專利名稱：海底天然氣水合物開采裝置及其開采方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種海底天然氣水合物開采裝置及其開采方法，屬于天然氣水合物的開采 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
天然氣水合物(Natural Gas Hydrate,簡稱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，對天然氣水合物的研究與開發(fā)巳經(jīng)成為包 括我國在內(nèi)的世界各國解決未來能源問題的主要出路。世界主要國家都在積極開展對天然 氣水合物的勘探和研究。我國于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)幾個在海底獲得天然氣水合物樣品的國家之一。
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、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。中國在西沙海槽、東沙 陸坡、臺灣西南陸坡、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，不易開采和運(yùn)輸，世界上至今還 沒有完美的開采方案。目前只是積累了一些常規(guī)的開采方法，然而這些方法都存在著一些 急需解決的問題。天然氣水合物的開采有別于傳統(tǒng)型能源，因為水合物在開采過程中會發(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，在開采過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)開采技術(shù)就是根據(jù)這種特性而設(shè)計的，主要包括熱激法、減壓法、化學(xué)試劑 法。
熱激法直接對天然氣水合物層進(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。這種方法的缺點是熱利用效率較低，開發(fā)的成本較高，不適宜工業(yè) 開采。
化學(xué)試劑法通過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，其最大的缺點是費(fèi)用太高，有些化學(xué)試劑可能對環(huán)境造成較大的破壞。
減壓法通過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，從而促使天然氣 水合物分解的開采方法。 一般是通過抽取水合物層下的游離體天然氣實現(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)。開采水合物層之下的游離氣是降低儲層壓力的一種有效方法,另外通過調(diào)節(jié)天 然氣的抽取速度可以達(dá)到控制儲層壓力的目的，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)模開采天然氣水合物的有 效方法之一。但是,單使用減壓法開采天然氣是很慢的,是一種弱化被動式開采。而且對天 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， 減壓法才具有經(jīng)濟(jì)可行性。在上述天然氣水合物開采方法中，熱激發(fā)開采法、化學(xué)試劑法及減壓開采法都有各自 缺點，難以運(yùn)用到天然氣水合物的實際開采當(dāng)中，因此對天然氣水合物開采新方法的研究 就顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提出的一種海底天然氣水合物開采裝置及其開 采方法，其特點是通過排水法實現(xiàn)對天然氣水合物的開采及開采速率的控制。 本發(fā)明的目的由以下技術(shù)措施實現(xiàn) 海底天然氣水合物開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)有水泵和測試監(jiān)控裝置，水泵通過導(dǎo)管與海平面上的排水管口連接，測 試監(jiān)控裝置與攝像系統(tǒng)和測壓系統(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采方法包括以下步驟
1) 在海上建一個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，天然氣水合物就開始分解 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 過控制空心剛體內(nèi)水面高低實現(xiàn)，水面的高低由水泵的排水速度和大小來控制；天然氣水 合物層的壓力變化情況通過測試監(jiān)控裝置實時檢測。
本發(fā)明的裝置用于海底天然氣水合物的開采。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)的開采或具有高空隙性或高滲透性的海底天然氣水合物儲層的開采。 本發(fā)明具有如下優(yōu)點
(1 )能夠有效的實現(xiàn)海底水合物的開采。
(2) 開采成本很低。
(3) 開采技術(shù)簡單，所用設(shè)備技術(shù)已經(jīng)很成熟，能夠很快實現(xiàn)工業(yè)開采。
(4) 能夠有效地控制開采速度。
5(5) 只需前期投入，開始開采后，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，對天然氣水合物藏層沒有特殊要求。
(8) 實現(xiàn)了海底天然氣水合物的無污染開采。


圖1為海底天然氣水合物開采裝置結(jié)構(gòu)示意圖之一 圖2為海底天然氣水合物開采裝置結(jié)構(gòu)示意圖之二 圖3為海底天然氣水合物開采裝置結(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。
具體實施例方式
下面通過實施例對本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，有必要在此指出的是本實施例只對于本發(fā) 明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(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。本發(fā) 明的主要原理是利用排水來實現(xiàn)給天然氣水合物層降壓，具體操作是通過安裝在空心剛體內(nèi) 的水泵4向海平面7上的排水管口 3排水來實現(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始分解成天然氣和水，安裝在空心剛體內(nèi)的測試 監(jiān)控裝置5來實時監(jiān)測，該測試監(jiān)控裝置與攝像系統(tǒng)和測壓系統(tǒng)連接，可對海底進(jìn)行攝像和 壓力測試，便于監(jiān)測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。通過水泵排水 量的速度和大小來控制水面的高低進(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。本發(fā)明的主要原理是利用排水來實現(xiàn)給水合物層降壓，具體操 作是通過安裝在空心剛體內(nèi)的水泵4向海平面7上的排水管口來實現(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)定的水合物開始分解成天然氣和水，安裝在空心剛體內(nèi)的測試監(jiān)控裝置5來實時監(jiān)測，該測試監(jiān)控裝置與攝像系統(tǒng)和測壓系統(tǒng)連接，可對海 底進(jìn)行攝像和壓力測試，便于監(jiān)測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。 通過水泵排水量的速度和大小來控制水面的高低進(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。本發(fā)明的主要原理是 利用排水來實現(xiàn)給天然氣水合物層降壓，具體操作是通過安裝在空心剛體內(nèi)的水泵4向海平 面7上的排水管口3排水來實現(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始分解成天然氣和水，安裝在空心剛體內(nèi)的測試監(jiān)控裝置5來實 時監(jiān)測，該測試監(jiān)控裝置與攝像系統(tǒng)和測壓系統(tǒng)連接，可對海底進(jìn)行攝像和壓力測試，便于 監(jiān)測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。通過水泵排水量的速度和大小 來控制水面的高低進(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)和測試監(jiān)控裝置(5)，水泵通過導(dǎo)管與海平面(7)上的排水管口(3)連接，測試監(jiān)控裝置與攝像系統(tǒng)和測壓系統(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采方法,其特征在于該方法包括以下步驟1) 在海上建一個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，天然氣水合物就開始 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) 量通過控制空心剛體內(nèi)水面高低實現(xiàn)，水面的高低由水泵(4)的排水速度和大小來控制； 天然氣水合物層的壓力變化情況通過測試監(jiān)控裝置(5)實時檢測。
4. 如權(quán)利要求1所述海底天然氣水合物開采裝置用于海底天然氣水合物的開采。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種海底天然氣水合物開采裝置及其開采方法，其特點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)和測試監(jiān)控裝置(5)，水泵通過導(dǎo)管與海平面(7)上的排水管口(3)連接，測試監(jiān)控裝置與攝像系統(tǒng)和測壓系統(tǒng)連接，空心剛體內(nèi)的上端設(shè)氣體收集管口(1)。開采方法包括以下步驟1)在海上建一個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，天然氣水合物就開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E21B43/00GK101555797SQ20091005932
公開日2009年10月14日 申請日期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 申請人:四川大學(xué)