CN110073078A

CN110073078A - 甲烷气体生产设备及甲烷气体生产方法

Info

Publication number: CN110073078A
Application number: CN201680091541.7A
Authority: CN
Inventors: 内田启克; 松本淳
Original assignee: Nikki Co Ltd
Current assignee: Nikkei Global Co ltd
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2019-07-30
Anticipated expiration: 2036-12-15
Also published as: JP7062598B2; WO2018109892A1; JPWO2018109892A1; CN110073078B; JP2022050684A

Abstract

本发明提供一种可由甲烷水合物层通过气体提升来连续地生产甲烷气体的甲烷气体生产设备等。甲烷气体生产设备中，生产井2以与水底的甲烷水合物层MHL内连通的方式形成，升管11对于生产井2的内部空间而气密地连通，提升气体供给管12向升管11内供给从提升气体供给部32所供给的提升气体。当向在升管11及生产井2内充满的水混入提升气体时，生产井2内经减压，与生产井2连通的甲烷水合物层MHL的甲烷水合物分解，甲烷气体与生产水的气液混合流体在升管11上升。

Description

甲烷气体生产设备及甲烷气体生产方法

技术领域

本发明涉及一种由甲烷水合物层(methane hydrate layer)来生产甲烷气体的技术。

背景技术

作为非常规(unconventional)型的资源，存在于深海或冻土层的甲烷水合物(也称为气体水合物(gas hydrate))受到关注。甲烷水合物是在规定的温度、压力条件下，以在水分子的笼结构(笼形包合物(clathrate))内取入以甲烷分子为主成分的客体分子(guestmolecules)的状态而存在的固体状物质。

非专利文献1中，提出了一种由形成于海底的地层内的砂层型甲烷水合物层通过减压法来生产甲烷气体的方法。

减压法是通过利用泵来汲取以挖掘甲烷水合物层的方式形成的生产井内的水，而使生产井的内部或其周围的压力降低，从而使甲烷水合物分解的方法。

伴随甲烷水合物的分解而生成的甲烷气体及水流入生产井内后，发生气液分离。气液分离后的水是使用泵来汲取，所述泵设于构成水的汲取流路的升管(riser)的底部。

而且，与水分离的甲烷气体在所述升管内，在与水的汲取流路分离而形成的气体用的流路内上升而向海上被抽出。

根据所述减压法，认为能够由砂层型甲烷水合物层来连续地生产甲烷气体。另一方面，对设于水深几百米以上的海底的生产井设置泵或气液分离用的分离器(separator)等机器的情况下，除了各机器的制造费用或设置费用可能变得昂贵以外，还存在机器的维护(maintenance)困难等问题。

此处，专利文献1、专利文献2中记载有下述技术：使用向输送甲烷水合物的升管(输送管、输送导管)吹入输送用的气体的气泡泵或被称为气力提升(air lift)的方法，从位于海底的表层的表层型甲烷水合物层吸取甲烷水合物块。

但是，这些专利文献1、专利文献2中并未公开从存在于地中的砂层型甲烷水合物层也可通过气体提升来连续地生产甲烷气体的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特表2002-536573号公报

专利文献2：日本专利特开2003-262083号公报

非专利文献

非专利文献1：甲烷水合物资源开发研究联盟，《由甲烷水合物进行的气体生产》，国际互联网〈URL:http://www.mh21japan.gr.jp/mh/05-2/〉

发明内容

发明所要解决的问题

本发明是在所述背景下而成，其目的在于提供一种可由甲烷水合物层通过气体提升来连续地生产甲烷气体的甲烷气体生产设备及甲烷气体生产方法。

解决问题的技术手段

本发明的甲烷气体生产设备是由甲烷水合物层来生产甲烷气体的甲烷气体生产设备，其特征在于包括：

生产井，设于水底，以与甲烷水合物层内连通的方式形成；

升管，下端部侧对于所述生产井的内部空间而气密地连通，用于从所述生产井抽取包含甲烷气体与水的气液混合流体；及

提升气体供给管，用于向所述升管内供给从提升气体供给部所供给的提升气体，

通过向在所述升管及生产井内充满的水混入从所述提升气体供给管所供给的提升气体将所述生产井内减压，而使所述气液混合流体经由所述升管而上升，所述气液混合流体是使与所述生产井连通的甲烷水合物层的甲烷水合物分解而得。

