CN113586014A - 一种基于热管技术的天然气水合物开采方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热管技术的天然气水合物开采方法及装置。包括：海洋天然气水合物开采系统，包括若干延伸至天然气水合物储层的注入井和采出井，所述注入井包括注入井竖直段和位于天然气水合物储层中的注入井水平段，所述采出井包括采出井竖直段和位于天然气水合物储层中的采出井水平段。本发明还公开了一种基于太阳能热化学储能技术的天然气水合物开采方法。采用本发明的方法和系统来开采水合物，充分利用了海域中丰富的可再生太阳能资源，且结合热化学储能技术，有效避免了热量输运过程中的损耗，大大降低了水合物注热法开采中的能源成本投入，适用于天然气水合物资源的大规模开采。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然气水合物的开采领域，特别涉及一种基于热管技术的天然气水合物开采方法及装置。
背景技术
天然气水合物是是由甲烷、乙烷、二氧化碳、硫化氢等气体分子与水分子在特定条件下形成的非化学计量的笼型晶体化合物，广泛存在于海底陆坡和陆地永久冻土带的沉积物多孔介质孔隙中。作为一种清洁高效能源，天然气水合物在全球分布广、资源量大，其碳含量约为现有化石燃料中碳含量的两倍。
天然气水合物的开采是通过打破其在原有条件的热力学稳定性，以达到分解产生天然气的目的。常见的手段主要有注热法、降压法、注化学试剂法和CO2置换法或联合以上两种方法。
常规注热法主要是通过将热水、蒸汽、热盐水或其他热的流体从地面通过高压泵打入天然气水合物储层，使水合物储层的温度上升，从而达到天然气水合物分解的目的。由于输运距离远，海水温度低下，因此存在热量输运损耗严重，热利用效率低下的问题。
针对传统注热法开采天然气水合物热量损失大、利用率低的问题，本发明提出一种基于太阳能热化学储能技术的天然气水合物开采系统及方法，利用海域中丰富的可再生太阳能资源，获取大量可用于天然气水合物资源开采的热量，并结合热化学储能技术，避免长距离输运过程中热量损耗，极大提高了热量的利用效率，整个过程经济、环保、节能。
发明内容
针对传统注热法开采天然气水合物需要消耗大量的能量，且在长距离输运过程中热量损失严重的问题，本发明提出了一种基于热管技术的天然气水合物开采方法及装置。
本发明采用如下方法实现：
一种利用所述开采系统的天然气水合物开采方法，包括如下步骤：
初期采用降压方式进行开采，所述的天然气水合物储层内的水合物降压分解产生天然气，携带有液体组分的天然气流动至采出井水平段，接着经采出井竖直段、采出井井口输送至气液分离器，从而获得所需产品甲烷；
当天然气水合物储层压力降至储层温度所对应水合物相平衡压力的15％以下时，启动太阳能热化学储能系统进行供热，即通过所述的太阳能热分解反应器吸收太阳能使热化学储能工作介质受热分解，获得的产物与回流的介质在太阳能热交换器中进行热量交换，然后经分离储存器、注入井井口和注入井竖直段，输送至注入井水平段中的热化学放热反应器中进行化学反应，放出热量促使水合物分解；
太阳能热化学储能工作介质在所述的热化学放热反应器中发生化学反应并放出热量后，反应产物经采出井竖直段、采出井井口输送至干燥净化器，净化处理后依次由分离储存器、太阳能热交换器回流至太阳能热分解反应器，完成循环；
天然气水合物储层内的水合物受热分解产生天然气，携带有液体组分的天然气流动至采出井水平段，经采出井竖直段、采出井井口输送至气液分离器，从而获得所需产品甲烷气；
优选地，所述的热化学放热反应器中发生化学反应时的温度为300～800℃。
本发明方法开采过程使用的基于热管技术的天然气水合物开采装置，包括：海洋天然气水合物开采系统、太阳能热化学储能系统和气液分离器；
海洋天然气水合物开采系统，包括延伸至天然气水合物储层的注入井和采出井，所述注入井包括注入井竖直段和位于天然气水合物储层中的注入井水平段，所述注入井竖直段和注入井水平段连接；所述采出井包括采出井竖直段和位于天然气水合物储层中的采出井水平段，所述采出井竖直段与采出井水平段或注入井水平段连接；
