廢氣回注處理一體化的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石油與天然氣開(kāi)采技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種地?zé)衢_(kāi)采天然氣水合物與CO2廢氣回注處理一體化的裝置，本發(fā)明還涉及一種地?zé)衢_(kāi)采天然氣水合物與0)2廢氣回注處理一體化的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣水合物(natural gas hydrate, NGH)，又稱“可燃冰”，是一種高密度、高熱值的非常規(guī)能源，主要分布于水深大于300米的海洋及陸地永久凍土帶沉積物處，其中海洋天然氣水合物通常埋藏于水深大于300米的海底一下O?1100米處，其資源量是陸地凍土帶的100倍以上。因此，天然氣水合物被譽(yù)為“21世紀(jì)最有潛力的結(jié)題能源”，同時(shí)也是目前尚未大規(guī)模有效開(kāi)發(fā)的儲(chǔ)量最大的一種新型能源。
[0003]在海洋中，天然氣在海底水溶氣藏高溫高壓條件下由烴源巖分解產(chǎn)生，在向上運(yùn)移的過(guò)程中遇到海底高壓低溫條件而形成天然氣水合物，致密的水合物層充當(dāng)了儲(chǔ)層的蓋層，阻擋下部天然氣繼續(xù)向上運(yùn)移。水合物的這種存在形式現(xiàn)已證實(shí)為天然氣資源海洋存在的基本形式，且廣泛分布于海底，其中蘊(yùn)含的天然氣資源量非常豐富。因此，經(jīng)濟(jì)有效地開(kāi)發(fā)該類天然氣資源對(duì)于緩解全球能源危機(jī)、控制環(huán)境污染具有十分重要的意義。
[0004]80年代國(guó)際天然氣潛力委員會(huì)(PGC)統(tǒng)計(jì)顯示，世界各大洋中，天然氣水合物的總量高達(dá)2X 1016m3甲烷當(dāng)量，其碳含量更為迄今為止世界上所有已知的石油、天然氣以及煤炭礦產(chǎn)的2倍，約占化石燃料(煤、石油、天然氣)的53%。若將所有的天然氣水合物按照碳含量相等轉(zhuǎn)換為甲烷氣體，這個(gè)儲(chǔ)量相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，將約40m厚的甲烷氣體覆蓋在地球表面。20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著深海鉆探計(jì)劃(DSDP)和后來(lái)的大洋鉆探計(jì)劃(ODP)的相繼實(shí)施，世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家都將NGH列入國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略，紛紛投入巨資開(kāi)展NGH的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。中國(guó)從1999年開(kāi)始對(duì)NGH開(kāi)展實(shí)質(zhì)性的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)大量NGH存在的生物和地質(zhì)標(biāo)志，成為繼美國(guó)、日本、印度之后第4個(gè)通過(guò)國(guó)家級(jí)研發(fā)計(jì)劃采到水合物實(shí)物樣品的國(guó)家。國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)將“天然氣水合物開(kāi)發(fā)技術(shù)”列為重點(diǎn)研究發(fā)展的前沿技術(shù)，這表明NGH資源開(kāi)采技術(shù)的研究對(duì)于確保我國(guó)后續(xù)能源安全以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。
[0005]天然氣水合物一種由天然氣和水組成的亞穩(wěn)態(tài)礦物，存在于特定的溫壓條件下。一旦賦存條件發(fā)生變化，天然氣水合物的相平衡就會(huì)被破壞，從而引起天然氣水合物分解?？偨Y(jié)世界各國(guó)在天然氣水合物開(kāi)采領(lǐng)域的研究結(jié)果，可將現(xiàn)有開(kāi)采方法分為傳統(tǒng)開(kāi)采方法和新型開(kāi)采方法兩類。
