專利名稱：一種海水淡化與海洋天然氣水合物開采聯(lián)產(chǎn)方法
技術領域：
本發(fā)明屬于資源與環(huán)境技術領域，涉及天然氣水合物開采技術及海水淡化技術，尤其是一種海水淡化與海洋天然氣水合物開采聯(lián)產(chǎn)方法。
背景技術：
能源危機及水資源短缺是當今世界上許多國家經(jīng)濟和社會發(fā)展過程中面臨的兩大最突出問題。進行新的替代能源和可再生能源的研究開發(fā)，以及水資源開源節(jié)流技術研究成為各國、特別是發(fā)達國家科研工作的重點和熱點。
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計量型、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。單位體積的甲烷水合物分解可產(chǎn)生150-180標準體積的甲烷氣體。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，地球上以天然氣水合物形式儲藏的有機碳占全球總有機碳的53％，是煤、石油、天然氣三種化石燃料總碳量的2倍。因此，天然氣水合物被認為是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驗探索階段，迄今為止，人們尚未找到技術上可行，經(jīng)濟上合理的海洋天然氣水合物的開采方法。根據(jù)開采過程中水合物分解的地點不同，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，采取措施破壞水合物穩(wěn)定存在的溫度、壓力等熱力學條件，促進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鍵是如何采取經(jīng)濟有效的措施促進水合物的分解，同時保持井底穩(wěn)定，不使甲烷泄漏、不引發(fā)溫室效應。目前提出的方法主要包括熱激發(fā)法、降壓法和化學法三種。熱激發(fā)法主要是將蒸汽、熱水、熱鹽水等載熱體注入水合物儲層，使溫度達到水合物分解溫度以上，但熱激發(fā)法的主要缺點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?；瘜W法主要是向水合物儲層注入鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇等化學物質(zhì)，改變水的活度，從而改變水合物形成的相平衡條件，降低水合物穩(wěn)定溫度，促進天然氣水合物的分解，化學法的缺點是藥劑用量大，成本高，大量使用化學藥劑也會造成環(huán)境污染問題。降壓法是通過降低水合物儲層的壓力，引起天然氣水合物移動至不穩(wěn)定區(qū)而分解，主要適用于水合物儲層底部賦存游離天然氣藏的水合物開采，這種方法由于海底地質(zhì)條件千差萬別，往往難以達到水合物分解的溫壓條件，同時開采速度慢，效率低。
水是人類賴以生存而不可缺少的重要物質(zhì)。地球上的水97.2％是不能飲用的海水，淡水僅占2.8％，而且其中70％又以南、北極的冰河和萬年冰雪所固定。因此，實際供人類生命活動所利用的只有不到總水量的0.8％。與日益短缺的淡水資源相比，海水可謂取之不盡，用之不竭的水資源，向海洋要水已成為國際共識，海水淡化越來越受到重視，海水淡化也將成為人類解決淡水危機的根本途徑。國際脫鹽協(xié)會(International Desalination Association，IDA)的統(tǒng)計資料表明，到2003年底，全世界脫鹽裝置淡水總產(chǎn)量已達3775萬噸/天，而且還將以10％～30％的年增長速度攀升，海水淡化技術在解決世界范圍淡水短缺問題上發(fā)揮著越來越重要的作用。目前世界上在建的最大的沙特阿拉伯熱膜耦合海水淡化廠日產(chǎn)淡水88萬噸/天。中國人均水資源占有量僅為世界第109位，被列為世界13個缺水國之一，因此，海水淡化事業(yè)的推廣已成為當今經(jīng)濟熱點話題，《中國海洋21實際議程》也將發(fā)展海水淡化技術和建立海水淡化示范工程列為優(yōu)先發(fā)展項目。
