專利名稱：海底天然氣水合物開(kāi)采裝置及其開(kāi)采方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種海底天然氣水合物開(kāi)采裝置及其開(kāi)采方法，屬于天然氣水合物的開(kāi)采 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
天然氣水合物(Natural Gas Hydrate,簡(jiǎn)稱NGH)由天然氣和水分子組成，它主要存 在于陸地的永久凍土帶和海底沉積物中，是一種神奇的固態(tài)物質(zhì)，宏觀上貌似冰雪，可以 直接點(diǎn)燃，因此又被稱為"可燃冰"。天然氣水合物是目前最有前途的新型高效清潔能源 之一，每立方米的天然氣水合物可釋放出164立方米甲烷和0.8立方米的水(KvenvoIdenK. A. A review of the geochemistry of methane in natural gas hydrate [J]. Organic Geochemistry, 1995, 23: 997-1008.)，其能量密度(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單位體積沉積物中的甲垸量)約為其它非傳統(tǒng)能源的 10倍，是常規(guī)天然氣和煤以及黑色頁(yè)巖能量密度的2 5倍。目前已發(fā)現(xiàn)水深3000米以 內(nèi)的天然氣水合物中CH4的碳總量相當(dāng)于全世界己知煤、石油、天然氣總量的二倍，約2.1 X10'V，可滿足人類1000年的能源需求，約為剩余天然氣儲(chǔ)量(156X10'W)的128倍(Sloan E.D. Clathrate hydrates of natural gases [M]. New York: Marcel Dekker， 1998.)，所以它又是一禾中不可 多得的戰(zhàn)略能源。在傳統(tǒng)能源日益匱乏的今天，對(duì)天然氣水合物的研究與開(kāi)發(fā)巳經(jīng)成為包 括我國(guó)在內(nèi)的世界各國(guó)解決未來(lái)能源問(wèn)題的主要出路。世界主要國(guó)家都在積極開(kāi)展對(duì)天然 氣水合物的勘探和研究。我國(guó)于2007年在南海也鉆探獲得天然氣水合物樣品，成為世界 上少數(shù)幾個(gè)在海底獲得天然氣水合物樣品的國(guó)家之一。
已發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物主要存在于世界范圍內(nèi)的溝盆體系、陸坡體系、邊緣海盆陸緣， 尤其是與泥火山、熱水活動(dòng)、鹽泥底辟及大型斷裂構(gòu)造有關(guān)的深海盆地中，可能還包括擴(kuò) 張盆地和北極地區(qū)的永久凍土區(qū)。大西洋的85%、太平洋的95%、印度洋的96%的地區(qū)中含 有天然氣水合物，且主要分布于洋底之下200 600米的深度范圍。中國(guó)在西沙海槽、東沙 陸坡、臺(tái)灣西南陸坡、沖繩海槽、南海北部等區(qū)域也發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物的大量地球物理 與地球化學(xué)證據(jù)(Makogon Y. F., Holditch S. A.， Makogo T. Y. natural Gas hydrates- A Potential Energy Source for the 21st Century. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2007， 56(1-3): 14-31)。天然氣水合物在新能源應(yīng)用方面給我們指明了道路，但是由于天然氣水合物埋藏于海 底巖石中，和石油、天然氣相比，鉆探的難度要大很多，不易開(kāi)采和運(yùn)輸，世界上至今還 沒(méi)有完美的開(kāi)采方案。目前只是積累了一些常規(guī)的開(kāi)采方法，然而這些方法都存在著一些 急需解決的問(wèn)題。天然氣水合物的開(kāi)采有別于傳統(tǒng)型能源，因?yàn)樗衔镌陂_(kāi)采過(guò)程中會(huì)發(fā) 生相變。天然氣水合物是一種亞穩(wěn)態(tài)礦物，以固態(tài)形式被埋藏，只存在于特定的溫壓條件 下，在開(kāi)采過(guò)程中很容易破壞天然氣水合物的相平衡，促使其分解成氣體和水，天然氣水 合物的傳統(tǒng)開(kāi)采技術(shù)就是根據(jù)這種特性而設(shè)計(jì)的，主要包括熱激法、減壓法、化學(xué)試劑 法。
熱激法直接對(duì)天然氣水合物層進(jìn)行加熱，使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(Yousif M. H.， Abass H. H.， Selim M. S., Sloan E. D. Experimental and theoretical investigation of methane-gas-hydrate dissociation in porous media.[J]. SPE Reservoir Eng, 1991: 69-76)。代表性的加熱方法有注入熱水或蒸汽法、電磁加 熱法以及微波加熱法等。這種方法的缺點(diǎn)是熱利用效率較低，開(kāi)發(fā)的成本較高，不適宜工業(yè) 開(kāi)采。
