CN106968644A - 一种基于温差发电机的海域天然气水合物热采装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于温差发电机的海域天然气水合物热采装置，包括能量井及其内部装置、生产井及其内部装置和功率控制器；能量井由套管穿透天然气水合物储层和高温储层（热卤水或干热岩层），并在高温储层射孔，且能量井内布设有温差发电机，温差发电机热端设置在高温储层，其冷端设置在海水层，并通过电缆与功率控制器输入端相连；生产井由套管钻孔至水合物开采所要求深度，并在水合物储层射孔形成水合物射孔层段，生产井内设有与功率控制器输出端相连的热电极，利用能量井提供的电能，通过功率控制器控制输入、输出电能的功率，供给热电极在生产井内生热，并通过水合物射孔层段对水合物储层有效传递热量，对水合物储层中的天然气进行热采。
Description
技术领域
本发明涉及海域天然气水合物开采技术领域，特别涉及自然存在干热岩或热卤水的热流值比较高的水合物赋存区，以加热形式开发天然气水合物，从而获取天然气的装置。
背景技术
天然气水合物是由水分子在低温、高压环境下捕获住天然气分子而形成的似冰状结晶态化合物，全球99％的天然气水合物分布于海洋沉积物中。天然气水合物中甲烷含量通常占80％～99.9％，其燃烧污染比煤、石油、天然气等传统化石燃料小得多，而且储量异常丰富，被各国视为未来最有希望的石油天然气替代能源。
因此，安全、经济、环保的开发天然气水合物资源对于缓解我国能源危机、保障能源储备、控制环境污染等方面具有十分重要的意义。经过多年室内研究和现场试开采实践，确定天然气水合物的开发主要方式有热解法、降压法和化学试剂法，其中热解法是通过对天然气水合物储层进行加热，使天然气水合物储层的温度超过其平衡温度，从而促使天然气水合物分解为水和天然气的开发方法。例如授权公告号为【CN 103321616B】的发明专利公开一种海床甲烷水合物的收集办法及系统，包括热水和热气输入管道，增压水泵，燃烧加热炉，增压风机，储水罐，柴油发电机组等，该方法需要额外提供大量的热量，且能源开发及利用效率低，从经济上降低了天然气水合物开发的可行性。
大量地质勘探表明，由于地温梯度或者地层深处岩浆的活动，在天然气水合物储层的下部普遍发育有干热岩或高温、高压卤水层(本申请中简称热卤水层)等温度较高的高温储层。有效地利用下部自然存在的高温流体或干热岩作为热解法天然气水合物的热量来源，首先无需额外提供能量来源，这对于降低开发成本、减少开发技术难度，消除外部可能的污染风险、提高整体开发效益具有明显的优势和重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有方法中开采天然气水合物需要额外提供能量来源、经济成本高等缺陷，提供一种基于温差发电机的海域天然气水合物热采装置，利用水合物储层下方自然存在的干热岩或热卤水层的热量(温度可达到200度及以上)与海水层(温度为0度以下)的温差进行发电，从而实现对天然气的热采。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于温差发电机的海域天然气水合物热采装置，包括能量井及其内部装置、生产井及其内部装置及设置在能量井和生产井之间的功率控制器；所述能量井由套管设有自上而下穿透天然气水合物储层和高温储层，并通过射孔完井方式将所述套管与高温储层连接，所述高温储层为干热岩或热卤水层；且能量井内布设有温差发电机，温差发电机的热端设置在高温储层，其冷端设置在海水层，温差发电机通过电缆与功率控制器输入端相连；
所述生产井由套管钻孔至水合物开发生产所要求的深度，并在水合物储层射孔形成水合物射孔层段，以与水合物储层连接，所述生产井内水合物射孔层段设有热电极，热电极与功率控制器输出端相连，利用能量井提供的电能，通过功率控制器调整后，供给热电极在生产井内生热，并通过水合物射孔层段对水合物储层有效传递热量，从而实现对水合物储层中的天然气进行热采。
进一步的，所述能量井内设有绝热隔层，以将水合物储层与高温储层分别与相邻地层做绝热处理，保证温差相对恒定，并且防止高温储层的热量通过对流扩散到水合物储层。
进一步的，为防止能量井内水合物储层因水合物储层分解产生的游离气难以排出，所述能量井井口设置有第一降压出气阀门，有效保证能量井和温差发电机的安全。
进一步的，所述生产井井口设置有第二降压出气阀门，以保证天然气水合物的顺利产出。
进一步的，为了获得最大温差、产生最高的电能，所述温差发电机的热端中心设置在高温储层中心部位，其冷端中心设置在海水层，海水层具有流动性，以便散热，利用温差发电效果更好。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明公开的基于温差发电机的海域天然气水合物热采装置主要包括能量井及其内部装置和生产井及其内部装置两个系统，其中能量井需要钻穿水合物储层，下部抵达高温储层(干热岩或热卤水层)，并在高温储层进行射孔，能量井内布设温差发电机，其中发电机热端中心布置于干热岩或卤水层中心部位，冷端中心布设于海水层，以获得最大温差，产生最高的电能；为防止能量井内水合物储层因水合物储层分解产生的游离气难以排出，在能量井井口设置第一降压出气阀门，以保证能量井和温差发电机的安全；