海水脫鹽淡化方法有二十多種，基本上分為兩大類(1)從海水中制取淡水，有蒸餾法、反滲透法、水合物法、溶劑萃取法和冰凍法等；(2)除去海水中的鹽分，有電滲析法、離子交換法、電去離子和壓滲法等。目前僅蒸餾法、電滲析法、反滲透法達到了工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)應用。雖然隨著科學技術的發(fā)展和研究工作的不斷深入，各種海水淡化方法成本均下降很快，但成本問題仍然是當前海水淡化推廣應用最重要的制約因素。絕大數(shù)的研究工作主要集中于海水淡化工藝本身的研究與改進，如采用多級、多效蒸發(fā)與閃蒸強化傳熱與熱能利用效率，采用“電水聯(lián)產(chǎn)”方式加強對低品位余熱綜合利用，研究開發(fā)新型膜材料及膜分離工藝，降低膜污染及膜材料損耗在膜法海水淡化成本中所占的份額。對于海水淡化處理后留下的大量濃縮鹽水的處置與綜合利用研究得較少，絕大多數(shù)現(xiàn)行海水淡化廠均采用深海注入方式處置，雖然有少數(shù)廠家考慮采用此濃鹽水曬鹽，但效果不甚理想。如此大規(guī)模的濃鹽水未加以綜合利用而直接回注大海，一方面會對濃鹽水注入點的海洋生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，另一方面也造成資源浪費，導致海水淡化成本升高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種經(jīng)濟、高效海水淡化與海洋天然氣水合物開采聯(lián)產(chǎn)方法，將海水淡化后的濃鹽水綜合利用，應用于海洋天然氣水合物的分解開采，不僅降低了海水淡化的綜合成本，而且大大降低海底天然氣水合物資源的開采成本。本發(fā)明可應用于大規(guī)模海水淡化與海洋天然氣水合物開采聯(lián)產(chǎn)。
為達到以上目的，本發(fā)明采用如下技術方案1、構(gòu)筑開采井、水平井及收集井采用深水鉆井技術領域的現(xiàn)有技術在水合物成礦區(qū)構(gòu)筑貫穿海底沉積物層和水合物儲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水合物儲層底部。
2、建設海上浮動平臺、海水淡化裝置和天然氣水合物開采裝置采用現(xiàn)有海洋工程技術及海水脫鹽技術在海洋大陸架水合物藏所在區(qū)域建設海上浮動平臺、海水淡化裝置和天然氣水合物開采裝置，架設海水淡化裝置至水合物開采井之間的濃鹽水輸送管道，建設海上浮動平臺至集氣井之間的天然氣收集管道，同時架設海上浮動平臺與陸上淡水工廠和天然氣儲氣站之間的淡水和天然氣輸送管道。
3、海水淡化啟動海水淡化裝置，生產(chǎn)出的淡水一部分供海上平臺應用，其余部分通過淡水管道輸送至陸上淡水廠，供給工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及生活用水，產(chǎn)生的濃鹽水經(jīng)濃鹽水管道輸送至海底水合物開采井用于天然氣水合物的分解開采。
4、天然氣水合物分解濃鹽水在開采井底部或水平井中與天然氣水合物接觸，使天然氣水合物分解為氣態(tài)天然氣和液態(tài)水。
5、天然氣收集水合物分解出的天然氣及產(chǎn)出水經(jīng)集氣井及濾砂裝置收集后，天然氣、水混合物經(jīng)泵輸送至海上浮動平臺氣液分離器進行氣水分離，分離出的天然氣進入儲氣裝置，一部分天然氣供給海上浮動平臺能源消耗，另一部分經(jīng)天然氣輸氣管道輸送至陸上儲氣站。
所述的海水淡化裝置所用脫鹽淡化技術為蒸餾法或反滲透法或電滲析法或膜蒸餾法或冷凍法或水合物法；所述的海水淡化裝置可以安裝在海上浮動平臺上、也可安裝在陸地上或海水中；所述的濃鹽水的含鹽量為8％-25％，優(yōu)選10％-15％；所述的海水淡化裝置的進水除了采用海水作為進水還可以采用天然氣采出過程氣液分離器排水作為進水；
本發(fā)明的特點在于將海水淡化過程中產(chǎn)生的濃鹽水綜合利用，直接應用于開采海底天然氣水合物資源，避免了海水淡化高濃度鹽水直接排放對海洋生態(tài)系統(tǒng)的危害，天然氣水合物開采工藝簡單，成本顯著降低。


附圖1為海水淡化與海洋天然氣水合物開采聯(lián)產(chǎn)工藝流程示意圖；附圖標記說明1、海底巖石層，2、天然氣水合物儲層，3、水平井，4、濾砂裝置，5、集氣井，6、海底沉積物層，7、海水層，8、海水淡化裝置取水管，9、氣水兩相混輸管，10、海上浮動平臺，11、氣液分離器排水管，12、氣液分離器，13、儲氣罐，14、海水淡化器給水泵，15、海水淡化裝置，16、濃鹽水泵，17、濃鹽水管，18、陸上儲氣站，19、陸上淡水廠，20、大陸架，21、開采井。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的
