CN108035699A - 一种利用海底地热能原位开采天然气水合物的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用海底地热能原位开采天然气水合物的系统，包括：气液分离式集气系统，设置在海上平台上且末端延伸至海底的天然气水合物储层；海水注入系统，用于向天然气水合物储层注入热海水；海水加热系统，设置于海水注入系统和海底热岩层之间，包括热泵机组和埋管换热器，所述热泵机组包括冷凝端和蒸发端，所述冷凝端与海水注入管换热连接；所述埋管换热器与热泵机组的蒸发端换热连接，且部分埋入海底热岩层中与海底热岩层进行换热。本发明还公开了一种利用海底地热能原位开采天然气水合物的方法。采用本发明的方法和系统来开采天然气水合物，大大降低了开采热源的输入成本，可用于天然气水合物的大规模开采。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然气水合物的开采方法，特别涉及一种利用海底地热能原位开采天然气水合物的方法及开采装置，属于天然气水合物开采技术领域。
背景技术
天然气水合物是由天然气（主要是甲烷）和水在低温高压的条件下形成的一种固态晶状物质。
天然气水合物主要分布于冻土中或水深超过300米的海底沉积物中，其碳含量约为传统化石燃料（石油、煤和天然气）中碳含量的两倍，有望成为21世纪人类最重要的新能源。如何高效、经济地从水合物储层中开采储量庞大的天然气资源仍面临诸多挑战。
开采海底天然气水合物就是要打破它的热力学稳定性，收集其分解产生的天然气。目前，经过矿场实际验证的成功方法主要有降压法、注化学试剂法和注热法或联合以上两种方法。降压法是通过降低储层压力使其低于水合物生成压力；注化学试剂法是将某些化学试剂（如甲醇、乙醇、乙二醇等）注入地层，改变水合物形成的相平衡条件；注热法主要是将蒸汽、热水、热盐水或其他热流体注入到天然气水合物储层，使其温度高于水合物生成压力。
其中，降压法最大的优点是分解速度快、不需要连续激发，但由于天然气水合物分解是吸热反应，容易出现结冰现象使分解前沿封闭，进而影响开采效果。注化学试剂法对天然气水合物层的作用缓慢，而且所需的化学试剂费用很高，还会带来一些不良环境问题。注热法能有效地促进水合物分解，适用范围广，但存在输热损失大、热利用效率低及加热区域小等缺点。
针对目前天然气水合物开采需要大量能源供给的状况，本发明提出利用海底地热能原位制取大量经济廉价的中高温海水作为水合物注热开采的热源，一方面利用海底地热能作为开采热源，大大降低了开采热源输入的成本，另一方面注入的热源离天然气水合物储层很近，近似原位开采，有效避免输热过程中的热损失问题。
发明内容
本发明针对注热法开采海底天然气水合物时，分解水合物藏与输热过程中存在热损失大、热效率低下等问题，需要消耗大量能源、开采成本昂贵，本发明提出利用海底地热能原位开采天然气水合物的方法，以及提供一种设备简单、成本较低的海底天然气水合物的开采系统。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案试下：
一种利用海底地热能原位开采天然气水合物的系统，包括：
气液分离式集气系统，设置在海上平台上且末端延伸至海底的天然气水合物储层；
海水注入系统，用于向天然气水合物储层注入热海水；
海水加热系统，设置于海水注入系统和海底热岩层之间，包括热泵机组和埋管换热器，所述热泵机组包括冷凝端和蒸发端，所述冷凝端与海水注入管换热连接；所述埋管换热器与热泵机组的蒸发端换热连接，且部分埋入海底热岩层中与海底热岩层进行换热。
本方案通过换热介质实现海底热岩层与海水注入系统之间的换热，持续加热海水注入系统中的海水温度，向天然气水合物储层注入热海水，使水合物受热分解出天然气，节能环保、成本低。
优选地，所述的气液分离式集气系统包括：
气液分离器，设置在所述海上平台上，包括出气口、出液口及输入端；
CH4存储器，连接于所述气液分离器的出气口；
若干气液回收管，连接于所述气液分离器的输入端且向下延伸至海底的天然气水合物储层。
优选地，所述的CH4存储器采用管道、液化装置或水合物快速生成罐。
优选地，所述的海水注入系统包括海水注入管，所述海水注入管的末端设置有射孔并延伸至海底的天然气水合物储层。
优选地，所述的海底热岩层与海水之间设置有隔水岩层。
