藏部分，整个系统从功能上分为注助燃物管道系统与开采分解天然气管道系统。开采分解天然气管道系统又分为岩层采气管线、岩层上面集气支管、贯穿海水层的集气干线、海洋平台的过滤器、压缩机、三甘醇脱水塔、LNG生产工艺。注助燃物管道系统从海洋平台的助燃物生产区开始，经海洋平台上的压缩机增压，输送到输气干线，再由输气干线分输到各个天然气点燃装置。
发明优点
从能源节约方面来说，可燃冰分解成天然气和水所需要的能量是一定的，如果采用从海平面注热水的的方法来开采可燃冰，由于是间接加热，且热媒要经过冰冷的海水层，会存在大量的能量损失，而海底点燃天然气的方法是直接加热方式，能量利用率极高。
从环保方面来说，如果采用向海底注热力学抑制剂的方法，由于抑制剂的浓度很高，所需要的抑制剂量很大，向海底注入的抑制剂会改变海底物质组成，污染环境，而海底点燃天然气的方法产生的气体主要是二氧化碳和水，而二氧化碳和水在高压低温的条件下比天然气更容易形成水合物。所以燃烧生成物对环境危害极小。
从开采效率来说，如果采用降压发开采可燃冰，由于需要较高的压力梯度，同时可燃冰的分解存在“自我保护反应”，后期可燃冰分解速度极慢，所以开采效率极低，而海底点燃天然气的方法不仅为可燃冰的分解提供足够的能量，使分解迅速进行，还能使整个可燃冰矿藏保持较高的压力系统，所以开采效率大大增加。
附图说明
图1开采可燃冰系统平面布置图；
图2为开采可燃冰系统的流程图；
图3为海底点燃天然气装置图。
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开采海底可燃冰的方法与装置，具体实施方式为：
一种开采海底可燃冰的方法与装置，包括海上平台部分、海水层管道输气部分、岩层以下可燃冰矿藏部分，海上平台部分由船运区(1)、LNG生产区(2)、三甘醇脱水塔(3)、第一离心式压缩机(4)、分离器(5)、风力发电机及蓄电装置(6)、动力学抑制剂生产区(7)、第一手动闸阀(8)、第一过滤器(9)、第一流量计(10)、离心泵(11)、第二流量计(12)、第二手动闸阀(13)、第一电动闸阀(14)、第二电动闸阀(15)、第三手动闸阀(16)、第三流量计(17)、第二离心式压缩机(18)、第四流量计(19)、第二过滤器(20)、第四手动闸阀(21)、助燃物生产区(22)、太阳能发电板及蓄电装置(23)组成，海水层管道输气部分由助燃气体输送管道(24)、天然气集气干线(25)、第一天然气集气支管(26)、第二天然气集气支管(27)组成，岩层以下可燃冰矿藏部分由岩层以下第一采气管线(28)、第二采气管线(29)、第三采气管线(30)、与点燃装置(31)组成，点燃装置又包括助燃物进气口(32)，管内流量计(33)，管内压力计(34)，电动调节阀(35)，逆止阀(36)，电动闸阀(37)，管外温度计(38)，电磁点火装置(39)，助燃物出气口(40)，开采步骤其特征在于：由海上平台的助燃物管道系统向助燃物进气口(32)输送助燃气体，助燃气体经过流量计(33)与压力计(34)的计量，然后再依次通过电动调节阀(35)、逆止阀(36)、电动闸阀(37)，最后在助燃物出气口(40)与天然气混合，同时通过电磁点火装置(39)点燃海底的天然气，为可燃冰分解提供热量。
所述的一种开采海底可燃冰的方法与装置，其发明的核心在于海底点燃天然气的顺利实施。通过层层控制助燃气体的注入量，在气藏区进行小范围的燃烧天然气，燃烧所产生的气流冲击相对于整个气藏空间较小，不会对气藏空间产生威胁，同时气藏中的烃组分纯度非常高，不含助燃气体，燃烧只在助燃物出气口(40)附近进行，不会蔓延到其它区域，所以其它区域缺少了助燃物与燃点两大燃烧条件，其可实施性是非常高的。