所述甲烷气体生产设备也可具备以下特征。

(a)包括：气液分离部，设于所述升管的上端部侧，将从所述升管流出的所述气液混合流体分离成甲烷气体与水。此时，所述提升气体是在所述气液分离部中从气液混合流体所分离的甲烷气体。而且，所述提升气体供给部是压缩不含氧气体的压缩机(compressor)。

(b)在所述水底设有多个生产井，这些多个生产井经由连结管而连接于共同的所述升管。

(c)伴随所述气液混合流体在升管内上升的流动的形成而维持所述生产井内的减压，由此成为进行所述甲烷水合物的分解的自喷状态后，停止从所述提升气体供给管供给提升气体。

而且，另一发明的甲烷气体生产方法是由甲烷水合物层来生产甲烷气体的甲烷气体生产方法，其特征在于包括下述工序：

向在设于水底且以与甲烷水合物层内连通的方式形成的生产井、及下端部侧对于所述生产井的内部空间而气密地连通的升管内充满的水混入提升气体，将所述生产井内减压，使与所述生产井连通的甲烷水合物层的甲烷水合物分解；

使气液混合流体经由所述升管而上升，所述气液混合流体是使所述甲烷水合物分解而得，包含甲烷气体与水；及

将从所述升管的上端部流出的气液混合流体分离成甲烷气体与水。

所述甲烷气体生产方法也可具备以下特征。

(d)所述提升气体是不含氧气体。所述不含氧气体是从所述气液混合流体所分离的甲烷气体。

(e)从所述气液混合流体所分离的甲烷气体被供给至选自由甲烷气体液化设备、合成气体制造设备、火力发电设备、城市气体供给设备所组成的甲烷气体利用设备群组中的至少一个甲烷气体利用设备。

(f)伴随所述气液混合流体在升管内上升的流动的形成而维持所述生产井内的减压，由此成为进行所述甲烷水合物的分解的自喷状态后，停止供给所述提升气体。

发明的效果

本发明通过向对于由甲烷水合物层来进行甲烷气体的生产的生产井气密地连接的升管内供给提升气体，而将生产井内减压，使与生产井连通的区域的甲烷水合物分解。其结果为，所得的甲烷气体与水的气液混合流体在升管内上升，因而能够利用简单且廉价的结构来生产甲烷气体。

附图说明

图1是表示实施方式的甲烷气体生产设备的结构例的说明图。

图2是所述甲烷气体生产设备的第一作用图。

图3是所述甲烷气体生产设备的第二作用图。

图4是所述甲烷气体生产设备的第三作用图。

图5是所述甲烷气体生产设备的第四作用图。

图6是表示设于甲烷气体生产设备的升管的另一结构例的说明图。

图7是具备连接于多个生产性的升管的甲烷气体生产设备的第一结构例。

图8是具备连接于多个生产性的升管的甲烷气体生产设备的第二结构例。

具体实施方式

首先，一边参照图1一边对本发明实施方式的甲烷气体生产设备的结构进行说明。本示例的甲烷气体生产设备例如由砂层型甲烷水合物层MHL来生产甲烷气体，所述砂层型甲烷水合物层MHL形成于构成海底(水底)的地层GL的下层侧。

拥有甲烷水合物层MHL的地层GL位于水深为几百米以上的海底，甲烷水合物层MHL位于较所述地层GL的海底面更靠几十米～几百米左右的下侧。

生产井2成为从地层GL的海底面朝向位于所述地层GL的下侧的甲烷水合物层MHL，以向下侧延伸的方式配设有筒状的套管(casing)21的结构。套管21例如由直径为几十厘米～几米的金属制配管所构成，利用未图示的胶泥(cement)而对地层GL进行固定。

