專利名稱：一種開采天然氣水合物的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于能源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種天然氣水合物開采技術(shù)，尤其是一種開采海洋天然氣水合物的方法及裝置。
背景技術(shù)：
天然氣水合物(Natural Gas Hydrate，簡稱Gas Hydrate)是在低溫、高壓條件下水和天然氣中低分子量的烴類化合物形成的一種非化學(xué)計(jì)量型、類冰狀、籠型結(jié)晶化合物。天然氣水合物具有主-客體材料特征，水分子(主體)通過氫鍵結(jié)合形成空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，氣體分子(客體)通過與水分子之間的范德華力填充于水分子點(diǎn)陣間的空穴中。自然界存在的天然氣水合物以甲烷水合物為主，其中絕大部分賦存于海底，具有儲(chǔ)量大、分布廣、埋藏淺、能量密度高、燃燒后無污染和殘留等優(yōu)點(diǎn)。單位體積的甲烷水合物分解可產(chǎn)生150-180標(biāo)準(zhǔn)體積的甲烷氣體。海底及陸地永凍土層下存在著廣泛的天然氣水合物形成條件，據(jù)估計(jì)，地球上以天然氣水合物形式儲(chǔ)藏的有機(jī)碳占全球總有機(jī)碳的53％，是煤、石油、天然氣三種化石燃料總碳量的2倍。因此，天然氣水合物被認(rèn)為是21世紀(jì)的理想清潔替代能源。
天然氣水合物以固體形式賦存于泥質(zhì)海底的松散沉積層中，在開采過程中發(fā)生相轉(zhuǎn)化，與石油、天然氣的開采相比，具有很大的開采難度。天然氣水合物，特別是海洋天然氣水合物的開采尚處于實(shí)驗(yàn)探索階段，迄今為止，人們尚未找到技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理的海洋天然氣水合物的開采方法。根據(jù)開采過程中天然氣水合物分解的地點(diǎn)不同，天然氣水合物的開采可分為地下開采和地上開采兩大類。其中地下開采研究報(bào)道最多，主要是參考石油、天然氣的開采工藝，首先在海底地層中構(gòu)筑井筒，采取措施破壞天然氣水合物穩(wěn)定存在的溫度、壓力等熱力學(xué)條件，促進(jìn)天然氣水合物在賦存地分解為水和天然氣，然后采用天然氣開采工藝將分解后的天然氣收集、輸送至地面。天然氣水合物地下開采的關(guān)鍵是如何采取經(jīng)濟(jì)有效的措施促進(jìn)天然氣水合物的分解，同時(shí)保持井底穩(wěn)定，不使甲烷泄漏、不引發(fā)溫室效應(yīng)。目前提出的方法主要包括熱激發(fā)法、降壓法和化學(xué)法三種。
熱激發(fā)法主要是將蒸汽、熱水、熱鹽水等載熱體注入天然氣水合物儲(chǔ)層，使溫度達(dá)到天然氣水合物分解溫度以上。美國專利US6994159B2及日本專利JP09158662分別提出通過開采井向天然氣水合物儲(chǔ)層注入熱水、蒸汽等熱流體促進(jìn)天然氣水合物分解，但熱激發(fā)法的主要缺點(diǎn)在于載熱流體從海面輸送至海底，沿程熱損失大，熱能利用率低。中國專利CN1609409A提出了一種利用微波加熱開采天然氣水合物的方法及裝置，美國專利US6148911提出采用井下電加熱開采天然氣水合物，但這些方法均需采用電能加熱，能源消耗成本高，同時(shí)開采裝置復(fù)雜。中國專利CN1779191A公開了一種采用海底熱泵加熱海水，然后進(jìn)行天然氣水合物熱分解開采的方法，這種方法雖然可避免熱水從海平面注入海底過程中的沿程熱損失，但這種方法需要在水下高壓環(huán)境安裝壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器等設(shè)備，其設(shè)備安裝、運(yùn)行及密封技術(shù)難度大。
化學(xué)法主要是向天然氣水合物儲(chǔ)層注入鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇等化學(xué)物質(zhì)，改變水的活度，從而改變天然氣水合物形成的相平衡條件，降低天然氣水合物穩(wěn)定溫度，促進(jìn)天然氣水合物的分解，化學(xué)法的缺點(diǎn)是藥劑用量大，成本高，大量使用化學(xué)藥劑也會(huì)造成環(huán)境污染問題。在開采過程中，必須保證天然氣水合物儲(chǔ)層的藥劑濃度，由于天然氣水合物分解釋放大量結(jié)晶水，造成藥劑濃度不斷降低，同時(shí)，由于天然氣水合物分解為吸熱反應(yīng)，天然氣水合物層的溫度會(huì)隨著開采過程的進(jìn)行而不斷降低，從而導(dǎo)致開采效率降低，所需化學(xué)藥劑的濃度也不斷升高。
