CN110159232A - 一种开采海底天然气水合物装置和方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种开采海底天然气水合物的装置，它包括甲烷收集容器(3)、二氧化碳与甲烷分离器(4)、加压器(5)、加温器(6)；二氧化碳与甲烷分离器(4)分别与甲烷收集容器(3)、加压器(5)、海底的抽采井(2)连接，用于经抽采井(2)将海底抽采出来的二氧化碳与甲烷混合物分离，将甲烷送往甲烷收集容器(3)，将二氧化碳送往加压器(5)进行增压处理；加温器(6)连接加压器(5)，以对经注入井(1)送往海底浅层水合物储层的介质进行增压、升温。还提供了开采海底天然气水合物的方法，利用加压器(5)和加温器(6)依次处理形成的超临界二氧化碳进行天然气水合物的置换开采，并可实现二氧化碳的循环利用。
Description
技术领域
本发明总体地属于天然气水合物开采领域，具体地涉及到一种开采海底天然气水合物装置和方法。
背景技术
天然气水合物(NGH)又称为“可燃冰”，是储量丰富的清洁能源，主要赋存于海底或永久冻土区，据估计，全球天然气水合物碳含量为1×1013t，相当于已探明的常规化石能源(煤炭、石油和天然气)碳含量的2倍。我国天然气水合物资源量丰富，2017年5月我国在南海成功试采天然气水合物，2017年11月国务院正式将天然气水合物列为第173个矿种，天然气水合物将成为煤炭、石油、天然气等常规能源的重要接替能源。因此，开发天然气水合物资源符合国家能源发展重大需求，对保障国家能源安全、解决我国能源供需紧张、改善能源结构、减少CO2排放具有重要意义。
目前，天然气水合物开采方法主要包括：热激法、减压法、化学试剂法，但都存在缺点，降压法开采效率低，热激法诱导水合物开采，消耗大量热量，能源利用率低和抑制剂注入法破坏环境污染。此外，天然气水合物形成时大量填充于沉积物孔隙中，沉积层拥有较高的稳定性；水合物分解后，孔隙水和甲烷气体等大量产出，沉积层骨架结构将遭到严重破坏，可能导致沉积层坍塌，引发海底滑坡、地震等地质灾害。二氧化碳置换开采天然气水合物与热激法、减压法、化学试剂法相比是一种有良好应用前景的新方法。向水合物储层注入二氧化碳，二氧化碳与置换出天然气水合物中的甲烷气体。该方法不仅开采天然气，还封存二氧化碳，并且形成的二氧化碳水合物能保持沉积物的稳定性，减小了水合物分解引起的地质灾害的可能性，具有很好的环境效益。
随着研究的深入，二氧化碳置换天然气水合物过程中，存在一些问题。开采置换前期，二氧化碳在天然气水合物表面迅速置换。随着置换反应的进行，形成的二氧化碳、甲烷混合水合物层阻碍二氧化碳进一步渗透到水合物储层内部置换甲烷，置换速率降低，置换周期增加，甚至导致置换反应停止。因此，针对置换反应缓慢，置换速率低、置换周期长等问题，亟待需要一种新型的天然气水合物置换方法。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷和不足，本发明提供了一种开采海底天然气水合物的装置和方法，本发明的装置和方法利用携带高热能的超临界二氧化碳，它能迅速渗透并与天然气水合物接触，高温的热流体使得水合物分解，提高置换速率，流动性强的超临界二氧化碳渗透到水合物储层内部，置换储层中的甲烷气体，提高甲烷产气量和二氧化碳封存率。
本发明的技术方案是，一种开采海底天然气水合物的装置，它包括甲烷收集容器、二氧化碳与甲烷分离器、加压器、加温器；所述二氧化碳与甲烷分离器分别与甲烷收集容器、加压器、海底的抽采井连接，用于经抽采井将海底抽采出来的二氧化碳与甲烷混合物分离，将甲烷送往甲烷收集容器，将二氧化碳送往加压器进行增压处理；所述加温器连接加压器，以对经注入井送往海底浅层水合物储层的介质进行增压、升温。
本发明还提供了一种开采海底天然气水合物的方法，它使用上述开采海底天然气水合物的装置，包括以下步骤：
S1、在天然气水合物藏开采目标区域，通过注入井向浅层水合物储层注入经热加温器加温的热海水，热海水与浅层水合物储层的天然气水合物接触，促使天然气水合物分解为甲烷和水；
S2、然后将二氧化碳经过加压器和加温器依次增压增温形成的超临界二氧化碳通过注入井注入浅层水合物储层，使得浅层水合物储层天然气水合物继续分解，在浅层附近形成水、甲烷气体；
S3、步骤S1和S2中产生的甲烷气体和残余的二氧化碳气体被收集后经抽采井送往二氧化碳与甲烷分离器，分离出甲烷气体和二氧化碳气体，甲烷气体被送往甲烷收集容器，二氧化碳气体送往加压器以与新增加的二氧化碳气体一起重复步骤S2。
可以看出，上述步骤S2中，利用超临界二氧化碳的高热量、低张力、流动性好，高温的流体使得浅层水合物继续分解，在浅层水合物储层附近形成水、甲烷气体。
进一步的，上述步骤S2中二氧化碳经过加压器被增至的压力范围为：
7.38MPa-10MPa.
