專利名稱：促進(jìn)甲烷水化物分解以及提取甲烷氣體的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及甲烷水化物的提取系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由最近的研究、調(diào)查結(jié)果報(bào)告可知，在日本的周邊海域，可能埋藏達(dá)到國(guó)內(nèi)燃 氣消費(fèi)量100年的甲烷水化物。甲烷水化物豐富蘊(yùn)藏在深海的海底下，并作為在甲烷以 及水達(dá)到較高壓力時(shí)固化埋藏的潛在資源。由于在現(xiàn)有技術(shù)中，其生產(chǎn)率較低，因此，難以以經(jīng)濟(jì)方式提取。但是，以廉 價(jià)生產(chǎn)方式的研發(fā)和生產(chǎn)特性的最適合化實(shí)現(xiàn)為前提，期望能夠發(fā)現(xiàn)作為將來(lái)能源的出路。作為從甲烷水化物獲取甲烷氣體的手段，迄今提出了減壓法和加熱法，另外， 作為基本概念，還研究了將兩者組合并用的方法。減壓法是指降低甲烷水化物層的壓力，并保持甲烷水化物處于分解區(qū)域，從而 獲取分解的甲烷氣體的技術(shù)(例如，參見(jiàn)專利文獻(xiàn)1)。該技術(shù)由使地層減壓的手段和回 收甲烷氣體的手段構(gòu)成。由于減壓法無(wú)需人工熱源，因此，不會(huì)消耗燃料。(實(shí)際采 用地層間的自然傳熱)，另外，由于無(wú)需用于加熱的坑井，因此，能夠大幅度削減挖掘費(fèi) 用。但是，在單純的減壓法的技術(shù)中，存在著很多如甲烷水化物氣化所必需的潛熱的供 給速度緩慢，出砂、出水較大，生產(chǎn)流體的再水化物化或結(jié)冰危險(xiǎn)性，生產(chǎn)特性變化較 大且生產(chǎn)設(shè)施的利用效率惡化等在實(shí)現(xiàn)商業(yè)化上形成障礙的特點(diǎn)。另外，所研究的一般的加熱法為將熱水壓入海底下的甲烷水化物層并使甲烷水 化物分解以獲取甲烷氣體的方法。(例如參見(jiàn)專利文獻(xiàn)2)。在該技術(shù)中，例如，在平臺(tái)上設(shè)置熱水制造裝置來(lái)加熱海水，通過(guò)壓入井將熱 能壓入甲烷水化物層。但是，為了制造熱水，需消耗大量的燃料，另外，為了通過(guò)壓入 井向甲烷水化物層配給熱能，必需大量的開(kāi)采投資。雖然當(dāng)前最受期待的甲烷氣體獲取方法為單純減壓法，但是，在該手法中存在 以下應(yīng)解決的課題。(1)為減壓度的強(qiáng)化為唯一的生產(chǎn)促進(jìn)手段，強(qiáng)力減壓作為絕對(duì)要件。因此，存 在海底面的下沉、裂縫、氣體泄漏的危險(xiǎn)。(2)由于伴隨強(qiáng)減壓的出砂、出水危險(xiǎn)性較高，因此，研發(fā)整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān) 較大。(3)由于潛熱的供給不足，因此，存在著產(chǎn)生生產(chǎn)率的急劇降低或地質(zhì)以及生產(chǎn) 流道的再水化或結(jié)冰的嚴(yán)重生產(chǎn)障礙的擔(dān)憂。(4)由于在強(qiáng)減壓條件下過(guò)度吸取水，因此，水處理成本上升，并且，促進(jìn)甲烷 水化物層的壓實(shí)且地層的浸透率低下。(5)生產(chǎn)特性曲線的形狀惡化，甲烷水化物開(kāi)采中占據(jù)過(guò)半的水下成本不可避免
會(huì)增大。
(6)在減壓法特有的生產(chǎn)特性曲線中，回收率難以改善。專利文獻(xiàn)1 特開(kāi)2006-45128號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 特開(kāi)2005-21324號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
甲烷水化物開(kāi)采的最大困難在于經(jīng)濟(jì)性的低下。雖然與經(jīng)濟(jì)性相關(guān)的最大敏感 因素在于生產(chǎn)率，但是，當(dāng)前構(gòu)成有力生產(chǎn)方法的單純減壓法難以大幅度改善生產(chǎn)率。在減壓法中妨礙生產(chǎn)率改善的主要原因在于潛熱供給不足。根據(jù)相平衡曲線中 的壓力和溫度的關(guān)系，在僅依賴減壓法的方法中由于潛熱的供給速度緩慢，因此，甲烷 水化物層的地層溫度低下。因此，不能避免生產(chǎn)率的急劇降低及生產(chǎn)流體的再水化或流 道的結(jié)冰危險(xiǎn)。另一方面，熱水壓入法式的加熱法存在需要大量燃料、以及將溫水壓入甲烷水 化物層的技術(shù)困難性以及成本高的問(wèn)題。本發(fā)明是為消除上述減壓法和加熱法的弱點(diǎn)，克服甲烷水化物開(kāi)采中經(jīng)濟(jì)上和 技術(shù)上的困難作出的。即，一方面，通過(guò)抑制作為減壓法的特征的高水平的出砂、出 水，使生產(chǎn)率正常化，預(yù)防生產(chǎn)流道的再水化或結(jié)冰，從而壓縮開(kāi)發(fā)費(fèi)用，另一方面， 通過(guò)消除熱水壓入式的加熱法的特征，即大量燃料的消耗，能夠大幅度提高經(jīng)濟(jì)性。