套管21的下部侧区域插入甲烷水合物层MHL内，在所述下部侧区域，经由穿孔或砂筛(sand screen)等而形成有与甲烷水合物层MHL连通的加工层22。而且，套管21的下端部既可向甲烷水合物层MHL开口，也可设置套管靴(casing shoe)而堵塞。

在生产井2的上表面设有凸缘状的升管基部(riser base)23，在所述升管基部23形成有将其内部沿上下方向贯穿的流路。在升管基部23的下表面，以与所述流路连通的方式连接有管件(tubing)27。管件27由小于套管21的内径的、具有几十厘米～几米的直径的金属制配管所构成，从升管基部23向套管21(生产井2)的内部空间插入。管件27的下端部向形成有加工层22的套管21的下部侧区域内开口，所述下端部的套管21与管件27之间的间隙由封隔器(packer)24堵塞。

升管11例如由直径为几十厘米～几米的金属制配管或挠性导管(flexibletube)所构成，所述升管11的下端部连接于所述升管基部23的上表面。经由升管基部23而与管件27连接的升管11成为对于生产井2的内部空间而气密地连通的状态。

在生产井2的上侧的海上设有浮船(floater)3。升管11从与升管基部23连接的海底面在海中通过而向上侧延伸到浮船3。在浮船3设有气液分离槽(气液分离部)31，此气液分离槽(气液分离部)31用于经由升管11而接纳从甲烷水合物层MHL抽取的后述的气液混合流体，并将所述气液混合流体分离成甲烷气体与水。升管11的上端部连接于气液分离槽31，在其上游或下游设置有调节阀V1(图1～图6表示在气液分离槽31的上游设有调节阀V1的示例)。

进而，对于气液分离槽31，连接有用于从所述气液分离槽31内的上部侧的空间抽取经气液分离后的甲烷气体的线路(line)、及用于从气液分离槽31内的下部侧区域抽取气液分离后的水的线路。在甲烷气体的抽取线路设有气体压缩机32，此气体压缩机32用于将从气液分离槽31抽取的甲烷气体升压并出货。另一方面，在水的抽取线路的下游侧设有未图示的排水处理部，此排水处理部用于在进行水的排出之前进行必要的排水处理。

而且，抽取经升压的甲烷气体的一部分的线路从气体压缩机32的下游侧分歧。所述分歧线路经由流量调节阀V2而连接于提升气体供给管12的上游侧的端部。从所述观点来看，气体压缩机32也具备作为向提升气体供给管12供给提升气体的提升气体供给部的功能。

进而如图1所示，在提升气体供给管12的上游侧的端部，经由流量调节阀V3而连接有用于向提升气体供给管12供给氮气的、包含氮气箱或气体压缩机等的氮气供给部33。关于氮气供给部33，也相当于向提升气体供给管12供给提升气体的提升气体供给部。

提升气体供给管12沿着升管11的延伸方向，从浮船3向海底在海中内向下侧延伸。本示例中，提升气体供给管12的下端部连接于上文已述的升管基部23，经由形成于升管基部23内的流路而与升管11连通。

提升气体供给管12发挥向升管11内供给将作为不含氧气体的甲烷气体或氮气作为提升气体的功能。因此，在升管11经水W充满的状态下，向提升气体供给管12供给提升气体的气体压缩机32或氮气供给部33具备下述能力：在与升管11侧的连接位置抵抗从升管11侧施加的水压，以可将所期望流量的提升气体混入升管11内的压力而供给提升气体。

此外，提升气体采用不含氧气体的原因在于，在由甲烷水合物层MHL来生产甲烷气体时，不形成可燃烧的混合气。因此，不否定下述情况：这些提升气体含有不形成可燃烧的混合气的程度的微量氧作为不可避免的成分等。