美國專利US2005/0121200A1公開了一種采用CO2置換法開采甲烷水合物，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對溫室效應(yīng)氣體CO2的安全穩(wěn)定填埋。由于CO2水合物形成的溫度高于甲烷，壓力低于甲烷，因此，只要控制天然氣水合物儲(chǔ)層的溫壓條件處于CO2水合物形成的穩(wěn)定區(qū)和CH4水合物的不穩(wěn)定區(qū)就能實(shí)現(xiàn)CO2對CH4水合物的自動(dòng)置換開采。CO2水合物生成熱為57.98KJ/mol，甲烷水合物的分解熱為54.49KJ/mol，甲烷水合物分解所需的熱量完全可由CO2水合物生成所放出的熱量來提供，同時(shí)，CO2水合物及時(shí)回填有利于保持井底地質(zhì)條件穩(wěn)定，防止塌陷和滑坡。但CO2置換法存在的問題是形成的CO2水合物固體傾向于包裹在甲烷水合物的外表面，從而導(dǎo)致對天然氣水合物分解不徹底，置換反應(yīng)速度極其緩慢，同時(shí)大量的CO2氣體的分離以及運(yùn)輸費(fèi)用也會(huì)使開采成本增加。
降壓法是通過降低天然氣水合物儲(chǔ)層的壓力，引起天然氣水合物賦存條件移動(dòng)至不穩(wěn)定區(qū)而分解，主要適用于天然氣水合物儲(chǔ)層底部賦存游離天然氣藏的水合物開采，或者作為其他開采方法的輔助開采手段，對分解后的天然氣進(jìn)行減壓收集，降壓法由于每底地質(zhì)條件千差萬別，往往難以達(dá)到天然氣水合物分解的溫壓條件，同時(shí)開采速度慢，效率低。
公開號(hào)為CN1294648A的中國專利提出采用高壓氣流沖擊天然氣水合物儲(chǔ)層，并通過氣-流夾帶輸送固體天然氣水合物至海面。公開號(hào)為CN1587642A的中國專利參照陸地礦山采礦分選模式提出采用水下自動(dòng)挖掘機(jī)械開采固體天然氣水合物、然后采用泥沙分離，天然氣水合物分解等工藝開采天然氣水合物，這些地上分解開采方法均存在開采范圍小，水下自動(dòng)開采設(shè)備技術(shù)要求高，實(shí)施技術(shù)難度大，對海底地質(zhì)構(gòu)造破壞嚴(yán)重，容易引起井底塌陷、滑坡等問題。
伴隨天然氣水合物資源開采技術(shù)研究，各種基于水合物的衍生應(yīng)用技術(shù)也受到了人們的關(guān)注與研究。美國專利US4718242介紹了一種利用插合物反應(yīng)原理構(gòu)建化學(xué)熱泵的方法。中國專利CN1261861A及美國專利US5873262和US6158239報(bào)道了一種利用甲烷水合物進(jìn)行海水脫鹽及廢水凈化的方法。
迄今為止，還沒有一種經(jīng)濟(jì)而有效的方法可以用來實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的大規(guī)模工業(yè)化開采。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種經(jīng)濟(jì)、高效、安全的天然氣水合物開采方法及裝置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一種開采天然氣水合物的方法采取了以下技支術(shù)方案1.構(gòu)筑開采井、水平井及收集井采用深水鉆井技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)在天然氣水合物成礦區(qū)構(gòu)筑貫穿海底沉積物層和天然氣水合物儲(chǔ)層的開采井及集氣井，并構(gòu)筑開采井與集氣井之間的水平井連接通道；開采井及集氣井貫穿至天然氣水合物儲(chǔ)層；2.建設(shè)海上浮動(dòng)平臺(tái)和天然氣水合物開采裝置采用現(xiàn)有海洋工程技術(shù)在海洋水合物藏所在區(qū)域建設(shè)海上浮動(dòng)平臺(tái)和天然氣水合物開采裝置，架設(shè)集氣井至海上浮動(dòng)平臺(tái)之間的天然氣收集管道；3.海水濃縮加熱裝置建設(shè)采用現(xiàn)有海洋工程技術(shù)在海上浮動(dòng)平臺(tái)處海平面以下一定深度處安裝海水濃縮加熱裝置，架設(shè)海水濃縮加熱裝置至天然氣水合物開采井之間的濃鹽水輸送管道；4.熱鹽水制備a.啟動(dòng)海水濃縮加熱裝置，將海水及水合物形成物通入海水濃縮加熱反應(yīng)器的水合物形成區(qū)，在海洋高壓條件下，海水和水合物形成物自發(fā)形成固體水合物，同時(shí)將海水濃縮為濃鹽水；b.在浮力作用下固體水合物沿水合物形成區(qū)上升，同時(shí)不斷聚結(jié)長大，上升至水合物分解區(qū)后，由于壓力降低，此固體水合物吸熱分解釋放出淡水和水合物形成物，固體水合物分解所需熱量采用海面溫度較高的海水通過換熱器供給，釋放出的淡水由于其濃度低于海水密度而不斷向海水濃縮加熱裝置的頂部匯聚，釋放出的水合物形成物匯聚于海水濃縮加熱裝置的頂部，經(jīng)回收后重復(fù)利用；c.