CN111608618A - 一种低碳化海洋水合物开采及发电利用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低碳化海洋水合物开采及发电利用系统，包括海上浮式开采平台和设于海底的水平井网系统；水平井网系统用于通过降压方法从预热的甲烷水合物层中获得甲烷气体，并通过输出管网将甲烷气体输至所述海上浮式开采平台；海上浮式开采平台上设置船载直接燃烧透平发电系统，船载直接燃烧透平发电系统将获取的甲烷气体进行发电；还包括设于海底的废弃井，船载直接燃烧透平发电系统将发电过程中产生的CO2加压后，通过输入管网输至废弃井中。本发明解决了目前开采方面海洋地层中水合物降压或者注热分解过程中分解界面较小的局限，同时解决效率低、CO2排放等问题。
Description
技术领域
本发明涉及能源开采技术领域，尤其是涉及一种低碳化海洋水合物开采及发电利用系统。
背景技术
水合物，俗称“可燃冰”，一般存在于低温、高压环境中。以甲烷水合物为代表的水合物广泛分布于地球主要的海洋地层、高原冻土地层等，如何提升其分解、流动、采出效率，如何在海洋平台上存储、利用，以及如何处理CO2排放是水合物开采和利用系统中的三大核心技术问题。
在水合物的开采过程中存在开采速率难题，如地层流动、分解速率、分解界面面积等，及利用方面的难题，如存储运输成本、CO2排放成本等。
目前的水合物开采技术中主要包括：1、竖直井技术；现有技术(CN201510455687.2)中，通过在海洋浮式平台设置竖直坑井，直接进入海洋水合物储层中，通过储层内竖直坑井段减压，从而降低储层中压力，促进储层中水合物以竖直坑井为中心分解，其分解反应产出的部分甲烷气体和水经由竖直坑井产出到海洋平台。2、水平井技术；现有技术(CN201710983424.8)公开了一种天然气水合物平行水平井开采的方法。3、注热开采技术；现有技术(CN201710987944.6)公开了一种平行水平井注热水开采天然气水合物的方法。4、水合物开采海洋平台直接发电技术；现有技术(CN200710024421.8)公开了一种可燃冰发电装置。5、水合物发电后CO2埋存技术；现有技术(CN201611113530.2)公开了一种天然气水合物降压开采和CO2埋存结合的工艺方法。6、水平井、发电、注热与CO2注入集成方法，该方法将二氧化碳溶于加热的海水中一起注入到甲烷水合物层中，使用水平井降压方法从预热的甲烷水合物层中获得甲烷气体。采得的甲烷气体直接燃烧发电供给海洋浮式平台上的能源消耗，并将产生的CO2通过回收系统与热水一起回注储层以实现储层热补给、预热等目的。
但是，现有的开采方案均存在诸多缺点。现有竖直井降压开采方法在储层中分解界面较小，产量随时间快速下降，无法实现规模化长期开采；现有水平井降压方法有部分方案采用注热方式提升储层温度从而促进水合物分解的开采方法，该方法面临着注热进入地层后影响面积较小、地层中热量流动难控制、以及地下生态环境因素等，在整体效率上不具备经济性。
而且，现有部分方法采用采出气体通过除杂质分离后直接输往陆地，或经过再压缩(或者液化)存储后送往陆地的方式，这需要消耗一定的能量实现多次运输及压缩、液化存储。还有部分方法采用海洋浮式平台发电系统直接燃烧采得的甲烷气体发电，将产生的CO2通过回收系统与热水一起回注储层用于储层热补给、预热等。该种方法在地层内仍然面临注热进入地层后的流动性无法控制，从而经济性较差的问题。同时，CO2和热水同时混合(形成浆体或者乳状液等)注入，在地层中CO2的流向和分布难以控制，难以实现“碳封存”的目标。
综上，现有的海洋水合物开采和利用方法中存在水合物降压或者注热分解过程中分解界面较小，开采速率低、产量低、能耗高、运输和利用成本高，以及CO2排放高的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种低碳化海洋水合物开采及发电利用系统，解决目前开采方面海洋地层中水合物降压或者注热分解过程中分解界面较小的局限，同时解决效率低、CO2排放等问题。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种低碳化海洋水合物开采及发电利用系统：包括海上浮式开采平台和设于海底的水平井网系统；