太阳能热化学储能系统，包括设置在海上浮动平台上的太阳能热分解反应器、太阳能热交换器、分离储存器和热化学放热反应器，用于向天然气水合物储层提供开采所需的热量；所述太阳能热分解反应器与太阳能热交换器、分离储存器顺次连接；所述分离储存器的下端出口与太阳能热交换器连接；所述分离储存器与注入井井口连接；所述热化学放热反应器设置在注入井水平段中；
所述气液分离器布置在海上平台上且末端与天然气水合物采出井井口连接；所述天然气水合物采出井井口与采出井竖直段连接。
进一步地，所述的采出井水平段设置有气液收集套管，用于收集分解产生的甲烷气。
进一步地，所述的太阳能热化学储能系统中的工作介质是氨、金属氢化物、金属氧化物、水合盐或氢氧化物。
进一步地，所述的气液分离器布置在海上浮动平台上，包括进料口、出气端及出液端。
进一步地，所述的热化学放热反应器布置在注入井水平段，包括催化剂体系、电加热装置、温度监控装置及强化传热装置，其中催化体系位于水平井段内部，电加热装置设置在水平井段上，强化传热装置由水平境内向外辐射延伸至地层中，温度监测装置设置在催化体系和强化传热装置上。
进一步地，所述采出井水平段位于开采井水平段上方且靠近上覆盖层。
进一步地，所述上覆盖层为非渗透地层。
进一步地，本发明还包括干燥净化器；所述干燥净化器位于天然气水合物采出井井口与分离储存器之间的管道上。
本发明对比现有技术，具有如下优势：
(1)利用海域中低品质的太阳能开采出高品质的天然气，显著提高了能量利用率；
(2)海域中的太阳能资源储量丰富且可再生，可为海底天然气水合物注热法开采源源不断提供热量，降低生产成本；
(3)热化学储能技术可避免长距离输运载热工质时热量损耗严重的问题，提高了能量的利用效率。
附图说明
图1是本发明一种基于太阳能热化学储能技术的天然气水合物开采系统示意图；
图2是本发明热化学放热反应器的结构示意图；
图3为本发明热化学放热反应器的侧面示意图；
图4为太阳能热化学储能单元部件1、2、3、4中的温度，实验时间由早上9：00至下午的16：00，监测所得温度情况图。
图中所示为：1-太阳能热分解器、2-太阳能热交换器、3-分离储存器、4-泵、5-注入井井口、6-注入井竖直段、7-上覆盖层、8-天然气水合物储层、9-下覆盖层、10-注入井水平段、11-热化学放热反应器、12-采出井竖直段、13-采出井水平段、14-采出井井口、15-气液分离器、16-海上浮动平台、17-干燥净化器、18-进料口、19-出气端、20-出液端、21-催化剂体系、22-电加热装置、23-温度监控装置、24-强化传热装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，一种基于太阳能热化学储能技术的天然气水合物开采系统，包括：海洋天然气水合物开采系统、太阳能热化学储能系统和气液分离器15；海洋天然气水合物开采系统，包括延伸至天然气水合物储层8的注入井和采出井，所述注入井包括注入井竖直段6和位于天然气水合物储层中的注入井水平段10，所述注入井竖直段6和注入井水平段10连接；所述采出井包括采出井竖直段12和位于天然气水合物储层中的采出井水平段13，所述采出井竖直段12与采出井水平段13或注入井水平段10连接；太阳能热化学储能系统，包括设置在海上浮动平台16上的太阳能热分解反应器1、太阳能热交换器2、分离储存器3和热化学放热反应器11，用于向天然气水合物储层8提供开采所需的热量；所述太阳能热分解反应器1与太阳能热交换器(2)、分离储存器3顺次连接；所述分离储存器3的下端出口与太阳能热交换器2连接；所述分离储存器3与注入井井口5连接；所述热化学放热反应器11设置在注入井水平段10中；所述气液分离器15布置在海上平台16上且末端与天然气水合物采出井井口14连接；所述天然气水合物采出井井口14与采出井竖直段12连接。所述的采出井水平段13设置有气液收集套管，用于收集分解产生的甲烷气。所述的太阳能热化学储能系统中的工作介质是氨、金属氢化物、金属氧化物、水合盐或氢氧化物。所述的气液分离器15布置在海上浮动平台16上，包括进料口18、出气端19及出液端20。所述的热化学放热反应器11布置在注入井水平段10，包括催化剂体系21、电加热装置22、温度监控装置23及强化传热装置24，其中催化体系21位于水平井段内部，电加热装置设置22(本实施例中采用电阻丝加热元件或电微波转化元件来实现加热)在水平井段上，强化传热装置24由水平境内向外辐射延伸至地层中，温度监测装置23设置在催化体系和强化传热装置上。所述采出井水平段13位于开采井水平段10上方且靠近上覆盖层7。所述上覆盖层7为非渗透地层。本实施例还包括干燥净化器17；所述干燥净化器17位于天然气水合物采出井井口14与分离储存器3之间的管道上。