若对具备以上所说明的结构的甲烷气体生产设备的作用进行说明，则如图2所示，首先生产井2及升管11的内部成为经水W充满的状态。铺设升管11时，当不在升管11的下端部加盖而使升管11逐渐下降至与升管基部23的连接位置时，海水进入升管11内。而且，也在设置生产井2时，海水进入生产井2的内部。在甲烷气体的生产开始前，充满生产井2及升管11的水W例如为这些海水。

接着，如图3所示，打开升管11与气液分离槽31之间的调节阀V1，并且打开氮气供给部33侧的流量调节阀V3，从氮气供给部33向提升气体供给管12供给作为提升气体的氮气。氮气在提升气体供给管12内向下侧流动，经由与升管基部23的连接位置而混入升管11内的水W。

其结果为，在较氮气的混入位置更靠上侧，形成氮气的气泡B与水W的气液混合流体。此气液混合流体的比重小于较氮气的混入位置更靠下侧的水W的比重，因而将比重大的下侧的水W向较氮气的混入位置更靠上侧抬升(气体提升效应)。由于所述气体提升效应，较气体混入位置更靠下侧的生产井2内的压力减小，并且气液混合流体在升管11内开始上升。

伴随气液混合流体在升管11内的上升、及对于所述升管11而气密地连通的生产井2内的压力降低，经由加工层22而与生产井2连通的周围的甲烷水合物层MHL内的压力开始降低。接着，当甲烷水合物层MHL内的压力降低时，甲烷水合物分解，产生甲烷气体与生产水。此外，此时甲烷水合物层也可包含甲烷以外的成分、例如乙烷(ethane)或丙烷(propane)等成分，关于这种甲烷与其他成分的混合气体，也在以下的说明中称为“甲烷气体”。

通过甲烷水合物的分解而产生的甲烷气体与水(生产水)W的混合流体(可包含未形成甲烷水合物而原本单独存在于甲烷水合物层MHL内的水)经由加工层22而流入生产井2内，通过提升气体效应而在生产井2及升管11内上升(图4)。

例如想到下述情况：对设于水深1000米的海底的升管基部23连接升管11的下端部，进而甲烷水合物层MHL存在于较升管基部23更靠几十米～几百米下方的位置。此时，对与升管基部23的连接位置的附近的升管11的内部，施加约100Bar(10MPaG)的水压。此时可认为，即便考虑生产井2内的压力损失量，也只要能够通过提升气体效应将所述连接位置的水压减压至30Bar～50Bar(3MPaG～5MPaG)左右为止，便能够使加工层22的周围的甲烷水合物连续地发生分解。

在升管11内上升的混合流体到达浮船3侧后，流入气液分离槽31内，在气液分离槽31内分离成甲烷气体与水。充分量的甲烷气体流入气液分离槽31内而成为可运作气体压缩机32的状态后，启动气体压缩机32，并且打开流量调节阀V2。另一方面，关闭氮气供给部33侧的流量调节阀V3，将提升气体从氮气切换为甲烷气体(图4)。

本示例的甲烷气体生产设备中，除了伴随从提升气体供给管12供给提升气体的、提升气体效应以外，也通过从甲烷水合物层MHL流入生产井2内的混合流体(甲烷气体与生产水)自身在升管11内上升的流动的形成来发挥提升气体效应。此时，在即便停止提升气体的供给也能够生产甲烷气体时，可谓利用从甲烷水合物层MHL供给的混合流体的提升气体效应来维持生产井2内的减压，处于进行甲烷水合物的分解的自喷状态。

当这样形成自喷状态时，也可如图5所示那样停止从提升气体供给管12供给甲烷气体(提升气体)。而且，在仅通过自喷进行生产的情况下甲烷气体的生产量少而无法稳定生产时等，也可适当追加供给维持出货流量所需要的流量的提升气体。

进而此处，生产井2的周围的甲烷水合物层MHL无需一直形成自喷状态。例如，能够通过在停止甲烷气体生产设备的运转后，再次开始从提升气体供给管12供给提升气体，或使提升气体的供给流量增加，而再次继续甲烷气体的生产。