產(chǎn)生的濃鹽水由于其密度大于海水密度而沉積于濃鹽水區(qū)，固體水合物形成過程中釋放出水合物形成熱被濃鹽水吸收，濃鹽水溫度升高制得熱鹽水；5.天然氣水合物分解將從海水濃縮加熱反應(yīng)裝置底部采出的熱鹽水輸送至天然氣水合物開采井的底部或水平井中，熱鹽水與天然氣水合物接觸，在加熱和濃鹽水雙重作用下，天然氣水合物分解釋放出天然氣和水；6.天然氣收集天然氣水合物分解出的天然氣及產(chǎn)出水經(jīng)集氣井收集，濾砂裝置過濾出泥沙后，天然氣、水混合物經(jīng)泵輸送至海上浮動(dòng)平臺(tái)氣液分離器進(jìn)行氣水分離，分離出的天然氣進(jìn)入儲(chǔ)氣裝置，一部分天然氣供給海上浮動(dòng)平臺(tái)能源消耗，另一部分經(jīng)天然氣輸氣管道輸送至陸上儲(chǔ)氣站，分離出的水作為海水濃縮加熱裝置的進(jìn)水循環(huán)利用或直接深海排放。
詳細(xì)地，本發(fā)明步驟(4)熱鹽水的制備還可進(jìn)一步具體細(xì)化為如下步驟(1)將海水及水合物形成物注入海水濃縮加熱反應(yīng)裝置的水合物形成區(qū)；(2)在海洋高壓條件下，海水和水合物形成物自發(fā)在水合物形成區(qū)生成固體水合物晶粒，同時(shí)將海水濃縮為濃鹽水；(3)由于固體水合物的密度小于海水的密度，固體水合物晶粒在浮力作用下沿水合物形成區(qū)上升，上升過程中固體水合物晶粒不斷聚結(jié)長大；當(dāng)固體水合物上升至水合物分解區(qū)后，由于壓力降低，固體水合物開始分解，分解釋放出的氣體吸附于固體水合物晶粒的表面，導(dǎo)致固體水合物晶粒所受浮力增大，上升速率加快，同時(shí)水合物表層夾帶的鹽水由于淡水的洗滌作用而去除；(4)固體水合物分解吸收熱量，水合物分解區(qū)溫度下降，采用海面高溫海水通過換熱器加熱供給水合物分解熱，或采用預(yù)冷器對海水濃縮加熱裝置的進(jìn)水進(jìn)行冷卻；(5)固體水合物上升至海平面一定深度處，固體水合物完全分解，分解釋放出的淡水由于其密度低于海水密度而不斷向海水濃縮加熱裝置的頂部匯聚，固體水合物分解釋放出的水合物形成物在水合物分解區(qū)頂部與淡水發(fā)生相分離，水合物形成物經(jīng)回收后注入水合物形成區(qū)重新用于生成固體水合物；(6)水合物形成區(qū)產(chǎn)生的濃鹽水由于其密度大于海水密度而沉積于濃鹽水區(qū)，固體水合物形成過程中釋放出來的水合物形成熱被濃鹽水吸收，濃鹽水溫度升高，沿海水濃縮加熱裝置自上而下，水中的含鹽量不斷增加；(7)向海水濃縮加熱裝置的水合物形成區(qū)穩(wěn)定地通入海水和水合物形成物，同時(shí)分別從海水濃縮加熱裝置的底部和頂部穩(wěn)定地采出熱鹽水和淡水，可維持海水濃縮加熱裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，采出的淡水可用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活用水，采出的熱鹽水應(yīng)用海底天然氣水合物的分解開采。
本發(fā)明所述固體水合物為水合物形成物與海水中水分子在一定的溫壓條件下形成的籠狀固體插合物，其中水分子通過氫鍵組成籠形固體外殼，水合物形成物填充于此籠形空腔內(nèi)，通過范德華力與水分子外殼相互作用，起到穩(wěn)定固體水合物的作用；本發(fā)明所述水合物形成物為低分子量的碳?xì)錈N或低沸點(diǎn)鹵代烴或惰性氣體或其他水合物形成氣體，所述的水合物形成物也可以是液態(tài)烴類物質(zhì)，液態(tài)烴應(yīng)與水不相溶，其密度小于淡水密度，便于對水合物形成物的回收利用；所述水合物形成物為甲烷或乙烷或丙烷或丁烷或異丙烷或甲基環(huán)丙烷或甲基環(huán)己烷或R11或R22或氧氣或氮?dú)饣驓鍤饣螂礆饣螂瘹饣蛄蚧瘹浠蚨趸蓟蚱浠旌衔铮凰鏊衔镄纬晌锏墓腆w水合物形成溫度應(yīng)高于同樣壓力、同樣鹽度條件下甲烷水合物的形成溫度；所述水合物形成物與海水形成的固體水合物密度可以小于海水密度也可以大于海水密度，當(dāng)固體水合物密度小于海水密度時(shí)，形成的固體水合物通過自身的浮力上升至海水濃縮加熱裝置的水合物分解區(qū)，當(dāng)固體水合物密度大于海水密度時(shí)，形成的固體水合物經(jīng)沉降濃縮后采用泵輸送至水合物分解區(qū)。
步驟(4)b中的所述水合物形成物回收利用，當(dāng)水合物形成物為氣體時(shí)，水合物形成氣匯聚于海水濃縮加熱裝置的頂部，氣液混合物輸送至海上浮動(dòng)平臺(tái)后，經(jīng)氣液分離器分離后回收利用；當(dāng)水合物形成物為液態(tài)物質(zhì)時(shí)，水合物形成物與淡水兩相混合物輸送至海上浮動(dòng)平臺(tái)后，經(jīng)重力沉降分離或離心分離后回收利用。