本發(fā)明能夠消除減壓法引起的許多障礙。另外，能夠以經(jīng)濟(jì)的成本利用無(wú)盡的 地?zé)崮芰?。本發(fā)明是為解決上述障礙或問(wèn)題作出的，其提供了一種提取甲烷氣體的系統(tǒng)， 其特征在于，由以下(a) (d)構(gòu)成(a)從深部含水層汲取熱介質(zhì)的加熱井該加熱井為提取地?zé)崮芰坎⒌責(zé)崮芰抗┙o至甲烷水化物層的坑井，所述的提 取地?zé)崮芰渴菑暮５紫蛳峦诰?,000 1,500m左右，汲取因深部含水層的地?zé)崾箿囟壬?升的熱介質(zhì)，例如，溫水或熱水。(b)提取甲烷氣體的生產(chǎn)井該生產(chǎn)井接收地?zé)崮芰康墓┙o，提取通過(guò)甲烷水化物的分解生成的甲烷氣體， 為了防止砂侵入坑內(nèi)，在甲烷水化物層上部的位置處安裝質(zhì)量良好的篩網(wǎng)。(c)使結(jié)束熱交換的熱介質(zhì)回流至深部含水層的回流井該回流井與加熱井相同，從海底向下挖掘1,000 1,500m左右。其目的在于提 取在分解界面附近結(jié)束熱交換而冷卻的水，并使其回流至深部含水層。(d)將熱介質(zhì)供給至甲烷水化物的分解界面的裝置該裝置是從深部含水層提取上述溫水或熱水等熱介質(zhì)后將該地?zé)崮芰抗┙o至甲 烷水化物層的裝置，例如，由泵裝置、流量調(diào)節(jié)裝置等構(gòu)成，并設(shè)有各種計(jì)量器具和控 制裝置。在以上的本發(fā)明的提取甲烷氣體系統(tǒng)中，如果在生產(chǎn)井中結(jié)合使用減壓法，則 能夠促進(jìn)生產(chǎn)率。減壓手段由分離器(氣體、水、砂的分離裝置)和增壓泵(用于促進(jìn) 減壓的裝置)等的海底生產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)成。與單純的減壓法相比，由于提高了熱能的供給速 度，因此，能夠緩和減壓度。上述加熱井可以是從上述生產(chǎn)井的下端延伸設(shè)置至深部含水層的坑井。
還有上述回流井可以是從上述生產(chǎn)井的下端延伸設(shè)置至深部含水層的坑井。由 此能夠?qū)⒖泳當(dāng)?shù)減半，并顯著壓縮總開(kāi)采費(fèi)用。本發(fā)明將無(wú)盡存在于地下的地?zé)嶙鳛闊嵩蠢?。因此，本發(fā)明無(wú)需特別的燃料 等，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地將地?zé)崮芰抗┙o甲烷水化物層，通過(guò)供給充分的熱量，能夠?qū)崿F(xiàn)甲 烷水化分解界面的擴(kuò)大和分解促進(jìn)。與熱水壓入式的加熱法相比較，本發(fā)明不但無(wú)需熱水制造裝置和龐大的燃料 費(fèi)，而且也無(wú)需從海上平臺(tái)至各個(gè)坑井的加熱管線。因此，本發(fā)明無(wú)需與平臺(tái)中的熱水 制造和輸送至坑井相關(guān)的大量設(shè)備負(fù)擔(dān)。另外，本發(fā)明可以結(jié)合使用減壓法和加熱法的部分有利功能，并且，在確保2 系統(tǒng)的生產(chǎn)控制手段的情況下，在甲烷水化物下部的分解界面有效地進(jìn)行熱交換，可以 促進(jìn)在廣闊區(qū)域中同時(shí)分解。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)特性曲線的正?；岣呋厥章什⒏?善平均日產(chǎn)量。其中任意一種救濟(jì)經(jīng)濟(jì)性的效果均較高。在這種情況下，由于通過(guò)加熱能夠促進(jìn)甲烷水化物的分解，因此，可以降低結(jié) 合使用的減壓法的減壓度。由于通過(guò)減壓度的降低能夠提高水的地層內(nèi)殘存率，因此，減少了水處理成 本。另外，還能緩和地層的壓實(shí)現(xiàn)象，抑制浸透率的惡化。雖然出砂、出水為減壓度的 函數(shù)，但是，通過(guò)減壓度的緩和，能夠減輕出砂、出水引起的對(duì)生產(chǎn)裝置的負(fù)擔(dān)，從而 可以大幅度縮小水下系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)格。因此，能夠期待設(shè)施建設(shè)費(fèi)的顯著削減。在本發(fā)明中，通過(guò)將從深部含水層獲得的地?zé)崮芰块L(zhǎng)時(shí)間連續(xù)供給至甲烷水化 物層，從而能夠抑制通過(guò)甲烷水化物層、坑底以及生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)流體的溫度降低，并 且，還可以減輕再水化物化以及結(jié)冰對(duì)策的費(fèi)用。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的甲烷氣體生產(chǎn)系統(tǒng)的概念圖；圖2是地層、流體溫度條件的例子的示意圖表；圖3是表示深度與地層溫度關(guān)系的圖表；圖4是加熱坑井與回流坑井之間的溫水的循環(huán)路徑的平面示意圖；圖5是表示相平衡曲線的關(guān)系的圖表；圖6是表示實(shí)施例的相平衡曲線的關(guān)系的圖表；圖7是表示日產(chǎn)量的歷年變化的圖表；圖8是表示層厚與生產(chǎn)率的關(guān)系的圖表。