二氧化碳的临界点是31.1℃，7.38MPa，温度达到31.1℃时，只要压力大于7.38MPa时，二氧化碳能达到超临界状态，过高的压力不需要。在超临界二氧化碳条件下，扩散系数为液体状态时的100倍，因此具有很强的溶解能力。超临界二氧化碳具有良好的传热传质性能，因为表面张力小，超临界二氧化碳较容易进入甲烷水合物，置换出甲烷气体分子。携带高热量的超临界二氧化碳扩散到远井段，消耗部分热量，超临界二氧化碳转换为气态二氧化碳，气态二氧化碳与远井段水合物分解的水生成二氧化碳水合物，稳定水合物储层。
进一步的，上述步骤S2中二氧化碳经过加温器被增至的温度范围为：31.1℃-40℃，温度达到31.1℃，压力达到7.38MPa,气态二氧化碳达到超临界态，超临界二氧化碳携带大量的热量促进天然气水合物快速分解。
二氧化碳的临界点是31.1℃，7.38Mpa，压力达到7.38MPa时,当温度大于临界点温度时，二氧化碳都处于超临界状态，温度高会导致能耗过大，因此二氧化碳增至的温度范围为31.1℃-40℃。高热量的超临界二氧化碳消耗热量后，温度降至31.1℃以下，超临界二氧化碳转换为气态二氧化碳。高温、高传热流体使得浅层水合物继续分解，在浅层水合物储层附近形成水、甲烷气体，气态二氧化碳与水生成二氧化碳水合物，从而达到封存二氧化碳效果。
利用本发明的开采海底天然气水合物的装置和方法进行天然气水合物开采过程中，因为高温的超临界二氧化碳因流动性好，从浅层水合物储层向远井段的天然气水合物藏渗透，一方面，促使远井段的水合物储层分解为甲烷和水，得到更多的甲烷气体；另一方面，二氧化碳与分解的水生成二氧化碳水合物，提高水合物储层的稳定性，防止因水合物分解导致的储层抗剪切力减小，从而发生地质灾害。
本发明的装置和方法将抽采井采出物分离，将其中的二氧化碳再次经过增压和加温转化为超临界二氧化碳，再注入水合物储层，达到循环的效果，减少二氧化碳的排放，缓解温室效应.