本發(fā)明制備用于天然氣水合物開采的熱鹽水所需能量主要為水合物形成氣的壓縮功和進(jìn)料海水注入過程中的沿程阻力損耗，當(dāng)固體水合物密度大于海水密度時(shí)，還需要提供將固體水合物從水合物形成區(qū)輸送至水合物分解區(qū)的能耗，本發(fā)明如采用液態(tài)水合物形成物，則水合物形成物從海上浮動(dòng)平臺(tái)注入水合物形成區(qū)的能量消耗將大大減少，但固體水合物分解后需增加水合物形成物和淡水兩相分離系統(tǒng)。
本發(fā)明所述的海水濃縮加熱裝置的進(jìn)料海水為海洋表層含鹽量較高的海水，或者將天然氣水合物開采過程中的氣液分離器排出水回用作為海水濃縮加熱裝置的進(jìn)水，當(dāng)采用海洋表層海水作為海水濃縮加熱裝置的進(jìn)料海水時(shí)，由于海水溫度較高，可通過安裝在海水濃縮加熱裝置的水合物分解區(qū)的換熱器對海水進(jìn)行預(yù)冷卻，同時(shí)供給水合物分解所需的熱量，如經(jīng)換熱器冷卻后的海水仍不能達(dá)到水合物形成物形成固體水合物所需的溫度，可采用人工制冷方式強(qiáng)制冷卻；所述的進(jìn)料海水也可采用海洋底部溫度較低的海水，從而節(jié)省進(jìn)料海水輸送能量消耗。
所述的進(jìn)料海水和水合物形成物可分別直接注入水合物形成區(qū)，也可將進(jìn)料海水和水合物形成物先在氣液混合器中混合，生成固體水合物微晶，然后進(jìn)入海水濃縮加熱裝置繼續(xù)進(jìn)行固體水合物結(jié)晶與生長反應(yīng)。
本發(fā)明所述的熱鹽水的含鹽量為7-20％，優(yōu)選10-15％，熱鹽水的溫度為8-30℃，優(yōu)選120-18℃。
本發(fā)明所述的水合物分解區(qū)位于海平面，分解壓力為常壓，水合物分解區(qū)也可位于海底一定水深處，固體水合物在一定壓力下分解；水合物形成物為不溶于水的液態(tài)物質(zhì)時(shí)，水合物分解區(qū)位于海面時(shí)，固體水合物分解速率快，且常壓下有利于進(jìn)行淡水和水合物形成物兩相分離；水合物形成物為氣態(tài)物質(zhì)時(shí)，水合物分解區(qū)位于海底一定水深處，固體水合物分解釋放出的氣體帶有一定的壓力，然后通過導(dǎo)氣管和導(dǎo)水管分別將水合物形成氣和淡化水輸送至海上浮動(dòng)平臺(tái)，水合物形成氣循環(huán)利用，在這種情況下回收的水合物形成氣具有一定的壓力，可節(jié)省水合物形成氣重新注入海底時(shí)氣體的壓縮功，可大大節(jié)約熱鹽水制備過程的能耗。
本發(fā)明水合物分解區(qū)產(chǎn)生的冷能除可應(yīng)用于海水濃縮加熱裝置進(jìn)水的冷卻外，還可應(yīng)用于海上平臺(tái)及陸上空調(diào)冷卻系統(tǒng)。
本發(fā)明利用海底水壓勢能，在海底形成水合物，濃縮海水制備濃鹽水，同時(shí)將放出的水合物生成熱用于加熱濃鹽水，制備熱鹽水用于天然氣水合物分解開采，根據(jù)固體水合物與海水的密度差，利用固體水合物自身所受的浮力使固體水合物從海底上升至海面水合物分解區(qū)，利用表層高溫海水加熱供給水合物分解所需熱能，同時(shí)也充分利用固體水合物分解產(chǎn)生的冷能來冷卻海水濃縮加熱裝置的進(jìn)水或向海上浮動(dòng)平臺(tái)及陸上空調(diào)冷卻系統(tǒng)提供冷能。
本發(fā)明還提供了一種用于開采天然氣水合物的裝置，采取了以下技術(shù)方案一種用于開采天然氣水合物的裝置，包括海上浮動(dòng)平臺(tái)，開采井，集氣井，水平井，水合物形成物回收系統(tǒng)，淡水儲(chǔ)槽，熱鹽水輸送管及熱鹽水輸送泵，所述水合物形成物回收系統(tǒng)包括水合物形成物回收泵，水合物形成物分離器，水合物形成氣壓縮機(jī)，水合物形成物儲(chǔ)罐；還包括海水濃縮加熱裝置，所述海水濃縮加熱裝置為一臺(tái)或兩臺(tái)以上垂直安裝在海洋中的圓柱形反應(yīng)器組成，該反應(yīng)器自下而上分別為熱鹽水區(qū)，水合物形成區(qū)，水合物凝聚增長區(qū)、水合物分離洗滌區(qū)、水合物分解區(qū)，淡水區(qū)，水合物形成物聚集區(qū)組成，所述水合物形成區(qū)上設(shè)有水合物形成物進(jìn)口和海水進(jìn)口；水合物形成區(qū)及熱鹽水區(qū)外壁上安裝熱鹽水加熱夾套，加熱夾套外層安裝有保溫材料；熱鹽水區(qū)底部設(shè)有鋸齒開口管，與熱鹽水加熱夾套連通，熱鹽水加熱夾套底部設(shè)有排渣口，頂部設(shè)有熱鹽水出口；水合物分解區(qū)中設(shè)有海水預(yù)冷器和海水加熱器，水合物分解區(qū)上部安裝有水合物過濾網(wǎng)；淡水區(qū)上設(shè)有淡水采出口；水合物形成物聚集區(qū)頂部設(shè)有水合物形成物回收口。