具體實(shí)施例方式如果水深1,000m，海底溫度4°C，地溫梯度為3 4°C/100m，則預(yù)計(jì)海底以 下1 ,OOOm的地溫為34 44 °C。無(wú)導(dǎo)管(riser-less)的挖掘作業(yè)的深度極限為海底面 以下1,500m左右。由于在其附近，通常地層壓力較低，因此，可以考慮使用無(wú)導(dǎo)管 (riser-less)的低壓旋轉(zhuǎn)BOP。在挖掘至該深度以下的情況時(shí)，從安全方面考慮，必需正 規(guī)的BOP以及導(dǎo)管(riser)，因此，挖掘成本會(huì)大大提高。從經(jīng)濟(jì)角度上講可以使用的深 部含水層的極限深度為海底面以下1,500m左右。
因此，在海底面以下1,000m 1,500m的范圍內(nèi)對(duì)可利用的深部含水層進(jìn)行比較 研究，選擇地?zé)崮芰抗┙o能力最高的砂層。雖然挖掘費(fèi)用會(huì)隨深度而變化，但是，由于 地溫梯度與挖掘費(fèi)用的深度梯度會(huì)抵消，因此，其間對(duì)經(jīng)濟(jì)性造成的差異很小。另外，深部含水層的層厚越厚，就越容易確保熱介質(zhì)的流量，并且，還能夠增 大熱量供給量。能夠利用的熱介質(zhì)的水罐基本是越大越好。本發(fā)明通過(guò)安裝在加熱井上的泵汲取該深部含水層的溫水，并將其供給至甲烷 水化物層下部的分解界面附近。泵選取廉價(jià)的單相式井下泵即可。雖然甲烷水化物層的初期浸透率較低，但是，在固體甲烷水化物結(jié)構(gòu)消失后會(huì) 達(dá)到高浸透性。因此，若將甲烷水化物層的下部達(dá)到分解條件區(qū)后的砂層實(shí)際用作熱交 換流道，則會(huì)減輕熱介質(zhì)流動(dòng)的動(dòng)力。甲烷水化物層的下端處于原來(lái)分解界面線的條件 下。若浸透率沒(méi)有改善至絕對(duì)浸透率的水準(zhǔn)，則通過(guò)減壓法先行進(jìn)行分解界面的甲 烷水化物分解。若界面的分解開(kāi)始，浸透變化至絕對(duì)浸透率的水準(zhǔn)，則能夠確保熱交換 流道。通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)等預(yù)見(jiàn)在甲烷水化物層下部的分解界面附近存在浸透性較高的砂 層，主要的不可靠性在于斷層與流動(dòng)阻力的不均勻性。根據(jù)與基礎(chǔ)鉆探和常規(guī)石油氣體開(kāi)采相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，甲烷水化物層下部的分 解界面附近的絕對(duì)浸透率在水平方向達(dá)到200md Id。泥層的絕對(duì)浸透率為數(shù)μ d 0.7md。可預(yù)想甲烷水化物層為砂泥疊層，水難以流向上層。若在設(shè)定的壓力范圍內(nèi)難以使熱介質(zhì)循環(huán)，則固體甲烷水化物結(jié)構(gòu)完全消失， 為了確保界面附近的透水性而起動(dòng)泵。因此，可以在泵中安裝差動(dòng)式壓力開(kāi)關(guān)。以水深1,000m的情況為例，若利用減壓法，在海底面以下300m附近的甲烷水 化物富集層的溫度在14°C左右，即使不減壓，大概在16°C進(jìn)入分解區(qū)域。通過(guò)安裝在回 流井中的泵，使結(jié)束熱交換的熱介質(zhì)回流至深部砂層。以此方式，能夠避免在甲烷水化 物層發(fā)生水的聚集，并且，能夠避免作為潛在事故因素的地層的壓力上升。以后面所述的方式簡(jiǎn)化加熱井和回流井的結(jié)構(gòu)。在坑內(nèi)不設(shè)置配管。插入的裝 置類型采用了使用鋼絲繩的一次升降作業(yè)(一個(gè)行程)即可實(shí)現(xiàn)回收以及修理的結(jié)構(gòu)。因 此，代替昂貴的挖掘用海上鉆井平臺(tái)，在業(yè)務(wù)用小型船上即可實(shí)現(xiàn)整修作業(yè)。甲烷水化物層通過(guò)分解產(chǎn)生自由的甲烷氣體和水。最初，雖然乳狀液占據(jù)大部 分，但是，隨著時(shí)間的流逝，通過(guò)地質(zhì)的不均勻性、微小裂縫、小斷層等的介入促進(jìn)重 力控制。由于在產(chǎn)出水和砂時(shí)，會(huì)顯著提高成本，因此，為了避免這種情況，抑制減壓 法的減壓度、促進(jìn)地層內(nèi)以及坑底中的氣體和水的重力分離是有效的。雖然難以在強(qiáng)減壓的條件下僅選擇生產(chǎn)氣體，但是，通過(guò)減小減壓度，能夠明 顯地改善生產(chǎn)流體的氣水比。因此，能夠期望大幅度抑制出砂、出水量。出砂、出水量 的削減對(duì)于壓縮以水下成本為中心的開(kāi)采成本是非常有效的。另外，通過(guò)向分解界面直接供給深部的地?zé)崮芰?