化學(xué)試劑法通過(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 二醇等來(lái)改變水合物形成的相平衡條件，降低水合物的穩(wěn)定溫度，促使天然氣水合物分解 (Gayet P.， Dichany C.， Marion G., Graciaa A.， Lachaise J.， Nesterov A. Experimental determination of methane hydrate dissociation curve up to 55 MPa by using a small amount of surfactant as hydrate promoter.[J].Chem. Eng. Sci， 2005, 60: 5751-5758)。這種方法較加熱法作用緩慢，但卻有降低初 始能源輸入的優(yōu)點(diǎn)，其最大的缺點(diǎn)是費(fèi)用太高，有些化學(xué)試劑可能對(duì)環(huán)境造成較大的破壞。
減壓法通過(guò)降低壓力使天然氣水合物穩(wěn)定的相平衡曲線發(fā)生移動(dòng)，從而促使天然氣 水合物分解的開(kāi)采方法。 一般是通過(guò)抽取水合物層下的游離體天然氣實(shí)現(xiàn)降低水合物的壓 力，使與天然氣接觸的水合物變得不穩(wěn)定并且分解為天然氣和水(JiC.，AhmadiG., SmithD. H. Natural gas production from hydrate decomposition by depressurization.[J]. Chem. Eng. Sci， 2001, 56: 801-5814)。開(kāi)采水合物層之下的游離氣是降低儲(chǔ)層壓力的一種有效方法,另外通過(guò)調(diào)節(jié)天 然氣的抽取速度可以達(dá)到控制儲(chǔ)層壓力的目的，進(jìn)而達(dá)到控制水合物分解的效果。該方法 最大的特點(diǎn)是不需要昂貴的連續(xù)激發(fā)，因而有可能成為今后大規(guī)模開(kāi)采天然氣水合物的有 效方法之一。但是,單使用減壓法開(kāi)采天然氣是很慢的,是一種弱化被動(dòng)式開(kāi)采。而且對(duì)天 然氣水合物藏層的性質(zhì)有特殊的要求，只有當(dāng)天然氣水合物藏位于溫壓平衡邊界附近時(shí)， 減壓法才具有經(jīng)濟(jì)可行性。在上述天然氣水合物開(kāi)采方法中，熱激發(fā)開(kāi)采法、化學(xué)試劑法及減壓開(kāi)采法都有各自 缺點(diǎn)，難以運(yùn)用到天然氣水合物的實(shí)際開(kāi)采當(dāng)中，因此對(duì)天然氣水合物開(kāi)采新方法的研究 就顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提出的一種海底天然氣水合物開(kāi)采裝置及其開(kāi) 采方法，其特點(diǎn)是通過(guò)排水法實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣水合物的開(kāi)采及開(kāi)采速率的控制。 本發(fā)明的目的由以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn) 海底天然氣水合物開(kāi)采裝置由空心剛體直接與海底的天然氣水合物層連通；或者空心 剛體通過(guò)泥沙層或不滲透層與海底的天然氣水合物層連通，起密封和分離海水的作用；空 心剛體內(nèi)的一側(cè)設(shè)有水泵和測(cè)試監(jiān)控裝置，水泵通過(guò)導(dǎo)管與海平面上的排水管口連接，測(cè) 試監(jiān)控裝置與攝像系統(tǒng)和測(cè)壓系統(tǒng)連接，空心剛體內(nèi)的上端設(shè)氣體收集管口。
天然氣水合物層或者天然氣水合物層在泥沙層下，空心剛體的底部還需設(shè)剛體擴(kuò)臂， 剛體擴(kuò)臂伸入天然氣水合物層或者泥沙層下天然氣水合物層后建立一個(gè)密封空心剛體與 外界海水分離系統(tǒng)。
海底天然氣水合物的開(kāi)采方法包括以下步驟
1) 在海上建一個(gè)與海水分離的空心剛體，空心剛體與海底天然天水合物層連通；
2) 通過(guò)水泵向空心剛體外排水降低空心剛體內(nèi)的水平高度，使天然天水合物層所受 的壓力減小，當(dāng)天然氣水合物層受到的壓力小于其平衡壓力時(shí)，天然氣水合物就開(kāi)始分解 成天然氣和水；