实施例2
一种基于太阳能热化学储能技术的天然气水合物开采方法，包括步骤：
S1、初期采用降压方式进行开采，所述的天然气水合物储层8内的水合物降压分解产生天然气，携带有液体组分的天然气流动至采出井水平段13，接着经采出井竖直段12、采出井井口14输送至气液分离器15，从而获得所需产品甲烷气；
S2、当天然气水合物储层8压力降至储层温度所对应水合物相平衡压力的15％以下时，启动太阳能热化学储能系统进行供热，即通过所述的太阳能热分解反应器1吸收太阳能使热化学储能工作介质受热分解，获得的产物与回流的介质在太阳能热交换器2中进行热量交换，然后经分离储存器3、注入井井口5和注入井竖直段6，输送至注入井水平段10中的热化学放热反应器11中进行化学反应，放出热量促使水合物分解；
S3、太阳能热化学储能工作介质在所述的热化学放热反应器11中发生化学反应并放出热量后，反应产物经采出井竖直段12、采出井井口14输送至干燥净化器17，净化处理后依次由分离储存器3、太阳能热交换器2回流至太阳能热分解反应器1，完成循环；
S4、天然气水合物储层8内的水合物受热分解产生天然气，携带有液体组分的天然气流动至采出井水平段13，经采出井竖直段12、采出井井口14输送至气液分离器15，从而获得所需产品甲烷。
实施例3
一种基于太阳能热化学储能技术的天然气水合物开采方法，包括步骤：
本实施例以太阳能热化学储能单元的温度变化为例，选取白天时段的早上9：00至下午的16：00进行连续实验，记录温度变化情况，所记录的温度点包括环境温度、本专利说明书附图中1、2、3、4温度情况。
按顺序连接好太阳能热化学储能单元部件1、2、3、4，填充100ml热化学储能工作介质，待工况稳定，连续监测环境温度，太阳能热化学储能单元部件1、2、3、4中的温度，实验时间由早上9：00至下午的16：00，监测所得温度情况如图4所示。
实施例4
一种基于太阳能热化学储能技术的天然气水合物开采方法，包括步骤：
本实施例以太阳能热化学储能系统释放的热量对天然气水合物分解为例，采用高压反应釜(容积665ml，内径46ml，高400mm)和石英砂模拟海底天然气水合物储层，生成天然气水合物，然后注入热量促使水合物分解，模拟太阳能热化学储能系统开采天然气水合物。
称取300g石英砂，50ml去离子水，放入高压反应釜，连接好甲烷气瓶，放入低温水浴，通过控制甲烷压力，生成不同饱和度的天然气水合物，然后注入热水，模拟太阳能热化学反应系统供能，促使水合物分解，监测反应过程温度压力变化情况，最后汇总得出天然气水合物分解速率，如下表所示。
上述实施例提供的基于太阳能热化学储能技术的天然气水合物开采系统和方法可充分利用海域中丰富的可再生太阳能资源，产生热量用于水合物注热法开采，并结合热化学储能技术可避免长距离输运载热工质时热量损耗严重的问题，显著提高了能量的利用效率，开采成本大为降低，适用于天然气水合物的大规模开采，系统简单，成本低廉，施工方便。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行改动而不脱离本发明的设计范围。倘若这些改动属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。
Claims (10)
1.一种基于热管技术的天然气水合物开采方法，其特征在于，包括步骤：
初期采用降压方式进行开采，所述天然气水合物储层(8)内的水合物降压分解产生天然气，携带有液体组分的天然气流动至采出井水平段(13)，接着经采出井竖直段(12)、采出井井口(14)输送至气液分离器(15)，从而获得所需产品甲烷气；
