CN111502605A - 一种天然气水合物新型开发装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种天然气水合物新型开发装置及方法，包括电厂高温水汽注入管路、换热装置、低温回水返排管路、CO2注入管路和CH4抽气管路，其中，所述换热装置置于天然气水合物储层中；电厂高温水汽注入管路连接换热装置的进水口，所述换热装置的出水口连接低温回水返排管路的一端，所述低温回水返排管路的另一端伸出海水层置于地面端；所述CO2注入管路的一端连接CO2储罐，所述CO2注入管路的另一端伸入至天然气水合物储层的底部；所述CH4抽气管路的一端置于天然气水合物储层的顶部，其另一端连接CH4储罐；所述CO2注入管路和CH4抽气管路置于换热装置的内腔中；本系统既实现了电厂尾水/尾汽的有效降温和CO2减排，也提高了海底天然气水合物的开采效率，保证能源供给系统的长效稳定和双赢发展。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物勘探开发技术领域，特别涉及一种天然气水合物新型开发装置及方法。
背景技术
天然气水合物是天然气(CH4)和水在高压、低温环境下形成的一种似冰笼状固体化合物，主要分布在极地、高原等冻土带环境和深海、深水等水下地层环境。由于其燃烧对环境影响较小，属于一种新型高效清洁能源，具备替代传统燃料的巨大资源潜力，因此近年来备受各国和各大能源公司青睐。尽管目前已形成了降压法、热激发法、抑制剂法、CO2置换法和固体开采法等一系列天然气水合物开采方法，但由于单独使用各种天然气水合物开采方法均存在效率偏低、能耗偏大、成本偏高等问题，因此往往需联合两种甚至多种开采方法同时使用，以实现海底天然气水合物的经济持续开采。目前相对成熟的联合开采方法主要包括降压-热激发联合开采法、降压-抑制剂联合开采法和CO2置换-抑制剂联合开采法等。
热电厂所产生的循环水、尾水和烟气往往携带大量热能，低于某温度阈值的冷却塔循环水将不再利用、直接排放，导致电厂热量利用率整体偏低。若将这类余热用作传统热激发法中的热源，可提高电厂热能利用率，同时也能大大降低天然气水合物开发过程中制造高温流体的耗能，从而控制天然气水合物的开采成本。另外，燃烧后烟气往往携带大量的CO2气体，若将其直接排放至空气，一方面会造成CO2的资源浪费，另一方面也会促成温室效应。若将这些CO2注入海底天然气水合物储层，可通过置换作用促进天然气水合物的分解，加速CH4气体的形成。因此，有必要提出一种电厂-天然气水合物新型联动开发装置，以实现电厂端和海底天然气水合物端的能源效率最大化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天然气水合物新型开发装置及方法，解决了现有技术对于天然气水合物的开采方法存在的成本高、效率低的缺陷；同时，热电厂所产生的循环水、尾水和烟气的热能存在资源浪费的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种天然气水合物新型开发装置，包括电厂高温水汽注入管路、换热装置、低温回水返排管路、CO2注入管路和CH4抽气管路，其中，所述换热装置置于天然气水合物储层中；电厂高温水汽注入管路连接换热装置的进水口，所述换热装置的出水口连接低温回水返排管路的一端，所述低温回水返排管路的另一端伸出海水层置于地面端；所述CO2注入管路的一端连接CO2储罐，所述CO2注入管路的另一端伸入至天然气水合物储层的底部；所述CH4抽气管路的一端置于天然气水合物储层的顶部，其另一端连接CH4储罐；所述CO2注入管路和CH4抽气管路置于换热装置的内腔中。
优选地，所述低温回水返排管路的出水口处设置有排水泵。
优选地，所述CH4抽气管路置于海底的一端设置有采气管孔，所述采气管孔的自由端置于天然气水合物储层的底部。
优选地，所述CH4抽气管路伸出地面端的一端设置有抽气泵。
优选地，所述换热装置包括至少两个换热排管，两个相邻的换热排管之间通过管道连接，其中，置于首位的换热排管的进水口与电厂高温水汽注入管路连接；置于尾部的换热排管的出水口与低温回水返排管路连接。
优选地，当换热排管设置有两个时，所述CO2注入管路和CH4抽气管路置于两个换热排管之间；当换热排管设置的个数大于两个时，所述换热排管呈圆周结构布置，所述CO2注入管路和CH4抽气管路置于换热排管形成的空腔内。