3) 分解后的天然氣上逸，從氣體收集管口排出、收集，天然氣的產(chǎn)出速率和產(chǎn)量通 過(guò)控制空心剛體內(nèi)水面高低實(shí)現(xiàn)，水面的高低由水泵的排水速度和大小來(lái)控制；天然氣水 合物層的壓力變化情況通過(guò)測(cè)試監(jiān)控裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)。
本發(fā)明的裝置用于海底天然氣水合物的開(kāi)采。亦可用于具有較高滲透性或相互連通的海
底天然氣水合物聚集區(qū)的開(kāi)采或具有高空隙性或高滲透性的海底天然氣水合物儲(chǔ)層的開(kāi)采。 本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
(1 )能夠有效的實(shí)現(xiàn)海底水合物的開(kāi)采。
(2) 開(kāi)采成本很低。
(3) 開(kāi)采技術(shù)簡(jiǎn)單，所用設(shè)備技術(shù)已經(jīng)很成熟，能夠很快實(shí)現(xiàn)工業(yè)開(kāi)采。
(4) 能夠有效地控制開(kāi)采速度。
5(5) 只需前期投入，開(kāi)始開(kāi)采后，后續(xù)投入少。
(6) 投入的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于產(chǎn)出能量。
(7) 該方法適用范圍廣，對(duì)天然氣水合物藏層沒(méi)有特殊要求。
(8) 實(shí)現(xiàn)了海底天然氣水合物的無(wú)污染開(kāi)采。


圖1為海底天然氣水合物開(kāi)采裝置結(jié)構(gòu)示意圖之一 圖2為海底天然氣水合物開(kāi)采裝置結(jié)構(gòu)示意圖之二 圖3為海底天然氣水合物開(kāi)采裝置結(jié)構(gòu)示意圖之三
l氣體收集管口， 2空心剛體，3排水管口， 4水泵，5測(cè)試監(jiān)控裝置，6剛體臂，7海 平面，8泥沙層，9天然氣水合物層，10海底，11不滲透層。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，有必要在此指出的是本實(shí)施例只對(duì)于本發(fā) 明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根 據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容作出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
實(shí)施例
如圖1所示，本發(fā)明的密封系統(tǒng)包括，空心剛體2和底部的剛體擴(kuò)臂6，擴(kuò)臂是伸入 天然氣水合物層上的泥沙層8內(nèi)的，建好后的密閉系統(tǒng)將外界海水與剛體內(nèi)海水分開(kāi)。本發(fā) 明的主要原理是利用排水來(lái)實(shí)現(xiàn)給天然氣水合物層降壓，具體操作是通過(guò)安裝在空心剛體內(nèi) 的水泵4向海平面7上的排水管口 3排水來(lái)實(shí)現(xiàn)降壓。將天然氣水合物層的壓力降到其平衡 壓力以下，使得原本穩(wěn)定的天然氣水合物開(kāi)始分解成天然氣和水，安裝在空心剛體內(nèi)的測(cè)試 監(jiān)控裝置5來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該測(cè)試監(jiān)控裝置與攝像系統(tǒng)和測(cè)壓系統(tǒng)連接，可對(duì)海底進(jìn)行攝像和 壓力測(cè)試，便于監(jiān)測(cè)天然氣水合物的分解情況。天然氣水合物分解后的分解氣體在天然氣水 合物裂解產(chǎn)生的天然氣氣體壓力作用下上逸，由氣體收集管口1收集天然氣。通過(guò)水泵排水 量的速度和大小來(lái)控制水面的高低進(jìn)而控制天然氣產(chǎn)出的速率和產(chǎn)出量。
如圖2所示，天然氣水合物藏位于不滲透層11以下的情況。本發(fā)明的密封系統(tǒng)為空 心剛體2，空心剛體伸入不滲透層11下的天然氣水合物層9內(nèi)，建好后的密閉系統(tǒng)將外界 海水與空心剛體內(nèi)海水分開(kāi)。本發(fā)明的主要原理是利用排水來(lái)實(shí)現(xiàn)給水合物層降壓，具體操 作是通過(guò)安裝在空心剛體內(nèi)的水泵4向海平面7上的排水管口來(lái)實(shí)現(xiàn)降壓。將天然氣水合物 層的壓力降到其平衡壓力以下，使得原本穩(wěn)定的水合物開(kāi)始分解成天然氣和水，安裝在空心剛體內(nèi)的測(cè)試監(jiān)控裝置5來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該測(cè)試監(jiān)控裝置與攝像系統(tǒng)和測(cè)壓系統(tǒng)連接，可對(duì)海 底進(jìn)行攝像和壓力測(cè)試，便于監(jiān)測(cè)天然氣水合物的分解情況。天然氣水合物分解后的分解氣 體在天然氣水合物裂解產(chǎn)生的天然氣氣體壓力作用下上逸，由氣體收集管口1收集天然氣。 通過(guò)水泵排水量的速度和大小來(lái)控制水面的高低進(jìn)而控制天然氣產(chǎn)出的速率和產(chǎn)出量。