优选地，所述的热泵机组包括通过制冷剂循环管路依次连接形成制冷剂循环回路的电动压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器，所述的电动压缩机的电能由岸上供电设施通过电缆提供。
优选地，所述的埋管换热器包括形成循环回路的循环泵和取热管路，所述取热管路与蒸发器换热连接，同时部分埋入海底热岩层中，所述循环泵的电能由岸上供电设施通过电缆提供。
一种利用所述系统开采天然气水合物的方法，包括步骤：
启动埋管换热器，埋管换热器将热岩层中的地热能“取”出，实现热量由低位向高位转移；
热泵机组冷凝端将海水注入管内的冷海水加热得到热海水并注入到天然气水合物储层，使水合物受热分解产出天然气；
分解后的天然气、水以及冷却的海水经气液回收管输送至海上平台上的气液分离器内，所述气液分离器分开气体和液体，收集天然气，冷海水直接排入海中。
优选地，所述热海水的温度至少为80 °C，有利于水合物受热分解产出天然气。
优选地，所述海水注入管将热海水注入到天然气水合物储层若干不同部位，使水合物受热分解产出天然气，从而提高分解的效率，产出更多天然气，提高产量。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
采用本方法及系统开采海底天然气水合物，能有效制取大量廉价的热源，用以克服水合物藏分解与输热过程中存在热损失大、热效率低下等问题，大大降低海底天然气水合物藏开采热源输入的成本。
本发明的开采方法中所用注热介质为海水，所用海水来源广泛、进口温度稳定，且海水中含有大量的盐，渗入到水合物地层中有利传热，加快水合物的分解，大大降低了生产成本。
附图说明
图1为利用海底地热能原位开采天然气水合物的系统及其工艺流程图。
主要附图符号说明
1 气液分离器、2 海上平台、3 天然气水合物储层、4 隔水岩层、5 海底热岩层、6 CH4存储器、7 气液回收管、8 海水注入管、9 电缆、10 热泵机组、11 循环泵、12 埋管换热器、13 冷凝器、14 节流装置、15 蒸发器、16 电动压缩机、17 制冷剂循环管路、18 取热管路。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明的内容作进一步详细说明。
如图1所示，一种利用海底地热能原位开采天然气水合物的系统，包括：
气液分离式集气系统，设置在海上平台2上且末端延伸至海底的天然气水合物储层3，具体包括：
气液分离器1，设置在所述海上平台2上，包括出气口、出液口及输入端；
CH4存储器6，连接于所述气液分离器1的出气口。
若干气液回收管7，连接于所述气液分离器1的输入端且向下延伸至海底的天然气水合物储层3。
海水注入系统，用于向天然气水合物储层3注入热海水，具体包括海水注入管8，所述海水注入管8的末端设置有射孔并延伸至海底的天然气水合物储层3。
海水加热系统，设置于海水注入系统和海底热岩层5之间，包括热泵机组10和埋管换热器12，所述热泵机组10包括冷凝端和蒸发端，所述冷凝端与海水注入管8换热连接；所述埋管换热器12与热泵机组10的蒸发端换热连接，且部分埋入海底热岩层5中与海底热岩层5进行换热。
具体而言，所述的热泵机组10包括通过制冷剂循环管路17依次连接形成制冷剂循环回路的电动压缩机16、冷凝器13、节流装置14、蒸发器15，所述的电动压缩机16的电能由岸上供电设施通过电缆9提供，热泵机组10的自动控制部分在海上平台2上进行控制。
具体而言，所述的埋管换热器12包括形成循环回路的循环泵11和取热管路18，所述取热管路18与蒸发器15换热连接，同时部分穿过覆盖在所述的海底热岩层5上的隔水岩层4埋入海底热岩层5中，所述循环泵11的电能由岸上供电设施通过电缆9提供，所述循环泵11的自动控制部分在海上平台2上进行控制。
上述实施例中，所述的CH4存储器6可采用管道、液化装置或水合物快速生成罐。
将埋管换热器12取热部位深入至热岩层5中，放热部位与热泵机组10的蒸发器15换热连接，循环管路中安装有循环泵11以实现取热工质的持续“取”热，热岩层5的上部为隔水岩层4。
海底热岩层5中的热量由埋管换热器12中的取热工质在循环泵11作用下持续“取”出，与热泵机组10蒸发器15内的制冷剂换热，使其蒸发形成蒸汽，蒸汽被电动压缩机16吸入，压缩至规定的压力后进入到冷凝器13内冷凝，使热量传递给需要加热的海水，冷凝液经过节流装置14后，回到蒸发器15继续重复上述过程。