所述水平井网系统用于通过降压方法从预热的甲烷水合物层中获得甲烷气体，并通过输出管网将甲烷气体输至所述海上浮式开采平台；
所述海上浮式开采平台上设置船载直接燃烧透平发电系统，所述船载直接燃烧透平发电系统将获取的甲烷气体进行发电；
还包括设于海底的废弃井，所述船载直接燃烧透平发电系统将发电过程中产生的CO2加压后，通过输入管网输至所述废弃井中。
进一步地，所述水平井网系统包括水平生产井组，所述水平生产井组包括流量控制和平衡腔装置，以及一个或多个水平生产井，使得开采的甲烷气体经过所述流量控制和平衡腔装置的汇总后输至所述海上浮式开采平台。
进一步地，所述水平生产井组的数量为多个，并且，多个水平生产井组获得的甲烷气体再经过所述流量控制和平衡腔装置的汇总后输至所述海上浮式开采平台。
进一步地，所述船载直接燃烧透平发电系统包括船用燃气透平发电装置和CO2回收装置，所述CO2回收装置将发电产生的CO2回收并重新加压，通过输入管网输至所述废弃井中封存。
进一步地，所述船用燃气透平发电装置产生的电力通过海底电缆直接输送到岛屿或者陆地需求端。
进一步地，输至所述海上浮式开采平台上的甲烷气体先经过除杂处理，再进入所述船载直接燃烧透平发电系统实现发电。
本发明的有益效果：
1、通过水平井扩大分解面，提高单井产量；
2、通过生产井网设计，提高整体规模化产量；
3、通过直接燃烧发电系统设计，解决规模化生产时气体难存储的课题；
4、通过CO2直接埋存进入废井，有效减少碳排放；
5、通过井网设计和布置，实现规模化区域开采，保证开采经济性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明整体开采及发电利用系统示意图；
图2是本发明具体系统结构关系图；
图3a是本发明中水平井网系统示意图；
图3b是本发明中水平井网系统另一实施方式示意图；
图4a是本发明实施例中水平井开采的生产速率示意图；
图4b是本发明实施例中水平井开采的累计产量示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中的水合物，指在一定温度、压力等外部条件下客体分子被水分子通过氢键等键合方式构造的笼形结构包覆所形成的赋存状态下的物质。一般自然界常见的水合物客体分子有甲烷、乙烷、二氧化碳等。甲烷水合物广泛分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”。其资源密度高，全球分布广泛，具有极高的资源价值。
水平井：水平井是油气采收领域与竖直开采井相对应的主要生产段为水平走向的开采井布局方式。其最大井斜角达到或接近90°(一般不小于86°)，并在目的层中维持一定长度的水平井段的特殊井。一般来说，水平井适用于薄的油气层或裂缝性油气藏，目的在于增大油气层的裸露面积。
低碳化：意指较低(更低)的温室气体(二氧化碳为主)排放的工作或生产方式。
根据图1-2所示，说明本发明的低碳化海洋水合物开采及发电利用系统，包括海上浮式开采平台20和设于海底的水平井网系统；所述水平井网系统用于通过降压方法从预热的甲烷水合物层中获得甲烷气体，并通过输出管网将甲烷气体输至所述海上浮式开采平台20；所述海上浮式开采平台20上设置船载直接燃烧透平发电系统21，所述船载直接燃烧透平发电系统21将获取的甲烷气体进行发电，其中，输至所述海上浮式开采平台20上的甲烷气体先经过除杂处理，再进入所述船载直接燃烧透平发电系统21实现发电；还包括设于海底的废弃井11，所述船载直接燃烧透平发电系统21将发电过程中产生的CO2加压后，通过输入管网输至所述废弃井11中。
其中，上述船载直接燃烧透平发电系统21包括船用燃气透平发电装置22和CO2回收装置23，所述CO2回收装置23将发电产生的CO2回收并重新加压，通过输入管网输至所述废弃井11中封存。在实际系统运行当中，部分采集系统中的水平井开采完毕之后，可以用于CO2填埋。
上述船用燃气透平发电装置22产生的电力通过海底电缆30直接输送到岛屿或者陆地需求端。其中，所述的船用燃气透平发电装置22包括但不限于直接压缩、液化存储，或者化学转化等发电方式。