当天然气水合物储层(8)压力降至储层温度所对应水合物相平衡压力的15％以下时，启动太阳能热化学储能系统进行供热，即通过所述的太阳能热分解反应器(1)吸收太阳能使热化学储能工作介质受热分解，获得的产物与回流的介质在太阳能热交换器(2)中进行热量交换，然后经分离储存器(3)、注入井井口(5)和注入井竖直段(6)，输送至注入井水平段(10)中的热化学放热反应器(11)中进行化学反应，放出热量促使水合物分解；
太阳能热化学储能工作介质在所述的热化学放热反应器(11)中发生化学反应并放出热量后，反应产物经采出井竖直段(12)、采出井井口(14)输送至干燥净化器(17)，净化处理后依次由分离储存器(3)、太阳能热交换器(2)回流至太阳能热分解反应器(1)，完成循环；
天然气水合物储层(8)内的水合物受热分解产生天然气，携带有液体组分的天然气流动至采出井水平段(13)，经采出井竖直段(12)、采出井井口(14)输送至气液分离器(15)，从而获得所需产品甲烷；
天然气水合物开采装置，包括：海洋天然气水合物开采系统、太阳能热化学储能系统和气液分离器(15)；
海洋天然气水合物开采系统，包括延伸至天然气水合物储层(8)的注入井和采出井，所述注入井包括注入井竖直段(6)和位于天然气水合物储层中的注入井水平段(10)，所述注入井竖直段(6)和注入井水平段(10)连接；所述采出井包括采出井竖直段(12)和位于天然气水合物储层中的采出井水平段(13)，所述采出井竖直段(12)与采出井水平段(13)或注入井水平段(10)连接；
太阳能热化学储能系统，包括设置在海上浮动平台(16)上的太阳能热分解反应器(1)、太阳能热交换器(2)、分离储存器(3)和热化学放热反应器(11)，用于向天然气水合物储层(8)提供开采所需的热量；所述太阳能热分解反应器(1)与太阳能热交换器(2)、分离储存器(3)顺次连接；所述分离储存器(3)的下端出口与太阳能热交换器(2)连接；所述分离储存器(3)与注入井井口(5)连接；所述热化学放热反应器(11)设置在注入井水平段(10)中。
2.根据权利要求1所述基于热管技术的天然气水合物开采方法，其特征在于，所述的热化学放热反应器中发生化学反应时的温度为300～800℃。
3.根据权利要求1所述基于热管技术的天然气水合物开采方法，其特征在于，所述的采出井水平段(13)设置有气液收集套管，用于收集分解产生的甲烷气。
4.根据权利要求1所述基于热管技术的天然气水合物开采方法，其特征在于，所述的太阳能热化学储能系统中的工作介质是氨、金属氢化物、金属氧化物、水合盐或氢氧化物。
5.根据权利要求1所述基于热管技术的天然气水合物开采方法，其特征在于，所述的气液分离器(15)布置在海上浮动平台(16)上，包括进料口(18)、出气端(19)及出液端(20)。
6.根据权利要求1所述基于热管技术的天然气水合物开采方法，其特征在于，所述的热化学放热反应器(11)布置在注入井水平段(10)，包括催化剂体系(21)、电加热装置(22)、温度监控装置(23)及强化传热装置(24)，其中催化体系(21)位于水平井段内部，电加热装置设置(22)在水平井段上，强化传热装置(24)由水平境内向外辐射延伸至地层中，温度监测装置(23)设置在催化体系和强化传热装置上。
7.根据权利要求1所述基于热管技术的天然气水合物开采方法，其特征在于，所述采出井水平段(13)位于开采井水平段(10)上方且靠近上覆盖层(7)。
8.根据权利要求7所述基于热管技术的天然气水合物开采方法，其特征在于，所述上覆盖层(7)为非渗透地层。
9.根据权利要求1所述基于热管技术的天然气水合物开采方法，其特征在于，还包括干燥净化器(17)；所述干燥净化器(17)位于天然气水合物采出井井口(14)与分离储存器(3)之间的管道上。
10.根据权利要求1所述基于热管技术的天然气水合物开采方法，其特征在于，所述气液分离器(15)布置在海上平台(16)上且末端与天然气水合物采出井井口(14)连接；所述天然气水合物采出井井口(14)与采出井竖直段(12)连接。
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