，能夠加快分解界面的擴(kuò)大， 使生產(chǎn)率在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)正?；⑶?，可以改善回收率。另外，由于生產(chǎn)流體的溫度升 高，因此，能夠減輕甲烷水化物層或流道的水化物化或結(jié)冰危險(xiǎn)性。另一方面，可以預(yù)料通過(guò)甲烷水化物的分解，能夠稍微提高甲烷水化物層的層壓。由于通過(guò)壓入熱水的加熱法，使壓入水存儲(chǔ)在甲烷水化物層內(nèi)，因此，能夠更顯著 地升高地層層壓。因此，密封層的損傷危險(xiǎn)性會(huì)增大。另外，會(huì)阻礙減壓效果。因此， 會(huì)增大生產(chǎn)水的量，壓制經(jīng)濟(jì)性。由于本發(fā)明的系統(tǒng)謀求實(shí)現(xiàn)熱介質(zhì)在地層內(nèi)的循環(huán)，將甲烷水化物層下部的砂 層用作熱交換流道，因此，能夠使損壞密封層的危險(xiǎn)性降至最小。雖然在分解氣體的流動(dòng)中，各種條件均會(huì)產(chǎn)生影響，但是，降低生產(chǎn)流體的氣 水比或水砂比是與經(jīng)濟(jì)性的改善直接相聯(lián)系的。以此為目的，應(yīng)將生產(chǎn)氣體用的篩網(wǎng) 設(shè)置在甲烷水化物層的上部，將熱介質(zhì)的循環(huán)孔口設(shè)置在下部。為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本的改 善，氣體與水的分離不充分的中間層(乳狀液)的生產(chǎn)是不理想的。因此，甲烷氣體的入 口與熱介質(zhì)的循環(huán)孔口的位置在可能的范圍內(nèi)上下分離，從而能夠進(jìn)一步抑制減壓度。通過(guò)結(jié)合使用加熱和減壓實(shí)現(xiàn)的甲烷水化物分解率的改善，能夠增大生產(chǎn)井的 平均日產(chǎn)量以及提高回收率。另外，生產(chǎn)率的正?；统錾啊⒊鏊康臏p小使生產(chǎn)系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)規(guī)格的簡(jiǎn)化成為可能，并且，在壓縮設(shè)施建設(shè)費(fèi)上是極具效果的。本發(fā)明通過(guò)這 些協(xié)同效果，能夠期待大幅度地改善經(jīng)濟(jì)性。下面，將根據(jù)附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。圖1表示在本發(fā)明的甲烷水化物開(kāi)采中甲烷氣體生產(chǎn)系統(tǒng)的概念圖。在甲烷水 化物層的頂部500的下方，存在甲烷水化物層100、甲烷水化物不飽和層200、深部含水 層 300。圖1中右側(cè)的坑井10為豎直集成了生產(chǎn)井20和加熱井30的坑井。該坑井貫穿 存在于甲烷水化物層100下方的甲烷水化物不飽和層200，并從下方的深部含水層300抽 取熱介質(zhì)。通過(guò)豎直集成生產(chǎn)井20和加熱井30，能夠防止挖掘費(fèi)用的提高。該坑井10 在必要部分的地層間隙中形成水泥注入部11，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化。生產(chǎn)井20在上部設(shè)置氣體輸入篩網(wǎng)12，在中間設(shè)置填充物13。氣體輸入篩網(wǎng) 12設(shè)置在甲烷水化物層100的上部，并確保壓力差以收集甲烷水化物層100內(nèi)的分解氣 體，并使其在坑井10上升以在海上回收。填充物13隔離生產(chǎn)氣體和熱介質(zhì)的流道。加熱井30從深部含水層300汲取熱介質(zhì)，并將其連續(xù)供給至甲烷水化物層100 的分解界面105。因此，應(yīng)在加熱井30內(nèi)設(shè)置汲取用泵31等。甲烷水化物層內(nèi)的未分解區(qū)域(固相)101通過(guò)加熱，從坑井的周邊部101，103 順次分解，并形成甲烷氣體與水的分解相。此處，由于重力原因，水和砂慢慢分解減少 且甲烷氣體形成主體的生產(chǎn)流體通過(guò)設(shè)置在生產(chǎn)井上部的氣體輸入篩網(wǎng)，被導(dǎo)入氣體的 回收管線。雖然地層內(nèi)的熱介質(zhì)的流動(dòng)受到地層壓力、地層梯度、溫度、壓力差、重力、 浸透率等支配，但是，其如箭頭34所示，在甲烷水化物層下部的透水層104中流動(dòng)，并 直接加熱位于未分解區(qū)域(固相)101下方的甲烷水化物分解界面105。圖1中左側(cè)所示的坑井10在上部設(shè)置生產(chǎn)井20，在其下部設(shè)置回流井40。生 產(chǎn)井20的結(jié)構(gòu)和功能與上述相同。環(huán)流井40以從甲烷水化物層100的下端到達(dá)深部含 水層300的方式設(shè)置，在通過(guò)甲烷水化物層分解界面105附近的過(guò)程中，使結(jié)束熱交換的 熱介質(zhì)回流至深部含水層300。通過(guò)泵41的工作，例如，環(huán)流井40的下端附近的地層壓 上升大約3MPa左右。