CN105840159B - 一种基于太阳能技术的天然气水合物开采装置及开采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于太阳能技术的天然气水合物开采装置及开采方法，太阳能蒸汽发生系统将注入水加热至储层水合物分解所需温度并泵注至水合物储层，太阳能光伏发电供能系统为超声波发生器供能，超声波发生器在水合物层通过热效应作用对泵入的热水原位加热，热流体和水合物层发生热交换促使孔隙中天然气水合物快速分解生成天然气与水，同时超声波空化及震荡作用改善储层的渗流特性，进而提高天然气水合物藏的开采速率及开采效率。本发明有益效果在于：实现了经济、高效、清洁、低能耗及低成本开采天然气水合物储层的目的。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物储层开采技术领域，特别是一种基于太阳能技术的天然气水合物开采装置及开采方法。
背景技术
全世界天然气水合物总储量大约为当前已探明的所有化石燃料含碳量总和的两倍，我国南海海域天然气水合物储量为649700亿立方米。
世界上许多国家都正在加大力度开展天然气水合物开采研究，目前较为成熟的开采方法包括减压开采法热、热激发开采法、化学试剂注入开采法、二氧化碳置换开采法及海底开采挖掘法。这些方法各有其优点与缺点，降压法较为经济但开采效率很低，注热开采、注化学药剂开采与海底采掘开采成本较高。
太阳能，是指太阳的热辐射能，主要表现就是常说的太阳光线。在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生能源。而且太阳能作为清洁能源，已经被全世界公认为解决未来能源问题的主要方法。
如何将太阳能融入到天然气水合物开采，实现有效、经济的开发水合物藏已成为目前较为关注迫切的问题，目前在这方面的研究还基本上处于理论阶段。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于太阳能技术的天然气水合物开采装置及开采方法，实现降低开采成本及能耗、高效开采天然气水合物储层的目的。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于太阳技术的天然气水合物开采装置，包括太阳能光伏发电供能系统、太阳能蒸汽发生系统、超声波发生系统和井下开采系统，
所述太阳能光伏发电供能系统包括太阳能电池整列、控制转换装置和蓄电池，控制转换装置包括太阳能控制器和逆变器，太阳能电池整列与太阳能控制器的输入端连接，太阳能控制器的第一输出端与蓄电池连接，太阳能控制器的第二输出端与逆变器连接；
所述超声波发生系统包括超声波发生器和超声波探头，超声波发生器的能源输入端与逆变器连接，超声波发生器的能源输出端与超声波探头通过控制线缆连接；
所述井下开采系统包括井口设备、注入井竖直段、注入井水平段、产气井和气水分离处理站，井口设备的第一输出接口与注入井竖直段的上端连接，注入井竖直段的下端与注入井水平段的一端连接，注入井水平段位于水合物层的下方，水合物层的上方设置有产气井，产气井的上端与井口设备的第一输入接口连接，气水分离处理站的第一输入接口与井口设备的第二输出接口连通，气水分离处理站的第一输出接口与产出气储存罐连接；
所述太阳能蒸汽发生系统包括太阳能集热田、换热器、热传导液储存罐、柱塞泵和蒸汽锅炉，热传导液储存罐的输出接口与柱塞泵的输入接口连通，柱塞泵的输出接口与太阳能集热田的输入接口连通，太阳能集热田的输出接口与换热器的第一输入接口连通，换热器的第一输出接口与热传导液储存罐的输入接口连通，气水分离处理站的第二输出接口与换热器的第二输入接口连通，换热器的第二输出接口与蒸汽锅炉的输入接口连通，蒸汽锅炉的输出接口与井口设备的第二输入接口连通；