根据一个实施例，上述水平井网系统包括水平生产井组，所述水平生产井组包括流量控制和平衡腔装置10，以及一个或多个水平生产井1N(N为1，2，3..N)，使得开采的甲烷气体经过所述流量控制和平衡腔装置10的汇总后输至所述海上浮式开采平台20。具体地，该水平井网系统中可包括一个水平生产井组，该水平生产井组中包括流量控制和平衡腔装置10，以及多个水平生产井1N，如图3a所示。其中，上述多个水平生产井也可采用一个较长的水平生产井代替。
根据另一个实施例，上述水平生产井组的数量为多个，并且，多个水平生产井组获得的甲烷气体再经过所述流量控制和平衡腔装置10的汇总后输至所述海上浮式开采平台20，如图3b所示,包括流量控制和平衡腔装置101、102..10M，和水平生产井121、131..1N1、122、132..1N2,1M1、1M2..1MN，该水平井网系统为多网分级汇集，实现了规模化水平井网开采。
上述水平井网系统通过减压方式，使得地层中水合物分解，产生的甲烷气体通过流量控制和平衡腔装置实现汇总并进一步输入海上浮式开采平台，实现规模化水平井网开采。
在开采过程中，水平井网系统可以不断在储层存在的海域移动，废弃旧井，开辟新井，从而实现系统的循环采气、发电、回注CO2过程。最终实现整片储层海域的规模化开采。
上述流量控制和平衡腔装置10是具备混合腔功能，实现多股可能具有不同温度、压力、湿度的生产气流的混合及均匀化；同时具有压力检测功能，具有耐高压和耐磨损特性，实现对气流的稳定作用，服务于安全操作；具有出口流量调节功能，实现流量汇聚和调节能力。
甲烷气体经过除杂处理的具体过程包括：通过滤网出去杂质和颗粒物、除酸/去除硫化物气体，以及升温预热干燥出去湿蒸汽等过程。
根据一个具体实施例，图4a和图4b分别显示了根据本设计的水平生产井方式所达到的产期速率和产量示意。图中显示了储层60m厚，孔隙度0.4，渗透率0.3D，水合物饱和度0.5，初始压力13.0MPa，初始温度14.5℃，生产压力3MPa等条件下，按照竖直井长度38m，同一深度水平井长度354m，开采井直径：0.1m条件下的开采速率和产量比较。从图4a和图4b可以看出，采用水平井技术之后综合开采速率和产量可以增加一个数量级，效果明显。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种低碳化海洋水合物开采及发电利用系统，其特征在于：包括海上浮式开采平台和设于海底的水平井网系统；
所述水平井网系统用于通过降压方法从预热的甲烷水合物层中获得甲烷气体，并通过输出管网将甲烷气体输至所述海上浮式开采平台；
所述海上浮式开采平台上设置船载直接燃烧透平发电系统，所述船载直接燃烧透平发电系统将获取的甲烷气体进行发电；
还包括设于海底的废弃井，所述船载直接燃烧透平发电系统将发电过程中产生的CO2加压后，通过输入管网输至所述废弃井中。
2.根据权利要求1所述的低碳化海洋水合物开采及发电利用系统，其特征在于：所述水平井网系统包括水平生产井组，所述水平生产井组包括流量控制和平衡腔装置，以及一个或多个水平生产井，使得开采的甲烷气体经过所述流量控制和平衡腔装置的汇总后输至所述海上浮式开采平台。
3.根据权利要求2所述的低碳化海洋水合物开采及发电利用系统，其特征在于：所述水平生产井组的数量为多个，并且，多个水平生产井组获得的甲烷气体再经过所述流量控制和平衡腔装置的汇总后输至所述海上浮式开采平台。
4.根据权利要求1至3任一项所述的低碳化海洋水合物开采及发电利用系统，其特征在于：所述船载直接燃烧透平发电系统包括船用燃气透平发电装置和CO2回收装置，所述CO2回收装置将发电产生的CO2回收并重新加压，通过输入管网输至所述废弃井中封存。
5.根据权利要求4所述的低碳化海洋水合物开采及发电利用系统，其特征在于：所述船用燃气透平发电装置产生的电力通过海底电缆直接输送到岛屿或者陆地需求端。
6.根据权利要求4所述的低碳化海洋水合物开采及发电利用系统，其特征在于：输至所述海上浮式开采平台上的甲烷气体先经过除杂处理，再进入所述船载直接燃烧透平发电系统实现发电。
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