通过以上所说明的甲烷气体生产设备的作用，在甲烷水合物层MHL中生产并经由生产井2及升管11而向气液分离槽31被抽取的甲烷气体由气体压缩机32进行升压，供给至后段的甲烷气体利用设备。

作为甲烷气体利用设备，能够例示选自由下述设备所组成的甲烷气体利用设备群组中的至少一个甲烷气体利用设备：将甲烷气体冷却并液化的甲烷气体液化设备、由甲烷气体通过化学反应来制造包含一氧化碳与氢的合成气体的合成气体制造设备、使甲烷气体燃烧而进行发电的火力发电设备、进行通过向甲烷气体添加液化石油气(LiquefiedPetroleum Gas，LPG)而调整热量或附加臭味等从而制造城市气体的城市气体供给设备。

此处，这些甲烷气体利用设备也可采用下述结构：设置于浮船3的外部的例如陆地侧，在浮船3与甲烷气体利用设备之间铺设导管线路，将经气体压缩机32升压的甲烷气体向甲烷气体利用设备输送。而且，也可将甲烷气体利用设备一并设置于浮船3，将在浮船3内所得的液化气体、合成气体、电力或城市气体从浮船3向消费目的地输送。

此外，在气液分离槽31中与甲烷气体分离的生产水在进行必要的排水处理后，返回海中。而且，在不使生产水返回海中的情况下，也可再压入海底。

根据本实施方式的甲烷气体生产设备，有以下效果。通过向对于由甲烷水合物层MHL来进行甲烷气体的生产的生产井2气密地连接的升管11内供给提升气体，而将生产井2内减压，使与生产井2连通的区域的甲烷水合物分解。其结果为，所得的甲烷气体与水的气液混合流体在升管11内自发上升，因而能够利用简单且廉价的结构来生产甲烷气体。

尤其与以前所提出的减压法不同，本示例的甲烷气体生产设备无需在设有生产井2的海底设置将甲烷气体与生产水分离的分离器、或用于汲取生产水的泵。因此，能够大幅降低构成甲烷气体生产设备的各机器的制造费用或设置费用。而且，也可避免伴随在海底设置动力机器的维护的困难性。

进而，在甲烷气体与生产水的气液混合流体流入生产井2而发挥提升气体效应，由此处于甲烷水合物的分解自发进行的自喷状态时，也能够降低、停止提升气体的供给流量。其结果为，与一直需要汲取生产水的现有的减压法相比较，可大幅降低甲烷气体生产设备的运作费用。

此处，提升气体供给管12不限于连接于升管基部23的结构，也可直接连接于升管11。而且，例如也可对管件27连接提升气体供给管12，并经由所述管件27使提升气体供给管12与升管11连通。

进而，提升气体供给管12不限定于使用图1等所说明的示例那样配置于升管11的外部的情况。例如图6表示了下述甲烷气体生产设备的结构例：以成为在升管11的内侧收容有口径小于所述升管11的提升气体供给管12a的双重管的状态，将升管11及提升气体供给管12a配置于海中。

提升气体供给管12a的下端部在升管11内开口，提升气体从所述开口向升管11内的水W混入。甲烷气体与生产水的混合流体在升管11的内周面与提升气体供给管12a外周面之间的间隙区域内上升，向浮船3侧的气液分离槽31被抽取。此外，此时也可在升管11与提升气体供给管12a之间以规定的间隔配置隔件(spacer)，以遍及升管11内的上下方向而稳定地形成混合流体流动的所述间隙区域。

进而，使用图1等所说明的示例中，对利用甲烷气体的出货用的气体压缩机32来对提升气体供给管12供给甲烷气体作为提升气体的示例进行了说明。但是，共用出货用的气体压缩机32与向提升气体供给管12的提升气体供给用的压缩机并非必要条件，也可对气液分离槽31设置向提升气体供给管12的提升气体供给专用的抽取线路、压缩机。

进而，当在甲烷气体生产设备的外部、例如远离浮船3的位置设有气液分离槽31时，或难以在浮船3设置氮气供给部33时等，也可从外部接纳甲烷气体或氮气作为提升气体。此时，设于浮船3的提升气体的接纳配管相当于本甲烷气体生产设备的提升气体供给部。

