凍土區天然氣水合物開採方法及裝置的製作方法

2023-05-03 03:06:51

專利名稱：凍土區天然氣水合物開採方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於能源技術領域，涉及天然氣水合物開採技術，特別涉及一種凍土區天然氣水合物開採方法及裝置。
背景技術：
天然氣水合物(Natural Gas Hydrate，簡稱NGH)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計量型、類冰狀、籠型結晶化合物。NGH具有主-客體材料特徵，水分子(主體)通過氫鍵結合形成空間點陣結構，氣體分子(客體)通過與水分子之間的範德華力填充於水分子點陣間的空穴中。自然界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，據估計，地球上以天然氣水合物形式儲藏的有機碳佔全球總有機碳的53%，是煤、石油、天然氣三種化石燃料總碳量的2倍。因此，NGH被認為是21世紀的理想清潔替代能源。天然氣水合物以固體形式賦存於海底沉積層或凍土中，在開採過程中發生相轉化，與石油、天然氣的開採相比，能源消耗大，技術難度高。NGH開採的關鍵和難點在於如何採取經濟、高效、安全、環境友好的措施促進NGH分解，降低開採成本，同時保持井底穩定， 防止引起滑坡、塌陷等地質災害，防止甲烷噴發和洩漏對全球碳循環及氣候造成影響。目前提出的NGH開採路線分為固態開採和地下分解開採兩種固態開採效率高，但技術難度大， 適用於海底淺埋藏、高飽和度的NGH藏開採；地下分解開採研究最多，可歸納為熱激發法、 降壓法和注入化學試劑法三類。常規熱激發法是將蒸汽、熱水、熱鹽水等載熱體注入天然氣水合物儲層，使儲層溫度達到NGH分解溫度以上分解開採NGH，熱激發法開採速率快，但能量利用率低。降壓法能源利用效率高，但開採速率慢，往往與其它方法結合使用。化學法的缺陷是藥劑用量大，成本高，易造成環境汙染問題，NGH儲層溫度不斷降低，導致開採速率降低。為提高熱激發法能量利用效率低的難點，國內外學者提出採用微波電磁加熱、化學氧碘雷射加熱、太陽能加熱、地熱加熱、利用水合物技術在海底原位製備熱鹽水加熱等多種改進的熱激發方法。上述各種NGH開採技術各有優缺點和應用領域，目前還沒有一種國際公認的技術、經濟、安全、環境均可行的大規模NGH開採方法。凍土區NGH藏的壓力和溫度都較低，自由水量少，適於抽水降壓開採，但單純降壓法提供的分解推動力小，且NGH分解吸熱導致NGH藏溫度降低，NGH由於「自保護效應」分解速率極其緩慢，一旦溫度降低到0°C以下，還會造成「冰堵塞」和「二次水合物」形成，造成 NGH藏滲透率顯著下降；另外，如果開採位於多年凍土底板以上的NGH，降壓法開採使NGH全部轉化為冰，導致開採根本無法進行；因而，凍土區NGH商業化大規模開採，單獨的降壓法難以奏效，需要採用熱激發與降壓法聯合的方法進行開採。常規的注熱水+降壓開採方法雖然可加快開採速率，但熱水從地表經凍土層輸送至NGH層，會產生熱損失；熱水注入會在 NGH層產生水壓，導致NGH分解溫度升高，熱損失也會相應增大；同時由於熱水注入，開採過程產水量增大，整個熱水製備、注入、採出過程泵功耗及設備投資大大增加，更重要的是這種方法降壓、注熱水只能輪流進行，不能同步連續進行。

發明內容