优选地，所述管道置于天然气水合物储层的下方。
优选地，所述换热排管的高度与天然气水合物储层的厚度一致。
一种天然气水合物新型开发方法，基于所述的一种天然气水合物新型开发装置，包括以下步骤：
步骤1，分别向高温水汽注入管路和CO2注入管路中注入电厂高温尾水和CO2，进行试水和试气，用以判断该装置是否正常运行；
步骤2，向高温水汽注入管路注入电厂高温尾水，直至低温回水返排管路产生稳定流体为止；向CO2注入管路缓慢通入电厂所捕集的CO2气体，启动CH4抽气泵，直至CH4抽气管路中产生稳定的CH4和CO2混合气体；
步骤3，待稳定产水、产气后，基于数值模拟成果和现场情况，不断调试注入高温水汽的温度和速率、CO2气体的注入速率、以及注气/抽气压力，在电厂正常运作的前提下，实现CH4产气浓度和速率的最优；
步骤4，待CH4产气速率降低，依次关闭抽气泵和抽水泵，并进行封井。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种天然气水合物新型开发装置，通过换热排管对天然气水合物储层进行加热，进而使得天然气水合物溢出，同时利用CO2将天然气水合物置换出来，形成一种电厂供热、供CO2的海底天然气水合物降压-热激发-CO2置换三法联动开发装置，将电厂产生的CO2稳定封存在海底，并为电厂供能提供CH4气体，对全球CO2减排、缓解世界能源压力具有积极的意义，既实现了电厂尾水/尾汽的有效降温和CO2减排，也提高了海底天然气水合物的开采效率，保证能源供给系统的长效稳定和双赢发展。
本发明提供的一种天然气水合物新型开发方法，是一种电厂供热、供CO2的海底天然气水合物降压-热激发-CO2置换三法联动开发方法，该方法可充分利于电厂尾热，提高天然气水合物的开采效率，降低开采过程中的热激发成本；同时，产出的天然气也可用于电厂供热，达到双赢增产的开发目的。
附图说明
图1是本发明涉及的开发方法流程图；
图2是本发明涉及的开发装置结构示意图
图3是本发明涉及的热量循环、CO2-CH4循环示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
本发明基于上述分析，提出一种天然气水合物新型开发装置，既实现了电厂尾水/尾汽的有效降温和CO2减排，也提高了海底天然气水合物的开采效率，保证能源供给系统的长效稳定和双赢发展。为了提高电厂能源、资源的综合利用效率，同时促进天然气水合物的开采量和开采速率。
本发明主要是在根据装置示意图搭建天然气水合物新型开发装置的基础上，分别向高温水汽注入管路和CO2注入管路进行试水和试气，观测装置是否正常运行；其次，依次调试装置中的热量循环管路和CO2-CH4循环管路，待管路出口产生稳定流体和稳定CH4-CO2混合气体后，基于数值模拟成果和现场情况，不断调试注入高温水汽温度和速率、CO2注入速率和抽气/抽气压力，以保证在电厂正常运作的前提下，实现CH4产气浓度和速率最优；最后，待CH4产气速率明显降低或通过反复调试均不可获得有经济效益的CH4浓度后，依次关闭抽气泵和抽水泵，逐项回收装置管路并封井。
具体地，本发明提供的一种天然气水合物新型开发装置，包括电厂高温水汽注入管路1、换热排管2、管路3、低温回水返排管路4、排水泵5、CO2注入管路6、CH4抽气管路7、采气管孔8和抽气泵9，其中，电厂高温水汽注入管路1连接换热排管2；所述换热排管2布置在天然气水合物储层中；所述换热排管2设置有至少两个，两个换热排管2之间通过管路3连接，所述管路3布置在天然气水合物储层之下。
另一个换热排管2的出水口连接低温回水返排管路4的进水口，所述低温回水返排管路4的出水口处设置有排水泵5。
所述天然气水合物储层的底部设置有CO2注入管路6，所述CO2注入管路6海底端置于两个或多个换热排管2之间，自由端伸出海水层与电厂CO2储罐连接。
所述天然气水合物储层的顶部设置有CH4抽气管路7，所述CH4抽气管路7置于海底的一端设置有采气管孔8，所述采气管孔8的自由端置于天然气水合物储层的底部。
所述CH4抽气管路7的自由端伸出地面端，且该端设置有抽气泵9。
所述CO2注入管路6和CH4抽气管路7置于两个换热排管2之间。
当换热排管2设置有多个时，多个换热排管2呈圆周结构布置。
所述换热排管2的高度与天然气水合物储层的厚度接近，且管壁应选用导热性能良好、换热效率高、耐海水腐蚀、耐冰碛磨损的材质。
所述管路3应选用保温性能良好、耐腐蚀性的材质，且应布设在天然气水合物储层之下。