為提高熱鹽水的含鹽量，海水濃縮加熱裝置可以由兩臺(tái)或兩臺(tái)以上圓柱形反應(yīng)器串聯(lián)或并聯(lián)組成多級(jí)海水濃縮加熱裝置，前一級(jí)反應(yīng)器制備的熱鹽水作為下一級(jí)反應(yīng)器的進(jìn)水；為提高海水濃縮加熱裝置的熱鹽水產(chǎn)量，減小單臺(tái)反應(yīng)器的尺寸；其反應(yīng)器的水合物形成區(qū)上可沿軸向不同海洋深度處安裝多個(gè)水合物形成物進(jìn)口和海水進(jìn)口，采用遠(yuǎn)程自動(dòng)閥門控制，當(dāng)采用不同的水合物形成物時(shí)，通過開啟不同閥門即可調(diào)整海水濃縮加熱裝置的水合物形成區(qū)及分解區(qū)的位置。
本發(fā)明所述的天然氣水合物開采井和收集井可分別由一口或多口井組成，開采井與集氣井通過水平井相連，形成由開采井和收集井組成的井網(wǎng)。
本發(fā)明海水濃縮加熱裝置在海底生產(chǎn)的濃鹽水經(jīng)泵注入生產(chǎn)井及水平井，有效避免了常規(guī)注熱開采載熱體水下長距離輸送過程的沿程熱損失，開采效率高。所述圓柱形反應(yīng)器安裝深度與水合物形成物的種類及所在區(qū)域的海水溫度及鹽度有關(guān)。對于一定的水合物形成物和所在海區(qū)的海水溫度，海水濃縮加熱裝置的水合物形成區(qū)位于固體水合物自發(fā)形成的水壓深度以下，海水濃縮加熱裝置的水合物分解區(qū)應(yīng)位于使固體水合物分解的水壓深度以上。
所述的海水濃縮加熱裝置，固體水合物形成熱通過不斷采出熱鹽水去除，由于一部分鹽水受熱升溫后會(huì)同固體水合物一起沿水合物形成區(qū)上升，為防止水合物生成熱通過海水濃縮加熱裝置的器壁傳遞給周圍溫度較低的海水，本發(fā)明水合物形成區(qū)外壁安裝夾套，濃鹽水從濃鹽水區(qū)底部抽出后先經(jīng)夾套換熱，進(jìn)一步吸收水合物形成區(qū)的熱能，加速水合形成速率水合物形成區(qū)及濃鹽水區(qū)的外表面均采用絕熱材料保溫。
所述水合形成區(qū)及水合物分解區(qū)的溫度與所采用的水合物形成物的種類及海水濃縮加熱裝置的安裝深度有關(guān)。
本發(fā)明利用水合物法開采天然氣水合物，實(shí)現(xiàn)了天然氣水合物開采和海水淡化聯(lián)產(chǎn)，固體水合物分解產(chǎn)生的冷能可供給空調(diào)冷卻系統(tǒng)的冷能，能量利用效率高。
本發(fā)明利用海底壓力勢能，采用水合物技術(shù)在海底對海水進(jìn)行濃縮和加熱，制得熱鹽水應(yīng)用于天然氣水合物分解開采，利用海面低壓和高溫海水分解固體水合物，回收水合物形成物及淡水；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了天然氣水合物開采和海水淡化聯(lián)產(chǎn)，水合物分解產(chǎn)生的冷能可供給空調(diào)冷卻系統(tǒng)的冷能，能量利用效率高；本發(fā)明天然氣水合物開采工藝簡單，能耗低，成本低廉，所需設(shè)備除氣體輸送管線外均為常壓設(shè)備，水下動(dòng)設(shè)備少，操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和遠(yuǎn)程遙控，開采過程無外排、無環(huán)境污染，適用于海洋天然氣水合物大規(guī)模工業(yè)化開采。


附圖1為本發(fā)明水合物法開采海洋天然氣水合物工藝流程示意圖；附圖2為本發(fā)明海水濃縮加熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖；附圖標(biāo)記說明1、海水濃縮加熱裝置，2、海底巖石層，3、天然氣水合物儲(chǔ)層，4、濾砂裝置，5、集氣井，6、海底沉積物層，7、海水層，8、氣水兩相混輸管，9、氣液分離器排水管，10、海水濃縮加熱裝置取水管，11、氣水兩相混輸泵，12、天然氣采出水循環(huán)利用管，13、氣液分離器，14、天然氣壓縮機(jī)，15、海水濃縮加熱裝置給水泵，16、天然氣儲(chǔ)氣罐，17、天然氣儲(chǔ)氣罐出口管，18、水合物形成物回收泵，19、海水加熱器進(jìn)水泵，20、水合物形成物分離器，21、水合物形成氣壓縮機(jī)，22、水合物形成物儲(chǔ)罐，23、離心泵，24、淡水儲(chǔ)槽，25、淡水采出管，26、海上浮動(dòng)平臺(tái)，27、水合物形成物回收管，28、預(yù)冷器進(jìn)水管，29、水合物形成物輸送管，30、預(yù)冷器出水管，31、氣液混合器，32、氣液混合器氣相進(jìn)口管，33、海水濃縮加熱裝置進(jìn)水管，34、海水濃縮加熱裝置水合物形成物進(jìn)口管，35、熱鹽水分配管，36、水平井，37、開采井，38、熱鹽水輸送管，39、熱鹽水輸送泵；101、熱鹽水區(qū)，102、水合物形成物進(jìn)口，103、水合物形成區(qū)，104、海水進(jìn)口，105、水合物凝聚增長區(qū)，106、水合物分離洗滌區(qū)，107、海水預(yù)冷器進(jìn)口，108、海水預(yù)冷器，109、海水預(yù)冷器出口，1010、水合物過濾網(wǎng)，1011、淡水區(qū)，1012、水合物形成物聚集區(qū)，1013水合物形成物回收口，1014、淡水采出口，1015、海水加熱器出水口，1016、海水加熱器，1017、海水加熱器進(jìn)水口，1018、水合物分解區(qū)，1019、熱鹽水出口，1020、熱鹽水加熱夾套，1021、鋸齒開口管，1022、排渣口。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的