具體實施例方式如附圖1所示，首先在海底的海底巖石層1上構(gòu)筑貫穿天然氣水合物儲層2和海底沉積物層6和海水層7的水合物開采井21、集氣井5以及連接開采井21與集氣井5之間的水平井3，在集氣井安裝濾砂裝置4，同在海上浮動平臺10上安裝海水淡化裝置15，氣液分離器12，儲氣罐13，海水淡化器給水泵14，濃鹽水泵16，同時鋪設各設備之間氣體、液體輸送管道。裝置運行過程中，海水通過海水淡化器給水泵14經(jīng)海水淡化裝置取水管8輸送至海水淡化裝置15，海水經(jīng)水合物法淡化處理后，分離出的淡水一部分供給海上浮動平臺應用，其余部分經(jīng)淡水管道輸送至處于大陸架20上的陸上淡水廠19，可供給工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活用水，也可作為反滲透等其他深度處理工藝的給水。海水淡化留下的濃鹽水的含鹽量達到10-15％，濃鹽水通過濃鹽水泵16經(jīng)濃鹽水管17輸送至天然氣水合物儲層2中的開采井21的底部或水平井3中，在此濃鹽水與天然氣水合物固體接觸，使天然氣水合物分解為天然氣和液態(tài)水，分解出的天然氣、以及部分鹽水匯聚至集氣井5，氣液兩相混合物經(jīng)濾砂裝置4濾去夾帶的泥沙后經(jīng)氣水兩相混輸管9抽送至海上浮動平臺的氣液分離器12，氣水混合物經(jīng)氣液分離后，天然氣進入儲氣罐13儲存，開采出的天然氣一部分供給海上移動平臺能源消耗，其余部分經(jīng)天然氣輸送管道輸送至陸上儲氣站18；氣液分離器分離出的液態(tài)水通過海水淡化器給水泵14輸送至海水淡化裝置15作為其進水，氣液分離器分離出的液態(tài)水也可通過氣液分離器排水管11直接深海排放。
權(quán)利要求
1.一種海水淡化與天然氣水合物開采聯(lián)產(chǎn)方法，其特征在于，包括以下工藝步驟(1)在海底天然氣水合物成礦區(qū)構(gòu)筑貫穿海底沉積物層和水合物儲層的開采井、集氣井以及連接開采井和集氣井的水平井；(2)建設海上浮動平臺、海水淡化裝置和天然氣水合物開采裝置；(3)啟動海水淡化裝置，用脫鹽淡化技術進行海水淡化，生產(chǎn)出的淡水一部分供海上平臺應用，其余部分輸送至陸上淡水廠供工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活用水，生產(chǎn)出的濃鹽水經(jīng)泵輸送至開采井的底部或水平井中，供天然氣水合物分解開采；(4)濃鹽水在開采井底部或水平井中與天然氣水合物接觸，使天然氣水合物分解為氣態(tài)天然氣和液態(tài)水；(5)分解出的天然氣、水以及部分鹽水匯聚于集氣井底部，氣水混合物經(jīng)濾砂裝置處理后經(jīng)集氣管道輸送至氣水分離器處理，分離出的天然氣儲存于儲氣罐，一部分供海上浮動平臺能源消耗，其余部分輸送至陸上儲氣站。
2.如權(quán)利要求1所述的一種海水淡化與海洋天然氣水合物聯(lián)產(chǎn)方法，其特征在于所述海水淡化裝置安裝在海上浮動平臺上或安裝在陸地上或海水中。
3.如權(quán)利要求1所述的一種海水淡化與海洋天然氣水合物聯(lián)產(chǎn)方法，其特征在于步驟(3)所述海水淡化裝置采用海水作為進水或采用步驟(5)中的氣液分離器排水作為進水或同時采用海水和氣液分離器排水作為進水。
4.如權(quán)利要求1所述的一種海水淡化與海洋天然氣水合物聯(lián)產(chǎn)方法，其特征在于步驟(3)中所述海水淡化裝置所用脫鹽淡化技術為蒸餾法或反滲透法或電滲析法或膜蒸餾法或冷凍法或水合物法。
5.如權(quán)利要求1-4任一所述的一種海水淡化與海洋天然氣水合物聯(lián)產(chǎn)方法，其特征在于所述濃鹽水的含鹽量為8％-25％。
6.如權(quán)利要求5所述的一種海水淡化與海洋天然氣水合物聯(lián)產(chǎn)方法，其特征在于所述濃鹽水的含鹽量為10％-15％。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種海水淡化與海洋天然氣水合物開采聯(lián)產(chǎn)方法，該方法包括以下步驟構(gòu)筑開采井、水平井及收集井；建設海上浮動平臺、海水淡化裝置和天然氣水合物開采裝置；海水淡化；天然氣水合物分解；天然氣收集。本發(fā)明將海水淡化過程中產(chǎn)生的濃鹽水綜合利用，用于海底天然氣水合物的分解開采，天然氣水合物開采和海水淡化的綜合成本大大降低，同時避免了濃鹽水直接排放對海洋生態(tài)系統(tǒng)造成危害，本發(fā)明工藝簡單、成本低廉，經(jīng)濟和環(huán)境效益顯著，可應用于大規(guī)模海水淡化與海洋天然氣水合物開采聯(lián)產(chǎn)。
文檔編號C02F1/44GK101033087SQ20071002685
公開日2007年9月12日 申請日期2007年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月9日
發(fā)明者陳朝陽, 李小森, 顏克鳳, 李剛 申請人:中國科學院廣州能源研究所