另外，用于提升气体的不含氧气体不限定于氮气或甲烷气体，例如也可为经气化的LPG或液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)。

而且，图7表示使用一根升管11从多个生产井2进行甲烷气体的生产的甲烷气体生产设备的实施方式。本示例中，对设于升管11的下端部的歧管(manifold)部23a连接多个连结管26，各连结管26经由连结部25而连接于各生产井2(圣诞树(Christmas tree)连接)。

接下来，图8表示使用一根升管11从多个生产井2进行甲烷气体的生产的甲烷气体生产设备的另一实施方式。本示例中，成为在设于升管11的下端部的升管基部23、及多个连结部25的下方分别设置生产井2，经由连结管26将这些升管基部23、连结部25依次连接的结构(菊链(daisy chain)连接)。

而且，当然也可将图7、图8所示的连接法组合，对歧管部23a分别以圣诞树状连接经菊链连接的多个生产井2的群组，或对经菊链连接的多个连结部25或歧管部23分别以圣诞树状连接多个连结管26。

另外，本示例的甲烷气体生产设备不限定于由存在于海底的甲烷水合物层MHL来生产甲烷气体的情况，当然也可设于存在于湖底的甲烷水合物层MHL来进行甲烷气体的生产。

符号的说明

B：气泡

MHL：甲烷水合物层

W：水

11：升管

12、12a：提升气体供给管

2：生产井

31：气液分离槽

32：气体压缩机

Claims

1.一种甲烷气体生产设备，由甲烷水合物层来生产甲烷气体，其特征在于包括：

生产井，设于水底，以与甲烷水合物层内连通的方式形成；

提升气体供给管，向所述升管内供给从提升气体供给部所供给的提升气体，

通过向在所述升管及所述生产井内充满的水混入从所述提升气体供给管所供给的提升气体将所述生产井内减压，而使所述气液混合流体经由所述升管而上升，所述气液混合流体是使与所述生产井连通的甲烷水合物层的甲烷水合物分解而得。

2.根据权利要求1所述的甲烷气体生产设备，其特征在于包括：气液分离部，设于所述升管的上端部侧，将从所述升管流出的所述气液混合流体分离成甲烷气体与水。

3.根据权利要求2所述的甲烷气体生产设备，其特征在于，所述提升气体是在所述气液分离部中从气液混合流体所分离的甲烷气体。

4.根据权利要求1所述的甲烷气体生产设备，其特征在于，所述提升气体供给部是压缩不含氧气体的压缩机。

5.根据权利要求1所述的甲烷气体生产设备，其特征在于，在所述水底设有多个生产井，所述多个生产井经由连结管而连接于共同的所述升管。

6.根据权利要求1所述的甲烷气体生产设备，其特征在于，伴随所述气液混合流体在升管内上升的流动的形成而维持所述生产井内的减压，由此成为进行所述甲烷水合物的分解的自喷状态后，停止从所述提升气体供给管供给提升气体。

7.一种甲烷气体生产方法，由甲烷水合物层来生产甲烷气体，其特征在于包括下述工序：

8.根据权利要求7所述的甲烷气体生产方法，其特征在于，所述提升气体是不含氧气体。

9.根据权利要求8所述的甲烷气体生产方法，其特征在于，所述不含氧气体是从所述气液混合流体所分离的甲烷气体。

10.根据权利要求7所述的甲烷气体生产方法，其特征在于，从所述气液混合流体所分离的甲烷气体被供给至选自由甲烷气体液化设备、合成气体制造设备、火力发电设备、城市气体供给设备所组成的甲烷气体利用设备群组中的至少一个甲烷气体利用设备。

11.根据权利要求7所述的甲烷气体生产方法，其特征在于包括下述工序：伴随所述气液混合流体在升管内上升的流动的形成而维持所述生产井内的减压，由此成为进行所述甲烷水合物的分解的自喷状态后，停止供给所述提升气体。