所述注入井水平段包括套管、设置于套管外表面的地层射开孔洞、超声波封隔器、过电缆注水器和隔热油管，多个超声波封隔器间隔均匀地安装在套管内，所述超声波探头安装在超声波封隔器内，相邻两个超声波封隔器之间设置有一个过电缆注水器，过电缆注水器上设置有注水孔，注水孔的一端与地层射开孔洞连通，隔热油管套装于套管内，并依次穿过超声波封隔器和过电缆注水器，注水孔的另一端与套管连通。
进一步地，气水分离处理站的第二输入接口与水源连通。
进一步地，所述的超声波探头沿套管的径向穿出，且所述超声波封隔器内还安装有控制超声波探头伸缩的高强度弹簧。
进一步地，所述的套管与隔热油管之间还设置有电缆金属套筒，所述控制线缆布设于电缆金属套筒内。
使用所述的基于太阳技术的天然气水合物开采装置的开采方法，包括以下步骤：
S1、通过柱塞泵将热传导液储存罐内的热传导液泵入太阳能集热田中，经太阳能加热后进入换热器内，换热后的热传导液再回流至热传导液储存罐内，形成循环；
S2、储层产出液及水源水经过气水分离处理站收集处理后进入换热器，与热传导液发生热交换，再经过蒸汽锅炉相变为高压气相，形成热流体，进入隔热油管，再经注水孔进入水合物层的孔隙中；
S3、由太阳能电池整列进行光伏发电，将电能通过控制转换装置输入至超声波发生器，冗余的电能储存在蓄电池内，超声波发生器发射频率范围为30～120KHz的超声波，并通过超声波探头对注入的热流体进一步原位加热，同时空化作用增大储层的渗透率；
S4、热流体与水合物层的天然气水合物发生热交换，使天然气水合物分解生成天然气和水，天然气和地层流体进入降压后的产气井；
S5、通过气水分离处理站进行处理，分离为产出气和产出液，产出液再进入换热器，形成循环，产出气通过产出气储存罐进行收集并储存。
本发明具有以下优点：
1、本发明开采方法原理简单，实用性强，能够有效快速地开采天然气水合物。
2、本开采方法综合利用太阳能蒸汽发生技术和太阳能光伏发电技术及超声波技术等清洁能源，减少污染排放。
3、本开采方法能耗低，大幅地降低了生产成本，适用于天然气水合物的长期开采。
4、太阳能蒸汽发生技术将注入水加热至储层水合物分解所需温度并泵注至水合物储层，太阳能光伏发电技术为超声波发生系统供能，超声波发生系统在储层通过热效应作用对泵入的热水进行原位加热，加热后的流体和储层天然气水合物发生热交换促使天然气水合物快速分解产生甲烷气体，同时通过超声波空化及震荡作用改善储层的渗流特性，进而提高天然气水合物藏的开采速率及开采效率。
附图说明
图1 为本发明的装置结构示意图；
图2 为注入井水平段的剖视结构示意图；
图3 为图2中A-A剖视结构示意图；
图4 为图2中B-B剖视结构示意图；
图中：1-太阳能电池整列，2-控制转换装置，3-蓄电池，4-超声波发生器，5-太阳能集热田，6-换热器，7-热传导液储存罐，8-柱塞泵，9-气水分离处理站，10-蒸汽锅炉，11-井口设备，12-注入井竖直段，13-注入井水平段，14-水合物层，15-产气井，16-套管，17-地层射开孔洞，18-超声波封隔器，19-过电缆注水器，20-隔热油管，21-电缆金属套筒，22-控制线缆，23-超声波探头，24-高强度弹簧，25-注水孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种基于太阳能技术的天然气水合物开采装置，包括太阳能光伏发电供能系统、太阳能蒸汽发生系统、超声波发生系统和井下开采系统，
所述太阳能光伏发电供能系统包括太阳能电池整列1、控制转换装置2和蓄电池3，控制转换装置2包括太阳能控制器和逆变器，太阳能电池整列1与太阳能控制器的输入端连接，太阳能控制器的第一输出端与蓄电池3连接，太阳能控制器的第二输出端与逆变器连接；
所述超声波发生系统包括超声波发生器4和超声波探头23，超声波发生器4的能源输入端与逆变器连接，超声波发生器4的能源输出端与超声波探头23通过控制线缆22连接；