所述的一种开采海底可燃冰的方法与装置，需要严格控制海底各个地方的燃烧速率来达到系统的温度、压力平衡。当管外温度计(38)检测到外面天然气温度过高时，需要通过关闭电动闸阀(37)来及时熄灭天然气的燃烧，同时燃烧需要在助燃物出气口(40)附近进行，不能从助燃物出气口(40)蔓延到助燃气体管道甚至海平面，所以需要逆止阀(36)来阻断天然气的回流，在整个矿井下面存在很多燃烧的位置，当各个位置的管外温度计(38)测量值不一致时，可以通过电动调节阀(35)来控制助燃气体的流量，来达到调节的目的。
所述的一种开采海底可燃冰的方法与装置，可以保证具有较高的可燃冰开采速率。可燃冰的分解需要吸收热量，自然条件下的可燃冰分解会存在“自我保护反应”，如果从海平面向海底注入热水等高温流体，当经过冰冷的海水层，会存在大量的热损失，及不划算，可燃冰的分解虽然需要少部分热量，但是天然气的燃烧会放出大量的热，在为可燃冰分解提供热量的同时，还能保持整个矿藏原有的温度压力系统，大约在10度、10mpa左右，天然气与可燃冰存在于相互转化的过程中，当加热的天然气略高于原有的天然气温度时，它一边为可燃冰分解提供热量，一边通过开采管线被输送到集气管线中，因为可燃冰矿藏的温度系统没有变，所以可燃冰矿藏的压力系统变化也会相对较小，这为天然气集输系统提供了较高的压力系统，保证了开采速率。
所述的一种开采海底可燃冰的方法与装置，可以避免在集气管线部分避免水合物的生成。对于可燃冰分解出的气体，采用海底集输方式，通过控制天然气的加热温度，使得天然气的温度高于天然气水合物的相平衡温度，并保持天然气温度在进入到集气干线之前一直高于天然气水合物的相平衡温度，即保证了天然气在进入到集气干线之前不会产生水合物。
所述的一种开采海底可燃冰的方法与装置，对于集气干线采用动力学抑制剂与电加热的方法来防止水合物在干线上冻睹，充分利用了海上的风能与太阳能。对于天然气输送到集气干线时会预防水合物的生成方法，采用电磁加热与注动力学抑制剂的双重办法，由于集气干线管道距离较短，电磁加热所需要的电能由海洋平台设置的风力发电装置与太阳能发电装置提供，动力学抑制剂是低剂量抑制剂，优点是用量少，缺陷是当过冷度过大时，动力学抑制剂会失效，所以采用电磁加热的方法来减小过冷度。
方法中采用的装置包括：船运区(1)、LNG生产区(2)、三甘醇脱水塔(3)、第一离心式压缩机(4)、分离器(5)、风力发电机及蓄电装置(6)、动力学抑制剂生产区(7)、第一手动闸阀(8)、第一过滤器(9)、第一流量计(10)、离心泵(11)、第二流量计(12)、第二手动闸阀(13)、第一电动闸阀(14)、第二电动闸阀(15)、第三手动闸阀(16)、第三流量计(17)、第二离心式压缩机(18)、第四流量计(19)、第二过滤器(20)、第四手动闸阀(21)、助燃物生产区(22)、太阳能发电板及蓄电装置(23)、助燃气体输送管道(24)、天然气集气干线(25)、第一天然气集气支管(26)、第二天然气集气支管(27)、第一采气管线(28)、第二采气管线(29)、第三采气管线(30)、与点燃装置(31)、助燃物进气口(32)，管内流量计(33)，管内压力计(34)，电动调节阀(35)，逆止阀(36)，电动闸阀(37)，管外温度计(38)，电磁点火装置(39)，助燃物出气口(40)。
本发明中整个开采系统的助燃物制造方便清洁，能源利用率高，充分利用海上风能、太阳能，燃烧生成物不会对地下环境造成威胁，开采速率大大提高，适合深海及远洋地域可燃冰的开采。本发明以点燃可燃冰开采法为理论依据，在整个开采流程进行了综合全面的设计考虑，实现海底点燃可燃冰开采可燃冰的方法。能够广泛应用于我国诸多海区天可燃冰的开采。为我国能源开采问题，提供了一种系统的、高效的、节能的、成本低廉的开采可燃冰的方法。
Claims (6)