針對上述現有技術中存在的問題，本發明的目的在於提供一種凍土區天然氣水合物開採方法及一種凍土區天然氣水合物開採裝置，其開採方式經濟、高效、安全，且操作方便、能耗低、開採成本低廉，易於實現自動化操作和遠程控制。為達到上述目的，本發明採用以下技術方案—種凍土區天然氣水合物開採方法，包括步驟向水平井中注入含氧氣體，點燃水平井中NGH或NGH分解氣燃燒；採用深井泵將垂直井及水平井中NGH分解產生的液態水抽出至地面；收集分解水及分解氣。一種凍土區天然氣水合物開採裝置，包括抽水降壓系統、井下原位燃燒加熱系統、氣體收集系統及控制系統，所述抽水降壓系統包括輸水管，安裝在垂直井的井底的深井泵，通過所述輸水管與所述深井泵連接的氣液分離器；所述井下原位燃燒加熱系統包括 安裝在水平井中、通過電力開關與地面電源連接的電子點火裝置，與外界供氣系統相連、從地面經垂直井鋪設至水平井中所述電子點火裝置處的含氧氣體輸送管；所述氣體收集系統包括設置在垂直井的井口的氣體採集管；所述控制系統包括壓力傳感器、所述電力開關、 以及設置在所述含氧氣體輸送管上的調節閥，所述控制系統根據壓力傳感器測量的垂直井壓力控制含氧氣體輸送管上的調節閥的開度、電力開關的通斷。根據上述本發明的方案，其是通過向水平井中注入含氧氣體，點燃井中NGH或NGH 分解氣燃燒加熱NGH層，供給NGH分解開採所需的熱量，使水合物藏溫度保持在NGH分解溫度以上，保持NGH分解過程持續穩定進行，並將垂直井及水平井中NGH分解產生的液態水抽出至地面，使NGH藏中水位降低至水平井平面以下，同時使NGH藏壓力降低，達到減壓促進 NGH分解的目的，這種開採方式，能源效率高、開採速率快，可實現降壓與井下原位燃燒加熱兩者協同同步連續開採，開採方式經濟、高效、安全，且操作方便、能耗低、開採成本低廉，易於實現自動化操作和遠程控制。


圖1是本發明的凍土區天然氣水合物開採裝置實施例的結構示意圖；附圖標記說明1、水合物底部，2、NGH層，3、水平井，4、電子點火裝置，5、凍土層， 6、採出水，7、採出氣，8、氣液分離器，9、氣體採出管，10、電力開關，11、電纜，12、調節閥，13、 含氧氣體輸送管，14、信號線，15、壓力傳感器，16、分解氣體，17、垂直井，18、輸水管，19、分解水，20、深井泵。
具體實施例方式以下以其中的較佳實施例對本發明方案進行詳細闡述。本發明方案的凍土區天然氣水合物開採方法，包括步驟向水平井中注入含氧氣體，點燃水平井中NGH或NGH分解氣燃燒；採用深井泵將垂直井及水平井中NGH分解產生的液態水抽出至地面；收集分解水及分解氣。
在一個具體的實施方式中，上述本發明的凍土區天然氣水合物開採方法的實現方式可以是(1)鑽垂直井和水平井，可以是採用現有的鑽井技術在凍土區水合物藏鑽垂直井和水平井，；(2)安裝抽水降壓和井下原位燃燒加熱裝置在垂直井安裝抽水管和深井泵，在水平井安裝含氧氣體輸送管、電纜和電子點火裝置，可以是採用現有工程技術進行安裝；(3)抽水降壓分解NGH 採用深井泵將垂直井及水平井中NGH分解產生的液態水抽出至地面，使NGH藏中水位降低至水平井平面以下，同時使NGH藏壓力降低，達到減壓促進 NGH分解的目的；(4)井下原位燃燒加熱分解NGH:向井中注入一定量的含氧氣體，這種含氧氣體可以是氧氣或空氣或者工業含氧廢氣，並啟動電子點火裝置，點燃井中NGH或NGH分解氣燃燒加熱NGH層，供給NGH分解開採所需的熱量，使水合物藏溫度保持在NGH分解溫度以上，保持NGH分解過程持續穩定進行；(5)分解水及分解氣收集NGH分解水採用深井泵抽至地面後，經氣液分離器分離後回注或綜合利用，NGH分解氣從垂直井頂部收集。上述本發明方法中，步驟(3)、⑷和(5)在正常開採條件下同時進行。其中，上述開鑽的水平井與垂直井，可以是垂直井與水平井相通，且垂直井底部低於水平井，以便於NGH分解水通過水平井流入垂直井底部順利抽走。另外，上述垂直井和水平井，可採用單垂直井單水平井的布置方式，也可以是採用單垂直井多水平井的布置方式， 也可採用多垂直井多水平井的布置方式。此外，上述本發明方案，還可以對井下原位燃燒加熱速率進行控制和調節，具體的控制調節方式可以是監測井下壓力，根據監測的井下壓力調節所述含氧氣體的注入速率和注入量來控制燃燒加熱速率和強度。具體可以是當開採井中的壓力超過預定上限閾值時，斷開電子點火裝置的電力開關，並調小調節閥的開度，減小氧氣輸入流量，降低加熱速率；當開採井中的壓力低於預定下限閾值時，開啟電子點火裝置的電力開關，並增大調節閥的開度，提高氧氣輸入流量，加快加熱速率。