具體實(shí)施例方式如附圖1、2所示，首先在海底巖石層2上構(gòu)筑貫穿海底沉積物層6及天然氣水合物儲(chǔ)層3的水合物開采井37、集氣井5以及連接開采井37與集氣井5之間的水平井36，水平井36處于天然氣水合物儲(chǔ)層3，在集氣井安裝濾砂裝置4，同時(shí)在海水層7一定深度處安裝海水濃縮加熱裝置1、熱鹽水輸送泵39、氣液混合器31，在海上浮動(dòng)平臺(tái)26上安裝氣液分離器13、天然氣壓縮機(jī)14、天然氣儲(chǔ)氣罐16、海水濃縮加熱裝置給水泵15、水合物形成物回收泵18、水合物形成物分離器20、海水加熱器進(jìn)水泵19、水合物形成氣壓縮機(jī)21、水合物形成物儲(chǔ)罐22、離心泵23、淡水儲(chǔ)槽24，同時(shí)鋪設(shè)各設(shè)備之間氣體、液體輸送管道。
所述海水濃縮加熱裝置，其水合物形成區(qū)103上設(shè)有水合物形成物進(jìn)口102和海水進(jìn)口104，其分別與海水濃縮加熱裝置水合物形成物進(jìn)口管34和海水濃縮加熱裝置進(jìn)水管33相連；水合物形成區(qū)103及熱鹽水區(qū)101外壁上安裝熱鹽水加熱夾套1020，加熱夾套1020外層安裝有保溫材料；熱鹽水區(qū)101底部設(shè)有鋸齒開口管1021，與熱鹽水加熱夾套1020連通，熱鹽水加熱夾套1020底部設(shè)有排渣口1022，頂部設(shè)有熱鹽水出口1019，該熱鹽水出口1019可與熱鹽水輸送管38及熱鹽水輸送泵39相連；水合物分解區(qū)1018安裝海水預(yù)冷器108和海水加熱器1016，水合物分解區(qū)1018上部安裝有水合物過濾網(wǎng)1010，防止固體水合物進(jìn)入淡水區(qū)1011；淡水區(qū)1011上設(shè)有淡水采出口1014，該淡水采出口1014可與淡水采出管25相連；水合物形成物聚集區(qū)1012頂部設(shè)有水合物形成物回收口1013，該水合物形成物回收口1013與水合物形成物回收管27及水合物形成物回收泵18相連。
裝置運(yùn)行過程中，海水和氣液分離器13的排水分別經(jīng)海水濃縮加熱裝置取水管10和天然氣采出水循環(huán)利用管12通過海水濃縮加熱裝置給水泵15沿預(yù)冷器進(jìn)水管28和海水預(yù)冷器進(jìn)口107輸送至海水預(yù)冷器108，在海水預(yù)冷器中利用水合物分解區(qū)1018固體水合物分解產(chǎn)生的冷能將海水冷卻至水合物形成溫度以下，經(jīng)冷卻后的海水經(jīng)海水預(yù)冷器出口109和預(yù)冷器出水管30輸送至氣液混合器31，在氣液混合器中海水與來自氣液混合器氣相進(jìn)口管32的水合物形成氣混合，產(chǎn)生固體水合物微晶，氣液混合物經(jīng)海水濃縮加熱裝置進(jìn)水管33進(jìn)入水合物形成區(qū)103；來自水合物形成物儲(chǔ)罐22的水合物形成氣經(jīng)水合物形成物輸送管29、氣液混合器氣相進(jìn)口管32、海水濃縮加熱裝置水合物形成物進(jìn)口管34輸送至氣液混合器31和水合物形成區(qū)103。
在水合物形成區(qū)，水合物形成氣與海水接觸生成大量固體水合物，同時(shí)釋放出水合物生成熱，固體水合物在自身所受浮力作用下沿海水濃縮加熱裝置的水合物凝聚增長區(qū)105上升，固體水合物晶粒不斷聚結(jié)長大，當(dāng)固體水合物上升至水合物分離洗滌區(qū)106時(shí)，此時(shí)固體水合物處于不穩(wěn)定區(qū)，固體水合物開始緩慢分解，固體水合物分解產(chǎn)生的氣泡使固體水合物上升速率加快，固體水合物夾帶的部分鹽水在此被洗滌去除，當(dāng)固體水合物上升至水合物分解區(qū)1018時(shí)，由于壓力降低，同時(shí)海水預(yù)冷器108及海水加熱器1016采用海面溫度較高的海水不斷向水合物分解區(qū)供給熱量，海面溫度較高的海水由海水加熱器進(jìn)水口1017進(jìn)入海水加熱器，由海水加熱器出水口1015直接排出至海洋，周體水合物在水合物分解區(qū)完全分解為淡水和水合物形成氣。