[0006]傳統(tǒng)的天然氣水合物開(kāi)采技術(shù)根據(jù)天然氣水合物自身性質(zhì)設(shè)計(jì)，主要包括熱激開(kāi)采法、減壓開(kāi)采法與化學(xué)試劑注入開(kāi)采法。
[0007]熱激開(kāi)采法:直接對(duì)天然氣水合物層進(jìn)行加熱，是天然氣水合物層的溫度超過(guò)其平衡溫度，從而促使天然氣水合物分解為水與天然氣的開(kāi)采方法。熱激發(fā)開(kāi)采法可實(shí)現(xiàn)循環(huán)注熱，且作用方式較快。加熱方式的不斷改進(jìn)，促進(jìn)了熱激發(fā)開(kāi)采法的發(fā)展。但這種方法至今尚未很好地解決熱利用效率較低的問(wèn)題，而且只能進(jìn)行局部加熱，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)成本高，使用這種方法進(jìn)行大規(guī)?？扇急_(kāi)采存在困難；因此該方法尚有待進(jìn)一步完善。
[0008]減壓開(kāi)采法:減壓開(kāi)采法是一種通過(guò)降低壓力促使天然氣水合物分解的開(kāi)采方法。減壓開(kāi)采法不需要連續(xù)激發(fā)，成本較低，適合大面積開(kāi)采，但使用存在局限性，只有當(dāng)天然氣水合物藏位于溫壓平衡邊界附近時(shí)，減壓開(kāi)采法才具有經(jīng)濟(jì)可行性。
[0009]化學(xué)試劑注入開(kāi)采法:化學(xué)試劑注入開(kāi)采法通過(guò)向天然氣水合物層中注入某些化學(xué)試劑，如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等，破壞天然氣水合物藏的相平衡條件，促使天然氣水合物分解。這種方法所需的化學(xué)試劑費(fèi)用昂貴，對(duì)天然氣水合物層的作用緩慢，而且還會(huì)帶來(lái)一些環(huán)境問(wèn)題，所以目前對(duì)這種方法投入的研究相對(duì)較少。
[0010]隨著天然氣水合物開(kāi)采研究的深入，近年來(lái)涌現(xiàn)出一些新的天然氣水合物的開(kāi)采思路。新型開(kāi)采方法主要包括CO2置換開(kāi)采法及固體開(kāi)采法。
[0011]CO2置換開(kāi)采法:方法依據(jù)天然氣水合物穩(wěn)定帶的壓力條件。在一定的溫度條件下，天然氣水合物保持穩(wěn)定需要的壓力比CO2水合物更高。因此在某一特定的壓力范圍內(nèi)，天然氣水合物會(huì)分解，而CO2水合物則易于形成并保持穩(wěn)定。如果此時(shí)向天然氣水合物藏內(nèi)注CO2氣體，CO 2氣體就可能與天然氣水合物分解出的水生成CO 2水合物。這種作用釋放出的熱量可使天然氣水合物的分解反應(yīng)得以持續(xù)地進(jìn)行下去。
[0012]固體開(kāi)采法:直接采集海底固態(tài)天然氣水合物，將天然氣水合物拖至淺水區(qū)進(jìn)行控制性分解。這種方法進(jìn)而演化為混合開(kāi)采法或稱礦泥漿開(kāi)采法，首先促使天然氣水合物在原地分解為氣液混合相，采集混有氣、液、固體水合物的混合泥漿，然后將這種混合泥漿導(dǎo)入海面作業(yè)船或生產(chǎn)平臺(tái)進(jìn)行處理，促使天然氣水合物徹底分解，從而獲取天然氣。
[0013]經(jīng)驗(yàn)表明，單單采用某一種方法來(lái)開(kāi)采天然氣水合物是不經(jīng)濟(jì)的，只有結(jié)合不同方法的有點(diǎn)才能達(dá)到對(duì)水合物的有效開(kāi)采。
[0014]近年來(lái)，隨著0)2排放量逐年升高，全球溫室效應(yīng)不斷加劇。近100年，全球氣溫升高0.6°C，照這樣下去，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉，全球氣溫將升高1.5?4.5°C。截至2013年5月，地球大氣層中的二氧化碳濃度已超過(guò)400ppm(百萬(wàn)分之400)。2000至2009年間的濃度增長(zhǎng)率為每年2.0ppm，且逐年加速。濃度比工業(yè)化之前的280ppm濃度高得多，釋放出的二氧化碳中，57%進(jìn)入大氣層，其余的則進(jìn)入海洋，造成海洋酸化。而人為因素是導(dǎo)致二氧化碳濃度急劇上升的主要原因。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的是提供一種地?zé)衢_(kāi)采天然氣水合物與CO2廢氣回注處理一體化的裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的天然氣水合物開(kāi)發(fā)難度大、成本大的問(wèn)題。