所述井下开采系统包括井口设备11、注入井竖直段12、注入井水平段13、产气井15和气水分离处理站9，井口设备11的第一输出接口与注入井竖直段12的上端连接，注入井竖直段12的下端与注入井水平段13的一端连接，注入井水平段13位于水合物层14的下方，水合物层14的上方设置有产气井15，产气井15的上端与井口设备11的第一输入接口连接，气水分离处理站9的第一输入接口与井口设备11的第二输出接口连通，气水分离处理站9的第一输出接口与产出气储存罐连接；
所述太阳能蒸汽发生系统包括太阳能集热田5、换热器6、热传导液储存罐7、柱塞泵8和蒸汽锅炉10，热传导液储存罐7的输出接口与柱塞泵8的输入接口连通，柱塞泵8的输出接口与太阳能集热田5的输入接口连通，太阳能集热田5的输出接口与换热器6的第一输入接口连通，换热器6的第一输出接口与热传导液储存罐7的输入接口连通，气水分离处理站9的第二输出接口与换热器6的第二输入接口连通，换热器6的第二输出接口与蒸汽锅炉10的输入接口连通，蒸汽锅炉10的输出接口与井口设备11的第二输入接口连通；
如图2所示，所述注入井水平段13包括套管16、设置于套管16外表面的地层射开孔洞17、超声波封隔器18、过电缆注水器19和隔热油管20，多个超声波封隔器18间隔均匀地安装在套管16内，如图3所示，所述超声波探头23安装在超声波封隔器18内，相邻两个超声波封隔器18之间设置有一个过电缆注水器19，过电缆注水器19为圆柱形结构，如图4所示，过电缆注水器19上设置有注水孔25，注水孔25的一端与地层射开孔洞17连通，隔热油管20套装于套管16内，并依次穿过超声波封隔器18和过电缆注水器19，注水孔25的另一端与套管16连通，通过注水孔25不仅能够向水合物层14注入热流体，还能减少注入流体在井筒中的热损失。
进一步地，气水分离处理站9的第二输入接口与水源连通，当分离出的产出液不足，水源用于补充水，确保气水分离处理站9的输出水充足。
进一步地，所述的超声波探头23沿套管16的径向穿出，且所述超声波封隔器18内还安装有控制超声波探头23伸缩的高强度弹簧24，通过控制高强度弹簧24的收缩与张开，使超声波探头23穿过套管16进入地层。
进一步地，所述的套管16与隔热油管20之间还设置有电缆金属套筒21，所述控制线缆22布设于电缆金属套筒21内。
使用所述的基于太阳技术的天然气水合物开采装置的开采方法，包括以下步骤：
S1、通过柱塞泵8将热传导液储存罐7内的热传导液泵入太阳能集热田5中，经太阳能加热后进入换热器6内，换热后的热传导液再回流至热传导液储存罐7内，形成循环；
S2、储层产出液及水源水经过气水分离处理站9收集处理后进入换热器6，与热传导液发生热交换，再经过蒸汽锅炉10相变为高压气相，形成热流体，进入隔热油管20，再经注水孔25进入水合物层14的孔隙中；
S3、由太阳能电池整列1进行光伏发电，将电能通过控制转换装置2输入至超声波发生器4，冗余的电能储存在蓄电池3内，超声波发生器4发射频率范围为30～120KHz的超声波，并通过超声波探头23对注入的热流体进一步原位加热，同时空化作用增大储层的渗透率，降低流体渗流阻力；
S4、热流体与水合物层14的天然气水合物发生热交换，使天然气水合物分解生成天然气和水，天然气和地层流体进入降压后的产气井15；
S5、通过气水分离处理站9进行处理，分离为产出气和产出液，产出液再进入换热器6，形成循环，产出气通过产出气储存罐进行收集并储存。
Claims (5)
1.一种基于太阳能技术的天然气水合物开采装置，其特征在于：包括太阳能光伏发电供能系统、太阳能蒸汽发生系统、超声波发生系统和井下开采系统，
所述太阳能光伏发电供能系统包括太阳能电池整列（1）、控制转换装置（2）和蓄电池（3），控制转换装置（2）包括太阳能控制器和逆变器，太阳能电池整列（1）与太阳能控制器的输入端连接，太阳能控制器的第一输出端与蓄电池（3）连接，太阳能控制器的第二输出端与逆变器连接；
所述超声波发生系统包括超声波发生器（4）和超声波探头（23），超声波发生器（4）的能源输入端与逆变器连接，超声波发生器（4）的能源输出端与超声波探头（23）通过控制线缆（22）连接；