本發明方案中，井下原位燃燒加熱，生成的(X)2在高於NGH分解溫度、低於(X)2水合物生成溫度條件下，在水合物藏中生成CO2水合物，並釋放出水合物生成熱置換開採NGH，提高NGH開採過程的能源效率，同時就地封存CO2, —方面可減少溫室氣體CO2的排放，降低開採成本，另一方面也有利於保持井底地質穩定。上述本發明方法，可實現降壓與加熱協同同步連續開採凍土區NGH。既可避免常規的注熱水+降壓開採方法中熱水從地表經凍土層輸送至NGH層的熱損失，也可避免常規熱水注入在NGH層產生水壓，導致NGH分解溫度升高，熱損失增大，開採過程產水量增大，整個熱水製備、注入、採出過程泵功耗及設備投資增加，降壓、注熱水只能輪流進行，不能同步連續進行等缺陷。本發明提供的凍土區天然氣水合物開採裝置包括有抽水降壓系統、井下原位燃燒加熱系統、氣體收集系統及控制系統，其中，抽水降壓系統包括輸水管，安裝在垂直井的井底的深井泵，通過上述輸水管與深井泵連接的氣液分離器；井下原位燃燒加熱系統包括 安裝在水平井中、通過電力開關與地面電源連接的電子點火裝置，與外界供氣系統相連、從地面經垂直井鋪設至水平井中電子點火裝置處的含氧氣體輸送管；氣體收集系統包括設置在垂直井的井口的氣體採集管；控制系統包括壓力傳感器、上述電力開關、以及設置在含氧氣體輸送管上的調節閥，控制系統根據壓力傳感器測量的垂直井壓力控制含氧氣體輸送管上的調節閥的開度、電力開關的通斷。其中，上述氣體收集系統還包括有與上述氣體採集管連接的氣體儲罐，以直接對採集到的氣體進行儲存。上述含氧氣體輸送管可以是氧氣或者空氣或者工業含氧廢氣輸送管。水平井與垂直井的開鑽方式，可以是垂直井與水平井相通，且垂直井底部低於水平井，以便於NGH分解水通過水平井流入垂直井底部順利抽走。另外，上述垂直井和水平井，可採用單垂直井單水平井的布置方式，也可以是採用單垂直井多水平井的布置方式，也可採用多垂直井多水平井的布置方式。參見圖1所示，本發明的凍土區天然氣水合物開採裝置實施例的結構示意圖。如圖1所示，凍土區NGH層2位於凍土層5和水合物底部1之間。方案實施時，首先採用現有鑽井技術鑽貫穿凍土層5和NGH層2的垂直井17，然後在NGH層2鑽與垂直井 17連通的水平井3，水平井3可位於NGH層的中部。隨後，在垂直井17安裝深井泵20及輸水管18，在水平井安裝電纜11、電子點火裝置4、含氧氣體輸送管13。開採時，先採用深井泵20抽出垂直井中的水，使NGH層壓力降低，NGH分解；然後通過含氧氣體輸送管13向水平井3中注入一定量的含氧氣體(例如氧氣、空氣、工業含氧廢氣)，同時合上電力開關10，啟動電子點火裝置4，點燃NGH層的NGH或NGH分解氣燃燒加熱分解NGH。NGH分解水19經水平井3和垂直井17流至垂直井底部，由深井泵20不斷抽出至地面經氣液分離器8進行分離，分離後，採出水6回注地下或綜合利用，NGH分解氣體16經水平井3和垂直井17流至垂直井頂部，經氣體採出管9採出，採出氣7收集利用。開採過程的加熱強度及開採速率可通過壓力傳感器15監測開採井中的壓力來控制當開採井中的壓力超過預定上限閾值時，通過信號線14的控制信號控制電力開關10和調節閥12，斷開電子點火裝置4的電力開關10，並調小調節閥12的開度，減小氧氣輸入流量，降低加熱速率和開採速率，調節閥12的開度的調小幅度可依據實際需要進行設定，例如每次調小預定幅度的開度，或者依據壓力超過預定上限閾值的幅度來確定調小幅度，或者採用其他的確定方式；當開採井中的壓力低於預定下限閾值時，開啟電子點火裝置4的電力開關10，並增大調節閥12的開度，提高氧氣輸入流量，加快加熱速率，調節閥12的開度的增大幅度可依據實際需要進行設定，例如每次增大預定幅度的開度，或者依據壓力低於預定下限閾值的幅度來確定增大幅度，或者採用其他的確定方式。原位燃燒生成的(X)2在高於NGH分解溫度、低於(X)2水合物生成溫度條件下，在水合物藏中生成(X)2水合物，並釋放水合物生成熱置換開採NGH，同時(X)2水合物形成也起到溫室氣體封存和穩定地質的作用。以上所述的本發明實施方式，僅僅是對本發明較佳實施例的詳細說明，並不構成對本發明保護範圍的限定。任何在本發明的精神和原則之內所作的修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的權利要求保護範圍之內。