[0016]本發(fā)明的另一目的是提供一種地?zé)衢_(kāi)采天然氣水合物與CO2廢氣回注處理一體化的方法。
[0017]本發(fā)明所采用的第一技術(shù)方案是，一種地?zé)衢_(kāi)采天然氣水合物與CO2廢氣回注處理一體化的裝置，包括生產(chǎn)井和注入井，生產(chǎn)井和注入井的依次穿過(guò)海平面上和天然氣水合物層，其底部均設(shè)置于地?zé)釋觾?nèi)，生產(chǎn)井的頂部依次連接有氣水分離器、集氣罐、工廠車間、第二高壓栗組和注入井；氣水分離器依次連接有第一高壓栗組和注入井；生產(chǎn)井的頂部連接有地面控制臺(tái)。
[0018]在上述技術(shù)方案中，注入井內(nèi)設(shè)置有第一油管，第一油管的底部開(kāi)設(shè)有出口，所述注入井內(nèi)壁與第一油管之間形成第一油套環(huán)空，第一油套環(huán)空內(nèi)設(shè)置有封隔器，封隔器設(shè)置于天然氣水合物層與地?zé)釋又g。
[0019]第一高壓栗組通過(guò)液體輸送管線與第一油管相連接。
[0020]生產(chǎn)井內(nèi)設(shè)置有第二油管，第二油管自上而下依次設(shè)置有井下控制設(shè)備、壓力/溫度傳感器和高壓層間節(jié)流控制閥；生產(chǎn)井內(nèi)壁和第二油管之間形成第二油套環(huán)空，第二油套環(huán)空內(nèi)設(shè)置有過(guò)電纜封隔器和過(guò)電纜封隔器，過(guò)電纜封隔器設(shè)置于天然氣水合物層處，過(guò)電纜封隔器設(shè)置于天然氣水合物層與地?zé)釋又g；地面控制臺(tái)通過(guò)電纜與井下控制設(shè)備相連接。
[0021]本發(fā)明所采用的第二技術(shù)方案是，一種地?zé)衢_(kāi)采天然氣水合物與CO2廢氣回注處理一體化的方法，采用上述的地?zé)衢_(kāi)采天然氣水合物與CO2廢氣回注處理一體化的裝置，包括以下步驟:
[0022]步驟1、做生產(chǎn)前準(zhǔn)備，并在相應(yīng)的層段設(shè)置射孔，下入油管及封隔器；
[0023]步驟2、安裝地?zé)衢_(kāi)采天然氣水合物與CO2廢氣回注處理一體化的裝置；
[0024]步驟3、生產(chǎn)井實(shí)現(xiàn)自注流水及天然氣水合物的開(kāi)采；
[0025]步驟4、注入井實(shí)現(xiàn)C02及低溫水回注。
[0026]其中，所述步驟I中做生產(chǎn)前準(zhǔn)備，并在相應(yīng)的層段設(shè)置射孔，下入油管及封隔器具體為:在天然氣水合物層和地?zé)釋釉O(shè)置射孔，設(shè)置生產(chǎn)井，將第一油管和第二油管放入射孔中，將過(guò)電纜封隔器設(shè)置于天然氣水合物層處，將過(guò)電纜封隔器和封隔器設(shè)置于天然氣水合物層和地?zé)釋又g，將第一油管和第二油管并座封相應(yīng)位置:過(guò)電纜封隔器位于天然氣水合物中部，過(guò)電纜封隔器位于天然氣水合物層與地?zé)釋又g，另有壓力/溫度傳感器、高壓層間節(jié)流控制閥及注水口隨生產(chǎn)井的第二油管一同下入井內(nèi)；注入井為射孔完井，射孔層位為上部的天然氣水合物層與下部的地?zé)釋?，下入第一油管并座封相?yīng)位置，封隔器位于天然氣水合物層與地?zé)釋又g。
[0027]步驟2中安裝設(shè)備及管線，完成一個(gè)完整的天然氣水合物開(kāi)采及CO2處理系統(tǒng)具體為:將生產(chǎn)井的頂部依次連接氣水分離器、集氣罐、工廠車間、第二高壓栗組和注入井；氣水分離器依次連接第一高壓栗組和注入井；生產(chǎn)井的頂部連接地面控制臺(tái)。
[0028]步驟3中生產(chǎn)井實(shí)現(xiàn)自注流水及天然氣水合物的開(kāi)采具體為:開(kāi)啟地面控制臺(tái)，控制地?zé)釋拥臒崴魅胩烊粴馑衔飳拥乃俣?；開(kāi)啟氣水分離器與第一高壓栗組，開(kāi)啟第一截止閥；熱水經(jīng)高壓層間控制閥流入第二油管，由注水口流出并注入天然氣水合物層；從生產(chǎn)井的第二油套環(huán)空采出天然氣水合物層中的氣水混合物，氣水混合物經(jīng)過(guò)氣液混合物輸送管線輸入氣水分離器完成氣水分離；分離