所述井下开采系统包括井口设备（11）、注入井竖直段（12）、注入井水平段（13）、产气井（15）和气水分离处理站（9），井口设备（11）的第一输出接口与注入井竖直段（12）的上端连接，注入井竖直段（12）的下端与注入井水平段（13）的一端连接，注入井水平段（13）位于水合物层（14）的下方，水合物层（14）的上方设置有产气井（15），产气井（15）的上端与井口设备（11）的第一输入接口连接，气水分离处理站（9）的第一输入接口与井口设备（11）的第二输出接口连通，气水分离处理站（9）的第一输出接口与产出气储存罐连接；
所述太阳能蒸汽发生系统包括太阳能集热田（5）、换热器（6）、热传导液储存罐（7）、柱塞泵（8）和蒸汽锅炉（10），热传导液储存罐（7）的输出接口与柱塞泵（8）的输入接口连通，柱塞泵（8）的输出接口与太阳能集热田（5）的输入接口连通，太阳能集热田（5）的输出接口与换热器（6）的第一输入接口连通，换热器（6）的第一输出接口与热传导液储存罐（7）的输入接口连通，气水分离处理站（9）的第二输出接口与换热器（6）的第二输入接口连通，换热器（6）的第二输出接口与蒸汽锅炉（10）的输入接口连通，蒸汽锅炉（10）的输出接口与井口设备（11）的第二输入接口连通；
所述注入井水平段（13）包括套管（16）、设置于套管（16）外表面的地层射开孔洞（17）、超声波封隔器（18）、过电缆注水器（19）和隔热油管（20），多个超声波封隔器（18）间隔均匀地安装在套管（16）内，所述超声波探头（23）安装在超声波封隔器（18）内，相邻两个超声波封隔器（18）之间设置有一个过电缆注水器（19），过电缆注水器（19）上设置有注水孔（25），注水孔（25）的一端与地层射开孔洞（17）连通，隔热油管（20）套装于套管（16）内，并依次穿过超声波封隔器（18）和过电缆注水器（19），注水孔（25）的另一端与套管（16）连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能技术的天然气水合物开采装置，其特征在于：气水分离处理站（9）的第二输入接口与水源连通。
3.根据权利要求1所述的一种基于太阳能技术的天然气水合物开采装置，其特征在于：所述的超声波探头（23）沿套管（16）的径向穿出，且所述超声波封隔器（18）内还安装有控制超声波探头（23）伸缩的高强度弹簧（24）。
4.根据权利要求1所述的一种基于太阳能技术的天然气水合物开采装置，其特征在于：所述的套管（16）与隔热油管（20）之间还设置有电缆金属套筒（21），所述控制线缆（22）布设于电缆金属套筒（21）内。
5.使用如权利要求1-4任意一项所述的基于太阳能技术的天然气水合物开采装置的开采方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、通过柱塞泵（8）将热传导液储存罐（7）内的热传导液泵入太阳能集热田（5）中，经太阳能加热后进入换热器（6）内，换热后的热传导液再回流至热传导液储存罐（7）内，形成循环；
S2、储层产出液及水源水经过气水分离处理站（9）收集处理后进入换热器（6），与热传导液发生热交换，再经过蒸汽锅炉（10）相变为高压气相，形成热流体，进入隔热油管（20），再经注水孔（25）进入水合物层（14）的孔隙中；
S3、由太阳能电池整列（1）进行光伏发电，将电能通过控制转换装置（2）输入至超声波发生器（4），冗余的电能储存在蓄电池（3）内，超声波发生器（4）发射频率范围为30～120KHz的超声波，并通过超声波探头（23）对注入的热流体进一步原位加热，同时空化作用增大储层的渗透率；
S4、热流体与水合物层（14）的天然气水合物发生热交换，使天然气水合物分解生成天然气和水，地层流体进入降压后的产气井（15）；
S5、通过气水分离处理站（9）进行处理，分离为产出气和产出液，产出液再进入换热器（6），形成循环，产出气通过产出气储存罐进行收集并储存。
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