与现有的技术相比，本发明的优点是：
本发明实现了安全高效地开采水合物和封存二氧化碳缓解温室效应的目的。相对传统的置换开采，携带高热量、流动性较好的超临界二氧化碳能够有效地提高置换速率、减少置换周期和二氧化碳的封存率；相比传统的热激法，携带大量热量的超临界二氧化碳促使水合物分解，不会导致水合物储层因分解、力学性质不稳定而发生坍塌、甲烷泄露等灾害，另一方面超临界二氧化碳提供一定的热量用于水合物分解，具有较高的热效率，较低的能量消耗。
(1)本发明采用超临界二氧化碳置换开采天然气水合物，超临界二氧化碳携带的热量在促使水合物分解的同时，二氧化碳会置换水合物孔穴中的甲烷分子，提高甲烷的产气量。
(2)超临界二氧化碳的张力低、流动性好，超临界二氧化碳会渗透到使水合物储层内部，置换出更多的甲烷气体，提高置换速率，置换率。
(3)相比热激法开采水合物，超临界二氧化碳携带的热量促进水合物分解，不需要额外的热量注入，因此具有较低的能量消耗。
(4)热量消耗后的二氧化碳与水合物分解的水生成二氧化碳水合物，提高储层稳定和封存二氧化碳。
(5)产气井中得到的甲烷和二氧化碳混合气体经过分离得到甲烷和二氧化碳，甲烷收集起来，二氧化碳经过增压和升温为超临界二氧化碳循环注入天然气水合物储层，减少二氧化碳的排放，减缓温室效应。
附图说明
从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
图1为本发明实施例的开采海底天然气水合物的装置的结构及利用其开采海底天然气水合物的的工艺流程示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种开采海底天然气水合物的装置，其结构如图1所示，它包括甲烷收集容器3、二氧化碳与甲烷分离器4、加压器5、加温器6；所述二氧化碳与甲烷分离器4分别与甲烷收集容器3、加压器5、海底的抽采井2连接，用于经抽采井2将海底抽采出来的二氧化碳与甲烷混合物分离，将甲烷送往甲烷收集容器3，将二氧化碳送往加压器5进行增压处理；所述加温器6连接加压器5，以对经注入井1送往海底浅层水合物储层的介质进行增压、升温。
实施例2
一种开采海底天然气水合物的方法，其特征在于，它使用实施例1的开采海底天然气水合物的装置，工艺流程如图1所示，包括以下步骤：
S1、在天然气水合物藏开采目标区域，通过注入井向浅层水合物储层注入经热加温器6加温的热海水，热海水与浅层水合物储层的天然气水合物接触，促使天然气水合物分解为甲烷和水；
S2、然后将二氧化碳经过加压器5和加温器6依次增压至7.38MP增温至31.1℃形成的超临界二氧化碳通过注入井注入浅层水合物储层，使得浅层水合物储层天然气水合物继续分解，在浅层附近形成水、甲烷气体；
S3、步骤S1和S2中产生的甲烷气体和残余的二氧化碳气体被收集后经抽采井2送往二氧化碳与甲烷分离器4，分离出甲烷气体和二氧化碳气体，甲烷气体被送往甲烷收集容器3，二氧化碳气体送往加压器5以与新增加的二氧化碳气体一起重复步骤S2。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种开采海底天然气水合物的装置，其特征在于，它包括甲烷收集容器(3)、二氧化碳与甲烷分离器(4)、加压器(5)、加温器(6)；
所述二氧化碳与甲烷分离器(4)分别与甲烷收集容器(3)、加压器(5)、海底的抽采井(2)连接，用于经抽采井(2)将海底抽采出来的二氧化碳与甲烷混合物分离，将甲烷送往甲烷收集容器(3)，将二氧化碳送往加压器(5)进行增压处理；
所述加温器(6)连接加压器(5)，以对经注入井(1)送往海底浅层水合物储层的介质进行增压、升温。
2.一种开采海底天然气水合物的方法，其特征在于，它使用如权利要求1所述的开采海底天然气水合物的装置，包括以下步骤：
S1、在天然气水合物藏开采目标区域，通过注入井向浅层水合物储层注入经热加温器(6)加温的热海水，热海水与浅层水合物储层的天然气水合物接触，促使天然气水合物分解为甲烷和水；
S2、然后将二氧化碳经过加压器(5)和加温器(6)依次增压增温形成的超临界二氧化碳通过注入井注入浅层水合物储层，使得浅层水合物储层天然气水合物继续分解，在浅层附近形成水、甲烷气体；
S3、步骤S1和S2中产生的甲烷气体和残余的二氧化碳气体被收集后经抽采井(2)送往二氧化碳与甲烷分离器(4)，分离出甲烷气体和二氧化碳气体，甲烷气体被送往甲烷收集容器(3)，二氧化碳气体送往加压器(5)以与新增加的二氧化碳气体一起重复步骤S2。
3.如权利要求2所述的开采海底天然气水合物的方法，其特征在于，所述步骤S2中二氧化碳经过加压器(5)被增至的压力范围为:7.38MPa-10MPa。
4.如权利要求2或3所述的开采海底天然气水合物的方法，其特征在于，所述步骤S2中二氧化碳经过加温器(6)被增至的温度范围为:31.1℃-40℃。
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