因此，在深部含水層300中產(chǎn)生壓力梯度，水以箭頭33所示的方向流動(dòng)。冷卻的熱介質(zhì)在經(jīng)深部含水層300的流動(dòng)中吸收足夠的地?zé)崮芰?，溫度再次?升至接近原來(lái)的地?zé)釡囟取Ｉ畈亢畬?00的流體壓力大致處于固有的地層壓力條件下。之后，通過(guò)壓力 差的發(fā)生，熱介質(zhì)一邊存儲(chǔ)熱能，一邊流入加熱井30的貯存槽35內(nèi)。通過(guò)上述泵31抽 取貯存在貯存槽35內(nèi)的熱介質(zhì)并從甲烷水化物層分解界面105附近的孔口 36排出。在甲烷水化物層下部的分解界面105附近排出的熱介質(zhì)流過(guò)具有高浸透率的砂 層104。該熱介質(zhì)以泵31的上升壓力作為主要的動(dòng)力源，以箭頭34所示的方向流動(dòng)。 泵31、41的升高壓力根據(jù)條件而不同，例如預(yù)計(jì)達(dá)到3MPa左右。在流經(jīng)甲烷水化物層100下部的砂層104的途中，在熱介質(zhì)與甲烷水化物層之間 進(jìn)行熱交換。通過(guò)環(huán)流井40的泵41吸取釋放出熱能的熱介質(zhì)。因此，能夠在泵32，41 之間確保6MPa左右的壓力差。將由泵32，41形成的壓力差作為主要?jiǎng)恿ΓL(zhǎng)期持續(xù)進(jìn) 行熱介質(zhì)在深部含水層300與甲烷水化物層100之間的循環(huán)。由于在本發(fā)明上述實(shí)施例的甲烷氣體回收系統(tǒng)中，是以使熱介質(zhì)在地下循環(huán)的 循環(huán)回路為基本方式的，因此，深部含水層300與甲烷水化物層100之間的壓力差不會(huì)擴(kuò)大。由于不進(jìn)行如熱水壓入式的加熱法那樣的強(qiáng)制溫水壓入，因此，能夠避免地層 水的積累。因此，減小了引起地層壓力上升的危險(xiǎn)性，從而降低了密封損壞的危險(xiǎn)性。 因此，在提高安全性的同時(shí)，可以減輕海底面的下沉和收縮對(duì)策的費(fèi)用。本發(fā)明的甲烷氣體回收系統(tǒng)在理論上可以結(jié)合使用減壓和加熱。因此，與以往 的單獨(dú)減壓法相比，由于可以減輕減壓度，因此，能夠減小出砂、出水的危險(xiǎn)性。通過(guò) 甲烷水化物的分解縮小甲烷水化物未分解區(qū)域101。但是，由減壓實(shí)現(xiàn)的分解界面的進(jìn)行 難以在未分解區(qū)域101的中央附近實(shí)現(xiàn)。分解面的分解先行進(jìn)行的部分構(gòu)成未分解區(qū)域 101的上方與下方的周圍的區(qū)域102，103附近。由于在上端部的區(qū)域102中，潛熱的供 給量較小，因此，分解速度緩慢。在以往的減壓法中，在促進(jìn)甲烷水化物分解中必需的潛熱供給能力在下部界面 105附近是不足的。在本發(fā)明的甲烷氣體回收系統(tǒng)中，以人工方式使深部的地?zé)釡厮谠?潛熱供給能力不足的下部界面105附近循環(huán)，并利用地層之間較高的溫度差，進(jìn)行直接 熱交換。圖1中右側(cè)的生產(chǎn)井20與左側(cè)的生產(chǎn)井20相比，通過(guò)略微減弱減壓度，可以降 低氣水比。另外，由于該坑井位于地?zé)嵫h(huán)水的上游側(cè)，因此，熱能的供給量更大。由 于減壓度與熱交換效果的大小相抵消，因此，說(shuō)明左右坑井的生產(chǎn)率是近似的。在本發(fā)明的甲烷氣體回收系統(tǒng)中，通過(guò)使熱介質(zhì)在地層內(nèi)循環(huán)，從而直接將地 熱能量供給至甲烷水化物的分解界面，其能否實(shí)現(xiàn)在一定程度上依賴于熱介質(zhì)的流量及 其流動(dòng)性。因此，在可能的范圍內(nèi)對(duì)能否確保在甲烷水化物分解中必需的熱介質(zhì)的循環(huán)量 進(jìn)行了研究。將地質(zhì)條件看作是均勻的，采用達(dá)西法則。采用了圓柱的集油(集水)能力的計(jì)算式采用以下公式。計(jì)算式Q= 2xPI () xkxhxlOOx Δ Ρ/1.03323/ μ /LN (re/rw)此處，PlO: π、k:絕對(duì)浸透率=300mdrcy、h 儲(chǔ)存器厚度=17.6m，ΔΡ 壓差=3MPa、μ 粘性=l.OOcp、re:儲(chǔ)存器半徑=180m、rw 坑井半徑=17.8cm。
結(jié)果，對(duì)泵的集水能力計(jì)算為大約1202m3/d。另一方面，為了確保特定的日產(chǎn)量，進(jìn)行必需的熱量以及流量計(jì)算。結(jié)果，在坑井的生產(chǎn)率為4萬(wàn)m3/d，分解界面附件的熱交換前與交換后的溫度 差為20°C，熱效率為100%，對(duì)加熱法的分解依賴度為20%時(shí)，計(jì)算出必需的熱介質(zhì)量 為大約254m3/day/Well。假設(shè)將整個(gè)系統(tǒng)的熱效率看作30%的情況下，則必需的熱介質(zhì) 量為大約 846m3/day/well。通過(guò)上述計(jì)算以及其它的計(jì)算結(jié)果，可以充分解釋循環(huán)保持生產(chǎn)率所必需的地 熱能。