生产井要求钻孔至水合物开发生产所要求的正常深度，并在水合物射孔层段布置热电极，利用能量井提供的电能生热对水合物中的天然气进行热采，为有效调整天然气生产所需要的电能，每个生产井和能量井之间设置功率控制器，以精确控制温差发电机产生的电能满足水合物气体生产所需，另外每口生产井井口设置第二降压出气阀门，以保证天然气水合物的顺利产出。
附图说明
图1是本发明实施例所述适用于海域天然气水合物热采的装置结构原理示意图；
其中：1、生产井；2、能量井；3、套管；4、温差发电机；5、电缆；6、功率控制器；7、热电极；8、水合物射孔层段；9、高温射孔层段；10、第一降压出气阀门；11、第二降压出气阀门；12、绝热隔层；13、冷端；14、热端；15、水合物储层；16、地层；17、高温储层；18、海平面；19、海底；A、天然气。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实施例所述水合物热采装置为利用温差发电机发电加热并开发海域天然气水合物的系统，当确定水合物储层下方存在干热岩或热卤水层等温度较高的高温储层之后，就可以利用该装置系统进行水合物热采，获得天然气A。
参考图1，其中，18为海平面，19为海底，海平面18和海底19之间为海水层。具体的，本实施例所述热采装置包括能量井2及其内部装置、生产井1及其内部装置以及功率控制器6，在产生能量以供水合物开采所用的能量井2内，由所述套管3自上而下穿透所述天然气水合物储层15和高温储层17(干热岩或热卤水层)，并通过射孔完井方式将所述套管3与干热岩或热卤水层连接，在高温储层17形成高温射孔层段9。能量井2井筒内在合适位置设置有温差发电机4，其热端14中心置于干热岩或热卤水层中心处，其冷端13中心置于海水层(可在伸出海底19部分的套管上钻孔，将冷端引入海水层)，然后利用电缆5从能量井2井筒中接出，温差发电机4通过电缆与功率控制器6输入端相连，为避免由于水合物储层自然分解造成能量井内压力过大，破坏温差发电机4或造成事故，能量井2井口设置第一降压出气阀门10，以随时调节气压，能量井2内利用绝热隔层12将水合物储层与干热岩或热卤水层分别与相邻地16层做绝热处理。
按与能量井2一定距离布设生产井1，生产井1由套管4钻孔至天然气水合物储层适宜开采处，进行水合物储层段射孔形成水合物射孔层段8，以与水合物储层连接。然后利用电缆5连接热电极7，且热电极7与功率控制器6输出端相连，以精确提供生产所用的电流的产生，生产井1井口设置第二降压出气阀门11，以控制出气效率和生产井井筒内压力，至此完成生产井1的布置。
利用本系统进行水合物开采时，在能量井2内，利用干热岩或热卤水层(温度可达200度及以上)与海水层(温度小于0度)之间的可观温差，以温差发电机4进行发电，获得电流，通过电缆5将电流传输至生产井1，然后利用热电极7将电能转化为热能，在水合物射孔层段8进行水合物热采，将冰状水合物分解气化，然后通过井口第二降压出气阀门11产气，在生产过程中通过功率控制器6调节输入、输出电能的功率，以满足生产的需要，这样就完成了一个生产流程。
需要指出的是，本实施例提出的温差发电机的转换效率，受制于发电机“冷端(位于海水层)”和“热端(位于干热岩或热卤水层中心)”的绝对温差，温差越大，转换效率越高，装机容量根据生产井的需求(比如热电极的功率、单位能量井可供应的生产井数量)而具体设定；另外，本实施例提出的套管，在天然气水合物储层、干热岩或热卤水层与相邻地层16之间需分别以绝热隔层11进行隔热处理，以保证温差相对恒定，并且防止干热岩或热卤水层的热量通过对流扩散到水合物储层，破坏该层段的水合物稳定性，造成能量井大规模产气，影响温差发电机工作。值得指出的是，本发明最适于热流值(即地热梯度)比较高而同时具有浅表层水合物的盆地的未来天然气开发。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于温差发电机的海域天然气水合物热采装置，其特征在于，包括能量井及其内部装置、生产井及其内部装置及设置在能量井和生产井之间的功率控制器；
所述能量井由套管自上而下穿透天然气水合物储层和高温储层，并通过射孔完井方式将所述套管与高温储层连接，所述高温储层为干热岩或热卤水层；且能量井内布设有温差发电机，温差发电机的热端设置在高温储层，其冷端设置在海水层，温差发电机通过电缆与功率控制器输入端相连；
所述生产井由套管钻孔至水合物开发生产所要求的深度，并在水合物储层射孔形成水合物射孔层段，以与水合物储层连接，所述生产井内水合物射孔层段设有与功率控制器输出端相连的热电极；利用能量井提供的电能，通过功率控制器控制调节输入、输出电能的功率，供给热电极在生产井内生热，并通过水合物射孔层段对水合物储层进行有效传递热量，从而对水合物储层中的天然气进行热采。
2.根据权利要求1所述的热采装置，其特征在于：所述能量井内设有绝热隔层，以将水合物储层与高温储层分别与相邻地层做绝热处理。
3.根据权利要求2所述的热采装置，其特征在于：所述能量井井口设置有第一降压出气阀门。
4.根据权利要求3所述的热采装置，其特征在于：所述生产井井口设置有第二降压出气阀门。
5.根据权利要求4所述的热采装置，其特征在于：所述温差发电机的热端中心设置在高温储层中心部位。
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