所述高温水汽注入管路1、低温回水返排管路4、CO2注入管路6和CH4抽气管路7的管壁应选用保温性能和流体封闭性能良好、耐腐蚀性的材质。
所述采气管孔8的设置范围应覆盖整个天然气水合物储层高度，以可顺利通过CO2-CH4气体、但以可有效过滤海底砂石/松散沉积物为佳。
所述管道、构件、阀门均应可靠连接且在海底温压状态下不发生显著变形，除CO2注入管路6和CH4抽气管路7海底端外均应保持封闭状态。
如图1所示，该装置的操作步骤为：
步骤1，根据本发明的装置示意图，搭建天然气水合物新型开发装置。
首先向海底天然气水合物储层中布设与储层等厚的换热排管2，换热排管2管壁宜选用导热性能好、换热效率高、耐海水腐蚀、耐冰碛磨损的材质；若需布设多个换热排管2，各换热排管2底部应在天然气水合物之下选用保温性好、耐腐蚀的管路3进行连通。
换热排管2和管路3埋设完成后，依次将高温水汽注入管路1和低温回水返排管路4底部与换热排管2顶部分别可靠连接，管路顶部则分别通向电厂高温尾水/尾汽出口与低温回水池；管壁应选用保温性能良好、耐腐蚀性材质，连接部位应封闭性能良好。
低温回水返排管路4顶部出口还应设置抽水泵5以调控换热水流动速率。
将CO2注入管路6和CH4抽气管路7底部伸入天然气水合物储层底部，管路上部则分别通向电厂捕集CO2出口和CH4采气/用气入口，管路管壁应选用保温性能良好、耐海水和CO2腐蚀的材质。
CH4抽气管路7在天然气水合物储层范围内的部分应设置具有一定过滤功能的采气管孔8，以提高CH4气体的采集率。
CH4抽气管路7顶部出口附近应设置具有调控功能的抽气泵9，以控制抽气压力和速率；所有管路顶部均应与电厂对应部位可靠、稳定连接。
步骤2，分别向高温水汽注入管路1和CO2注入管路6进行试水和试气，观测装置是否正常运行；
依次将电厂的高温尾水/尾汽和所捕集的CO2通入高温水汽注入管路1和CO2注入管路6，观测低温回水返排管路4和CH4抽气管路7中能否稳定产出水流和气流，同时监测整个装置是否出现温压变化显著、井体失稳等异常情况。若出现异常情况，应立即停止注水/注气和抽水/抽气，排查异常原因，并在解决问题后重新试水/试气。待稳定产水/产气后，停止试水/试气，待正式天然气水合物开采。
步骤3，调试热量循环管路：向高温水汽注入管路1中缓慢注入电厂高温尾水，启动抽水泵5，调试注入水汽和抽水速率，直至低温回水返排管路4中可稳定产出低温流体为止。
装置试水、试气正常后，开始向高温水汽注入管路1中注入电厂高温尾水/尾汽，并缓慢启动抽水泵5，并随时观测低温回水返排管路4的回水温度和流量。逐渐调整抽水泵5的抽水压力，待装置换热效率η达到最佳时，停止调整抽水压力并保持稳定不变，其中，装置换热效率η的计算方式为：
η＝Cm·Q·(Tin-Tout)
式中，Cm为水/水汽比热容，J/(t·℃)；Q为回水流量，t/h；Tin和Tout分别为注入高温水汽和低温回水的温度，℃。
步骤4，调试CO2-CH4循环管路：向CO2注入管路6缓慢通入电厂所捕集的CO2气体，缓慢启动CH4抽气泵9，观测CH4抽气管路7中能否产生稳定的CH4和CO2混合气体。
将CO2注入管路6与电厂捕集CO2出口相连，待CO2捕集装置开始运作后，缓慢启动CH4抽气泵9；逐渐提高CH4抽气泵9压力，但抽气速率不应大于CO2捕集装置的产气效率；直至CH4抽气管路7开始产生较高浓度的CH4气体后，暂停对抽气泵9的压力调整，并在一段时间内保持稳定。
步骤5，基于数值模拟成果和现场情况，不断调试注入高温水汽温度和速率、CO2注入速率和注气/抽气压力，以保证在电厂正常运作的前提下，实现CH4产气浓度和速率最优。
天然气水合物新型开发装置中，涉及热量循环、CO2-CH4碳循环等多个循环管路，因此需通过多种手段对装置天然气水合物开采效率进行优化设计，如图3所示。数值模拟可对装置中涉及的热量交换、天然气水合物相变、CO2置换和压力作用进行热-化-力耦合综合验算，模拟结果可为装置运作提供指导性意见。
由于数值模拟往往忽律实际天然气水合物开采过程中的热量损耗、气体逸散等问题，因此更重要的是利用现场具体情况反复调试各项数据，以实现CH4开采量、开采速率、制冷效率等相关指标的最优化。
步骤6，待CH4产气速率明显降低或通过反复调试均不可获得有经济效益的CH4浓度时，依次关闭抽气泵9、抽水泵5、CO2注入管路6和高温水汽注入管路1，逐项回收装置管路并封井。