如果假設(shè)將坑井的生產(chǎn)率設(shè)在4萬(wàn)m3/day以下，則能夠進(jìn)一步減少必需的熱量， 余力增大。設(shè)置在加熱井上的泵只限于透水性良好的深部帶水層，從而不存在確保熱介質(zhì) 量的障礙。作為熱源，也易于采用多個(gè)深部砂層。另外，最新的井下泵具有使熱介質(zhì)在底層內(nèi)循環(huán)所必需的升高壓力和排出力， 任一種均說(shuō)明其存在100%左右的余力。圖2為表示利用深部地?zé)岬谋景l(fā)明的甲烷氣體回收系統(tǒng)的機(jī)械構(gòu)造與地層、流 體溫度條件的例子的示意圖表。由于在現(xiàn)階段尚不能夠進(jìn)行實(shí)踐證實(shí)，因此，該圖表是 基于基礎(chǔ)知識(shí)制作的。在縱軸上標(biāo)出了甲烷水化物層100、甲烷水化物不飽和層200、深部含水層300 的深度，以橫軸為溫度，其是地溫梯度線610以及本發(fā)明的甲烷氣體分解、回收系統(tǒng)的 熱循環(huán)線示意圖(601 608)。若水深為1,000m，則預(yù)計(jì)地溫梯度線610在從海底至深部帶水層300的區(qū)域。 因此，期望在深部含水層300附近，具有43°C的地溫。通過(guò)泵，從(點(diǎn)601)深部含水層 汲取熱介質(zhì)，并向甲烷水化物層下部的分解界面附近的砂層110輸送的過(guò)程是用線602表 示，在其終點(diǎn)603的熱介質(zhì)的溫度達(dá)到40°C。點(diǎn)603表示到達(dá)甲烷水化物的分解之前時(shí) 的熱介質(zhì)溫度，如線604所示，在通過(guò)分解界面附近時(shí)，溫度降低至20°C左右，并放出 熱介質(zhì)溫度差20°C (400C- 20°C )左右的熱能，達(dá)到終點(diǎn)605。通過(guò)設(shè)置在回流井中的 泵等，經(jīng)過(guò)線606的過(guò)程，使降溫至該20°C的熱介質(zhì)回流至深部含水層。溫度差20°C不 是絕對(duì)條件，在計(jì)算上，即使30%的熱效率仍能滿足分解所必需的熱量。隨后，該熱介質(zhì)如線608所示，在經(jīng)過(guò)深部含水層300的流動(dòng)中，吸收地?zé)?，?次恢復(fù)至地?zé)?3°C (點(diǎn)601)左右。地?zé)岣鶕?jù)場(chǎng)所而存在差異。在深部含水層300的厚 度較薄的情況下或者在希望增加熱能的情況下，最好利用稍微深一些的深部含水層。雖然在圖2中示意性地表示了熱介質(zhì)的一維流動(dòng)，但是，其實(shí)際上形成的是呈 放射狀等的2維流動(dòng)。因此，熱交換的時(shí)間變化略微復(fù)雜。曲線620定性顯示了在通過(guò)單純減壓法持續(xù)生產(chǎn)時(shí)的地溫變化。由于潛熱供給 速度緩慢，因此，伴隨分解，地層溫度低下。曲線630預(yù)測(cè)通過(guò)本發(fā)明的甲烷氣體回收 系統(tǒng)形成的生產(chǎn)中的地層流體溫度，如果伴隨分解，在甲烷水化物層中吸收潛熱以上的 地?zé)崮芰?，則會(huì)使地溫略微上升。通過(guò)泵送流量可以控制左右生產(chǎn)率的分解界面附近的 流體溫度。圖3為顯示在南海洋面預(yù)計(jì)的深度和地層溫度的關(guān)系的圖表。雖然調(diào)查尚不充分，這些數(shù)值因場(chǎng)所而存在些差異，但是，推測(cè)在廣闊領(lǐng)域的地溫梯度為;TC 4 0C /100m。推測(cè)深度和壓力的關(guān)系大致呈線性的關(guān)系，并顯示了直至深度1,3500m附近均 處于正常壓力的地層條件下。雖然在南海洋面確實(shí)因位置而存在差異，但在水深1,000m附近，存在直達(dá) 1,100m的泥層，在其下存在含有甲烷水化物的砂泥相互疊置地層，預(yù)計(jì)甲烷水化物富集 層的下端在1,350m附近，推測(cè)甲烷水化物富集側(cè)下端的地層溫度達(dá)到14°C左右。另外，根據(jù)甲烷水化物平衡曲線，推測(cè)甲烷水化物富集層下端的分解界面溫度 為16°C左右。因此，推定在甲烷水化物富集層下端的地層溫度與界面溫度之差為大約 2°C左右。因此，能夠說(shuō)明如果無(wú)需采用燃料就能供給40°C左右的溫水，并在分解界 面附近能夠有效地進(jìn)行熱交換，則極為廉價(jià)的結(jié)合法成立。根據(jù)圖3說(shuō)明在水深1,000m時(shí)，從海底下1,000m以下深度的含水層比較容易確 保40°C以上的溫水。(在海底溫度4°C，地溫梯度4°C/IOOm時(shí)，海底下1,000m的含水 層的溫度在計(jì)算上為大約44°C。)雖然如果繼續(xù)溫水的強(qiáng)制壓入，則地層壓力升高，但是，由于通過(guò)以本發(fā)明的 地層內(nèi)循環(huán)方式為基礎(chǔ)的生產(chǎn)手段不必強(qiáng)制壓入高壓力的流體，因此，能夠消除壓力在 甲烷水化物層的儲(chǔ)存。如果含水層的浸透率是充分的，則期望通過(guò)單相式井下泵能夠?qū)?現(xiàn)緩慢的溫水循環(huán)。