固體水合物分解釋放出的水合物形成氣匯聚于水合物形成物聚集區(qū)1012，水合物形成氣經(jīng)水合物形成物回收泵18和水合物形成物回收管27輸送至水合物形成物分離器20分離，分離出的淡水經(jīng)離心泵23輸送至淡水儲(chǔ)槽24，分離出的水合物形成氣經(jīng)水合物形成氣壓縮機(jī)21壓縮后輸送至水合物形成物儲(chǔ)罐22重復(fù)利用；水合物分解釋放出的淡水由于其密度小于海水，積聚于淡水區(qū)1011、水合物分解區(qū)1018以及水合物分離洗滌區(qū)106，淡水經(jīng)淡水采出管25輸送至淡水儲(chǔ)槽24，淡水可作為工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活用水，通過控制淡水采出速度，可控制淡水由水合物分解區(qū)向水合物分離洗滌區(qū)回流的流量，以及淡水在海水濃縮加熱裝置頂部的分布，為防止未分解的固體水合物進(jìn)入淡水區(qū)1011，在淡水區(qū)1011和水合物分解區(qū)1018之間安裝水合物過濾網(wǎng)1010。
在水合物形成區(qū)由于大量固體水合物的生成，海水被濃縮形成濃鹽水，同時(shí)水合物形成熱被濃鹽水吸收，溫度升高，熱鹽水由于其密度大于海水而向海水濃縮加熱裝置底部的熱鹽水區(qū)101積聚，熱鹽水通過熱鹽水區(qū)底端的鋸齒開口管1021進(jìn)入熱鹽水加熱夾套1020進(jìn)一步吸收水合物形成區(qū)產(chǎn)生的水合物形成熱，使熱鹽水的溫度上升至12-18℃后經(jīng)熱鹽水輸送泵39穩(wěn)定采出，輸送至海底天然氣水合物儲(chǔ)層用于天然氣水合物的分解開采，通過控制熱鹽水的采出速度可控制熱鹽水在海水濃縮加熱裝置中的分布以及水合物形成區(qū)溫度及鹽度。
來自熱鹽水輸送管38的熱鹽水經(jīng)水合物開采井輸送至水平井36，在水平井中，熱鹽水經(jīng)熱鹽水分配管35分配后與天然氣水合物固體接觸，通過加熱分解和鹽水作用使天然氣水合物分解為天然氣和水，生產(chǎn)出的氣水混合物匯聚于集氣井5，氣水混合物經(jīng)濾砂裝置4過濾出其中夾帶的泥沙后經(jīng)氣水兩相混輸管8和氣水兩相混輸泵11輸送至海上平臺(tái)26，氣水混合物在平臺(tái)上采用氣液分離器13分離，分離出的天然氣采用天然氣壓縮機(jī)14壓縮至一定壓力后進(jìn)入天然氣儲(chǔ)氣罐16儲(chǔ)存，天然氣一部分供給海上浮動(dòng)平臺(tái)能源消耗，另一部分經(jīng)天然氣儲(chǔ)氣罐出口管17輸送至陸上儲(chǔ)氣站，氣液分離器13分離出的水可經(jīng)天然氣采出水循環(huán)利用管12供給海水濃縮加熱裝置的進(jìn)水，或直接經(jīng)氣液分離器排水管9深海排放。
以上所述僅為本發(fā)明的一種實(shí)施實(shí)例，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員任何基于本發(fā)明技術(shù)方案上非實(shí)質(zhì)性變更均包括在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種開采天然氣水合物的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)構(gòu)筑開采井、水平井及收集井；(2)建設(shè)海上浮動(dòng)平臺(tái)和天然氣水合物開采裝置；(3)海水濃縮加熱裝置建設(shè)海水濃縮加熱裝置建設(shè)在海面以下，海水濃縮加熱裝置的水合物形成區(qū)位于固體水合物自發(fā)形成的水壓深度以下，水合物分解區(qū)位于固體水合物分解的水壓深度以上；(4)熱鹽水制備，包括a.啟動(dòng)海水濃縮加熱裝置，將海水及水合物形成物通入海水濃縮加熱裝置的水合物形成區(qū)，在海洋高壓條件下，海水和水合物形成物自發(fā)形成固體水合物，同時(shí)將海水濃縮為濃鹽水；b.在浮力作用下固體水合物沿水合物形成區(qū)上升，并不斷聚結(jié)長大，上升至水合物分解區(qū)后，由于壓力降低，固體水合物吸熱分解釋放出淡水和水合物形成物，固體水合物分解所需熱量采用海面溫度較高的海水通過換熱器供給，釋放出的淡水由于其密度低于海水密度而向海水濃縮加熱裝置的頂部匯聚，釋放出的水合物形成物匯聚于海水濃縮加熱裝置頂部，經(jīng)回收后重復(fù)利用；c.產(chǎn)生的濃鹽水由于其密度大于海水密度而沉積于濃鹽水區(qū)，固體水合物形成過程中釋放出水合物形成熱被濃鹽水吸收，濃鹽水溫度升高制得熱鹽水；(5)天然氣水合物分解將步驟(4)制得的熱鹽水輸送至天然氣水合物開采井底部或水平井中，熱鹽水與天然氣水合物接觸，在加熱和濃鹽水雙重分解作用下，天然氣水合物分解釋放出天然氣和水；(6)天然氣收集。
2.如權(quán)利要求1所述的開采天然氣水合物的方法，其特征在于所述水合物形成物的固體水合物形成溫度高于同樣壓力、同樣鹽度條件下甲烷水合物的形成溫度。
3.如權(quán)利要求1所述的開采天然氣水合物的方法，其特征在于當(dāng)所述固體水合物密度小于海水密度，固體水合物通過自身的浮力上升至水合物分解區(qū)；當(dāng)所述固體水合物大于海水密度，固體水合物經(jīng)沉降濃縮后采用泵輸送至水合物分解區(qū)。
4.如權(quán)利要求1-3任一所述的開采天然氣水合物的方法，其特征在于所述熱鹽水的含鹽量為7-20％，熱鹽水的溫度為8-30℃。