通过产量估算和经济性评估，若发现CH4产气量已不具有进一步开发的经济价值后，应及时采取停产封井的相关措施。停产过程应循序渐进，依次减压并逐渐关闭抽气泵9、抽水泵5，逐步降低CO2注入管路6和高温水汽注入管路1中的CO2注入量和高温水汽注入量，待整个天然气水合物新型开发装置的产气、产水量基本归零后，依次回收抽水泵5、抽气泵9、各个管路和换热排管2，稳定天然气水合物储层并封井。
本发明能够提供一种可有效利用电厂高温余热和所捕集的CO2的方式，提高了电厂能源与资源的利用效率；同时联合热激发法、降压法、CO2置换法等多种天然气水合物开发方法，综合提高CH4的产气量和开采效率；而且还能够将电厂产生的CO2稳定封存于海底，并为电厂供能提供CH4气体，对全球CO2减排、缓解世界能源压力具有积极的意义。本发明利用相对简易的装置，可实现海底天然气水合物的相对高效开采，在天然气水合物的开发设计领域具有较好的推广意义。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明的实施范围，所以其等同组件的置换，或依本发明保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本发明涵盖的范畴。
Claims (9)
1.一种天然气水合物新型开发装置，其特征在于，包括电厂高温水汽注入管路(1)、换热装置、低温回水返排管路(4)、CO2注入管路(6)和CH4抽气管路(7)，其中，所述换热装置置于天然气水合物储层中；电厂高温水汽注入管路(1)连接换热装置的进水口，所述换热装置的出水口连接低温回水返排管路(4)的一端，所述低温回水返排管路(4)的另一端伸出海水层置于地面端；所述CO2注入管路(6)的一端连接CO2储罐，所述CO2注入管路(6)的另一端伸入至天然气水合物储层的底部；所述CH4抽气管路(7)的一端置于天然气水合物储层的顶部，其另一端连接CH4储罐；所述CO2注入管路(6)和CH4抽气管路(7)置于换热装置的内腔中。
2.根据权利要求1所述的一种天然气水合物新型开发装置，其特征在于，所述低温回水返排管路(4)的出水口处设置有排水泵(5)。
3.根据权利要求1所述的一种天然气水合物新型开发装置，其特征在于，所述CH4抽气管路(7)置于海底的一端设置有采气管孔(8)，所述采气管孔(8)的自由端置于天然气水合物储层的底部。
4.根据权利要求1所述的一种天然气水合物新型开发装置，其特征在于，所述CH4抽气管路(7)伸出地面端的一端设置有抽气泵(9)。
5.根据权利要求1所述的一种天然气水合物新型开发装置，其特征在于，所述换热装置包括至少两个换热排管(2)，两个相邻的换热排管(2)之间通过管道(3)连接，其中，置于首位的换热排管(2)的进水口与电厂高温水汽注入管路(1)连接；置于尾部的换热排管(2)的出水口与低温回水返排管路(4)连接。
6.根据权利要求5所述的一种天然气水合物新型开发装置，其特征在于，当换热排管(2)设置有两个时，所述CO2注入管路(6)和CH4抽气管路(7)置于两个换热排管(2)之间；当换热排管设置的个数大于两个时，所述换热排管呈圆周结构布置，所述CO2注入管路(6)和CH4抽气管路(7)置于换热排管(2)形成的空腔内。
7.根据权利要求5所述的一种天然气水合物新型开发装置，其特征在于，所述管道(3)置于天然气水合物储层的下方。
8.根据权利要求1所述的一种天然气水合物新型开发装置，其特征在于，所述换热排管(2)的高度与天然气水合物储层的厚度一致。
9.一种天然气水合物新型开发方法，其特征在于，基于权利要求1-8中任一项所述的一种天然气水合物新型开发装置，包括以下步骤：
步骤1，分别向高温水汽注入管路(1)和CO2注入管路(6)中注入电厂高温尾水和CO2，进行试水和试气，用以判断该装置是否正常运行；
步骤2，向高温水汽注入管路(1)注入电厂高温尾水，直至低温回水返排管路(4)产生稳定流体为止；向CO2注入管路(6)缓慢通入电厂所捕集的CO2气体，启动CH4抽气泵(9)，直至CH4抽气管路(7)中产生稳定的CH4和CO2混合气体；
步骤3，待稳定产水、产气后，基于数值模拟成果和现场情况，不断调试注入高温水汽的温度和速率、CO2气体的注入速率、以及注气/抽气压力，在电厂正常运作的前提下，实现CH4产气浓度和速率的最优；
步骤4，待CH4产气速率降低，依次关闭抽气泵和抽水泵，并进行封井。
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