圖4是從圖1所示的加熱井30的頂部、通過(guò)甲烷水化物層分解界面附近到達(dá)環(huán) 流井20下部的熱介質(zhì)移動(dòng)路徑的平面示意圖。在圖4中，以平面方式均等地布置這些 坑井，并以正方形簡(jiǎn)便地表示回收甲烷氣體的甲烷水化物層的平面面積。熱介質(zhì)的平面 上的流動(dòng)方向是受坑井位置、溫度梯度、各向異性、地層傾斜、地層的物理性的壓力梯 度、重力、滲透率等因素左右，但是，可以使地?zé)崮軅鬟f至甲烷水化物分解界面附近的 砂層。應(yīng)考慮無(wú)論以哪一種方式布置這些坑井，如箭頭所示，熱介質(zhì)是沿地層面以大 致放射狀流動(dòng)。圖5為表示在單純減壓法中，預(yù)計(jì)的甲烷水化物層的深度、壓力、溫度與相平 衡曲線的關(guān)系的圖表?？v軸以對(duì)數(shù)刻度表示了深度，在橫軸上繪制溫度，從而描繪了甲 烷水化物的相平衡曲線702。曲線702的左下側(cè)采用了斜線的區(qū)域?yàn)榧淄樗锏墓滔鄥^(qū)域。曲線702右上 側(cè)的區(qū)域?yàn)榧淄闅怏w區(qū)域，低于o°c的低溫側(cè)的區(qū)域?yàn)榧淄闅怏w和水以及冰的混合區(qū)域， 高于0°c的高溫側(cè)的區(qū)域?yàn)榧淄闅怏w與水的混合區(qū)域。另外，在縱軸上，除了深度以外， 還增加了壓力刻度。例如，深度1,000m的甲烷水化物層的溫度為14°C左右，若減壓至3MPa左右， 則形成點(diǎn)710的狀態(tài)，從而能夠以氣體回收。但是，由于潛熱的供給速度較慢，因此， 在不能保持良好生產(chǎn)率的情況下，伴隨溫度下降，達(dá)到點(diǎn)711。因此，妨礙了氣化，從而 生產(chǎn)率顯著降低。在單純減壓法中，雖然初期的生產(chǎn)率良好，但是，伴隨時(shí)間的流逝，潛熱供給 量會(huì)降低。雖然在生產(chǎn)開(kāi)始初期，從甲烷水化物上部以及與甲烷水化物層形成相互疊置 地層的泥層也能夠供給潛熱，但是，由于在它們中不存在再生產(chǎn)的可能，因此，在繼續(xù)生產(chǎn)時(shí)，潛熱不足會(huì)非常明顯。雖然在生產(chǎn)結(jié)束之前均能保持從甲烷水化物層下部的潛熱供給，但是，由于傳 遞速度較慢，因此，地層溫度降低，分解界面的溫度壓力條件接近相平衡曲線的分界 線。因此，不可避免生產(chǎn)率急劇降低。所以，生產(chǎn)特性的形狀惡化，成為設(shè)施利用效率 低下以及建設(shè)費(fèi)上升的原因。圖6表示基于采用本發(fā)明的甲烷氣體回收系統(tǒng)時(shí)的相平衡曲線的圖表，并以與 圖5相同的方式設(shè)定了刻度。在本發(fā)明中，通過(guò)利用泵獲得深部的地?zé)崮芰坎⒅苯庸┙o 至甲烷水化物的分解界面，從而能夠在達(dá)到7MPa左右的減壓下保持生產(chǎn)。由于能夠連 續(xù)供給充分的潛熱，因此不會(huì)引起溫度低下，從而能夠預(yù)防急劇的生產(chǎn)濾降低。穩(wěn)定的生產(chǎn)水平的保持是通過(guò)調(diào)節(jié)地?zé)崮芰康墓┙o速度進(jìn)行的，通過(guò)緩和減壓 度能夠抑制最大生產(chǎn)量。即，通過(guò)確保2系統(tǒng)的生產(chǎn)率調(diào)節(jié)手段，能夠確保生產(chǎn)率的正 ?；?。因此，在可以顯著降低生產(chǎn)設(shè)施的設(shè)計(jì)的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)出產(chǎn)、出水量的削減。圖7為比較了通過(guò)坑底壓一定的減壓法預(yù)計(jì)的日產(chǎn)量的歷年變化801，與通過(guò)利 用深部地?zé)岬谋旧a(chǎn)系統(tǒng)期望的日產(chǎn)量的歷年變化811的圖表。縱向軸表示坑井的日產(chǎn) 量，橫軸表示生產(chǎn)年數(shù)。雖然在坑底壓一定的減壓法中，如線801所示，在生產(chǎn)初期日 產(chǎn)量急劇增加，但是，即使在坑底壓一定的情況下繼續(xù)進(jìn)行強(qiáng)減壓，仍會(huì)急速減少日產(chǎn) 量。在本發(fā)明的系統(tǒng)中，通過(guò)抑制強(qiáng)減壓，能夠?qū)⑸a(chǎn)峰值的水平抑制至較低，另 外，通過(guò)一邊控制熱量一邊連續(xù)供給熱量，能夠保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的高原狀(穩(wěn)定水平)生產(chǎn)。S卩，通過(guò)控制減壓度的抑制和地?zé)崮芰康墓┙o量，能夠如線811那樣校正通過(guò) 減壓法實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)特性曲線。在該例子中，依賴減壓法的生產(chǎn)特性曲線的裝置的設(shè)計(jì)規(guī)格線802通過(guò)采用本 系統(tǒng)，如線812那樣變化。結(jié)果，一方面，削減了水下系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)格，另一方面，增 加了平均生產(chǎn)率。