權利要求
1.一種凍土區天然氣水合物開採方法，其特徵在於，包括步驟 向水平井中注入含氧氣體，點燃水平井中NGH或NGH分解氣燃燒； 採用深井泵將垂直井及水平井中NGH分解產生的液態水抽出至地面； 收集分解水及分解氣。
2.根據權利要求1所述的凍土區天然氣水合物開採方法，其特徵在於，還包括步驟監測井下壓力，根據監測的井下壓力調節所述含氧氣體的注入速率和注入量來控制燃燒加熱速率和強度。
3.根據權利要求2所述的凍土區天然氣水合物開採方法，其特徵在於，根據監測的井下壓力調節所述含氧氣體的注入速率和注入量的方式包括當井下壓力大於預定上限閾值時，減少含氧氣體輸入量，降低加熱速率； 當井下壓力小於預定下限閾值時，提高含氧氣體輸入量，加快加熱速率。
4.根據權利要求1所述的凍土區天然氣水合物開採方法，其特徵在於所述垂直井和水平井相連，垂直井底部低於水平井。
5.根據權利要求4所述的凍土區天然氣水合物開採方法，其特徵在於，所述垂直井與水平井為單垂直井多水平井布置方式、或者多垂直井多水平井布置方式。
6.根據權利要求1至5任意一項所述的凍土區天然氣水合物開採方法，其特徵在於，所
7.—種凍土區天然氣水合物開採裝置，其特徵在於，包括抽水降壓系統、井下原位燃燒加熱系統、氣體收集系統及控制系統，所述抽水降壓系統包括輸水管，安裝在垂直井的井底的深井泵，通過所述輸水管與所述深井泵連接的氣液分離器；所述井下原位燃燒加熱系統包括安裝在水平井中、通過電力開關與地面電源連接的電子點火裝置，與外界供氣系統相連、從地面經垂直井鋪設至水平井中所述電子點火裝置處的含氧氣體輸送管；所述氣體收集系統包括設置在垂直井的井口的氣體採集管；所述控制系統包括壓力傳感器、所述電力開關、以及設置在所述含氧氣體輸送管上的調節閥，所述控制系統根據壓力傳感器測量的垂直井壓力控制含氧氣體輸送管上的調節閥的開度、電力開關的通斷。
8.根據權利要求7所述的凍土區天然氣水合物開採裝置，其特徵在於所述氣體收集系統還包括與所述氣體採集管連接的氣體儲罐。
9.根據權利要求7或8所述的凍土區天然氣水合物開採裝置，其特徵在於，所述含氧氣體輸送管為氧氣或空氣或者工業含氧廢氣輸送管。
10.根據權利要求7或8所述的凍土區天然氣水合物開採裝置，其特徵在於，所述垂直井與水平井為單垂直井多水平井布置方式或者多垂直井多水平井布置方式。
全文摘要
凍土區天然氣水合物開採方法及裝置，該裝置包括抽水降壓系統、井下原位燃燒加熱系統、氣體收集系統及控制系統，抽水降壓系統包括輸水管，安裝在垂直井井底的深井泵，通過輸水管與深井泵連接的氣液分離器；井下原位燃燒加熱系統包括安裝在水平井中、通過電力開關與地面電源連接的電子點火裝置，與外界供氣系統相連、從地面經垂直井鋪設至電子點火裝置處的含氧氣體輸送管；氣體收集系統包括設置在垂直井井口的氣體採集管；控制系統包括壓力傳感器、上述電力開關、設置在含氧氣體輸送管上的調節閥，控制系統根據壓力傳感器測量的垂直井壓力控制調節閥的開度、電力開關的通斷。本發明可實現降壓與井下原位燃燒加熱兩者協同同步連續開採。
文檔編號E21B43/34GK102213090SQ20111014890
公開日2011年10月12日 申請日期2011年6月3日 優先權日2011年6月3日
發明者呂秋楠, 張鬱, 曾志勇, 李剛, 李小森, 陳朝陽, 顏克鳳, 黃寧生 申請人:中國科學院廣州能源研究所