一种利用所述系统开采天然气水合物的方法，包括步骤：
启动埋管换热器12，埋管换热器12将热岩层5中的地热能“取”出，并与热泵机组10的蒸发器15内的制冷剂换热，使其蒸发形成蒸汽，蒸汽被电动压缩机16吸入，压缩至规定的压力后进入到冷凝器13内冷凝，实现热量由低位向高位转移；
热泵机组10的冷凝器13与海水注入管8进行换热，将海水注入管8内的冷海水加热得到温度至少为80 °C的热海水并注入到天然气水合物储层3若干不同部位，使水合物受热分解产出天然气；
分解后的天然气、水以及冷却的海水经气液回收管7输送至海上平台2上的气液分离器1内，所述气液分离器1分开气体和液体，收集天然气，冷海水直接排入海中，利用液化装置、水合物快速生成罐作为CH4储存器收集天然气时，在岸上将天然气转移后，液化装置、水合物快速生成罐运回海上平台循环使用。
采用本发明的方法和系统来开采天然气水合物，大大降低了开采热源的输入成本，可用于天然气水合物的大规模开采。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种利用海底地热能原位开采天然气水合物的系统，其特征在于，包括：
气液分离式集气系统，设置在海上平台（2）上且末端延伸至海底的天然气水合物储层（3）；
海水注入系统，用于向天然气水合物储层（3）注入热海水；
海水加热系统，设置于海水注入系统和海底热岩层（5）之间，包括热泵机组（10）和埋管换热器（12），所述热泵机组（10）包括冷凝端和蒸发端，所述冷凝端与海水注入管（8）换热连接；所述埋管换热器（12）与热泵机组（10）的蒸发端换热连接，且部分埋入海底热岩层（5）中与海底热岩层（5）进行换热。
2.根据权利要求1所述的利用海底地热能原位开采天然气水合物的系统，其特征在于，所述的气液分离式集气系统包括：
气液分离器（1），设置在所述海上平台（2）上，包括出气口、出液口及输入端；
CH4存储器（6），连接于所述气液分离器（1）的出气口；
若干气液回收管（7），连接于所述气液分离器（1）的输入端且向下延伸至海底的天然气水合物储层（3）。
3.根据权利要求1所述的利用海底地热能原位开采天然气水合物的系统，其特征在于，所述的CH4存储器（6）采用管道、液化装置或水合物快速生成罐。
4.根据权利要求1所述的利用海底地热能原位开采天然气水合物的系统，其特征在于，所述的海水注入系统包括海水注入管（8），所述海水注入管（8）的末端设置有射孔并延伸至海底的天然气水合物储层（3）。
5.根据权利要求1所述的利用海底地热能原位开采天然气水合物的系统，其特征在于，所述的海底热岩层（5）与海水之间设置有隔水岩层（4）。
6.根据权利要求1所述的利用海底地热能原位开采天然气水合物的系统，其特征在于，
所述的热泵机组（10）包括通过制冷剂循环管路（17）依次连接形成制冷剂循环回路的电动压缩机16）、冷凝器（13）、节流装置（14）、蒸发器（15），所述的电动压缩机（16）的电能由岸上供电设施通过电缆（9）提供。
7.根据权利要求1所述的利用海底地热能原位开采天然气水合物的系统，其特征在于，
所述的埋管换热器（12）包括形成循环回路的循环泵（11）和取热管路（18），所述取热管路（18）与蒸发器（15）换热连接，同时部分埋入海底热岩层（5）中，所述循环泵（11）的电能由岸上供电设施通过电缆（9）提供。
8.一种利用权利要求1至7中任一项所述系统开采天然气水合物的方法，其特征在于，包括步骤：
启动埋管换热器（12），埋管换热器（12）将热岩层（5）中的地热能“取”出，并不热泵机组（10）的蒸发端换热，实现热量由低位向高位转移；
热泵机组（10）冷凝端将海水注入管（8）内的冷海水加热得到热海水并注入到天然气水合物储层（3），使水合物受热分解产出天然气；
分解后的天然气、水以及冷却的海水经气液回收管（7）输送至海上平台（2）上的气液分离器（1）内，所述气液分离器（1）分开气体和液体，收集天然气，冷海水直接排入海中。
9.根据权利要求8所述的开采天然气水合物的方法，其特征在于，所述热海水的温度至少为80 °C。
10.根据权利要求8所述的开采天然气水合物的方法，其特征在于，所述海水注入管（8）将热海水注入到天然气水合物储层（3）若干不同部位，使水合物受热分解产出天然气。
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