在通過(guò)輸入生產(chǎn)特性曲線801，811的經(jīng)濟(jì)性模型實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)計(jì)算結(jié)果 中，回收率明顯提高。其意味著一方面能夠大幅度降低生產(chǎn)設(shè)施的建設(shè)費(fèi)，另一方面，能夠增加氣體 銷售收入，從而能夠期待顯著的經(jīng)濟(jì)效果。圖8為表示了在減壓法下預(yù)期的甲烷水化物層的層厚與生產(chǎn)率的關(guān)系以及生產(chǎn) 率的改善余地的圖表。縱軸為甲烷水化物的層厚，橫軸表示坑井的生產(chǎn)率。曲線832顯 示了減壓法的生產(chǎn)率預(yù)測(cè)值。若在減壓法中，超過(guò)開(kāi)始潛熱供給不足的厚度，即使增大 層厚，仍無(wú)益于生產(chǎn)率，而僅僅會(huì)擴(kuò)大未分解的區(qū)域比例。即，即使有著較厚的甲烷水 化物，仍不能將該有利點(diǎn)充分用于生產(chǎn)率的改善。另一方面，由于若采用了利用深部地?zé)岬谋景l(fā)明的甲烷氣體回收系統(tǒng)，則能夠 促進(jìn)潛熱的供給，因此，能夠防止未分解區(qū)域的擴(kuò)大。如果甲烷水化物層的厚度較厚， 則能夠?qū)⒃撚欣c(diǎn)直接作用于生產(chǎn)率的提高。線833表示供給地?zé)崮艿谋鞠到y(tǒng)所期望的 上限值。在線833與線832之間夾持的區(qū)域表示根據(jù)潛熱的供給量變化的期望區(qū)域，在 現(xiàn)階段尚不能進(jìn)行定量研究。另外，線831表示在海洋中的平均常規(guī)氣體生產(chǎn)率的生產(chǎn)率。
在常規(guī)氣體開(kāi)采中，一般情況下，層厚越厚，就越能提高生產(chǎn)率，結(jié)果，其經(jīng) 濟(jì)性也良好。本生產(chǎn)系統(tǒng)基本上是以促進(jìn)甲烷水化物的分解速度為目的而研發(fā)的，同 時(shí)，能夠以與常規(guī)氣體開(kāi)采同樣的方式獲得資源層的層厚的益處。
權(quán)利要求
1.一種促進(jìn)甲烷水化物分解以及提取甲烷氣體的系統(tǒng)，其特征在于，由以下(a) (d)構(gòu)成(a)從深部含水層汲取熱介質(zhì)的加熱井；(b)提取甲烷氣體的生產(chǎn)井；(c)使結(jié)束熱交換的熱介質(zhì)回流至深部含水層的回流井；(d)將熱介質(zhì)供給至甲烷水化物的分解界面的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的促進(jìn)甲烷水化物分解以及提取甲烷氣體的系統(tǒng)，其特征在 于，在上述生產(chǎn)井加設(shè)使甲烷水化物層的壓力減壓的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的促進(jìn)甲烷水化物分解以及提取甲烷氣體的系統(tǒng)，其特征在 于，上述加熱井為使上述生產(chǎn)井的下端延伸設(shè)置至深部含水層的坑井，其是從深部含水 層汲取地?zé)崮芰考礋峤橘|(zhì)的坑井。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的促進(jìn)甲烷水化物分解以及提取甲烷氣體的系統(tǒng)，其特征在 于，上述回流井為使上述生產(chǎn)井的下端延伸設(shè)置至深部含水層的坑井，其是使結(jié)束熱交 換的熱介質(zhì)回流至深部含水層的坑井。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種提取技術(shù)，該技術(shù)在從甲烷水化物層開(kāi)采甲烷氣體時(shí)，不依賴消耗燃料作為熱源，以提供能改善經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)難點(diǎn)的提取技術(shù)為目的，通過(guò)泵(31)，從海底(500)下方1000～1500m的地下含水層(300)抽取溫水并使地?zé)崮芰吭诩淄樗飳?100)下的透水層(104)中流動(dòng)，從而使甲烷水化物層(100)的未分解區(qū)域(101)的分解界面(105)分解以產(chǎn)生甲烷氣體，并從周圍區(qū)域(102)，(103)、通過(guò)氣體輸入篩網(wǎng)(12)將其導(dǎo)入生產(chǎn)井(20)后使其上升，從而從海上回收甲烷氣體。
文檔編號(hào)E21C50/00GK102027193SQ20088010067
公開(kāi)日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2008年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月27日
發(fā)明者中村雅洋, 后藤三郎, 石田浩三, 野沢壯禎 申請(qǐng)人:日本海洋掘削株式會(huì)社, 獨(dú)立行政法人石油天然氣·金屬礦物資源機(jī)構(gòu)