1.一种开采海底可燃冰的方法，方法中采用的装置包括：海上平台部分、海水层管道输气部分、岩层以下可燃冰矿藏部分，海上平台部分由船运区(1)、LNG生产区(2)、三甘醇脱水塔(3)、第一离心式压缩机(4)、分离器(5)、风力发电机及蓄电装置(6)、动力学抑制剂生产区(7)、第一手动闸阀(8)、第一过滤器(9)、第一流量计(10)、离心泵(11)、第二流量计(12)、第二手动闸阀(13)、第一电动闸阀(14)、第二电动闸阀(15)、第三手动闸阀(16)、第三流量计(17)、第二离心式压缩机(18)、第四流量计(19)、第二过滤器(20)、第四手动闸阀(21)、助燃物生产区(22)、太阳能发电板及蓄电装置(23)组成，海水层管道输气部分由助燃气体输送管道(24)、天然气集气干线(25)、第一天然气集气支管(26)、第二天然气集气支管(27)组成，岩层以下可燃冰矿藏部分由岩层以下第一采气管线(28)、第二采气管线(29)、第三采气管线(30)、与点燃装置(31)组成，点燃装置又包括助燃物进气口(32)，管内流量计(33)，管内压力计(34)，电动调节阀(35)，逆止阀(36)，电动闸阀(37)，管外温度计(38)，电磁点火装置(39)，助燃物出气口(40)，开采方法其特征在于：由海上平台的助燃物管道系统向助燃物进气口(32)输送助燃气体，助燃气体经过流量计(33)与压力计(34)的计量，然后再依次通过电动调节阀(35)、逆止阀(36)、电动闸阀(37)，最后在助燃物出气口(40)与天然气混合，同时通过电磁点火装置(39)点燃海底的天然气，为可燃冰分解提供热量。
2.如权利要求1中所述的一种开采海底可燃冰的方法，其特征在于，通过层层控制助燃气体的注入量，在气藏区进行小范围的燃烧天然气，燃烧所产生的气流冲击相对于整个气藏空间较小，不会对气藏空间产生威胁，同时气藏中的烃组分纯度非常高，不含助燃气体，燃烧只在助燃物出气口(40)附近进行，不会蔓延到其它区域，所以其它区域缺少了助燃物与燃点两大燃烧条件，其可实施性是非常高的。
3.如权利要求1中所述的一种开采海底可燃冰的方法，其特征在于，当管外温度计(38)检测到外面天然气温度过高时，需要通过关闭电动闸阀(37)来及时熄灭天然气的燃烧，同时燃烧需要在助燃物出气口(40)附近进行，不能从助燃物出气口(40)蔓延到助燃气体管道甚至海平面，所以需要逆止阀(36)来阻断天然气的回流，在整个矿井下面存在很多燃烧的位置，当各个位置的管外温度计(38)测量值不一致时，可以通过电动调节阀(35)来控制助燃气体的流量，来达到调节的目的。
4.如权利要求1中所述的一种开采海底可燃冰的方法，其特征在于，可燃冰的分解虽然需要少部分热量，但是天然气的燃烧会放出大量的热，在为可燃冰分解提供热量的同时，还能保持整个矿藏原有的温度压力系统，在10℃、10MPa条件下，天然气与可燃冰存在于相互转化的过程中，当加热的天然气略高于原有的天然气温度时，它一边为可燃冰分解提供热量，一边通过开采管线被输送到集气管线中，因为可燃冰矿藏的温度系统没有变，所以可燃冰矿藏的压力系统变化也会相对较小，这为天然气集输系统提供了较高的压力系统，保证了开采速率。
5.如权利要求1中所述的一种开采海底可燃冰的方法，其特征在于，对于可燃冰分解出的气体，采用海底集输方式，通过控制天然气的加热温度，使得天然气的温度高于天然气水合物的相平衡温度，并保持天然气温度在进入到集气干线之前一直高于天然气水合物的相平衡温度，即保证了天然气在进入到集气干线之前不会产生水合物。
6.如权利要求1中所述的一种开采海底可燃冰的方法，其特征在于，对于天然气输送到集气干线时会预防水合物的生成方法，采用电磁加热与注动力学抑制剂的双重办法，由于集气干线管道距离较短，电磁加热所需要的电能由海洋平台设置的风力发电机及蓄电装置(6)与太阳能发电板及蓄电装置(23)，动力学抑制剂是低剂量抑制剂，优点是用量少，缺陷是当过冷度过大时，动力学抑制剂会失效，所以采用电磁加热的方法来减小过冷度。
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