5.如權(quán)利要求1-3任一所述的開采天然氣水合物的方法，其特征在于所述海水濃縮加熱裝置的進(jìn)料海水為海洋表層含鹽量較高的海水或海洋底部溫度較低的海水或天然氣水合物采出水，進(jìn)料海水經(jīng)水合物分解區(qū)預(yù)冷卻后注入海水濃縮加熱裝置。
6.如權(quán)利要求1-3任一所述的開采天然氣水合物的方法，其特征在于步驟(4)b中的所述水合物形成物回收利用為當(dāng)水合物形成物為氣體時(shí)，水合物形成氣匯聚于海水濃縮加熱裝置的頂部，氣液混合物輸送至海上浮動(dòng)平臺(tái)后，經(jīng)氣液分離器分離后回收利用；或當(dāng)水合物形成物為液態(tài)物質(zhì)時(shí)，水合物形成物與淡水兩相混合物輸送至海上浮動(dòng)平臺(tái)后，經(jīng)重力沉降分離或離心分離后回收利用。
7.一種用于開采天然氣水合物的裝置，包括海上浮動(dòng)平臺(tái)(26)，開采井(37)，集氣井(5)，水平井(36)，水合物形成物回收系統(tǒng)，淡水儲(chǔ)槽(24)，熱鹽水輸送管(38)及熱鹽水輸送泵(39)，其特征是，所述水合物形成物回收系統(tǒng)包括水合物形成物回收泵(18)，水合物形成物分離器(20)，水合物形成氣壓縮機(jī)(21)，水合物形成物儲(chǔ)罐(22)；還包括海水濃縮加熱裝置，所述海水濃縮加熱裝置為一臺(tái)或兩臺(tái)以上垂直安裝在海洋中的圓柱形反應(yīng)器組成，該反應(yīng)器自下而上分別為熱鹽水區(qū)(101)，水合物形成區(qū)(103)，水合物凝聚增長區(qū)(105)、水合物分離洗滌區(qū)(106)、水合物分解區(qū)(1018)，淡水區(qū)(1011)，水合物形成物聚集區(qū)(1012)組成，所述水合物形成區(qū)(103)上設(shè)有水合物形成物進(jìn)口(102)和海水進(jìn)口(104)；水合物形成區(qū)(103)及熱鹽水區(qū)(101)外壁上安裝熱鹽水加熱夾套(1020)，加熱夾套(1020)外層安裝有保溫材料；熱鹽水區(qū)(101)底部設(shè)有鋸齒開口管(1021)，與熱鹽水加熱夾套(1020)連通，熱鹽水加熱夾套(1020)底部設(shè)有排渣口(1022)，頂部設(shè)有熱鹽水出口(1019)；水合物分解區(qū)(1018)中設(shè)有海水預(yù)冷器(108)和海水加熱器(1016)，水合物分解區(qū)(1018)上部安裝有水合物過濾網(wǎng)(1010)；淡水區(qū)(1011)上設(shè)有淡水采出口(1014)；水合物形成物聚集區(qū)(1012)頂部設(shè)有水合物形成物回收口(1013)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于開采天然氣水合物的裝置，其特征是，所述海水濃縮加熱裝置為兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的所述圓柱形反應(yīng)器串聯(lián)或并聯(lián)組成，所述圓柱形反應(yīng)器可沿軸向不同海洋深度處安裝多個(gè)由遠(yuǎn)程自動(dòng)閥門控制的水合物形成物進(jìn)口(102)和海水進(jìn)口(104)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的用于開采天然氣水合物的裝置，其特征是，所述水合物開采井和收集井分別為一口或多口，開采井(37)與集氣井(5)通過水平井(36)相連，形成由開采井(37)和收集井(36)組成的井網(wǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種開采天然氣水合物的方法及裝置，該方法包括以下步驟構(gòu)筑開采井、水平井及收集井；建設(shè)海上浮動(dòng)平臺(tái)和天然氣水合物開采裝置；海水濃縮加熱裝置建設(shè)；熱鹽水制備，天然氣水合物分解；天然氣收集。所述開采天然氣水合物的裝置包括海上浮動(dòng)平臺(tái)，開采井，集氣井，水平井，水合物形成物回收系統(tǒng)，淡水儲(chǔ)槽，熱鹽水輸送管及熱鹽水輸送泵以及海水濃縮加熱裝置等，本發(fā)明天然氣水合物開采工藝簡單，能耗低，成本低廉，操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，開采過程無外排、無環(huán)境污染，適用于海洋天然氣水合物大規(guī)模工業(yè)化開采。
文檔編號(hào)E21B43/16GK101016841SQ200710026918
公開日2007年8月15日 申請日期2007年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月13日
發(fā)明者陳朝陽, 李小森, 顏克鳳, 李剛 申請人:中國科學(xué)院廣州能源研究所