如圖3所示，本發(fā)明的密封系統(tǒng)包括，空心剛體2和底部的剛體擴(kuò)臂6，擴(kuò)臂是伸入 天然氣水合物層內(nèi)，建好后的密閉系統(tǒng)將外界海水與剛體內(nèi)海水分開(kāi)。本發(fā)明的主要原理是 利用排水來(lái)實(shí)現(xiàn)給天然氣水合物層降壓，具體操作是通過(guò)安裝在空心剛體內(nèi)的水泵4向海平 面7上的排水管口3排水來(lái)實(shí)現(xiàn)降壓。將天然氣水合物層的壓力降到其平衡壓力以下，使得 原本穩(wěn)定的天然氣水合物開(kāi)始分解成天然氣和水，安裝在空心剛體內(nèi)的測(cè)試監(jiān)控裝置5來(lái)實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè)，該測(cè)試監(jiān)控裝置與攝像系統(tǒng)和測(cè)壓系統(tǒng)連接，可對(duì)海底進(jìn)行攝像和壓力測(cè)試，便于 監(jiān)測(cè)天然氣水合物的分解情況。天然氣水合物分解后的分解氣體在天然氣水合物裂解產(chǎn)生的 天然氣氣體壓力作用下上逸，由氣體收集管口l收集天然氣。通過(guò)水泵排水量的速度和大小 來(lái)控制水面的高低進(jìn)而控制天然氣產(chǎn)出的速率和產(chǎn)出量。
權(quán)利要求
1.一種海底天然氣水合物開(kāi)采裝置，其特征在于該裝置由空心剛體(2)直接與海底(10)的天然氣水合物層(9)連通；或者空心剛體通過(guò)泥沙層(8)或不滲透層(11)與海底的天然氣水合物層連通；空心剛體內(nèi)設(shè)有水泵(4)和測(cè)試監(jiān)控裝置(5)，水泵通過(guò)導(dǎo)管與海平面(7)上的排水管口(3)連接，測(cè)試監(jiān)控裝置與攝像系統(tǒng)和測(cè)壓系統(tǒng)連接，空心剛體內(nèi)的上端設(shè)氣體收集管口(1)。
2. 如權(quán)利要求1所述海底天然氣水合物開(kāi)采裝置，其特征在于天然氣水合物層或者天 然氣水合物層在泥沙層(8)下，空心剛體(2)的底部還需設(shè)剛體擴(kuò)臂(6)，剛體擴(kuò)臂 伸入天然氣水合物層或者泥沙層下的天然氣水合物層后建立一個(gè)密封空心剛體與外界海 水分離系統(tǒng)。
3. 如權(quán)利要求1所述海底天然氣水合物的開(kāi)采方法,其特征在于該方法包括以下步驟1) 在海上建一個(gè)與海水分離的空心剛體(2)，空心剛體與海底天然天水合物層(9) 連通；2) 通過(guò)水泵(4)向空心剛體外排水降低空心剛體內(nèi)的水面高度，使天然天水合物層 所受的壓力減小，當(dāng)天然氣水合物層受到的壓力小于其平衡壓力時(shí)，天然氣水合物就開(kāi)始 分解成天然氣和水；3) 分解后的天然氣上逸，從氣體收集管口 (1)排出、收集，天然氣的產(chǎn)出速率和產(chǎn) 量通過(guò)控制空心剛體內(nèi)水面高低實(shí)現(xiàn)，水面的高低由水泵(4)的排水速度和大小來(lái)控制； 天然氣水合物層的壓力變化情況通過(guò)測(cè)試監(jiān)控裝置(5)實(shí)時(shí)檢測(cè)。
4. 如權(quán)利要求1所述海底天然氣水合物開(kāi)采裝置用于海底天然氣水合物的開(kāi)采。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種海底天然氣水合物開(kāi)采裝置及其開(kāi)采方法，其特點(diǎn)是該裝置由空心剛體(2)直接與海底(10)的天然氣水合物層(9)連通；或者空心剛體通過(guò)泥沙層(8)或不滲透層(11)與海底(10)的天然氣水合物層連通；空心剛體內(nèi)的一側(cè)設(shè)有水泵(4)和測(cè)試監(jiān)控裝置(5)，水泵通過(guò)導(dǎo)管與海平面(7)上的排水管口(3)連接，測(cè)試監(jiān)控裝置與攝像系統(tǒng)和測(cè)壓系統(tǒng)連接，空心剛體內(nèi)的上端設(shè)氣體收集管口(1)。開(kāi)采方法包括以下步驟1)在海上建一個(gè)與海水分離的空心剛體，空心剛體與海底天然天水合物層連通；2)通過(guò)水泵向空心剛體外排水降低空心剛體內(nèi)的水面高度，使天然天水合物層所受的壓力減小，當(dāng)天然氣水合物層受到的壓力小于其平衡壓力時(shí)，天然氣水合物就開(kāi)始分解成天然氣和水；3)分解后的天然氣上逸，從氣體收集管口排出、收集。
文檔編號(hào)E21B43/00GK101555797SQ20091005932
公開(kāi)日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2009年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月19日
發(fā)明者偉 張, 李文強(qiáng), 李文雍, 賀端威 申請(qǐng)人:四川大學(xué)